火电厂储煤筒仓综合安全监控系统硬件设计论文.docx
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火电厂储煤筒仓综合安全监控系统硬件设计论文
毕业设计(论文)
题目火电厂储煤筒仓综合安全监控系统
硬件设计
院系
机械工程系
专业班级
学生姓名
指导教师
火电厂储煤筒仓综合安全监控系统硬件设计
摘要
在火力发电厂、煤炭转运站等一些地方,煤炭存储已经成为其燃料管理控制的一个重要环节。
然而由于没有安装安全监测系统的筒仓内的环境状况无法知道,经常发生毒气如CO等,可燃气体如CH4等含量过多,致使国内的储煤筒仓因为种种原因发生多次着火,甚至有筒仓发生爆炸的情况,而且筒仓一旦着火,很难将其在短时间内扑灭,并会造成人员伤亡和财产损失,所以筒仓安全保护装置的重要性也就越来越突出。
鉴于此本文研究设计了一种储煤筒仓安全监测与控制系统,并在此基础上介绍和设计了筒仓安全监测的相关参数的测量,希望可以有效地改变储煤筒仓使用管理中存在的一些问题。
文中主要设计了一种基于MSP430单片机的储煤筒仓安全监测系统,选择筒仓内部及筒仓壁的温度监测时的温度传感器型号,以及设计其安装位置、保护措施,并对筒仓中的可燃气体浓度、CO浓度、烟雾等参数进行监测,最后实物模拟了筒仓壁测温的过程,实时显示测量的温度并且拥有报警装置。
论文最后给出了总结以及未来工作方向的展望。
关键词:
MSP430单片机;传感器;储煤筒仓;安全监测
HARDWAREDESIGNFORSAFETYMONITORINGSYSTEMFORCOAL-FIREDPOWERPLANTCOALSTORAGESILO
Abstract
Inthermalpowerplants,transferstationsandotherplacesofcoal,coalstoragehasbecomeanimportantpartofitsfuelmanagementcontrol.However,duetoenvironmentalhealthsafetymonitoringsystemisnotinstalledinsidethesilocannotknow,asoftenhappenstoomuchgassuchasCO,CH4andothercombustiblegasessuchascontent,resultingindomesticcoalstoragesilofireoccurredmanytimesforvariousreasons,evensiloexplosionhappened,andsilosonceignited,itisdifficulttoextinguishinashorttime,andwillcausecasualtiesandpropertylosses,sotheimportanceofthesilosafetydevicesismoreandmoreprominent.Inviewofthispaperstudiesthedesignofacoalstoragesilosafetymonitoringandcontrolsystem,anddescribesthedesignandmeasurementofsilosafetymonitoringofrelevantparametersonthebasisofhopethatcaneffectivelychangetheuseofcoalstoragesilomanagementinsomeoftheproblems.
ThispapermainlydesignedCoalSiloSafetyMonitoringSystemBasedonMSP430chooseinternalsilosandsilowalltemperaturemonitoringwhenatemperaturesensormodels,aswellasitsdesignmountingposition,protectivemeasures,andsiloscombustiblegasconcentration,COconcentration,theconcentrationofdust,smokeandotherparametersforselectionofdesignmonitoringandcontroldevice,andfinallythesilowalltemperaturesimulatephysicalprocesses,real-timedisplayoftemperaturemeasurementsandhasanalarmsystem.Finally,asummaryandfutureworkdirections.
Keywords:
MSP430Microcontroller;Sensor;CoalStorageSilo;SafetyMonitoring
1绪论
在火力发电厂、焦化厂、钢铁厂、港口、煤炭转运站等场所,为了保证日常生产的正常运行,都需要储存大量的煤炭。
然而以前这些场所的煤炭都堆放在露天煤场上,这种储存方式往往会造成环境污染、煤炭损失、煤质下降、占地面积大、以及含水量增加、煤炭冻结等现象,影响工厂日常正常生产。
而且随着我国城市规模的不断扩展,城市用电量和相关产品类需求的增加,导致以前一些位于郊区的用煤工厂和企业相对于以前更近于城市,有的甚至位于城市腹地,故原有的露天储煤场也已成为市区环境的主要污染源[1]。
所以,为了保证生产正常、保护环境等,必须采取新型的储煤方式。
而采用筒仓储煤后可以做到最大程度的环保和节能效果,同时作业生产效率也得到大大提高。
1.1国内外研究基本现状
在我国国内传统的煤炭储存管理过程中,煤炭一般都是露天堆放的,但是这很容易造成大风扬尘和堆料取料过程中的二次扬尘污染,和暴雨条件下煤炭流失、煤炭水分不稳定、污染环境、煤质下降、占地面积大以及冻结等问题[2],我国南方雨水较多的地方的电厂采用随后出现的半开放式煤场储煤,而采用封闭式储煤工艺堆存煤炭,作业效率较高,环境污染少,系统调度灵活,在煤厂、煤炭装卸港口、大型燃煤电厂等领域也得到认可并已推广应用。
目前,国内常见的封闭式储煤场主要有圆形煤场、封闭式条形煤场、矩形封闭煤场、圆筒仓并列群仓等。
并且随着社会对工厂和企业燃料管理水平和环保要求的不断提高提高,圆筒仓或圆筒仓并列群仓以及大型全封闭圆形煤场等新兴储煤技术逐渐被广泛使用到火电厂等一些污染度较高的工厂[3]。
目前,国内各地的煤化工、火力发电厂等企业应用筒仓储煤的情况较多。
而且国内大多数电厂均用筒仓代替了原来的露天堆放的储煤方法。
但是,使用筒仓储煤也会产生新的危险因素,有资料显示,筒仓的安全问题并没有引起足够的重视,很多筒仓只设置了简单的防爆措施,用以排放筒仓爆炸时所产生的冲击,以减少事故损失[4]。
然而国内筒仓储煤已多次发生着火,甚至有筒仓发生爆炸的情况,造成人员伤亡和财产损失,通常没有安装安全监测系统的筒仓内的环境状况无法知道,而且经常发生由于毒气含量过多,造成筒仓爆炸和人员伤亡的情况[5,6]。
所以筒仓保护装置的重要性也就越来越突出。
国内煤场监测监控主要有2种方式:
一、传统的有线传输方式,即监测系统各个部分的信号采集、通信、控制均通过线缆完成,然而煤场现场环境复杂并且煤场距离总控制室较远,故有线传输方式安装布线复杂,工作量大,耗时长,成本高;二、多点插入传感器方式,即随时根据煤场环境的变化进行接触式手动检测方式,然而由于煤升温时放出的CO对人体有害,且煤场的煤需要经常使用和填补,每次的改变就需要重复安插温度传感器,而这种检测方式容易对运行操作人员安全和健康容易造成威胁并且耗费大量时间和财力[7]。
以上两种监测方法都不能非常满足国内筒仓现有的安全监测要求,因此,本文在此基础上设计了新型的筒仓安全监测系统,能全面监测煤炭温度、有毒有害和可燃气体、筒仓料位等相关信息,能及时向中央控制室操作人员提供报警信号和筒仓相关信息。
1.2设计目的及意义
一般来说,煤炭长期存放筒仓将会使煤的温度升高。
而且因为储煤的导热系数相对而言较小,热量向四周扩散速度较慢,所以随着时间的积累,热量聚集在筒仓煤堆内使煤堆内部温度不断升高,当温度达到煤的燃点时,煤就发生自燃,而且随着温度的升高,煤的氧化速度也在不断的加快[8]。
与此同时,生成的热量、一氧化碳CO、烟雾也在迅速增加,当温度、可燃气体浓度等物质达到一定的数值后,极易发生自燃,甚至火灾、爆炸等重大事故。
而筒仓一旦发生火灾,很难扑灭,爆炸也很容易造成人员伤亡和财产损失,所以,加强预防是关键[9]。
因此为了防止事故的发生,非常有必要对筒仓中的储煤温度、可燃气体浓度、CO浓度、粉尘浓度、烟雾等参数进行监测和自动控制,并针对出现的异常情况采取正确及时的应对方案和补救措施,以保证筒仓的安全运行。
本文主要是为了研究开发储煤筒仓安全监测与控制系统,希望可以有效地改变目前储煤筒仓使用管理中存在的问题,减少事故的发生。
1.3本文主要设计内容
本次设计任务主要是完成对筒仓安全监测的硬件平台方案设计,即对筒仓中的储煤温度、可燃气体浓度、CO浓度、烟雾等参数进行监测,并完成了对筒仓储煤温度、料位高度以及气体监测的详细设计,包括储煤筒仓周壁测温装置防砸的结构设计,以及设计完成对筒仓煤内部温度各个断面的测量方案。
以上各个监测系统之间既相互独立又互相联系,然后通过控制系统将他们无缝连接到一起,实现对筒仓内的温度、气体、料位高度、烟雾等的实时监测,为筒仓煤炭的储存和安全生产运行提供了保障。
最后还利用MSP430单片机和温度传感器实物模拟了筒仓壁温度监测系统。
2筒仓储煤温度的安全监控系统设计
2.1筒仓储煤温度监控原因
本次设计是基于一个筒仓直径为40m,高约43m,储煤量约为3万吨,能够防雨雪、防流失、防自燃,可有效保证煤炭成分和湿度稳定的储煤筒仓的安全监测系统设计,并对筒仓安全监测系统中最能反应其内部情况的几种重要的监测参数进行设计并正确安装其传感器元件,且该种筒仓采用了双环缝进的出料系统也是国内外同型号筒仓中的领先水平。
使其在筒仓安全运行过程中:
进出料均匀、流畅、连续并且不堵煤,不起拱,储煤对筒仓壁没有不均匀的压力等特性,保证了筒仓可以安全运行的基础[10]。
筒仓内是否会发生自燃与爆炸取决于筒仓内储煤温度及其空间温度的高低,因此筒仓温度监测是筒仓安全监测系统中的重要组成部分。
从煤的自燃原理可以知道,煤的自燃需要有氧气的存在。
而在整个相对密封的筒仓里除了煤自然堆积的上表面接触氧气较多之外,自然堆积煤的过程中粒度相对较大的煤往往会向四周滑落,导致靠近筒仓壁的储煤由于间隙相对较大,与氧气接触的可能性也大大提高,故属与易燃区域。
另外,在煤靠近筒仓锥部出料口的地方,由于煤与锥壁之间相互碰撞摩擦比较多并且也处于氧气含量充足的环境,因此在筒仓锥部也属于易燃区域[11]。
所以,对筒仓温度的监测首先要对筒仓壁的温度进行监测。
由于储煤粒度的差异,当煤落向筒仓时会发生离析,颗粒大的回流向落料点的外侧,而颗粒小的如粉末等则会集中于落料点中心。
这样就形成了筒仓外侧物料密度小,而中心处物料密度大的情况。
并且在煤的存储过程中不可避免地发生氧化反应而使煤发热,且由于筒仓壁处的物料密度小,热量相对易于散发,而中心部位的物料密度大,热量不易散出,使得筒仓中心部位物料温度普遍高于筒仓壁处物料温度[12]。
因此对筒仓内储煤温度的监测不仅要监测筒仓壁处的温度,更要监测筒仓中心处的温度,这样才能全面地了解筒仓内储煤的温度。
而且筒仓中心和筒仓壁的温度变化值会随着煤炭种类、储煤颗粒度大小以及储存的时间长短等因素的变化而变化,没有相对固定的关系值。
所以,对筒仓温度的监测也要对筒仓中心内部的温度进行监测。
综上所述,故此对筒仓储煤温度的监测分为筒仓周壁测温和筒仓内部测温。
煤堆在20~60℃时与空气接触,会被氧化生成不稳定的氧化物,此时煤的氧化过程平稳而缓慢,氧化放热量很少,有微量的CO释放出。
如果储煤温度继续上升,假设从60℃上升至80℃,煤的氧化速度会加快,煤中不稳定的氧化物就会开始分解成水,且释放出等CH4、CO等气体,并且伴随着氧化释放出大量的热量。
氧化产生的热量也会使煤温继续升高,达到临界点(约80℃),此阶段耗氧量明显增加,产生的CO也随温度上升而逐渐增加。
当煤温超过临界温度80℃后,煤的氧化反应速率加快,并且随着煤温的不断升高,就会开始出现煤的干馏,生成可燃气体如氢和CO等[13]。
当环境条件能继续维持煤氧化自热进行时,则会使煤温上升到煤的着火点而导致自燃,甚至发生爆炸。
因此,报警值选择70℃作为临界点,可以满足及时发现警报以及安全处理自然问题的时间差,有效防止煤的进一步自燃,防止发生更大的安全事故。
对于温度的监测,必然会使用到温度传感器。
然而随着社会的不断发展,各种技术不断精进,温度传感器也朝着高精度、高可靠性、多功能和总线标准化以及超高的安全性方面发展。
目前市面上主要有单点和多点两种测温仪器。
对于单点测温,主要采用传统的模拟集成温度传感器,其中又以热电偶、热电阻等传感器的测量精度最高,并且测量范围大,应用广泛;对于多点温度测量,相对于单点测温测量精度有一定的差距,虽然实现了多路温度的测控,但价格却昂贵。
综上,在本课题中,以PT100热电阻为筒仓壁温度监测元件,设计一个对单点温度实时监测的系统,并做出实物验证其可行性。
以DS18B20数字温度传感器为筒仓内部温度监测元件,设计一个对多点温度实时监测的系统。
2.2筒仓周壁温度监控详细设计
对于筒仓壁的测温,主要有2种测量方法,第一:
采用热电阻法,即从筒仓的不同部位将热电阻插入煤中进行测量,但这样会在煤炭存储过程中对温度探头造成损坏。
第二:
即红外线测温,虽然解决了前面测量方法的缺陷,但是却只能监测到煤炭的表面温度,其也有一定的缺陷[14]。
最终,选择第一种方法,采用热电阻法对仓壁进行测温,且通过对筒仓壁测温点的防砸结构的设计,解决了煤炭存储过程中测温探头会损坏的问题。
热电阻采用pt100,其主要用于工业过程中温度参数的测量和控制。
测温范围为:
-250℃~+850℃,允许偏差值(℃)为A级(0.15+0.002|t|)、B级±(0.30-0.005|t|);允许通过的电流≤5mA,且其还有抗振动、准确度高、稳定性好、耐高压,由于其在0-100℃时其铂热电阻线性好等特点,故近似表达式为Rt=100*(1+At),其中A=0.00390802。
另外为了保证温度传感器的测量精度,pt100温度传感器一般采用三线式接法,因为采用三线制可以消除连接导线电阻引起的测量误差,使测量更加精准。
接线如图2-1所示,当R1*(Rx+r2+r3)=R2*(Rpt100+r2+r1)时,电桥平衡,U=0;当Rpt100受温度变化时,电桥不平衡,U≠0。
图2-1PT100温度传感器三线式接法
实时测量筒仓周壁储煤的温度以及自然点、易燃点,可以防止筒仓发生煤炭自然现象。
分析可以知道,进料点发生自燃的现象比较小,故可以不检测,在筒仓圆柱体大致在储煤段中部处设置一圈温度监测点,根据煤的品质和粒度决定监测点数,易挥发、粒度值较小的煤,可适当选取大值,反之取小值[15]。
在圆柱体靠近锥部出料口的地方设置一圈温度监测点,因为此处是储煤摩擦挤压较多且容易形成热量堆积的区域,理论上为了反映此时煤温度实际情况,应该放置在锥部靠近圆柱体的地方,但为了便于工程中测温元件的选型、安装以及检修方便,将测量点适当上移并将测温元件报警值作适当调整,使之安装方便并且具有可操作性[16]。
出料口温度监测数量可根据其结构形式确定。
筒仓底部为缝式出料口,即可在出料口的长边的两侧各设置一个监测点。
综上所述,每个筒仓可以配置26只温度传感器,且温度传感器采用铠装式结构。
其中,4只在锥面标高6米处,4只在锥面标高15米处,8只在外环面标高24米处和8只在外环面标高33米处。
测温范围应达到-20℃~+180℃,误差范围应不超过±(0.3+0.0005t)(t—为实际测得温度数值)。
并且铂电阻外壳由不锈钢制成,外径大约为16mm,为了保证温度传感器插入筒仓后不被落煤砸坏或者磨损,传感器被安装在不锈钢套件内,保护其不被砸坏或者磨损,并且套管伸入筒仓内长度大约150mm左右,且每个温度传感器配带放大器以及变送器,输出为0-5v(输出信号可以自己设计,本文中采用MSP430单片机,因为AD接口只能接受电压信号,所以设计温度变送器输出为电压信号),信号线段采用远程端子;并且配备智能温度巡检报警装备,报警温度上限为70℃[17],报警温度上限可以通过程序调节。
2.2筒仓内部温度监控的详细设计
筒仓内部各个端面温度的测量不但是筒仓监测最重要的参数之一,也是最难测量的参数。
现有的用来实际监测温度的温度传感器如热电阻、热电偶型都是接触型,它们只能监测到探头接触到的物体的表面温度,另一种红外测温仪虽然可以间隔一定距离测量,但也只能测量煤堆表面温度,煤堆内部各个端面的温度很难测量。
而且煤的自燃主要是靠筒仓内部的煤炭氧化发热造成,外加煤的导热性较差,热量不容易扩散出去,导致筒仓内部温度过高,而筒仓外部储煤由于靠近筒壁,所以散热较快,温度比内部低。
当热电阻测量的筒仓内壁附近温度达到一定温度时,其内部温度可能已经超过了报警值,而且由于筒仓情况复杂很难推算出煤仓内部的温度[18]。
为了解决这个问题,本章中设计了一种较为科学的多点测温电缆,使得测量的温度能够真实地反映筒仓内的温度情况。
测温电缆,顾名思义就是可以对整个测量区域内的温度的变化进行实时监控,而且可以知道温度随时间的变化情况,测得的温度也是该区域内的最高温度。
测温电缆主要分为两种,模拟式和数字式。
模拟式测温电缆即测温电缆中所包含的传感器输出为模拟信号,数字式即其传感器输出为数字信号[19-22]。
本设计为筒仓内部各个端面温度的监测,采用数字式测温电缆,基于DS18B20一线总线式数字温度传感器测温电缆且所有测点均密封于线缆内部。
其具有独特的温度探测功能,完全和目前现有的温度传感器不同,利用寻址的方式,能够不断的识别电缆上不同位置的温度,还能监测到温度变化的速率和幅度,而且能确定温度变化的地点。
可以准确的测出筒仓内部各个端面温度。
DS18B20因为器件不但体积小,而且集成度高,元件线性度也比较好(在0~100℃时,最大线性偏差小于1℃),自带A/D转换功能,更重要是其低功耗,符合现代工业的发展要求。
DS18B20温度传感器的引脚如图2-2所示。
图2-2DS18B20温度传感器引脚图
DS18B20内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是:
开始8位(28H)是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码。
光刻ROM的作用使每一个DS18B20都各不相同。
这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的[23]。
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,并且输出为数字信号。
其内部结构如图2-3所示。
图2-3DS18B20内部结构图
为了实时监控筒仓内煤层各个断面的温度,在每个筒仓中设置4套煤层测温电缆装置,外部缠绕不锈钢钢丝绳,以防止煤炭对测温元件的冲击磨损。
因为每个DS18B20器件都有一个唯一的64bitROM地址,通过相关通信协议就能识别这些序列号,这样多个DS18B20可以挂接在同一条单总线上,构成多点温度采集网络。
而且由于DS18B20具有“单总线”的技术特点,因此具有两种不同的方式连接单片机,单端口并联连接(所有DS18B20均连接在同一条总线上,然后再连接到单片机的某个I/O端口。
这种连接方式具有硬件开销小的优点,理论上一根总线可以挂接256个DS18B20,但若连接的数字传感器数量较多,单片机需要花较多的时间才能获得每个传感器的序列号,会降低系统的实时性,使用这种连接方式会使编程变得非常复杂难懂。
)和多端口并行连接(即每一个DS18B20单独占用单片机某个I/O端口。
这种并行连接方式使得单片机能够同时对所有的传感器进行并行操作,同一时间能实现多个输入输出,实现对温度数据的快速读取,从而提高了系统的实时性,同时软件编程也变得简单,缩短了项目的开发周期。
)根据温度监测要求,设计一个结合单端口并联连接和多端口并行连接的系统,即每个I/O口连接1根测温电缆,DS18B20芯片的DQ端和采集模块的DQ端口相连。
该测温电缆有许多特点和优点,如图表2-1所示。
表2-1测温电缆特点
特点
1
提供二次开发通讯协议,便于二次开发
2
传感器采集方式为总线式布线,接线简单方便灵活
3
具有传感器搜索功能,可自动识别传感器ID
4
可以在线读出传感器64位唯一序列号
5
可与组态王、PLC、单片机等联机使用连接
温度采集模块可以安装在每个筒仓温度监测系统的控制柜里,并将现场采集到的各点温度值实时传送给上位机。
在控制程序中设置报警显示,当系统监测到某点的温度超过70℃时,发出报警信息,运行操作员根据报警的信息决定是否需要启动相关操作降低煤炭内部温度,防止煤炭继续升温造成爆炸等影响。
该测温电缆垂直吊装在筒仓顶部,伸入筒仓煤层内部,每根测温钢缆的长度为35m,实际测温点布置范围在0~30m间,共设置不少于6个测温点,测温点布置位置分别为L1=8m,L2=13m,L3=21m,L4=26m,L5=31m。
温度感应范围在5m内,测温范围达到0℃~+200℃。
但由于缆式传感器置于煤堆内部,受到煤的压力较大,特别是在卸料的过程中压力会产生巨大的拉力,因此,对筒仓顶板结构和传感器的材料提出了很高的要求。
如图2-4所示,为测温电缆的安装示意图,可以防止测温电缆在煤炭下料过程中受力过大而断裂。
图2-4测温电缆的安装示意图
图2-4测温电缆安装示意图
2.3筒仓壁周壁测温防砸结构设计
周壁测温温度传感器需设有足够强度、刚度和耐磨性能的防护套管,温度探头的保护外壳可采用不锈钢制作,而且防护套管和传感器均无法取出更换。
温度传感器的安装应注意3点:
选择正确的传感器安装角度和插入的深度,一般温度传感器与筒仓壁在顺着煤流方向时成45°角;
温度传感器插入筒仓深约150mm,这样可以防止温度传感器与煤流因直接碰撞或者受到冲击而导致防护套管变形、传感器失效;
安装一个角钢,防止煤炭落下时直接撞击传感器,让其有一个缓冲的过程。
其安装如图2-5所示。
图2-5筒仓周壁测温防砸结构示意图
3筒仓气体、料位高度安全监控系统设计
3.1可燃气体的监测
可燃气体包括:
氧气、CO、CH4等,他们的存在是筒仓发生爆炸事故的一大因素,煤炭在筒仓存储过程中,如CO、CH4会从煤炭中逸出(逸出速度及数量不但与煤炭种类有关外,还与筒仓内煤的温度及贮存时间的长短有关),分布在筒仓内部,因为这些可燃气体密度都比空气小,故漂浮在筒仓顶部,因此用来监测这些气体质量浓度的装置应该安置在筒仓顶部。
但是因为在筒仓
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