基于激光对射原理的新型防皮带漫煤装置研发

基于激光对射原理的新型防皮带漫煤装置研发

韩 林  

（江苏射阳港发电有限责任公司，江苏 盐城 224300）

摘要：输煤系统是火力发电厂重要的辅助系统，承担发电机组燃料的接卸和供给职能，输煤皮带机又是输煤系统设备中的主要设备之一，因此其安全可靠的运行状态不仅关系到输煤系统整体的安全性、经济性、环保性，还直接影响到火力发电机组的正常运行。本文针对因煤炭潮湿、堵煤装置报警失效等多种实际存在的问题造成皮带堵煤引发的大量漫煤，皮带断裂等不安全情况，提出了一种基于激光对射原理的新型防皮带漫煤装置，并对其进行了深入的研究和实验验证。该装置通过激光对射传感器实时监测输煤皮带回程段表面有物料附带和堆积时，激光传感器信号中断，检测系统中继电器及时动作，动作信号传输到输煤系统集控DCS中，立即执行皮带机停止运行指令，保证设备安全。实验结果表明，本研究详细阐述了装置的工作原理 、系统设计、实验验证以及应用效果，该装置具有检测速度快、报警准确、动作可靠、投入成本低、能够大幅降低运行人员的监盘强度等优点。

关键词：输煤系统；输煤皮带机；激光对射原理；物料检测装置；报警准确；劳动强度

1、引言

1.1输煤皮带机堵煤的原因分析。

1.1.1直接主要原因是煤炭的物理性质决定的，如潮湿，粘性大，流动性差，造成落煤筒内表面物料粘结，通过面积缩小，最终发生堵塞。

1.1.2次要原因是输煤系统配置的堵煤装置报警失效。失效的原因主要存在三个方面：一是堵煤装置本身故障，不能正确动作；二是堵煤装置安装位置不合理，系统堵煤时，装置本身触接不到堵塞感应；三是运行人员未定期清理落煤筒内粘煤，使煤流通道变窄，造成堵煤。

1.1.3其他原因有煤炭中存在的杂物，如大块、编织袋等，在落煤筒中形成“搭桥”的堵塞。

1.2输煤皮带堵煤的危害分析

在输煤系统正常运行过程中，一旦因为上述原因引发堵煤，而堵煤装置未及时动作的情况下，物料将从皮带头部迅速漫出，堆积在皮带头部并抛落到运行中的皮带回程带面上，并向着皮带机运行的反方向沿路扩散，抛洒，直至带到皮带重锤拉紧装置小室。

在当前火力发电厂主力机型660MW及1000MW输煤系统中配置的输煤皮带机主要参数在皮带带宽1.4-1.8米，带速2.5-3.5米/秒，出力在1500-3600吨/小时，由此推算出，每推迟1秒钟报警动作停机造成的漫煤达0.41-1吨/秒。在运行人员及时发现异常，果断采取停机的情况下，完成操作需要1-3秒的时间，按此计算最大漫煤量在1.2-3吨之间，在实际工作中运行人员很难在3秒的时间作出反应措施。某电厂输煤系统曾发生过因煤筒堵塞漫煤长达180秒，最终造成皮带机头部滚筒处胶带直接磨损熔化断裂。

1.3主要存在的危害情况

1.3.1对输煤系统稳定性的影响

堵煤会导致输煤皮带机的运行不稳定，使得煤炭的输送速度和质量受到严重影响。同时，堵煤还可能导致整个输煤系统的运行效率降低，影响煤炭生产的连续性。

1.3.2对设备安全的威胁

堵煤现象会加剧输煤皮带机的磨损和损坏，缩短设备的使用寿命。此外，堵煤还可能引发皮带跑偏、撕裂、断裂等故障，甚至导致电机过载、传动滚筒打滑等恶劣事故，对设备安全构成严重威胁。

1.3.3对生产效率的影响

堵煤现象会导致煤炭的输送量减少，使得煤炭输送的进度受到影响。同时，清理堵煤和修复设备的工作也会消耗大量时间和人力物力，进一步降低生产效率。

2、激光对射传感器的结构、原理及工业应用分析

   2.1激光对射装置的基本结构：

激光对射传感器由激光发射器、接收器、信号处理器等三部分组成。

    2.2 激光对射传感器的工作原理

    激光对射传感器的工作原理是基于时间测量原理。当激光光束射向被物体时，光线会被物体表面或散射，接收器接收到反射光线后，将光信号转换成电信号，并传送给信号处理器。

激光发射器向目标发射激光束，激光接收器接收目标反射回来的激光束，并将其转化为电信号，信号处理电路对电信号进行处理和分析，判断目标的存在与否，并输出相应的控制信号。

图1防漫煤装置原理图

2.3激光对射传感器的工业应用分析

    因激光对射传感器具有检测距离长、响应时间短、精度高、可靠性高不受环境光和温度干扰等优点。其测量精度可达到亚毫米级别，测量速度可达到每秒数百次。因其显著的优点，激光对射装置已经广泛应用于自动化控制、工业生产、安全检测等领域。

3、新型防皮带漫煤装置的研发思路

通过本文对火力发电厂输煤皮带堵煤的原因分析和危害分析，结合多年的实际工作经验以及对各类因漫煤引发设备损坏事故的分析得出如下结论：各种原因造成输煤系统堵煤是漫煤 初始阶段，此阶段尚未造成不安全的后果；因堵煤装置失效、运行人员不能及时发现和采取停运措施等原因是漫煤不安全事故的扩展阶段，此阶段是造成设备损坏的发展阶段；在设备未及时停运情况下持续堵煤，造成皮带落煤筒头部漫出，并通过皮带回程面迅速扩散，堆积是事故的恶化阶段。恶化的原因是因为大量的煤漫出，堆积，散落到皮带回程面上并扩散到胶带与驱动滚筒的摩擦面之间、清扫器之间、重锤拉紧装置之间，物料挤塞空间，阻碍皮带运转，最终发生设备损坏事故。所以，只要能在皮带回程带面上及时发现物料，阻止物料扩散是防范和遏制事故发生的关键阶段，检测装置在此阶段能够及时发出信号并执行停止命令就能保证设备安全，控制事故扩大。

结论：只要在输煤皮带机回程带面的合适位置上布置激光对射检测装置，再将激光对射装置控制系统接入皮带机集中控制的DCS系统就能发挥激光对射装置的功能，从而起到发现、检测、判断、执行的作用。

4、新型防漫煤装置的设计、制作、系统配置

 4.1新型防漫煤装置布置地点

    物料发生堵塞后，最先从皮带机头部煤筒中漫出，并迅速扩散，散落到皮带回程带面上。因此，激光对射装置的布置必须选择在靠近皮带机头部漫煤地点处，才能在第一时间检测和动作。从现场查看，距离皮带头部3米的距离布置激光对射装置最为合适，偏向头部驱动滚筒太近，回程段皮带上下跳动幅度大，影响激光对射装置的安装；布置偏远，延长了检测的时间，加大了煤炭漫出。

4.2防漫煤装置的关键部件选择

防漫煤装置的关键部件包括挡板、传感器和控制系统。挡板应选用耐磨、耐冲击的材料，并具有一定的冲击性，考虑到输煤栈桥粉尘、冲洗水、湿度等因素对激光传输的影响。因此，传感器选用高精度、高可靠性的激光对射光电开关，并配置了透镜和滤光片，以提高激光束的传输质量和抗干扰能力。

4.3新型防漫煤装置的设计

控制系统是新型防漫装置核心部分，它负责接发接收器的信号，检测皮带回程带上的散落煤状态，并发出相应的警报和控制指令。本文设计了一种基于继电器回路的控制系统，通过对射阻挡实现对接收器信号的实时判断和处理。当接收到异常信号时，控制系统将触发相应电路，发出报警信号，并通过DCS接口将报警信息发送给上位机或操作人员。

4.4新型防漫煤装置支架的设计

支架由阻挡梁、两侧固定架、激光对射装置固定支座、电缆线管等组成。

4.4.1激光对射装置是此装置核心部件，激光对射装置需要设计在皮带回程带面的上左右两侧，当皮带带面上堆积物料时，能够及时检测带面的散落物料并发出报警动作信号。因此，支架要具有固定激光对射装置的功能，同时要满足稳定，牢固，支架无晃动的要求。

4.4.2支架要具有将回程带面上散落物料收集、堆积的功能，无论回程带面散落物料的多少都在支架阻挡梁处能堆积，满足激光检测装置的发现和检测，因此支架的形式要设计成“E”形状。

图2防漫煤装置模型图

4.4.3 支架安装的注意点，要与回程皮带带面保持2-3公分间隙，既要保证皮带运行安全，又要保证起到收集带面散落物料的作用。

4.5 控制系统的设计与安装

控制系统内安装空开、开关电源、中间继电器，接线端子排等等。针对装置现场工作环境存在粉尘和潮湿的特点，为防止粉尘和水汽渗入损坏电气设备，影响整个系统的检测运行，对系统外壳设置防尘罩和防水盖。

5、试验与效果评估

为了验证基于激光对射原理的新型防漫煤装置的实际效果，开展了实验室条件下的模拟实验。实验中，模拟了皮带机未运行状态和正常运行状态下，通过人为设置阻挡物，中断激光对射线，该装置均能够及时报警，准确动作。按此试验方式，进行了多次反复试验，均取得良好的结果。在试验的同时，还对装置的误报率和稳定性进行了测试，结果表明该装置具有较高的可靠性和稳定性。

基于实验室试验的结果，以公司C406B皮带机为例，开展此装置的实物制作安装及试验工作。在制作安装完成后，组织开展了三种试验步骤：一是实验室的试验模式；二是皮带运行中人为模拟抛洒物料；三是进行了3次真实堵煤试验。三种试验模式均取了与理论一致的效果。

图3防漫煤装置现场安装图

6、后续改进完善措施

该装置自2024年3月投用以来，总体运行可靠稳定，在此过程中我们结合运行实际情况，又开展了以下方面的改进完善措施：一是在控制系统中增加了报警延时1秒的设计，旨在减少因为偶尔一些物料碎屑引发的报警动作造成系统停机；二是在输煤集中控制的DCS界面上设计了报警、屏蔽、复位三个操作子画面，便于运行人员及时处理偶发的误报警及真实报警状态下的复位功能。

7、新型防皮带漫煤装置优势特点

7.1 实时监测：该装置能够实时监测皮带的运行状态，有效防止皮带机堵煤引发对设备和人员安全危害。

7.2安全高效：利用激光对射原理，无需接触皮带即可实现检测，避免了传统检测方法可能带来的安全隐患。

7.3适应性强：控制单元可以根据实际情况调整激光发射器的功率和频率，以适应不同工况下的检测需求。

7.4结构简单：全装置设计简单，配件成本低，采购方便，相比传统的堵煤装置有着较大的成本优势。

7.5维护方面：装置内部设计有防尘罩，能够有效防止灰尘和杂质进入装置内部，延长设备使用寿命。

7.6降低强度：此装置具有安全、高效的特点，极大的降低了运行监盘人员的劳动强度。

8、结论与展望

本文基于激光对射原理设计并实现了一种新型的防皮带漫煤装置，通过实验验证和实际应用评估，证明了该装置在监测皮带运输状态、预防皮带漫煤现象方面的有效性。该装置具有结构简单、安装方便、抗干扰能力强等优点，可广泛应用于煤炭等散货皮带输送领域，提高输煤皮带机运行的安全和效率。

诚然，目前该装置还存在一定局限性，如对于极端恶劣环境下的适应性以及长期运行后是否暴露出一些其他的问题。未来，将继续深入研究激光对射原理在防皮带漫煤装置中的应用，探索更加先进的技术和方法，进一步提高装置的稳定性和可靠性。

参考文献

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[2]段然.PLC程控系统抗干扰技术分析[J].山东工业技术,2017(21):128+29.

[3]孙晓峰.基于PLC的输煤程控系统改造[J].自动化应用,2010(02):42-44+47.

作者简介：

韩林(1975.07)，男，本科，工程师，技师，主要从事电力生产管理工作。