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一、應用背景及必要性
1、煤堆自燃的現象
煤堆溫度檢測必要性
煤堆升溫現象和后果
煤炭在堆放過程中，與空氣中的氧氣發生反應，放出熱量。在煤堆的某些特殊位置，煤氧復合作用放出的熱量大于其向外部環境放出的熱量，煤的溫度就會逐漸升高，最終演化為大幅度熱值損耗乃至自燃。
煤場管理中,自熱、自燃現象普遍存在,煤堆自熱、自燃不僅浪費能源增加發電成本而且自燃產生的一氧化碳、二氧 化硫等有害氣體嚴重的污染環境。隨看堆場摻燒制度的不斷推廣和普及,堆場所使用的煤種、產地和來源越來越多,燃料管理工作越來越復雜,面臨諸多挑戰,其中煤堆發熱自燃現象越來越嚴重,傳統的人工煤溫巡檢和燒舊存新制度越來越不適應當前煤場現狀,無法有效遏制煤堆發熱自燃現象。
2、煤堆自燃的原因
煤堆自燃往往需要具備三個主要條件:一是煤質有自燃傾向,二是供氧條件好,三是散熱條件差。各種煤質的自燃能 力是不同的,有的很容易自燃,如褐煤、長焰煤等;有的不容易自燃,如貧煤、無煙煤等,另外,煤的含硫份和含水 分越高,氧化反應速度越快、放熱越多,煤越易自燃。煤堆發熱是氧化反應,所以煤堆自燃要求煤堆有一定的孔隙 率、通風條件好。煤堆的氧化反應放出熱量,如果散熱條件差,熱量積累會提升煤堆溫度,煤溫度越高氧化反應就越劇烈,兩方面相互影響,使得煤堆自燃過程加速。
根據以上煤堆自燃的原理和儲煤堆發生自燃的實際情況看,自然堆積(不壓實)條件下,可以將煤堆分為三層:（如上圖：A冷卻層 B氧化層 C窒息層）
(1) 冷卻層:
冷卻層處于煤堆的表層,約0.5至1.5米厚,該層與空氣接觸充分,雖然發生氧化反應,但是散熱條件好,熱量難以積累,所以自燃發生率低。
(2) 氧化層:
氧化層處于冷卻層以下,約1至4米厚,有一定供氧量,氧化反應發出的熱量難以散熱,不斷積累升溫,反過來促進氧化反應,容易發生自燃。
(3) 窒息層:
窒息息層位于氧化層以下,供氧不充足,無法發生自燃。
堆場往往會把煤堆壓實后儲存,導致孔隙率減小,煤堆氧化層的深度也相應減小,根據現場經驗,氧化層往往位于表層以下1米至4米深度范圍。從煤場實際情況看,煤堆自燃還表現出非常明顯的局部區域發性特點,原因有很多,比如某位置存在一些煤塊,導致該位置的供氧條件很好;或者某位置的煤在堆放過程中受潮,含水分較多。首先發生自熱的位置稱為“熱點”,熱點相比于煤堆的其它位置,首先滿足了自燃的條件,更早的開始發熱自燃,自燃一旦開始,煤溫就可以達到230度,此時熱點放熱速度很快,向四周傳導,感染本來還沒有發熱、還沒有滿足自燃條件的煤堆,促使它們開始升溫,并加速氧化反應,加速進入自燃狀態,如此循環,熱點的區域體積不斷擴大,不僅造成越來越大的損失,也因為體積太大而很難處理。這就是為什么當我們觀察到煤堆表面冒煙,再把煤堆翻開后發現無論是氧化層、冷卻層還是室息層都開始自燃的原因。綜上所述,我們預防煤堆自燃的關鍵就是盡早發現熱點,在熱點剛剛出現,感染的體積還比較小的時候,發現熱點,就采 取措施把禍患消滅掉,極大的減小了損耗,而且很容易處理。
二、監測方案
1、煤堆監控方案的主要設計原則是通過有效手段了解整個煤堆內部溫度情況。
現狀是：人工巡檢是現場為通行的作法,但是靠一兩個工人扛2米的溫度計巡邏根本達不到有效測量密度,熱電阻插入煤堆需要幾分鐘才可以測量準確,而且煤場很多地方行走不便,煤場環境惡劣,有斗輪機等大型設備作業,安排太多的人測溫也非常不安全;還有堆場使用紅外溫槍或熱成像設備,該類設備都只能測量表面溫度,煤堆自熱自燃主要從內部開始,所以達不到使用目的,導致選型失敗。所以現場明知防自熱自燃的重要性,卻無可奈何。
內蒙古德明電子科技有限公司設計的方案是利用插入式探桿，監測氧化層內的分層溫度變化受到供氧量和散熱條件的制約,煤堆自燃的發源點主要發生在煤堆側表面以內1米到4米深度范圍內。如圖(煤堆豎剖面)所示,首先觀察從煤堆斜面至以內1米深度范圍(即黑色實線至紅色虛線之間的區域),因為緊鄰空氣,煤的散熱量大于發熱量,所以煤自熱初期所發出的熱量,不能得到有效積累,不能導致溫度明顯升高,所以這個區域的煤很難自燃;觀察從煤堆斜面以內4米深度至煤堆中心的范圍(即黃色虛線至藍色虛線之間的區域),因為氧氣供應量太少,無法為煤發熱提供足夠的氧氣,所以很難自燃;觀察煤堆上表面(即灰色實線),因為通風量遠遠小于煤堆斜面,所以相對于煤堆斜面,它很不易發生自熱自燃;觀察煤堆下表面(即綠色實線),因為緊貼地面,供氧量不足,而難發生自燃;后,觀察從煤堆斜面以內1米深度至煤堆斜面以內4米深度范圍(即紅色虛線至黃色虛線之間的區域),這個區域的供氧量滿足煤發熱自燃的需要,并且散熱量不足以把煤發出的熱量及時發散到空氣中,熱量不斷積累,煤溫不斷加速升高,終導致嚴重的自燃,在該區域自燃后,大量的熱量不斷向煤堆中心和煤堆表面傳遞(即向藍色虛線和黑色實線方向),終形成我們從煤堆外面看到的冒汽冒煙等現象。所以,當我們觀察到煤堆表面某處冒汽冒煙時,并不是表皮首先發熱自燃,而是表面以內1米至4米區域經過一段時間的自燃,終把熱量傳遞出來,形成的結果。所以觀察表面發熱自燃只是治標,觀察表面以內1米至4米區域發熱自燃才是治本。綜合考慮溫度監測的有效性和實用性,我們往往選擇表面以內2米深度的區域作為監測區域。
2、測點高度的選擇
例如200米長度*50米寬度的條形煤堆,在150米長度處的煤堆左側斜面,斜面高度15米,那么觀察從0米到15米高度的這塊長條區域,該區域具有基本相同的供養氧件和散熱條件,所以更容易具有相似的煤的發熱情況,所以測量其中一點往往具有較強的代表性。考慮到無線測溫探頭在實際操作中的便捷性,和吹風方向通常由煤堆斜面的底部沿著煤堆斜面向上(導致煤堆斜面靠近底部的位置供氧量比較大),我們往往選擇從距離地面向上2米的高度,把探頭垂直插入煤堆斜面,插入深度在1米到4米之間。
3、測點位置的選擇
測點越密集,發現煤的發熱現象就越早,但是測量設備的購置和維護成本就越高;反之,測點太稀疏,等到發現自燃現象就太晚了,自燃感染的區域就太大了。綜合考慮,既不能讓自燃的感染區域太大,也不能使設備的購置和維護成本太高,我們往往選擇沿著煤堆斜面,間隔20米的距離,布置一支測溫探頭。考慮到很多煤場的儲煤有不同的來源、批次、煤質等差異,所以也可以采用每個批次插入至少一支探頭的策略,該測點就能比較好的反應該批次儲煤的發熱自燃情況。
4、特殊情況下的布置方法
每個煤場都具有地理、氣候、形狀、土建結構方面的個性,所以煤場負責人經過長期管理實踐,也會發現該煤場特有的發熱自燃現象,可以根據這些現象有針對性的布置測溫點。
內蒙古德明電子科技有限公司煤堆溫度在線自動監測系統介紹
根據要求,煤堆溫度超過60℃時高溫報警，并應迅速采取降溫措施,并進行,溫度超過80℃,高搞溫報警，并應及時采取降溫措施并開堆使用。發現煤堆超溫或自燃,必須采取對自燃煤噴水降濕、翻堆噴水等滅火措施。為防止煤堆自燃,確保煤場作業人員的人身安全,保證煤場設備的安全穩定運行,減少煤炭的損失,內蒙古德明電子科技有限公司開發一款智能型無線溫度遠程監測系統,較傳統的測溫設計方法,省時省力、可以做到24小時無人監測狀態,精度高且不受環境影響、性價比高等優點,目前已廣泛應用于各大煤場、堆場等煤堆溫度監測領域,因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證。
無線溫度探桿
尺寸: 1米-6米
內蒙古德明電子科技有限公司標準測溫探桿為2米(3個測溫點),如果有特殊需求通常有1米(2個測溫點)、2米(3個測溫點)、3米-6米(4個測溫點)根據客戶定制長度、多測溫點（18B20擴展）。測溫探桿外殼:304不銹鋼 溫度范圍:-55~125度 測溫精度:0.2度測溫分辨率:0.1度 供電:內置18650電池,可充電，可外掛電池
無線發射距離長達1000米,通過集中器網關直接傳輸到中央控制室。配置3G、4G、5G模塊時不受距離限制，可以通過電信部門網關直接傳輸到中控室。
采集網關
產品特色
采集網關屏蔽了各通信協議之間的差異。用戶無須了解 CAN 通信協議或者更為復雜的TCP/IP 協議，只需參照說明書中對相應寄存器的配置，就可實現不同接口之間的透明傳輸。在數據傳輸時，TG900 的各個串口以及 CAN 接口均被分配一個獨立的端口號，由串口或CAN 設備接收到的負載數據通過網絡接口發送出去；反之，本地主機或者遠程主機也可 以通過Internet 遠程并行訪問各個接口，實現了各接口間的數據透明傳輸。
協議轉換器支持 Modbus TCP 和 Modbus RTU 協議，各個 RS485 串口均可以配置為 Modbus 主站或 Modbus 從站，具備 Modbus 串口服務器的功能。各端口功能可靈活配置，性價比高，使用方便。
產品功能特點
采用嵌入式系統架構設計理念，32位精簡指令 ARM 處理器設計，豐富的存儲空間。通訊端口均采用全光電隔離設計，同時隔離信號線、電源、地，并具備雷擊和浪涌防護。TCP 傳輸支持虛擬串口和 Socket 編程兩種通訊方式 供電電源采用單、雙路（可選配）DC24V（DC9V-DC36V）熱備冗余設計，亦可采用單、雙路 AC220V 供電，保證系統穩定、可靠運行。通信速率快，用戶可配置，每一路均有獨立的數據指示 LED，CAN 通信速率 10K～1M，
默認 100K；RS232/485 通信速率 300～115200bps，默認值 38400；TCP 通信速率 10Mbps。
操作簡單：用戶無須了解各種通信協議的技術細節，只需參考手冊提供的應用實例，完成
相應寄存器的配置即可以實現連接通信，不需要復雜的編程。運行環境：溫度:-25-70℃，濕度:5% - 95% RH，無凝露。通過配置不同的無線或者有線模塊實現最大1024只探桿的采集和網絡傳送。
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