胶带机走廊火灾监测系统设计

2015-11-05刘恩鹏

中国科技信息 2015年6期

关键词：差率胶带机托辊

刘恩鹏

中煤科工集团南京设计研究院有限公司

胶带机走廊火灾监测系统设计

刘恩鹏

中煤科工集团南京设计研究院有限公司

刘恩鹏（1986-）山东日照人，工程师，2012年毕业于中国矿业大学控制理论与控制工程专业，长期从事煤矿设备自动控制设计与研究工作。

本文以胶带机走廊火灾隐患为研究对象，分析了胶带机运输系统中胶带打滑、托辊卡死等火灾隐患的成因。结合非接触式速度传感器、分布式光纤温度传感器等检测技术，设计了一套胶带机走廊火灾检测系统，实现了胶带机走廊火灾隐患预测、报警。系统在应用中运行稳定、可靠，取得了良好的效果。

概述

胶带机走廊是煤矿易发火灾区域，其火灾预防是煤矿火灾防治的主要组成部分。其危害大，且烟气扩散会导致重大人员伤亡，甚至诱发瓦斯爆炸造成重大事故。据矿业部门统计，胶带机走廊火灾事故约占工矿火灾事故的20%。所以胶带机走廊火灾检测系统的设计显得非常重要。

胶带机走廊火灾的起因

滚筒打滑

正常运行条件下，胶带相对于滚筒表面的滑差率一般在3%以内。发生打滑故障时，胶带与滚筒表面的相对滑动会加大。两者持续摩擦，并产生大量热量，若不能及时排除，胶带可能会因达到着火温度而燃烧。

表1　胶带着火温度试验

根据胶带打滑测试，胶带打滑持续40min，滚筒表面温度将达到320℃左右，胶带开始冒烟。由表1可见，胶带在持续打滑故障中容易发生火灾事故。

托辊停转

煤炭运输与转载的过程中会产生大量的粉尘。粉尘会不断地吸附到托辊上，积攒到一定量将造成托辊卡死。在托辊卡死的情况下，胶带以2～3m/s的速度摩擦托辊。托辊因此不断受到摩擦而升温，从而成为胶带火灾的隐患。

胶带机重载启动

胶带机重载时，若驱动滚筒与胶带之间的摩擦力不足以驱动胶带运行，胶带将发生打滑故障。驱动滚筒转动并持续摩擦同一段胶带，时间过长将引发胶带火灾。

外界火源

除了上述胶带机自身原因引发的火灾外，外界意外火源也是胶带着火的重要原因，譬如明火、电火花等。

胶带机火灾监测技术

滚筒打滑的监测方法

预防滚筒打滑导致火灾的监控方法有：a.滚筒表面温度直接测量法；b.胶带相对与滚筒表面的滑差率指标法。前者较为直观，能直接反应滚筒温度。但是滚筒是旋转体且直径较大，这给温度测量装置安装带来很大困难。后者通过滑差率（胶带与滚筒表面）预测是否发生胶带打滑故障。该方法能及时检测到打滑故障，从根本上避免胶带因持续摩擦升温的可能。

（1）驱动滚筒打滑检测方法

由于电动机的转速是恒定的值，所以驱动滚筒的转速也是确定的，且与胶带打滑故障无关。故只需要检测胶带的运行速度，并将其与滚筒表面的线速度相比较便可以确定滑差率。通过滑差率的值来预测打滑故障是否发生。

据带式输送机工程设计规范，通常工况条件下，若滑差率≥8%，系统应发出报警信号；若滑差率≥8%及运行时间≥20s或滑差率≥12%及运行时间≥5s，系统应发出停机信号。其中长距离胶带在胶带机启动、稳定运行、制动的全过程中都应有速度检测。

（2）从动滚筒打滑检测方法

从动滚筒打滑故障的预测也借助于滑差率来实现。与驱动滚筒不同，从动滚筒是在胶带摩擦力的作用下转动。其转动线速度的大小与胶带的张力、速度等有直接关系，而非确定的值。因此，滑差率的确定需分别检测从动滚筒表面线速度与胶带运行速度。

非接触式磁性速度传感器在测量各种带齿轮圆盘的叶轮、轴、齿轮的角速度及线速度中已获得广泛应用。该传感器内部带有整形电路。工作原理图如图1所示，被测量的转动轴上安装齿轮，调整传感器探头端部与齿顶的间隙S为1mm左右。齿轮在转动轴的带动下旋转运动，齿顶和齿隙不断交替地掠过传感器的探头端部。因此，在恒磁势作用下，磁路的磁阻往复变化，产生感应电动势。感应电动势的频率为：

当齿数为60时，被测轴每分钟的转数与感应电势的频率相等，该传感器输出波形为脉冲方波，可输入到可编程控制器PLC等控制中心。

托辊打滑的检测技术

由于胶带机比较长，托辊数量众多，所以电信号为基础的温度传感器很难完成长距离、多测量点的检测任务。分布式温度传感器能够胜任这项任务。分布式温度传感器测量部位主要是光纤，比电信号测量装置更适用于易燃易爆物质的运输环境。一根光纤具有上公里的温度测量范围，较电信号测量技术节省了大量的电缆成本且易安装和维护。

图1　非接触式磁性速度传感器工作结构图

图2　分布式光纤温度测量原理图

分布式光纤温度传感系统的测量基础是光纤拉曼（Raman）散射现象。激光器光源发射的高功率窄光脉冲与光纤分子相互作用，发生散射现象，散射光的主要类型包括瑞利（Rayleigh）散射、布里渊（Brillouin）散射和拉曼散射等。其中拉曼散射是与光纤分子的热振动相关联，对温度有敏感，具有温度测量意义。在光纤中散射信号是连续的，通过使用高速信号采集技术测量入射光和拉曼散射光之间的时间间隔，可得到拉曼散射光发生的位置。由于拉曼散射光对温度敏感，所以可以沿着光纤测量到相应的温度分布。分布式光纤测量温度原理图如图2所示。

重载启动保护

通过启动时间和胶带的运行速度的逻辑关系实现重载启动条件下胶带打滑保护。譬如胶带机在20s内完成启动，但是胶带运行速度仍小于额定的运行速度的90%，可认为胶带在重载条件下启动时发生打滑现象，并应停机。

外界火源的监测方法

在胶带机走廊的两端等火灾易发区域的下风侧安装烟雾传感器。通过该类传感器实现对外界火源引起的环境变化进行连续检测。

火灾检测系统实现

胶带速度传感器的滚轮安装在距离胶带输送机机头较近处的回程带上面，由胶带摩擦驱动滚轮转动，进而带动传感器齿轮转动。从动滚筒的转动部件直接驱动传感器齿轮转动。速度传感器在某项目中应用安装实物图如图3、图4。传感器测量范围0～10m/s，工作电流不大于50mA，输出方式：频率输出f=100×V，CAN总线输出Vout=25×V（V为胶带速度，m/s，Vout为传感器输出数值）。该检测装置运行稳定、可靠，能够实时准确地反映胶带运行速度，保证了胶带运输机的正常运转，效果良好。

图3　胶带运行速度检测实物

图4　从动轮转速检测实物

图5　胶带传输线托辊温度检测

测温光纤在某胶带传输物料项目中应用，如图5所示。测温光纤采用两根62.5/125µm的多模光纤。测量距离4km且分辨率1.5m，感温范围-190℃～460℃且精度±1℃，完整测量时间15s。该检测装置能够实时准确地反映出胶带沿线温度，并较准确的预警了胶带托辊卡死故障，延长了胶带的使用寿命，保证了胶带运输机的正常运转，效果良好。