充氮气调智能控制管理系统在浅圆仓中的应用

郑秉照 林涛 林小龙

摘要：将充氮气调储粮智能控制管理系统应用于浅圆仓储粮，试验了储粮过程中仓内氮气浓度分布及变化、仓内温度变化、杀虫效果，探讨了该体统使用的气密性、成本以及工艺问题。结果表明，充氮气调储粮智能控制管理系统可以确保充进的氮气浓度达到浅圆仓廒所需的工艺浓度要求，破坏害虫及霉菌的生存环境，延缓粮食品质陈化，实现绿色储粮。该系统性能稳定，工艺简单实用，具有先进、安全、高效的特性，能有效控制仓内氮气浓度，减少仓储人员工作量，提高充氮效率。

关键词：氮气；气调储粮；智能控制管理系统；浅圆仓

中图分类号：TS210.3 文献标志码：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

淺圆仓是我国20世纪90年代从国外引进的仓型，具有仓容量大，堆粮高，储粮多，占地面积小，进出粮机械化程度高等特点，配套使用机械通风、谷物冷却、磷化氢环流熏蒸及电子测温等“四合一”储粮新技术可以保证大多数浅圆仓的安全储粮[1-2]。福建地处我国东南沿海属亚热带湿润气候区，全年大部分时间处于高温高湿环境条件下，特别是夏季气温很高，最高可达40 ℃以上，因此害虫活动频繁，常规的储粮方法不利于安全储粮。

充氮气调是先进的绿色储粮技术，通过人为调节粮仓储藏环境中氮气、氧气的比例，减少害虫和微生物的生长，提高粮食储存时限，具有无公害、无污染的特点[3-7]。但因浅圆仓筒粮堆体积较大、粮堆高、充氮作业时间长，需要仓储人员人工巡查设备、检测氧气浓度、开闭充氮管路等，操作繁琐，且无法及时发现氮气浓度的下降，无法保证储粮过程中粮堆氮气浓度的均匀和稳定[8]。

充氮气调储粮智能管理是将先进的充氮气调储粮技术工艺编成计算机程序，采用先进的自动化控制及检测技术对仓库的充氮气调储粮工作流程进行智能控制。预先设置气调仓的目标氮气浓度、目标仓压、充入氮气的数量及环流时间，系统自动完成充氮气调全部工作，既可进行单仓充氮，也可进行多仓连续充氮，整个充氮过程实现“一键”完成。此外，智能气调储粮可抑菌保鲜、减少虫霉危害、降低储粮数量损失，保持储粮应有品质、适当延长粮食的储藏期限、减少粮食的轮换次数，为国家节约大量的轮换资金费用，具有明显的生态效益和经济效益，是一种“经济、环保、安全、有效”的储粮技术[9]。

为验证充氮气调智能控制管理系统的适用性和稳定性，中央储备粮莆田直属库有限公司对充氮气调仓进行智能化充氮气调控制系统改造，并对其在浅圆仓中的运行情况进行分析，以期实现计算机远程无人值守粮堆充氮处理。

1 材料与方法

1.1 试验仓房

试验仓内径20 m，墙体厚度260 mm，顶高32.5 m，檐口高度29.1 m，仓内体积9 575 m3，仓容6 250 t；仓内布置4组对称圭字形地上笼通风道，为四侧通风；仓顶涂刷热反射隔热涂料，并在东、西、南、北4个方位配备4个自然通风口，4个轴流风机口，风机功率1.5 kW，并使用了翻板式气密闸门，每仓配套25根可拆卸式电子测温电缆（北京佳华良储科技有限公司），底部固定在地坪，采用1、4、8、12中心分环式布局。试验仓房的储粮及害虫情况见表1。

1.2 设备设施

1.2.1 制氮系统

系统构成：空气压缩机、空气净化过滤器、冷干机、空气储气罐、PSA变压吸附制氮装置、氮气储气罐等。

GA75+PA7.5Mk5型螺杆式空气压缩机：阿特拉斯科普柯（上海）贸易有限公司；C-007E型空气净化过滤器：广州市维通工业气体技术有限公司；WCD-150GF型冷干机：广州市维通工业气体技术有限公司；C-3/0.8R型储气罐：广州市广众机械有限公司；PSA-NP型变压吸附制氮装置：广州市维通工业气体技术有限公司。

1.2.2 环流熏蒸系统

仓库外墙东西侧共安装有2台固定式磷化氢环流熏蒸系统，用于熏蒸或气调后环流，以均衡浓度。

CFSL8-1A型磷化氢环流熏蒸系统：北京良茂科技发展有限公司。

1.2.3 氧浓度检测仪

SY-200型BW氧气检测仪：北京佳粮科贸有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 气密改造

为达到符合气调储藏的气密性要求，对试验仓的仓门及各工艺孔洞进行气密性改造。更换达不到密封要求的大门单槽槽管为双槽槽管，更换专用密封膠条、胶垫，同时对各电缆口、进粮口及卸粮口等缝隙用133密封胶进行处理，仓顶各自然通风口及轴流风机口再用薄膜进行密封，达到密闭的效果。测试密封效果：实仓500 Pa正压大于240 s，实仓负压-300 Pa的半衰期达到350 s以上。

1.3.2 智能控制系统安装

中央储备粮莆田直属库有限公司与广西中储粮仓储设备科技有限公司合作安装。系统包括：① 前端仓房应用设备含集中控制模式电气控制箱和阀门、仓内氧气浓度检测传感器、压力传感器、温湿度传感器；② 网络信号控制系统；③ 远程数据控制系统等。

1.3.3 检测点设置

试验仓在粮食入仓前后分别布置测气点，布置好压力传感器和氧气浓度传感器及人工检测点，如图1所示。仓内检测点布置：入仓前在每个出料口和仓内大门内侧布置一个检测点；入仓后分两层布置检测点，第一层（粮面下1 m）布置5个检测点，分别为东（离墙1～2 m）、南（半径的中点）、西（离墙1～2 m）、北（半径的中点）、中（圆心）5个方向，检测点编号依次为1-1#，1-2#、1-3#、1-4#、1-5#；第二层（扦样最深处）布置4个检测点，分别为东（半径的中点）、南（离墙1～2 m）、西（半径的中点）、北（离墙1～2 m）4个方向，检测点编号依次为2-1#、2-2#、2-3#、2-4#。在粮面中间布置压力传感器及氧气传感器，其中空间浓度检测点0#为仓内主氮浓度点，设在粮面中心上方1 m位置。风道口检测点布置：在仓外南、北面地上笼通风道口内布置A点（风洞1）、B点（风洞2）两个检测点，为仓内副氮浓度点。

1.3.4 充氮

试验仓于2021年5月20日开始充氮气调，采用负压智能控制充氮工艺，“上充下排”连续充气方式进行充氮，即氮气从仓顶充入粮堆，再由底层南北面两个地上笼通风道口排出。

设定氮气体积分数为98%，制氮机出口氮气体积分数为98%，系统氮气体积分数低于95%时自动进行补充，当智能充氮系统检测到南北两个地上笼通风口氮气体积分数的差值超过3%时，系统自动关闭氮气体积分数高的地上笼通风道口排气口，加大氮气体积分数低的地上笼通风口排气量，以提高该通风口氮气体积分数，当南北两个地上笼排气口浓度都超过设定目标浓度时，即当设置在仓廒南北两个通风道口内A#、B#点氮气体积分数达到98%时，智能控制充氮系统自动停止，并启动环流风机环流1～2 h，以均衡仓内各检测点氮气体积分数，同时实时检测各点的氮气体积分数，直到仓内各检测点的氮气体积分数均衡，停止环流，充氮阶段性结束。每天记录各点氧气的体积分数并换算成氮气体积分数，观察各点的氮气体积分数变化规律。

1.3.5 杀虫试验

气调杀虫前分别在仓廒东、西、南、北、中各部位，将试虫笼分别浅埋在各对应粮堆内，深度为 30～100 cm，其中埋入粮堆的虫笼系有绳子作为标记，方便查找，同时也在地上笼通风道口内布设，总共埋设7组试虫笼。试验害虫为混合虫态，有卵、幼虫、蛹和成虫，其中包括有3种敏感害虫（杂批谷盗、长头谷盗、玉米象）和6种耐药性（抗药性）害虫（书虱、螨类、米象、赤批谷盗、蛾类及锈赤扁谷盗）。

通风散气后，取出仓内的全部试虫笼，仔细检查各试虫笼中成虫死亡率，并同时在温度25 ℃、湿度75%的实验室，培养其卵、蛹和幼虫20～30 d，观察是否有活虫。

2 结果与讨论

2.1 气调期间仓内氮气平均体积分数分布及变化

试验仓第一次充氮时间为2021年5月20—22日，累计充气55 h，电脑显示仓内富氮，即南北两侧通风道口A#、B#点氮气体积分数均达到98%以上，经环流1～2 h后，实测仓内布设的各个检测点的氮气体积分数均为98%以上，至2021年5月22日17：00，第一阶段充氮结束累计充氮时间55 h，2021年6月18日、2021年8月21日进行两次补气，每次补气49 h。仓内氮气平均体积分数保持在98%以上，最低点不低于96%，保持此浓度达150 d以上，于2021年10月23日开仓散气，并进仓检查储粮情况。

在首次充氮时，各检测点氮气体积分数随着充氮时间的增加而逐渐增加，至2021年5月22日20：30，除2-4#检测点外，其他检测点的氮气体积分数均达98%以上，至2021年5月23日7：30，所有检测点氮气体积分数均达98%以上，结果见表2。

从表2可看出，在同一时刻，第一层各检测点、第二层各检测点以及A点和B点的氮气体积分数基本一致，O点主氮体积分数略大于其他点的氮气体积分数，说明本系统充氮过程中，氮气的扩散较迅速且均匀，并能在粮堆内均匀分布，保证气调期间各点氮气体积分数一致，储藏粮食品质变化一致。

在整个气调期间，即2021年5月20日—10月23日，对仓内各检测点的平均氮气体积分数变化情况进行了考察，结果见图2。气调初期，仓内氮气体积分数迅速上升，至2021年5月23日（第一次充氮结束），氮气体积分数达到98.9%，并保持基本稳定至2021年6月12日，随后氮气体积分数开始缓慢下降，2021年6月18日，氮气体积分数约为96.3%，系统自动补氮，2021年6月20日，氮气体积分数升至98%以上时，补氮自动结束，氮气体积分数继续保持稳定至2021年7月24日，氮气体积分数开始缓慢下降，2021年8月21日，氮气体积分数约为96.5%，系统自动补氮，随后氮气体积分数迅速上升，2021年8月23日，氮气体积分数升至98%以上时，补氮自动结束，氮气体积分数继续保持稳定至2021年9月23日，氮气体积分数开始缓慢下降直至2021年10月23日开仓散气，此时仓内氮气平均体积分数为96.6%。这些结果说明，充氮气调智能控制管理系统能准确识别仓内氮气体积分数的变化，并能在氮气体积分数低于阈值时自动补氮直至氮气体积分数达到要求停止充氮，使得仓内氮气体积分数在整个气调期间基本稳定，平均体积分数保持在98%以上，最低点不低于96%。同时，每次充氮后，仓内氮气体积分数保持98%以上可达30 d左右，此后氮气浓度缓慢下降，下降速度均匀且缓慢，氮气体积分数变化幅度较小，有利于仓内粮食品质的保持。

2.2 气调期间仓内粮温变化

从图3可以看出，结合仓内空调制冷，仓内粮食平均温度基本保存稳定，为15～20 ℃，但由于长期的密闭，可能会引起厌氧菌的活动加剧，也会造成局部粮温偏高，最高气温可达30 ℃以上。

2.3 杀虫效果

2021年10月23日散气后进仓检查，未发现活虫，至2022年4月初再次充氮前均未发现活虫和螨类，杀虫效果较为显著。

通风散气后的培养试验结果表明：布设在仓内的各组试虫笼中储粮成虫、混合虫态（卵、蛹和幼虫）的死亡率均达到了100%，说明在浅圆仓粮堆中采用气调储藏（氮气体积分数≥98%，密闭处理28 d以上）对以上各种储粮害虫的各种虫态的防治效果均达到100%，充氮气调对防治害虫具有明显的效果。

2.4 成本分析

试验仓房从充入氮气体积分数达到98%以上和维持氮气体积分数96%以上共计154 d，共耗电6 640 kW·h，以电价0.65元/（kW·h）计算，电费4 316元，每吨粮成本为0.76元。

同仓型同密闭同品种粮食智能（试验仓）和非智能充氮（对照仓）使用情况的对比见表3。

从表3可以看出，在未考虑人力成本和操作安全的情况下，智能与非智能气调运行成本差异明显：智能控制充氮的试验仓在整个充氮期间每吨粮成本比手工充氮的对照仓的减少0.41元，降幅达36%左右，效果明显。但由于是初次实践，管网的不合理设置影响智能气调的效果，对管网进行合理改造，可提高智能气调的科学性，进一步降低成本。

2.5 操作工艺分析

智能負压充氮工艺要求在仓内负压状态下进行充氮，理论上抽气速度等于充气速度为最佳工作壮态，但是，该试验仓设计的管网欠合理，充气管道和出气管道路口径相同，为75 mm，抽气用的环流风机的风压为900 Pa，而制氮机送气压力为4×105 Pa，风量一般与气压和管道截面积成正比，充气管道和出气管道口径一致，截面积一致，而制氮机送气压力远高于抽气用的环流风机的风压，因此，制氮机产气速度远远大于抽气速度，造成制氮机组经常时停时走，一方面影响充气速度，另一方面开关频繁，难以降低能耗，还会影响机组寿命。按平均量智能地分别从各个地上笼风道口进行充排气，看似平均，却难以均衡，建议按适当比例进行充排气，第一风道要比最后一个风道充更多的氮气，以均衡氮气浓度。智能充氮气调储粮工艺是近几年兴起的，其工艺技术有待提高。

2.6 存在的问题

2.6.1 气密性

仓房气密性难以达到要求，维持高气密性难度大。仓房建筑门窗孔洞、建筑墙体和地坪、仓内四周地坪裂缝、墙体裂缝等均可能影响仓房气密性，虽门窗孔洞密封性可通过仔细检查实现良好密封，但建筑墙体和地坪无法检查；仓内四周地坪裂缝难以检查，且其对仓房气密性的影响及影响程度尚无法估量。此外，阀门密闭性能难以把握。

2.6.2 管网的合理设计

提高管网设计与智能充氮工艺相适应，可使设备处于最优工作状态，从而提高设备使用效率，最大限度地节约能耗，建议采用负压智能对侧强排法或智能上充下排边充边排法。

2.6.3 传感器布置点和运行参数难以把握

氧传感器设在哪个位置更能代表仓内浓度，压力传感器放在哪里更合适，其运行参数如何合理设定，目前参数设定是根据气调情况自行摸索，没有固定参数，这就要求要全面熟悉各操作程序及注意事项。

2.6.4 设备的稳定性及寿命

中央储备粮莆田直属库有限公司地处东南沿海，空气中盐分含量高，对氧气浓度传感器、压力传感器有一定的腐蚀性，导致二者的使用寿命仅一年左右，制氮设备每年都需要厂家维护保养，维护难度大、成本高。

2.6.5 局部氮气浓度不均匀

虽然本试验设置的检测点氮气浓度在整个气调期间分布基本均匀且维持稳定，但由于浅圆仓粮堆高、体积大，局部地区难免会存在氮气浓度不均匀的情况未被及时检测，可考虑多增设氧浓度传感器；采用下充上排的充氮模式，粮堆内的虫害可能在粮堆表层聚集引起短暂温度升高，充氮气调前在原有测温电缆的基础上可考虑多增设温度传感器。

此次试验浅圆仓采用的是整仓充氮气调，空间体积大，采用可自行拆卸测温电缆实施粮面覆膜，可减少仓内空间体积，提升充氮气调的效率、减少能耗，同时通过覆膜产生的气囊可延缓粮堆氮气浓度下降。

3 结 论

充氮气调智能控制管理系统具有安装便捷、操作灵活、使用安全的特点；将该系统用于浅圆仓气调储粮中，通过对其氮气浓度控制、杀虫效果、成本等方面进行研究和分析，得出如下结论：① 系统可通过对仓内氮气浓度和仓房压力的实时准确监测，实现充氮、停止、补氮等过程的自动控制，维持仓内氮气的均匀分布和浓度稳定；② 充氮气调期间，结合仓内空调制冷可使仓内温度维持稳定；③ 该系统杀虫效果良好，成本低，自动化程度高；④ 该系统在使用中需要进一步优化工艺条件，合理布置管网，优化传感器布置和参数设置，提高设备稳定性和寿命，以适用于更多地區、更多仓型。

参 考 文 献

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