蘇瑞杰，郭志博

(華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450015)

0 引言

電力系統(tǒng)貯煤是為了燃料供應(yīng)充足，以保證電廠發(fā)電的連續(xù)性。在世界范圍內(nèi)，從最初的開(kāi)放式堆煤到煤廠儲(chǔ)煤，經(jīng)歷了100多年的發(fā)展歷程，由于現(xiàn)代人對(duì)環(huán)境的重視，燃煤的開(kāi)采、運(yùn)輸和貯存要求都在逐步提升，由此倉(cāng)式貯煤得到了世界范圍的認(rèn)可，并且容量和工藝發(fā)展也越來(lái)越完善。我國(guó)電力系統(tǒng)對(duì)倉(cāng)式貯煤系統(tǒng)的應(yīng)用源于20世紀(jì)70年代，盡管筒倉(cāng)優(yōu)點(diǎn)突出，但近些年卻沒(méi)有得到大規(guī)模推廣，最根本的原因是整體投資較大。

伴隨電廠現(xiàn)代化的發(fā)展需求，加上燃料的獲取較以往越來(lái)越困難，許多電廠才逐漸考慮到大規(guī)模貯煤，筒倉(cāng)的作用由此更能凸現(xiàn)出來(lái)。世界上發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)大容量筒倉(cāng)的應(yīng)用研究一直走在前列，這給我國(guó)筒倉(cāng)事業(yè)的發(fā)展提供了借鑒。本文在對(duì)比國(guó)內(nèi)外筒倉(cāng)的發(fā)展現(xiàn)狀后，分別從超大型新型筒倉(cāng)系統(tǒng)工藝布置和土建結(jié)構(gòu)兩個(gè)角度出發(fā)，進(jìn)行對(duì)比分析并提出下一步發(fā)展方向。

1 國(guó)內(nèi)外筒倉(cāng)對(duì)比引發(fā)的思考

2013年7月，中國(guó)黃驊港四期總?cè)萘繛?2萬(wàn)t的24座直徑為40 m的筒倉(cāng)群體施工完成，讓行業(yè)內(nèi)人士察覺(jué)到了筒倉(cāng)的發(fā)展勢(shì)態(tài)。國(guó)內(nèi)外化石燃料的需求越來(lái)越大，而整體儲(chǔ)存量卻有限，筒倉(cāng)是一種專門貯存散粒體的結(jié)構(gòu)體系，不單單貯存量大，系統(tǒng)調(diào)度靈活，而且有利于環(huán)境保護(hù)；在電廠儲(chǔ)煤運(yùn)煤系統(tǒng)中，還具有物料先進(jìn)先出、燃煤氧化損失小、精確混煤的優(yōu)越功能，但其發(fā)展卻一直比較緩慢。相比而言，早在2000年，日本橘灣電廠就已建起8座直徑為46 m，總儲(chǔ)煤量為56萬(wàn)t的超大型筒倉(cāng)，把大宗煤炭存儲(chǔ)帶進(jìn)了全封閉式的存儲(chǔ)時(shí)代。國(guó)外超大型筒倉(cāng)的容量已達(dá)到10萬(wàn)t以上，而國(guó)內(nèi)現(xiàn)存最大筒倉(cāng)容量只有4萬(wàn)t左右，并且伴隨著超大容量筒倉(cāng)的發(fā)展，國(guó)外研發(fā)的出料設(shè)備也在逐步升級(jí)，而國(guó)內(nèi)卻依然停留在傳統(tǒng)狀態(tài)。

為什么筒倉(cāng)優(yōu)點(diǎn)這么多，但其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展卻如此緩慢呢？在了解筒倉(cāng)造價(jià)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，直徑為30 m，儲(chǔ)煤量為2.5萬(wàn)t的筒倉(cāng)，其整體投資已接近3 800萬(wàn)元，相對(duì)于傳統(tǒng)煤廠，筒倉(cāng)投資多，施工難度大，所以才造成了發(fā)展緩慢的勢(shì)態(tài)。

2 筒倉(cāng)提“容”降“造”

在筒倉(cāng)造價(jià)對(duì)其發(fā)展影響較大的狀況下，如果運(yùn)用現(xiàn)代化的手法降低工程造價(jià)，同時(shí)跟隨國(guó)外筒倉(cāng)的發(fā)展形式提高總?cè)萘?，?shì)必對(duì)筒倉(cāng)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展提供有力支持。

華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院(以下簡(jiǎn)稱華電機(jī)械院)前期在進(jìn)行筒倉(cāng)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，發(fā)現(xiàn)GB 50077—2003《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)參數(shù)(如煤與倉(cāng)壁的側(cè)壓力系數(shù)、貯料的內(nèi)摩擦角、筒倉(cāng)內(nèi)外溫差和煤的容重等)，對(duì)筒倉(cāng)荷載計(jì)算有決定性作用，同時(shí)深倉(cāng)、淺倉(cāng)的區(qū)分對(duì)筒倉(cāng)的整體結(jié)構(gòu)受力也有不同規(guī)定，這些都會(huì)對(duì)優(yōu)化筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)、降低土建造價(jià)有很大影響。另外，怎樣更合理地進(jìn)行工藝布置和設(shè)備選型，以減少因工藝原因造成的土建預(yù)算，更需要考慮。

對(duì)比以往的筒倉(cāng)工藝設(shè)置，并結(jié)合筒倉(cāng)的給料卸料裝置，華電機(jī)械院研發(fā)的環(huán)式給料機(jī)不但設(shè)計(jì)靈巧、安全系數(shù)高，而且方便檢修，目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上占有率較高。伴隨著超大型筒倉(cāng)事業(yè)的發(fā)展，華電機(jī)械院成功研制出了針對(duì)超大型筒倉(cāng)的三環(huán)式給料、卸料設(shè)備，此設(shè)備倉(cāng)頂采用三環(huán)刮板式布料機(jī)，倉(cāng)底采用三環(huán)嵌套環(huán)式給料機(jī)卸料，直徑可達(dá)50～65 m，筒倉(cāng)總?cè)萘靠蛇_(dá)5萬(wàn)～10萬(wàn)t。三環(huán)刮板式布料機(jī)總出力可達(dá)3 500 t/h，有利于國(guó)內(nèi)筒倉(cāng)群體的發(fā)展。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化提高性價(jià)比

對(duì)于大型及超大型筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)，從工藝布置和土建兩方面入手，都可為筒倉(cāng)的優(yōu)化提供新思路，結(jié)合工藝布置將筒倉(cāng)輸送設(shè)備做到自動(dòng)化監(jiān)管，是目前筒倉(cāng)發(fā)展的應(yīng)用方向。但如何從設(shè)計(jì)角度將筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)做到最優(yōu)，提高其性價(jià)比，是當(dāng)前最為迫切的需要。為此，華電機(jī)械院對(duì)直徑為36 m的大型筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 技術(shù)手段

在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，采用國(guó)內(nèi)較流行的Midas/Gen和Ansys等大型有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)計(jì)算成果和規(guī)范進(jìn)行實(shí)際的配筋設(shè)計(jì)。

3.2 整體計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果

在針對(duì)典型的36 m大型筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，以河南萬(wàn)基控股電廠36 m筒倉(cāng)為工程背景，建立Midas和Ansys整體結(jié)構(gòu)模型如圖1、圖2所示。

圖1 Midas整體結(jié)構(gòu)模型

圖2 Ansys整體結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)規(guī)范計(jì)算荷載狀況后，分別施加到模型中，分析得出各個(gè)荷載工況及組合工況下整體受力及變形情況，在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行配筋驗(yàn)算，并結(jié)合以往的設(shè)計(jì)圖紙對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行優(yōu)化布置，如筒倉(cāng)側(cè)壁、底板厚度、側(cè)壁預(yù)應(yīng)力布置等。36 m筒倉(cāng)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 Midas計(jì)算結(jié)果關(guān)鍵部位應(yīng)力及變形

圖4 Ansys計(jì)算結(jié)果中關(guān)鍵部位應(yīng)力變形

運(yùn)用兩款軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，一方面是為了進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，防止由計(jì)算或軟件設(shè)置所帶來(lái)的錯(cuò)誤，另一方面也說(shuō)明了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在分別對(duì)比兩者關(guān)鍵部位的計(jì)算結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，整體受力變形一致，其關(guān)鍵部位結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 Midas和Ansys計(jì)算結(jié)果關(guān)鍵部位平均應(yīng)力對(duì)比 MPa

3.3 優(yōu)化技術(shù)成果

(1)筒壁壁厚在原有形式上減少10%，優(yōu)化后的壁厚能滿足結(jié)構(gòu)受力要求，變形在合理的規(guī)范要求之內(nèi)。

(2)將原有基礎(chǔ)底板板厚減少30%，工程量降低50%，通過(guò)整體建模分析得出基礎(chǔ)底板在一定厚度范圍內(nèi)即可滿足上部結(jié)構(gòu)受力要求，而傳統(tǒng)底板厚度造成了一定的資源浪費(fèi)。

(3)總結(jié)出筒倉(cāng)內(nèi)外溫差對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響因素，根據(jù)模型中溫度設(shè)置的不同，分別模擬不同溫差下筒壁及整體的應(yīng)力應(yīng)變，找出了內(nèi)外溫差變化對(duì)筒壁的受力影響，合理設(shè)置了筒倉(cāng)不同部位的內(nèi)外溫差。

(4)以往倉(cāng)頂梁的截面較大，在對(duì)比不同形式的倉(cāng)頂梁后，首次在筒倉(cāng)頂部采用預(yù)應(yīng)力混凝土形式，不但減少了工程量，降低了工程造價(jià)，倉(cāng)頂受力也更為合理。

(5)側(cè)壁采用了預(yù)應(yīng)力混凝土形式，并重新排布預(yù)應(yīng)力筋，減少預(yù)應(yīng)力筋的工程量。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的筒倉(cāng)整體結(jié)構(gòu)和原有的筒倉(cāng)主要部位混凝土量、預(yù)應(yīng)力鋼筋用量和普通鋼筋用量均有不同程度的降低，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上降低了整體造價(jià)。

上述筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化成果將應(yīng)用于華電機(jī)械院承接的河南萬(wàn)基控股電廠2×36 m直徑筒倉(cāng)系統(tǒng)總承包工程中，目前已基本完成施工圖設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)于2015年年初開(kāi)工建設(shè)。以此工程為例，華電機(jī)械院將從不同方向?qū)ν矀}(cāng)展開(kāi)相關(guān)研究，從工藝和結(jié)構(gòu)兩方面找出新的研究思路，為今后更大直徑筒倉(cāng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

4 研究方向和內(nèi)容

4.1 工藝角度

(1)倉(cāng)內(nèi)密度分布研究。倉(cāng)內(nèi)煤炭堆積密度是確定儲(chǔ)量和確定物料作用在倉(cāng)體上荷載的關(guān)鍵參數(shù)，GB 50077—2003《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定煤的密度為0.8～1.4 t/m3，范圍較大，取值較困難，而工藝專業(yè)一般要求計(jì)算密度為1.1 ～1.4 t/m3，且一般按煤炭在筒倉(cāng)內(nèi)部密度一致核算，從而認(rèn)為增加了“不明確荷載”。對(duì)某煤種的模擬分析表明，由于煤炭相互作用力的結(jié)果，倉(cāng)內(nèi)煤炭密度自下而上逐步減小，且最大密度也小于規(guī)范中所列密度。通過(guò)先進(jìn)的模擬手段可以使筒倉(cāng)荷載選取更精細(xì)化。

(2)物料對(duì)倉(cāng)體壓力的研究。通過(guò)研究倉(cāng)內(nèi)密度分布，可得出物料對(duì)倉(cāng)壁的壓力分布，并利用其他有限元軟件配合模擬，可直接用于結(jié)構(gòu)受力計(jì)算。

4.2 土建結(jié)構(gòu)角度

(1)筒倉(cāng)最經(jīng)濟(jì)的“徑高比”。針對(duì)容量相同，不同“徑高比”的筒倉(cāng)做對(duì)比分析，可以確定最優(yōu)的工程量，使工程造價(jià)最經(jīng)濟(jì)，并結(jié)合工藝建立有限元模型，進(jìn)一步減少材料用量。

(2)力學(xué)計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)研究。前面提到在進(jìn)行荷載計(jì)算時(shí)，相關(guān)參數(shù)的選取對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能影響很大，怎樣選取合適的力學(xué)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)筒倉(cāng)整體優(yōu)化至關(guān)重要，華電機(jī)械院在此方向已結(jié)合實(shí)例開(kāi)展研究，并與鄭州新力電力有限公司合作，利用其正在運(yùn)行的直徑22 m筒倉(cāng)進(jìn)行力學(xué)關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中的參數(shù)選擇，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全。通過(guò)在待執(zhí)行的2×36 m筒倉(cāng)項(xiàng)目中預(yù)埋測(cè)控元件，在大直徑筒倉(cāng)上進(jìn)一步開(kāi)展力學(xué)關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試和研究，為后續(xù)超大型筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參數(shù)選擇依據(jù)。

(3)不同地震狀況下筒倉(cāng)受力研究。我國(guó)幅員遼闊，不同地區(qū)的抗震設(shè)防等級(jí)有很大區(qū)別，對(duì)不同地區(qū)的抗震等級(jí)進(jìn)行模擬，研究地震工況下樁與筒體的共同作用，了解其整體變形情況。

(4)群倉(cāng)及筒倉(cāng)與土體共同作用受力研究。單個(gè)筒倉(cāng)和群倉(cāng)效應(yīng)對(duì)周圍土體有不同影響，研究單個(gè)筒倉(cāng)和群倉(cāng)共同作用效應(yīng)，了解整體的變形情況，也是一項(xiàng)十分有意義的課題。分析筒倉(cāng)、樁與土體共同作用下的相互影響，能更清楚地了解筒倉(cāng)對(duì)周圍建筑的影響范圍。

4.3 華電機(jī)械院總承包(EPC)工程服務(wù)體系

華電機(jī)械院通過(guò)對(duì)36m大直徑筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的優(yōu)化研究，以及原有的成套環(huán)式給料卸料設(shè)備，專業(yè)的質(zhì)量管理體系，遠(yuǎn)程監(jiān)控管理技術(shù)，完善的售后服務(wù)等，可獨(dú)立完成不同直徑筒倉(cāng)的(EPC)業(yè)務(wù)，為業(yè)主節(jié)省大量時(shí)間和工程造價(jià)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，國(guó)內(nèi)由于筒倉(cāng)造價(jià)較高阻礙了其廣泛推廣，從工藝布置和土建結(jié)構(gòu)兩方面做了相關(guān)研究，利用有限元方法對(duì)筒倉(cāng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析模擬，取得了一定成果，大幅度降低了工程造價(jià)。同時(shí)，在此研究成果的基礎(chǔ)上提出新的研究思路，期望筒倉(cāng)在國(guó)內(nèi)各個(gè)領(lǐng)域有較好的發(fā)展前景。

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