充氮氣調智能控制管理系統在淺圓倉中的應用

鄭秉照 林濤 林小龍

摘要：將充氮氣調儲糧智能控制管理系統應用于淺圓倉儲糧，試驗了儲糧過程中倉內氮氣濃度分布及變化、倉內溫度變化、殺蟲效果，探討了該體統使用的氣密性、成本以及工藝問題。結果表明，充氮氣調儲糧智能控制管理系統可以確保充進的氮氣濃度達到淺圓倉廒所需的工藝濃度要求，破壞害蟲及霉菌的生存環境，延緩糧食品質陳化，實現綠色儲糧。該系統性能穩定，工藝簡單實用，具有先進、安全、高效的特性，能有效控制倉內氮氣濃度，減少倉儲人員工作量，提高充氮效率。

關鍵詞：氮氣；氣調儲糧；智能控制管理系統；淺圓倉

中圖分類號：TS210.3 文獻標志碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20230623

Application test of nitrogen-filled control intelligent management system in shallow round bin

Zheng Bingzhao， Lin Tao， Lin Xiaolong

（ Central Reserve Grain Putian Direct Warehouse Co.， LTD.， Putian， Fujian 351158 ）

Abstract： Intelligent control management system of nitrogen-filled modified grain storage was applied to shallow round bin storage of grain. The distribution and change of nitrogen concentration in the warehouse， the change of temperature in the warehouse， and the insecticidal effect were tested during the process of grain storage. The airtightness， cost， and process issues used by this system were discussed， the results showed that the intelligent control management system of nitrogen-filled modified grain storage can ensure that the nitrogen concentration of the filled gas meet the process concentration requirements required by the shallow round warehouse， destorying the living environment of pests and molds， delaying the aging of grain quality， and realizing green grain storage. The system performance was stable， simple and practical， with advanced， safe， efficient features， can effectively control the storehouse in nitrogen concentration， reduced the warehouse personnel work， improved the efficiency of nitrogen charging.

Key words： nitrogen， controlled atmosphere grain storage， intelligent control management system， shallow round bin

淺圓倉是我國20世紀90年代從國外引進的倉型，具有倉容量大，堆糧高，儲糧多，占地面積小，進出糧機械化程度高等特點，配套使用機械通風、谷物冷卻、磷化氫環流熏蒸及電子測溫等“四合一”儲糧新技術可以保證大多數淺圓倉的安全儲糧[1-2]。福建地處我國東南沿海屬亞熱帶濕潤氣候區，全年大部分時間處于高溫高濕環境條件下，特別是夏季氣溫很高，最高可達40 ℃以上，因此害蟲活動頻繁，常規的儲糧方法不利于安全儲糧。

充氮氣調是先進的綠色儲糧技術，通過人為調節糧倉儲藏環境中氮氣、氧氣的比例，減少害蟲和微生物的生長，提高糧食儲存時限，具有無公害、無污染的特點[3-7]。但因淺圓倉筒糧堆體積較大、糧堆高、充氮作業時間長，需要倉儲人員人工巡查設備、檢測氧氣濃度、開閉充氮管路等，操作繁瑣，且無法及時發現氮氣濃度的下降，無法保證儲糧過程中糧堆氮氣濃度的均勻和穩定[8]。

充氮氣調儲糧智能管理是將先進的充氮氣調儲糧技術工藝編成計算機程序，采用先進的自動化控制及檢測技術對倉庫的充氮氣調儲糧工作流程進行智能控制。預先設置氣調倉的目標氮氣濃度、目標倉壓、充入氮氣的數量及環流時間，系統自動完成充氮氣調全部工作，既可進行單倉充氮，也可進行多倉連續充氮，整個充氮過程實現“一鍵”完成。此外，智能氣調儲糧可抑菌保鮮、減少蟲霉危害、降低儲糧數量損失，保持儲糧應有品質、適當延長糧食的儲藏期限、減少糧食的輪換次數，為國家節約大量的輪換資金費用，具有明顯的生態效益和經濟效益，是一種“經濟、環保、安全、有效”的儲糧技術[9]。

為驗證充氮氣調智能控制管理系統的適用性和穩定性，中央儲備糧莆田直屬庫有限公司對充氮氣調倉進行智能化充氮氣調控制系統改造，并對其在淺圓倉中的運行情況進行分析，以期實現計算機遠程無人值守糧堆充氮處理。

1 材料與方法

1.1 試驗倉房

試驗倉內徑20 m，墻體厚度260 mm，頂高32.5 m，檐口高度29.1 m，倉內體積9 575 m3，倉容6 250 t；倉內布置4組對稱圭字形地上籠通風道，為四側通風；倉頂涂刷熱反射隔熱涂料，并在東、西、南、北4個方位配備4個自然通風口，4個軸流風機口，風機功率1.5 kW，并使用了翻板式氣密閘門，每倉配套25根可拆卸式電子測溫電纜（北京佳華良儲科技有限公司），底部固定在地坪，采用1、4、8、12中心分環式布局。試驗倉房的儲糧及害蟲情況見表1。

1.2 設備設施

1.2.1 制氮系統

系統構成：空氣壓縮機、空氣凈化過濾器、冷干機、空氣儲氣罐、PSA變壓吸附制氮裝置、氮氣儲氣罐等。

GA75+PA7.5Mk5型螺桿式空氣壓縮機：阿特拉斯科普柯（上海）貿易有限公司；C-007E型空氣凈化過濾器：廣州市維通工業氣體技術有限公司；WCD-150GF型冷干機：廣州市維通工業氣體技術有限公司；C-3/0.8R型儲氣罐：廣州市廣眾機械有限公司；PSA-NP型變壓吸附制氮裝置：廣州市維通工業氣體技術有限公司。

1.2.2 環流熏蒸系統

倉庫外墻東西側共安裝有2臺固定式磷化氫環流熏蒸系統，用于熏蒸或氣調后環流，以均衡濃度。

CFSL8-1A型磷化氫環流熏蒸系統：北京良茂科技發展有限公司。

1.2.3 氧濃度檢測儀

SY-200型BW氧氣檢測儀：北京佳糧科貿有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 氣密改造

為達到符合氣調儲藏的氣密性要求，對試驗倉的倉門及各工藝孔洞進行氣密性改造。更換達不到密封要求的大門單槽槽管為雙槽槽管，更換專用密封膠條、膠墊，同時對各電纜口、進糧口及卸糧口等縫隙用133密封膠進行處理，倉頂各自然通風口及軸流風機口再用薄膜進行密封，達到密閉的效果。測試密封效果：實倉500 Pa正壓大于240 s，實倉負壓-300 Pa的半衰期達到350 s以上。

1.3.2 智能控制系統安裝

中央儲備糧莆田直屬庫有限公司與廣西中儲糧倉儲設備科技有限公司合作安裝。系統包括：① 前端倉房應用設備含集中控制模式電氣控制箱和閥門、倉內氧氣濃度檢測傳感器、壓力傳感器、溫濕度傳感器；② 網絡信號控制系統；③ 遠程數據控制系統等。

1.3.3 檢測點設置

試驗倉在糧食入倉前后分別布置測氣點，布置好壓力傳感器和氧氣濃度傳感器及人工檢測點，如圖1所示。倉內檢測點布置：入倉前在每個出料口和倉內大門內側布置一個檢測點；入倉后分兩層布置檢測點，第一層（糧面下1 m）布置5個檢測點，分別為東（離墻1～2 m）、南（半徑的中點）、西（離墻1～2 m）、北（半徑的中點）、中（圓心）5個方向，檢測點編號依次為1-1#，1-2#、1-3#、1-4#、1-5#；第二層（扦樣最深處）布置4個檢測點，分別為東（半徑的中點）、南（離墻1～2 m）、西（半徑的中點）、北（離墻1～2 m）4個方向，檢測點編號依次為2-1#、2-2#、2-3#、2-4#。在糧面中間布置壓力傳感器及氧氣傳感器，其中空間濃度檢測點0#為倉內主氮濃度點，設在糧面中心上方1 m位置。風道口檢測點布置：在倉外南、北面地上籠通風道口內布置A點（風洞1）、B點（風洞2）兩個檢測點，為倉內副氮濃度點。

1.3.4 充氮

試驗倉于2021年5月20日開始充氮氣調，采用負壓智能控制充氮工藝，“上充下排”連續充氣方式進行充氮，即氮氣從倉頂充入糧堆，再由底層南北面兩個地上籠通風道口排出。

設定氮氣體積分數為98%，制氮機出口氮氣體積分數為98%，系統氮氣體積分數低于95%時自動進行補充，當智能充氮系統檢測到南北兩個地上籠通風口氮氣體積分數的差值超過3%時，系統自動關閉氮氣體積分數高的地上籠通風道口排氣口，加大氮氣體積分數低的地上籠通風口排氣量，以提高該通風口氮氣體積分數，當南北兩個地上籠排氣口濃度都超過設定目標濃度時，即當設置在倉廒南北兩個通風道口內A#、B#點氮氣體積分數達到98%時，智能控制充氮系統自動停止，并啟動環流風機環流1～2 h，以均衡倉內各檢測點氮氣體積分數，同時實時檢測各點的氮氣體積分數，直到倉內各檢測點的氮氣體積分數均衡，停止環流，充氮階段性結束。每天記錄各點氧氣的體積分數并換算成氮氣體積分數，觀察各點的氮氣體積分數變化規律。

1.3.5 殺蟲試驗

氣調殺蟲前分別在倉廒東、西、南、北、中各部位，將試蟲籠分別淺埋在各對應糧堆內，深度為 30～100 cm，其中埋入糧堆的蟲籠系有繩子作為標記，方便查找，同時也在地上籠通風道口內布設，總共埋設7組試蟲籠。試驗害蟲為混合蟲態，有卵、幼蟲、蛹和成蟲，其中包括有3種敏感害蟲（雜批谷盜、長頭谷盜、玉米象）和6種耐藥性（抗藥性）害蟲（書虱、螨類、米象、赤批谷盜、蛾類及銹赤扁谷盜）。

通風散氣后，取出倉內的全部試蟲籠，仔細檢查各試蟲籠中成蟲死亡率，并同時在溫度25 ℃、濕度75%的實驗室，培養其卵、蛹和幼蟲20～30 d，觀察是否有活蟲。

2 結果與討論

2.1 氣調期間倉內氮氣平均體積分數分布及變化

試驗倉第一次充氮時間為2021年5月20—22日，累計充氣55 h，電腦顯示倉內富氮，即南北兩側通風道口A#、B#點氮氣體積分數均達到98%以上，經環流1～2 h后，實測倉內布設的各個檢測點的氮氣體積分數均為98%以上，至2021年5月22日17：00，第一階段充氮結束累計充氮時間55 h，2021年6月18日、2021年8月21日進行兩次補氣，每次補氣49 h。倉內氮氣平均體積分數保持在98%以上，最低點不低于96%，保持此濃度達150 d以上，于2021年10月23日開倉散氣，并進倉檢查儲糧情況。

在首次充氮時，各檢測點氮氣體積分數隨著充氮時間的增加而逐漸增加，至2021年5月22日20：30，除2-4#檢測點外，其他檢測點的氮氣體積分數均達98%以上，至2021年5月23日7：30，所有檢測點氮氣體積分數均達98%以上，結果見表2。

從表2可看出，在同一時刻，第一層各檢測點、第二層各檢測點以及A點和B點的氮氣體積分數基本一致，O點主氮體積分數略大于其他點的氮氣體積分數，說明本系統充氮過程中，氮氣的擴散較迅速且均勻，并能在糧堆內均勻分布，保證氣調期間各點氮氣體積分數一致，儲藏糧食品質變化一致。

在整個氣調期間，即2021年5月20日—10月23日，對倉內各檢測點的平均氮氣體積分數變化情況進行了考察，結果見圖2。氣調初期，倉內氮氣體積分數迅速上升，至2021年5月23日（第一次充氮結束），氮氣體積分數達到98.9%，并保持基本穩定至2021年6月12日，隨后氮氣體積分數開始緩慢下降，2021年6月18日，氮氣體積分數約為96.3%，系統自動補氮，2021年6月20日，氮氣體積分數升至98%以上時，補氮自動結束，氮氣體積分數繼續保持穩定至2021年7月24日，氮氣體積分數開始緩慢下降，2021年8月21日，氮氣體積分數約為96.5%，系統自動補氮，隨后氮氣體積分數迅速上升，2021年8月23日，氮氣體積分數升至98%以上時，補氮自動結束，氮氣體積分數繼續保持穩定至2021年9月23日，氮氣體積分數開始緩慢下降直至2021年10月23日開倉散氣，此時倉內氮氣平均體積分數為96.6%。這些結果說明，充氮氣調智能控制管理系統能準確識別倉內氮氣體積分數的變化，并能在氮氣體積分數低于閾值時自動補氮直至氮氣體積分數達到要求停止充氮，使得倉內氮氣體積分數在整個氣調期間基本穩定，平均體積分數保持在98%以上，最低點不低于96%。同時，每次充氮后，倉內氮氣體積分數保持98%以上可達30 d左右，此后氮氣濃度緩慢下降，下降速度均勻且緩慢，氮氣體積分數變化幅度較小，有利于倉內糧食品質的保持。

2.2 氣調期間倉內糧溫變化

從圖3可以看出，結合倉內空調制冷，倉內糧食平均溫度基本保存穩定，為15～20 ℃，但由于長期的密閉，可能會引起厭氧菌的活動加劇，也會造成局部糧溫偏高，最高氣溫可達30 ℃以上。

2.3 殺蟲效果

2021年10月23日散氣后進倉檢查，未發現活蟲，至2022年4月初再次充氮前均未發現活蟲和螨類，殺蟲效果較為顯著。

通風散氣后的培養試驗結果表明：布設在倉內的各組試蟲籠中儲糧成蟲、混合蟲態（卵、蛹和幼蟲）的死亡率均達到了100%，說明在淺圓倉糧堆中采用氣調儲藏（氮氣體積分數≥98%，密閉處理28 d以上）對以上各種儲糧害蟲的各種蟲態的防治效果均達到100%，充氮氣調對防治害蟲具有明顯的效果。

2.4 成本分析

試驗倉房從充入氮氣體積分數達到98%以上和維持氮氣體積分數96%以上共計154 d，共耗電6 640 kW·h，以電價0.65元/（kW·h）計算，電費4 316元，每噸糧成本為0.76元。

同倉型同密閉同品種糧食智能（試驗倉）和非智能充氮（對照倉）使用情況的對比見表3。

從表3可以看出，在未考慮人力成本和操作安全的情況下，智能與非智能氣調運行成本差異明顯：智能控制充氮的試驗倉在整個充氮期間每噸糧成本比手工充氮的對照倉的減少0.41元，降幅達36%左右，效果明顯。但由于是初次實踐，管網的不合理設置影響智能氣調的效果，對管網進行合理改造，可提高智能氣調的科學性，進一步降低成本。

2.5 操作工藝分析

智能負壓充氮工藝要求在倉內負壓狀態下進行充氮，理論上抽氣速度等于充氣速度為最佳工作壯態，但是，該試驗倉設計的管網欠合理，充氣管道和出氣管道路口徑相同，為75 mm，抽氣用的環流風機的風壓為900 Pa，而制氮機送氣壓力為4×105 Pa，風量一般與氣壓和管道截面積成正比，充氣管道和出氣管道口徑一致，截面積一致，而制氮機送氣壓力遠高于抽氣用的環流風機的風壓，因此，制氮機產氣速度遠遠大于抽氣速度，造成制氮機組經常時停時走，一方面影響充氣速度，另一方面開關頻繁，難以降低能耗，還會影響機組壽命。按平均量智能地分別從各個地上籠風道口進行充排氣，看似平均，卻難以均衡，建議按適當比例進行充排氣，第一風道要比最后一個風道充更多的氮氣，以均衡氮氣濃度。智能充氮氣調儲糧工藝是近幾年興起的，其工藝技術有待提高。

2.6 存在的問題

2.6.1 氣密性

倉房氣密性難以達到要求，維持高氣密性難度大。倉房建筑門窗孔洞、建筑墻體和地坪、倉內四周地坪裂縫、墻體裂縫等均可能影響倉房氣密性，雖門窗孔洞密封性可通過仔細檢查實現良好密封，但建筑墻體和地坪無法檢查；倉內四周地坪裂縫難以檢查，且其對倉房氣密性的影響及影響程度尚無法估量。此外，閥門密閉性能難以把握。

2.6.2 管網的合理設計

提高管網設計與智能充氮工藝相適應，可使設備處于最優工作狀態，從而提高設備使用效率，最大限度地節約能耗，建議采用負壓智能對側強排法或智能上充下排邊充邊排法。

2.6.3 傳感器布置點和運行參數難以把握

氧傳感器設在哪個位置更能代表倉內濃度，壓力傳感器放在哪里更合適，其運行參數如何合理設定，目前參數設定是根據氣調情況自行摸索，沒有固定參數，這就要求要全面熟悉各操作程序及注意事項。

2.6.4 設備的穩定性及壽命

中央儲備糧莆田直屬庫有限公司地處東南沿海，空氣中鹽分含量高，對氧氣濃度傳感器、壓力傳感器有一定的腐蝕性，導致二者的使用壽命僅一年左右，制氮設備每年都需要廠家維護保養，維護難度大、成本高。

2.6.5 局部氮氣濃度不均勻

雖然本試驗設置的檢測點氮氣濃度在整個氣調期間分布基本均勻且維持穩定，但由于淺圓倉糧堆高、體積大，局部地區難免會存在氮氣濃度不均勻的情況未被及時檢測，可考慮多增設氧濃度傳感器；采用下充上排的充氮模式，糧堆內的蟲害可能在糧堆表層聚集引起短暫溫度升高，充氮氣調前在原有測溫電纜的基礎上可考慮多增設溫度傳感器。

此次試驗淺圓倉采用的是整倉充氮氣調，空間體積大，采用可自行拆卸測溫電纜實施糧面覆膜，可減少倉內空間體積，提升充氮氣調的效率、減少能耗，同時通過覆膜產生的氣囊可延緩糧堆氮氣濃度下降。

3 結 論

充氮氣調智能控制管理系統具有安裝便捷、操作靈活、使用安全的特點；將該系統用于淺圓倉氣調儲糧中，通過對其氮氣濃度控制、殺蟲效果、成本等方面進行研究和分析，得出如下結論：① 系統可通過對倉內氮氣濃度和倉房壓力的實時準確監測，實現充氮、停止、補氮等過程的自動控制，維持倉內氮氣的均勻分布和濃度穩定；② 充氮氣調期間，結合倉內空調制冷可使倉內溫度維持穩定；③ 該系統殺蟲效果良好，成本低，自動化程度高；④ 該系統在使用中需要進一步優化工藝條件，合理布置管網，優化傳感器布置和參數設置，提高設備穩定性和壽命，以適用于更多地區、更多倉型。

參 考 文 獻

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