大直徑混凝土儲(chǔ)煤倉(cāng)雙曲線漏斗的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

曹 亮

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)越來(lái)越重視，燃煤的開(kāi)采、運(yùn)輸和儲(chǔ)存等要求也逐步提升，而筒倉(cāng)具有加載快、儲(chǔ)量大、占地小、環(huán)境保護(hù)好等特點(diǎn)，因此用筒倉(cāng)儲(chǔ)煤的方式得到了廣泛認(rèn)可?；炷羶?chǔ)煤倉(cāng)卸料漏斗多采用錐型漏斗[1]，這種漏斗壁板由4 個(gè)平面組成，傾角通常為60°。由于2 個(gè)相鄰平面相貫線處傾角較小，在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生不通暢、容易堵塞倉(cāng)口等問(wèn)題，需要配置專(zhuān)業(yè)的動(dòng)力促流設(shè)備，當(dāng)遇到含水量大、粉煤多、煤質(zhì)黏結(jié)時(shí)，機(jī)械動(dòng)力促流也不能完全解決堵塞問(wèn)題。實(shí)踐證明，雙曲線漏斗不僅解決了堵塞問(wèn)題，還取消了機(jī)械動(dòng)力促流設(shè)備，系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠。雙曲線型卸料漏斗在實(shí)際應(yīng)用中必須面對(duì)一些問(wèn)題[2]，如填料多、施工難度大、有效倉(cāng)容降低等。

1 工程簡(jiǎn)介

勝利一號(hào)露天煤礦至勝利電廠輸煤系統(tǒng)工程是國(guó)家能源集團(tuán)神華勝利電廠和華能集團(tuán)北方勝利電廠的廠外輸煤、輸灰專(zhuān)線。采用同1 條帶式輸送機(jī)上帶正向運(yùn)煤、下帶反向運(yùn)灰的特殊設(shè)計(jì)方式，輸煤最大運(yùn)力為3 000 t/h，輸灰最大運(yùn)力為500 t/h。輸煤起點(diǎn)為勝利一號(hào)露天煤礦，終點(diǎn)為神華勝利電廠廠外儲(chǔ)煤倉(cāng)，總長(zhǎng)度約13.8 km；輸灰起點(diǎn)為儲(chǔ)煤倉(cāng)附近的中轉(zhuǎn)灰?guī)?，終點(diǎn)為露天礦排土場(chǎng)附近的粉煤灰裝車(chē)倉(cāng)，總長(zhǎng)度約10 km。此工程是集科研成果、技術(shù)創(chuàng)新為一體的高寒地區(qū)“煤來(lái)灰去”煤電一體化的典型工程，為國(guó)內(nèi)乃至世界首創(chuàng)。

勝利一號(hào)露天煤礦開(kāi)采褐煤，煤層形成時(shí)間較晚，煤質(zhì)較輕，針對(duì)高含水量的褐煤及傳統(tǒng)筒倉(cāng)易堵料的問(wèn)題，急需進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使其在不借用輔助設(shè)備的情況下，料流順暢卸載，不發(fā)生堵倉(cāng)現(xiàn)象。勝利褐煤具有吸水性強(qiáng)、易風(fēng)化、風(fēng)化后呈團(tuán)塊狀及鱗片狀、易自燃發(fā)火等特點(diǎn)，主要為5#煤和6#煤。

2 倉(cāng)口布置

廠外輸煤系統(tǒng)終點(diǎn)為儲(chǔ)煤倉(cāng)，倉(cāng)后為廠內(nèi)輸煤系統(tǒng)，屬神華勝利發(fā)電廠設(shè)計(jì)范圍。倉(cāng)下設(shè)計(jì)采用3條普通槽型帶式輸送機(jī)，中間1 條預(yù)留。一期工程時(shí)，外側(cè)2 條帶式輸送機(jī)均單向運(yùn)行，1 用1 備，待電廠二期工程建成后，倉(cāng)下帶式輸送機(jī)全部改造成可逆帶式輸送機(jī)，任意1 條帶式輸送機(jī)都可為一期、二期供煤，實(shí)現(xiàn)2 用1 備。因此，儲(chǔ)煤倉(cāng)倉(cāng)口的布置不僅要考慮2 條帶式輸送機(jī)的給料方式，還要考慮后期中間帶式輸送機(jī)的給料方式。

根據(jù)初步計(jì)算，儲(chǔ)量3.5 萬(wàn)t 褐煤選用直徑36 m 的圓形儲(chǔ)煤倉(cāng)是最經(jīng)濟(jì)的。為使電廠二期工程建成后最大限度降低改造難度，每個(gè)倉(cāng)口預(yù)埋基礎(chǔ)螺栓對(duì)稱(chēng)布置，倉(cāng)口至帶式輸送機(jī)中心線的間距均為3.25 m，二期工程建設(shè)完成后，只需將部分給料機(jī)旋轉(zhuǎn)90°安裝即可實(shí)現(xiàn)為中間帶式輸送機(jī)供煤。

筒倉(cāng)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，倉(cāng)上倉(cāng)下采暖，倉(cāng)壁保溫，直徑36 m，有效儲(chǔ)量3.5 萬(wàn)t。每個(gè)筒倉(cāng)倉(cāng)下設(shè)有卸煤點(diǎn)16 個(gè)，每個(gè)倉(cāng)口尺寸2.2 m×2.2 m，采用全座式振動(dòng)給煤機(jī)給料，每臺(tái)給煤機(jī)最大給料能力為1 000 t/h。

3 雙曲線漏斗

1）常規(guī)錐型漏斗的特點(diǎn)。常規(guī)混凝土儲(chǔ)煤倉(cāng)卸料漏斗多采用錐型漏斗，漏斗壁板由4 個(gè)平面組成，傾角通常為60°，這種結(jié)構(gòu)施工簡(jiǎn)單、快速，市場(chǎng)占用率很高。對(duì)塊煤、煙煤等流動(dòng)性較好的煤，錐型漏斗的優(yōu)勢(shì)很明顯，對(duì)末煤、褐煤等流動(dòng)性差的煤來(lái)說(shuō)，由于錐形漏斗2 個(gè)相鄰平面相貫線處傾角較小，在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生不通暢、易堵塞、自燃等問(wèn)題。

2）雙曲線漏斗的提出。有關(guān)專(zhuān)家學(xué)者在研究漏斗漏煤原理時(shí)認(rèn)為：由于漏斗的橫截面的收縮變化，煤粒在漏斗內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程中迫使煤粒之間互相錯(cuò)動(dòng)、重新排列，煤與煤之間的流動(dòng)阻力增大，這是影響貯煤流動(dòng)、產(chǎn)生堵煤現(xiàn)象的一個(gè)不可忽略的原因[3]。漏斗截面收縮率的數(shù)學(xué)公式可表示為：

式中：K 為漏斗的截面形狀系數(shù)，當(dāng)截面呈圓形時(shí)，K=1.0，截面呈方形時(shí)，K=0.75～1.0；C 為漏斗的截面收縮率，m-1；dA 為與微小量dy 相對(duì)應(yīng)的截面積的微小變量；A 為漏斗任一水平截面的截面積，m2；dy 為與A 截面垂直方向上的微小變量。

3）雙曲線漏斗的關(guān)鍵點(diǎn)。雙曲線形卸料漏斗不易出現(xiàn)卸料不通暢、堵塞問(wèn)題，除倉(cāng)口尺寸外，關(guān)鍵是其截面積收縮率是常量。這是一種按負(fù)高斯曲率旋轉(zhuǎn)而成的殼體結(jié)構(gòu)，早期應(yīng)用在小儲(chǔ)量的單口卸料圓筒倉(cāng)設(shè)計(jì)中，將其設(shè)計(jì)成無(wú)需填料的殼體結(jié)構(gòu)形式，如鋼結(jié)構(gòu)倉(cāng)。但對(duì)于大直徑、多個(gè)卸料口的圓筒倉(cāng)，設(shè)計(jì)上一般是鋼筋混凝土梁板帶錐形漏斗，倉(cāng)底結(jié)構(gòu)保持不變，用陶?；炷疗鲶w、C15 素混凝土等輕質(zhì)材料將錐形漏斗逐漸填成雙曲線形漏斗，表層再采用高強(qiáng)耐磨料。這就需要大量的填料，特別是倉(cāng)口不均勻布置時(shí)，遠(yuǎn)離倉(cāng)壁的倉(cāng)口填料量是巨大的，雙曲線形漏示意圖如圖1。

圖1 雙曲線形漏示意圖

4）雙曲線漏斗存在的問(wèn)題及解決方法。無(wú)論是單口卸料還是多口卸料的圓筒倉(cāng)，雙曲線形漏斗高度都較高。雙曲線形漏斗與60°錐形漏斗相比，前者對(duì)筒倉(cāng)的有效容積損失較大，這也是采用雙曲線形卸料漏斗必須解決的設(shè)計(jì)問(wèn)題。本工程設(shè)計(jì)將1 條曲線分為2 段，每段采用不同的截面收縮率，不僅解決了卸料不通暢、堵塞問(wèn)題，又減小了有效倉(cāng)容的損失及填料高度，優(yōu)化后的雙曲線漏斗示意圖如圖2。

圖2 優(yōu)化后的雙曲線漏斗示意圖

4 雙曲線漏斗的曲線優(yōu)化

針對(duì)勝利一號(hào)露天煤礦褐煤含水量高的特點(diǎn)，結(jié)合雙曲線漏斗的設(shè)計(jì)理論，筒倉(cāng)倉(cāng)口采用不同角度雙曲線設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)降低填料高度，且不采取輔助設(shè)備，保證不堵倉(cāng)[4-5]。

4.1 雙曲線形漏斗的設(shè)計(jì)原理

錐形卸料漏斗之所以不通暢，出現(xiàn)卸料堵塞，并不完全是由于錐形漏斗的傾角a0取的不夠大，主要原因是錐形漏斗的截面積收縮率C 不是常量，而是變量，在物料排出的過(guò)程中，下部的料流通過(guò)量小，上部的料流通過(guò)量大，逐漸形成堆積堵料[6-8]。不同曲線的漏斗口如圖3。

圖3 不同曲線的漏斗口

截面積收縮率C 的表達(dá)式為：

式中：C 為截面積收縮率，m-1；r 為沿錐形漏斗任一高度h 處的圓半徑，m；α0為傾角，（°）。

錐形漏斗截面收縮率C 隨其高度h 的下降而急劇增大，至卸料漏斗底部時(shí)C 值最大，這是錐形漏斗卸料不通暢、發(fā)生卸料堵塞的根本原因。

1 段雙曲線漏斗的角度α0隨漏斗半徑變化而變化，而C 值為常量，在物料排出的過(guò)程中，物料通過(guò)量穩(wěn)定，消除卸料堵塞問(wèn)題。但是，對(duì)于大直徑筒倉(cāng)來(lái)說(shuō)，1 段雙曲線漏斗的填料太多，倉(cāng)容降低，進(jìn)一步增大工程投資。

4.2 雙曲線形漏斗曲線的分段設(shè)計(jì)

由于筒倉(cāng)上部半徑很大，漏斗的C 值數(shù)值很小，變化不大，不存在堵煤現(xiàn)象；當(dāng)下部靠近漏斗口時(shí)，由于半徑逐漸變小，C 值急劇增大，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)堵煤現(xiàn)象。于是只需要將下部的錐形漏斗改為雙曲線即可，相比1 條雙曲線設(shè)置，這樣設(shè)計(jì)的筒倉(cāng)容積減少很小，而卸煤的優(yōu)勢(shì)又得以發(fā)揮，這種設(shè)計(jì)稱(chēng)之為部分雙曲線漏斗。

考慮到勝利褐煤具有很高的含水率、黏性較大，如采用部分雙曲線漏斗設(shè)計(jì)時(shí)，上部錐形角度需要很大，填料仍然很高，于是本次設(shè)計(jì)將采用分段型雙曲線設(shè)計(jì)。所謂分段設(shè)計(jì)，是按雙曲線形漏斗設(shè)計(jì)原理將1 段曲線分上、下2 段分別設(shè)計(jì)，上段取較小的傾角α2，下段曲線取較大傾角α1。這并不違反雙曲線形漏斗設(shè)計(jì)原理，只不過(guò)是修改了雙曲線形漏斗的設(shè)計(jì)原則，即將雙曲線形漏斗同一C 值設(shè)計(jì)原則修改為按2 個(gè)C 值設(shè)計(jì)，用2 個(gè)不同C 值的雙曲線形漏斗連接成為1 個(gè)雙曲線形漏斗。

對(duì)于大直徑筒倉(cāng)，受倉(cāng)下帶式輸送機(jī)布置影響，帶式輸送機(jī)兩側(cè)的倉(cāng)口填料較多?？紤]到倉(cāng)內(nèi)落煤時(shí)物料粒度分布不均的特點(diǎn)，即筒倉(cāng)中心物料粒度小，四周粒度大的原則，可降低上部雙曲線的起始角度。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，塊煤漏斗傾角可選40°，優(yōu)化后的雙曲線漏斗主要參數(shù)如圖4。

圖4 優(yōu)化后的雙曲線漏斗主要參數(shù)

由圖1 和圖2 是雙曲線形漏斗優(yōu)化前后對(duì)比圖，優(yōu)化后的雙曲線可減少填料體積3 024 m3，褐煤松散密度按0.85 t/ m3算，可多裝煤2 570 t。顯然，對(duì)于大直徑筒倉(cāng)來(lái)說(shuō)，分段設(shè)計(jì)解決了填料太多、倉(cāng)容降低的問(wèn)題。

4.3 倉(cāng)口尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)截面積收縮量C 的表達(dá)式中可以得知，當(dāng)傾角固定時(shí)，截面積收縮量與倉(cāng)口半徑成反比。因此，儲(chǔ)煤倉(cāng)漏斗的設(shè)計(jì)不僅僅是雙曲線的設(shè)計(jì)，倉(cāng)口尺寸更是不能忽略的。根據(jù)近幾年內(nèi)工程實(shí)踐來(lái)看，倉(cāng)口尺寸大于1.7 m×1.7 m 時(shí)不易堵料，本工程結(jié)合工藝布置及倉(cāng)下給料機(jī)給料能力，最終確定倉(cāng)口尺寸為2.2 m×2.2 m。

5 結(jié)語(yǔ)

1）勝利一號(hào)露天煤礦至勝利發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)分段型雙曲線漏斗儲(chǔ)煤倉(cāng)于2019 年8 月開(kāi)始是施工，2020 年10 月完成建設(shè)。直徑36 m，主體結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)，屋面為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，1#儲(chǔ)煤倉(cāng)倉(cāng)上建筑層數(shù)3 層，檐高77.561 m；2#儲(chǔ)煤倉(cāng)，倉(cāng)上建筑層數(shù)為1 層，檐高為66.561 m。通過(guò)優(yōu)化，雙曲線漏斗可減少填料體積3 024 m3，增加的倉(cāng)容可使倉(cāng)體高度降低3 m。

2）采用分段型雙曲線漏斗，可降低倉(cāng)體高度、上倉(cāng)帶式輸送機(jī)提升高度、棧橋長(zhǎng)度和驅(qū)動(dòng)功率等，節(jié)省了大量填料，降低了工程投資。

3）采用2.2 m×2.2 m 大倉(cāng)口設(shè)計(jì)，使料流卸載通暢、不堵倉(cāng)，取消了空氣炮等輔助生產(chǎn)設(shè)施，簡(jiǎn)化系統(tǒng)流程，降低生產(chǎn)運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。