CN108489546A - 一种储煤仓监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储煤仓监测系统，包括：数据采集模块，采集储煤仓内壁的温度、储煤仓内部的气体成分及储煤仓内部煤体的煤质；数据传输模块，传输采集到的数据并预处理，剔除不正常的温度数据，将剩余的数据存储，同时，存储计算的煤体温度场数据；数据计算模块，根据正常的温度数据计算储煤仓的煤体温度场，一旦超过设定的阈值，发送报警信号，并将计算的煤体温度场数据传输至数据传输模块中存储；数据存储模块，存储采集到的温度、气体、煤质数据以及计算的煤体温度场数据；数据展示模块，展示计算的温度场数据、报警信号，以及采集到的气体、煤质数据。本发明的有益效果：实现对储煤仓内部温度场、气体成分和煤体煤质的全方位实时监测。

Description

一种储煤仓监测系统

技术领域

本发明涉及储煤仓监测技术领域，具体而言，涉及一种储煤仓监测系统。

背景技术

目前，几种常见的封闭储煤形式中，筒仓和球形仓具有封闭效果好，占地面积小、外观美观、配煤灵活、具有良好的抗震性和抗飓风等自然灾害的能力等特点，广泛应用于电力、煤炭、水泥、化工原料、粮食等行业。当前，针对筒仓和球形仓的储煤仓内部煤体温度监测方法是在储煤仓内壁安装温度传感器获取内壁测点的煤体温度，在顶部安装红外测温仪获取煤仓内煤体上表面的温度，还无法实现对储煤仓内部任意点温度的实时监测。同时，现有的监测系统无法将储煤仓内部的任意点温度、气体成分和煤体煤质等数据结合起来完成储煤仓内部的全方位监测。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种储煤仓监测系统，实现对储煤仓内部温度场、气体成分和煤体煤质的全方位实时监测。

本发明提供了一种储煤仓监测系统，包括：

数据采集模块，其由布置在储煤仓内壁若干温度测点的若干温度传感器、测量储煤仓内部气体成分的气体传感器以及测量储煤仓内部煤质的煤质检测仪组成，用于采集储煤仓内壁的温度、储煤仓内部的气体成分及储煤仓内部煤体的煤质；

数据传输模块，其用于传输数据采集模块采集到的数据并对这些数据预处理，剔除不正常的温度数据，并将剩余的数据进行存储，同时，用于存储数据计算模块计算的煤体温度场数据；

数据计算模块，其用于根据数据存储模块中存储正常的温度数据计算储煤仓的煤体温度场，与设定的阈值进行比较，一旦超过阈值，将报警信号发送至数据展示模块，并将计算的煤体温度场数据传输至数据传输模块中存储；

数据存储模块，其用于存储数据采集模块采集到的温度、气体、煤质数据以及数据计算模块计算的煤体温度场数据；

数据展示模块，其用于展示数据计算模块计算的温度场数据以及数据计算模块发出的报警信号，同时用于展示数据采集模块采集到的气体、煤质数据。

作为本发明进一步的改进，在储煤仓内壁沿径向划分为n层界面，沿轴向划分为m层界面，两个方向上的界面形成网格线，网格线相交的点为节点，若干温度传感器布置在储煤仓内壁处即最外层的节点上。

作为本发明进一步的改进，数据计算模块在计算储煤仓的煤体温度场时，采用如下方法：

步骤1，将储煤仓内部的内热源T置于直角坐标系中，坐标为(x,y,z)，根据能量守恒定律及傅里叶定律，建立内热源T在直角坐标系中的导热微分方程：

式中，λ为导热系数，c为导热体热容，ρ为导热体密度，q_v为内热源强度，为单位时间内温度的变化量；

步骤2，将储煤仓内部的内热源T(x,y,z)通过坐标变换法，得到内热源T在三维坐标系中的导热微分方程；

步骤3，在储煤仓内壁沿径向划分为n层界面，沿轴向划分为m层界面，两个方向上的界面形成网格线，网格线相交的点为节点，在储煤仓内壁处即最外层的节点上分别布置温度测点，通过温度传感器分别测量温度测点上各个节点的温度值；

步骤4，依据测量到的温度，在径向方向上由外向里，根据导热微方程对外层节点代表的控制容积建立能量守恒方程，逐次内推求得内层节点的温度，并改变不同外层节点位置，得到整个网格线区域内层节点温度，进而得到整个储煤仓内部的煤体温度场；

其中，任意节点(i,j)代表的控制容积建立能量守恒方程为：

式中，Q_w为节点(i,j)代表的微元体的左边届与相邻微元体之间的能量交换，Q_e为节点(i,j)代表的微元体的右边届与相邻微元体之间的能量交换，Q_n为节点(i,j)代表的微元体的上边届与相邻微元体之间的能量交换，Q_s为节点(i,j)代表的微元体的下边届与相邻微元体之间的能量交换，q_v为内热源强度，ΔV为微元体的体积，ρ为导热体密度，λ为导热系数，c为导热体热容。

作为本发明进一步的改进，步骤2中，当储煤仓为筒仓时，将内热源T(x,y,z)在直角坐标系中的坐标(x,y,z)变换到圆柱坐标系中，将内热源T(x,y,z)在直角坐标系中的坐标(x,y,z)变换到圆柱坐标系中的坐标

其中，z＝z，r为内热源T与z轴的垂直距离，为OT在xy面的投影线与正x轴之间的夹角，z为T点距xy面的距离；

将转换后的坐标带入直角坐标系中的导热微分方程后，得到内热源T在球坐标系中的导热微方程：

式中，λ为导热系数，c为导热体热容，ρ为导热体密度，q_v为内热源强度，为单位时间内温度的变化量。

作为本发明进一步的改进，步骤2中，当储煤仓为球形仓时，将内热源T(x,y,z)在直角坐标系中的坐标(x,y,z)变换到球坐标系中的坐标

其中，z＝r cosθ，r为内热源T与球坐标原点O之间的距离，θ为有向线段OT与z轴正向的夹角，为从正z轴来看自x轴按逆时针方向转到OM所转过的角，M为点P在xOy面上的投影；

将转换后的坐标带入直角坐标系中的导热微分方程后，得到内热源T在球坐标系中的导热微方程：

式中，λ为导热系数，c为导热体热容，ρ为导热体密度，q_v为内热源强度，为单位时间内温度的变化量。

作为本发明进一步的改进，步骤4中，当储煤仓为筒仓时，将节点(i,j)与节点(i-1,j)之间的边界作为导热面积，把他们节点之间的距离作为导热厚度，根据傅里叶定律及牛顿冷却定律求出节点(i-1,j)到节点(i,j)的能量交换为：

式中，T_i-1,j、T_i,j分别表示节点(i-1,j)、(i,j)的温度；

同样，得到节点(i,j)与节点(i+1,j)、节点(i,j+1)、节点(i,j-1)之间的能量交换为：

式中，T_i+1,j、T_i,j+1、T_i,j-1分别表示节点(i+1,j)、(i,j+1)、(i,j-1)的温度，q_w为节点热流密度。

作为本发明进一步的改进，步骤4中，当储煤仓为球形仓时，将节点(i,j)与节点(i-1,j)之间的边界作为导热面积，把他们节点之间的距离作为导热厚度，根据傅里叶定律求出节点(i-1,j)到节点(i,j)的能量交换为：

式中，T_i-1,j、T_i,j分别表示节点(i-1,j)、(i,j)的温度；

同样，得到节点(i,j)与节点(i+1,j)、节点(i,j+1)、节点(i,j-1)之间的能量交换为：

式中，T_i+1,j、T_i,j+1、T_i,j-1分别表示节点(i+1,j)、(i,j+1)、(i,j-1)的温度。

作为本发明进一步的改进，步骤4中，在径向方向上由外向里计算时：

首先，根据导热微方程对最外层节点代表的控制容积建立能量守恒方程，并根据测量到的最外层节点的温度值以及这些能量守恒方程求解出倒数第二层节点的温度值；

然后，根据导热微方程对倒数第二层节点代表的控制容积建立能量守恒方程，并根据倒数第二层节点的温度值以及这些能量守恒方程求解出倒数第三层节点的温度值；

逐层内推；

最后，求出最内层节点的温度值。

本发明的有益效果为：

在获取储煤仓内壁煤体温度和煤体表面温度的条件下，采用数值计算方法，精准计算出煤体内部任意点的温度；

通过在储煤仓内壁沿高度方向不同的界面布置的温度传感器、气体传感器及煤质检测仪，可实现对储煤仓内部任意点温度、气体成分和煤体煤质数据的全方位实时监测。

附图说明

图1为本发明实施例的一种储煤仓监测系统的示意图；

图2为本发明实施例的圆柱坐标系示意图；

图3为本发明实施例的具体布置示意图；

图4为本发明实施例的球形坐标系示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1，如图1所示，本发明实施例的一种储煤仓监测系统，包括：数据采集模块、数据传输模块、数据存储模块、数据计算模块、数据展示模块。

数据采集模块，其由布置在储煤仓内壁若干温度测点的若干温度传感器、测量储煤仓内部气体成分的气体传感器以及测量储煤仓内部煤质的煤质检测仪组成，用于采集储煤仓内壁的温度、储煤仓内部的气体成分及储煤仓内部煤体的煤质。

数据传输模块用于传输数据采集模块采集到的数据并对这些数据预处理，剔除不正常的温度数据，并将剩余的数据进行存储，同时，用于存储数据计算模块计算的煤体温度场数据。

数据计算模块用于根据数据存储模块中存储正常的温度数据计算储煤仓的煤体温度场，与设定的阈值进行比较，一旦超过阈值，将报警信号发送至数据展示模块，并将计算的煤体温度场数据传输至数据传输模块中存储。

数据存储模块用于存储数据采集模块采集到的温度、气体、煤质数据以及数据计算模块计算的煤体温度场数据。

数据展示模块用于展示数据计算模块计算的温度场数据以及数据计算模块发出的报警信号，同时用于展示数据采集模块采集到的气体、煤质数据。

其中，在储煤仓内壁沿径向划分为n层界面，沿轴向划分为m层界面，两个方向上的界面形成网格线，网格线相交的点为节点，若干温度传感器布置在储煤仓内壁处即最外层的节点上。依据测得的温度，由外向里，通过建立能量守恒方程，可以计算得到截面上内部的温度，进而求得该储煤仓内部区域的温度场。

数据计算模块计算煤体温度场时，采用如下方法：

步骤1，将储煤仓内部的内热源T置于直角坐标系中，坐标为(x,y,z)，根据能量守恒定律及傅里叶定律，建立内热源T在直角坐标系中的导热微分方程：

式中，λ为导热系数，c为导热体热容，ρ为导热体密度，q_v为内热源强度，为单位时间内温度的变化量；

步骤2，将储煤仓内部的内热源T(x,y,z)通过坐标变换法，得到内热源T在三维坐标系中的导热微分方程；

步骤3，在储煤仓内壁沿径向划分为n层界面，沿轴向划分为m层界面，两个方向上的界面形成网格线，网格线相交的点为节点，在储煤仓内壁处即最外层的节点上分别布置温度测点，通过温度传感器分别测量温度测点上各个节点的温度值；

步骤4，根据测量到的温度，在径向方向上由外向里，根据导热微方程对外层节点代表的控制容积建立能量守恒方程，逐次内推求得内层节点的温度，并改变不同外层节点位置，得到整个网格线区域内层节点温度，进而得到整个储煤仓内部的煤体温度场；

其中，任意节点(i,j)代表的控制容积建立能量守恒方程为：

式中，Q_w为节点(i,j)代表的微元体的左边届与相邻微元体之间的能量交换，Q_e为节点(i,j)代表的微元体的右边届与相邻微元体之间的能量交换，Q_n为节点(i,j)代表的微元体的上边届与相邻微元体之间的能量交换，Q_s为节点(i,j)代表的微元体的下边届与相邻微元体之间的能量交换，q_v为内热源强度，ΔV为微元体的体积，ρ为导热体密度，λ为导热系数，c为导热体热容。

在径向方向上由外向里计算时：

首先，根据导热微方程对最外层节点代表的控制容积建立能量守恒方程，并根据测量到的最外层节点的温度值以及这些能量守恒方程求解出倒数第二层节点的温度值；

然后，根据导热微方程对倒数第二层节点代表的控制容积建立能量守恒方程，并根据倒数第二层节点的温度值以及这些能量守恒方程求解出倒数第三层节点的温度值；

逐层内推；

最后，求出最内层节点的温度值。

本实施例的储煤仓为筒仓，在计算时，需要做如下变换：

步骤2中，将内热源T(x,y,z)在直角坐标系中的坐标(x,y,z)变换到圆柱坐标系中，将内热源T(x,y,z)在直角坐标系中的坐标(x,y,z)变换到圆柱坐标系中的坐标

如图2所示，其中，z＝z，r为内热源T与z轴的垂直距离，为OT在xy面的投影线与正x轴之间的夹角，z为T点距xy面的距离；

将转换后的坐标带入直角坐标系中的导热微分方程后，得到内热源T在球坐标系中的导热微方程：

式中，λ为导热系数，c为导热体热容，ρ为导热体密度，q_v为内热源强度，为单位时间内温度的变化量。

步骤4中，将节点(i,j)与节点(i-1,j)之间的边界作为导热面积，把他们节点之间的距离作为导热厚度，根据傅里叶定律及牛顿冷却定律求出节点(i-1,j)到节点(i,j)的能量交换为：

式中，T_i-1,j、T_i,j分别表示节点(i-1,j)、(i,j)的温度；

同样，得到节点(i,j)与节点(i+1,j)、节点(i,j+1)、节点(i,j-1)之间的能量交换为：

式中，T_i+1,j、T_i,j+1、T_i,j-1分别表示节点(i+1,j)、(i,j+1)、(i,j-1)的温度，q_w为节点热流密度。

以一具体实现方案为例说明，如图3所示，在储煤仓内壁处即最外层的节点11、节点12、节点13、节点14、节点15、节点16和节点17上布设了温度测点，因此，节点11、节点12、节点13、节点14、节点15、节点16和节点17的温度T₁₁、T₁₂、T₁₃、T₁₄、T₁₅、T₁₆、T₁₇均为已知。

根据导热微方程对节点13、节点14、节点15分别建立能量守恒方程如下：

上式中，为节点控制容积角度变化量，Δr为节点控制容积径向变化量，q_i为节点i处的流密度，r₁为第一层半径即内径r_i，r₂、r₃、r₄分别为第二、三、四层半径，r₅为第五层半径外径r_o；

求解上述三个能量守恒方程，分别得到第三层节点7、节点8和节点9的温度：

再根据导热微方程对节点8建立能量守恒方程如下：

即可求出节点3的温度为：

储煤仓内壁安装温度测点后为第一类边界条件，落煤口处为第三类边界条件。由于各处的导热系数不同，导热系数λ为一个变化值，可以通过导热系数预测计算获得。

在求其他节点的温度时，也可依据上述方法，只需改变不同外层节点位置，相应的得到整个反问题求解区域内层节点温度，进而得到该截面反问题解法求解区域的瞬态温度场。

实施例2，与实施例1不同之处在于，储煤仓为球形仓。

此时，步骤2中，当储煤仓为球形仓时，将内热源T(x,y,z)在直角坐标系中的坐标(x,y,z)变换到球坐标系中的坐标

如图4所示，其中，z＝r cosθ，r为内热源T与球坐标原点O之间的距离，θ为有向线段OT与z轴正向的夹角，为从正z轴来看自x轴按逆时针方向转到OM所转过的角，M为点P在xOy面上的投影；

将转换后的坐标带入直角坐标系中的导热微分方程后，得到内热源T在球坐标系中的导热微方程：

式中，λ为导热系数，c为导热体热容，ρ为导热体密度，q_v为内热源强度，为单位时间内温度的变化量。

此时，步骤4中，当储煤仓为球形仓时，将节点(i,j)与节点(i-1,j)之间的边界作为导热面积，把他们节点之间的距离作为导热厚度，根据傅里叶定律求出节点(i-1,j)到节点(i,j)的能量交换为：

式中，T_i-1,j、T_i,j分别表示节点(i-1,j)、(i,j)的温度；

同样，得到节点(i,j)与节点(i+1,j)、节点(i,j+1)、节点(i,j-1)之间的能量交换为：

式中，T_i+1,j、T_i,j+1、T_i,j-1分别表示节点(i+1,j)、(i,j+1)、(i,j-1)的温度。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种储煤仓监测系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，其由布置在储煤仓内壁若干温度测点的若干温度传感器、测量储煤仓内部气体成分的气体传感器以及测量储煤仓内部煤质的煤质检测仪组成，用于采集储煤仓内壁的温度、储煤仓内部的气体成分及储煤仓内部煤体的煤质；

数据传输模块，其用于传输数据采集模块采集到的数据并对这些数据预处理，剔除不正常的温度数据，并将剩余的数据进行存储，同时，用于存储数据计算模块计算的煤体温度场数据；

数据计算模块，其用于根据数据存储模块中存储正常的温度数据计算储煤仓的煤体温度场，与设定的阈值进行比较，一旦超过阈值，将报警信号发送至数据展示模块，并将计算的煤体温度场数据传输至数据传输模块中存储；

数据存储模块，其用于存储数据采集模块采集到的温度、气体、煤质数据以及数据计算模块计算的煤体温度场数据；

数据展示模块，其用于展示数据计算模块计算的温度场数据以及数据计算模块发出的报警信号，同时用于展示数据采集模块采集到的气体、煤质数据。

2.根据权利要求1的储煤仓监测系统，其特征在于，在储煤仓内壁沿径向划分为n层界面，沿轴向划分为m层界面，两个方向上的界面形成网格线，网格线相交的点为节点，若干温度传感器布置在储煤仓内壁处即最外层的节点上。

3.根据权利要求2的储煤仓监测系统，其特征在于，数据计算模块在计算储煤仓的煤体温度场时，采用如下方法：

步骤1，将储煤仓内部的内热源T置于直角坐标系中，坐标为(x,y,z)，根据能量守恒定律及傅里叶定律，建立内热源T在直角坐标系中的导热微分方程：

式中，λ为导热系数，c为导热体热容，ρ为导热体密度，q_v为内热源强度，为单位时间内温度的变化量；

步骤2，将储煤仓内部的内热源T(x,y,z)通过坐标变换法，得到内热源T在三维坐标系中的导热微分方程；

步骤3，在储煤仓内壁沿径向划分为n层界面，沿轴向划分为m层界面，两个方向上的界面形成网格线，网格线相交的点为节点，在储煤仓内壁处即最外层的节点上分别布置温度测点，通过温度传感器分别测量温度测点上各个节点的温度值；

步骤4，依据测量到的温度，在径向方向上由外向里，根据导热微方程对外层节点代表的控制容积建立能量守恒方程，逐次内推求得内层节点的温度，并改变不同外层节点位置，得到整个网格线区域内层节点温度，进而得到整个储煤仓内部的煤体温度场；

其中，任意节点(i,j)代表的控制容积建立能量守恒方程为：

式中，Q_w为节点(i,j)代表的微元体的左边届与相邻微元体之间的能量交换，Q_e为节点(i,j)代表的微元体的右边届与相邻微元体之间的能量交换，Q_n为节点(i,j)代表的微元体的上边届与相邻微元体之间的能量交换，Q_s为节点(i,j)代表的微元体的下边届与相邻微元体之间的能量交换，q_v为内热源强度，ΔV为微元体的体积，ρ为导热体密度，λ为导热系数，c为导热体热容。

4.根据权利要求3的储煤仓监测系统，其特征在于，步骤2中，当储煤仓为筒仓时，将内热源T(x,y,z)在直角坐标系中的坐标(x,y,z)变换到圆柱坐标系中，将内热源T(x,y,z)在直角坐标系中的坐标(x,y,z)变换到圆柱坐标系中的坐标

其中，z＝z，r为内热源T与z轴的垂直距离，为OT在xy面的投影线与正x轴之间的夹角，z为T点距xy面的距离；

将转换后的坐标带入直角坐标系中的导热微分方程后，得到内热源T在球坐标系中的导热微方程：

式中，λ为导热系数，c为导热体热容，ρ为导热体密度，q_v为内热源强度，为单位时间内温度的变化量。

5.根据权利要求3的储煤仓监测系统，其特征在于，步骤2中，当储煤仓为球形仓时，将内热源T(x,y,z)在直角坐标系中的坐标(x,y,z)变换到球坐标系中的坐标

其中，z＝rcosθ，r为内热源T与球坐标原点O之间的距离，θ为有向线段OT与z轴正向的夹角，为从正z轴来看自x轴按逆时针方向转到OM所转过的角，M为点P在xOy面上的投影；

将转换后的坐标带入直角坐标系中的导热微分方程后，得到内热源T在球坐标系中的导热微方程：

式中，λ为导热系数，c为导热体热容，ρ为导热体密度，q_v为内热源强度，为单位时间内温度的变化量。

6.根据权利要求3的储煤仓监测系统，其特征在于，步骤4中，当储煤仓为筒仓时，将节点(i,j)与节点(i-1,j)之间的边界作为导热面积，把他们节点之间的距离作为导热厚度，根据傅里叶定律及牛顿冷却定律求出节点(i-1,j)到节点(i,j)的能量交换为：

式中，T_i-1,j、T_i,j分别表示节点(i-1,j)、(i,j)的温度；

同样，得到节点(i,j)与节点(i+1,j)、节点(i,j+1)、节点(i,j-1)之间的能量交换为：

式中，T_i+1,j、T_i,j+1、T_i,j-1分别表示节点(i+1,j)、(i,j+1)、(i,j-1)的温度，q_w为节点热流密度。

7.根据权利要求3的储煤仓监测系统，其特征在于，步骤4中，当储煤仓为球形仓时，将节点(i,j)与节点(i-1,j)之间的边界作为导热面积，把他们节点之间的距离作为导热厚度，根据傅里叶定律求出节点(i-1,j)到节点(i,j)的能量交换为：

式中，T_i-1,j、T_i,j分别表示节点(i-1,j)、(i,j)的温度；

同样，得到节点(i,j)与节点(i+1,j)、节点(i,j+1)、节点(i,j-1)之间的能量交换为：

式中，T_i+1,j、T_i,j+1、T_i,j-1分别表示节点(i+1,j)、(i,j+1)、(i,j-1)的温度。

8.根据权利要求3的储煤仓监测系统，其特征在于，步骤4中，在径向方向上由外向里计算时：

首先，根据导热微方程对最外层节点代表的控制容积建立能量守恒方程，并根据测量到的最外层节点的温度值以及这些能量守恒方程求解出倒数第二层节点的温度值；

然后，根据导热微方程对倒数第二层节点代表的控制容积建立能量守恒方程，并根据倒数第二层节点的温度值以及这些能量守恒方程求解出倒数第三层节点的温度值；

逐层内推；

最后，求出最内层节点的温度值。