王 洋

(中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，天津 300131)

在煤炭生產(chǎn)與加工過程中，儲(chǔ)煤是不可或缺的環(huán)節(jié)，儲(chǔ)煤設(shè)施的容量是其中重要的性能參數(shù)，也是決定儲(chǔ)存設(shè)施結(jié)構(gòu)形式的關(guān)鍵因素之一。因此，正確計(jì)算儲(chǔ)煤設(shè)施容量對(duì)工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)具有重要的指導(dǎo)作用。為了提高儲(chǔ)煤設(shè)施容量計(jì)算的精度，前人做了大量研究工作，并提出多種計(jì)算方法，主要包括公式法、經(jīng)驗(yàn)法和模型法。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型的儲(chǔ)煤設(shè)施，分析了三種容量計(jì)算方法的適用性，并根據(jù)其特點(diǎn)提出了使用建議。

1 儲(chǔ)煤設(shè)施類型

目前，我國(guó)的儲(chǔ)煤設(shè)施主要分為封閉式儲(chǔ)煤場(chǎng)、氣膜穹頂混凝土球倉(簡(jiǎn)稱“球倉”)及圓筒倉三大類。相較而言，封閉式儲(chǔ)煤場(chǎng)和圓筒倉應(yīng)用更早，也更為普遍；而球倉近些年才在煤炭?jī)?chǔ)存領(lǐng)域得到一定的推廣和應(yīng)用。

(1)封閉式儲(chǔ)煤場(chǎng)是在露天儲(chǔ)煤場(chǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，常見的如條形儲(chǔ)煤場(chǎng)、全封閉圓形儲(chǔ)煤場(chǎng)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，不同儲(chǔ)煤場(chǎng)布置有堆取料機(jī)等存取煤機(jī)械。這種儲(chǔ)煤場(chǎng)有助于改善周圍環(huán)境，且具有地基處理費(fèi)用低、建設(shè)周期較短的優(yōu)勢(shì)；但在同等容量條件下，其占地面積較大，裝車效率較低[1]。

(2)圓筒倉是目前應(yīng)用最廣泛的一種存煤設(shè)施，能夠?qū)崿F(xiàn)一倉一品儲(chǔ)存，在煤質(zhì)復(fù)雜或儲(chǔ)量較大時(shí)可以采用群倉形式。這種煤倉適用于中小型配煤廠，也可作為大型配煤企業(yè)的配煤倉[2]，其具有占地面積少、環(huán)保效果好、所需設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)，但儲(chǔ)量小，噸煤造價(jià)較高[3]。圓筒倉結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 圓筒倉結(jié)構(gòu)示意圖

(3)球倉是近些年引自國(guó)外的一種散料儲(chǔ)存設(shè)施，具有容量大、建設(shè)周期短、施工受外界氣溫影響小、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，但其所需投資高，不適用于塊煤存儲(chǔ)。球倉結(jié)構(gòu)如圖2所示。

此外，露天儲(chǔ)煤場(chǎng)和半開放式儲(chǔ)煤場(chǎng)在我國(guó)也有應(yīng)用，但隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的提高，這兩種儲(chǔ)煤場(chǎng)已無法滿足環(huán)保要求[4]，在工程設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)踐中不再采用。

2 計(jì)算方法

2.1 公式法

計(jì)算儲(chǔ)煤設(shè)施容量的基本公式為

Q=γV，

式中：Q為儲(chǔ)煤設(shè)施容量，t；γ為煤的堆密度，t/m3；V為儲(chǔ)煤設(shè)施的有效容積，m3。

圖2 球倉結(jié)構(gòu)示意圖

公式法計(jì)算的重點(diǎn)和難點(diǎn)是儲(chǔ)煤設(shè)施的有效容積，常用儲(chǔ)煤設(shè)施容量計(jì)算公式[5]如下：

(1)封閉式儲(chǔ)煤場(chǎng)容量計(jì)算公式為

Q=F0khγ，

式中：F0為儲(chǔ)煤場(chǎng)占地面積，m2；k為與煤堆有關(guān)的系數(shù)；h為煤堆的實(shí)際可能最大高度，m。

(2)圓筒倉容量計(jì)算公式為

Q=γ(V1+V2+nV3)，

V2=h1πR2，

V3= 0.2(L-a)(πR2+4a2)tanβ，

式中：V1為上部圓錐段體積，m3；V2為中部圓筒段體積，m3；V3為下部漏斗段體積，m3；n為漏斗數(shù)量；R為圓筒倉半徑，m；α為物料堆積角，(°)；h1為中部圓筒段高度，m；L為排料口間距，m；a為排料口的邊長(zhǎng)，m；β為下部漏斗側(cè)壁與水平面的夾角，(°)。

(3)球倉容量計(jì)算公式[6]為

Q=γ(V1+V2+V3+nV4)，

V2=h2πR2，

式中：V1為上部圓錐段體積，m3；V2為中部圓柱段體積，m3；V3為中部圓臺(tái)段體積，m3；V4為下部漏斗段體積，m3；n為漏斗數(shù)量；R為球倉底部半徑，m；h1為上部圓錐段高度，m；h2為中部圓柱段高度，m；h3為中部圓臺(tái)段高度，m；r為中部圓臺(tái)段下部半徑，m；h4為下部漏斗段高度，m；R1為下部漏斗段上部直徑，m；a為排料口邊長(zhǎng)的一半，m。

在計(jì)算過程中，k、γ的取值需要根據(jù)實(shí)際情況選擇，詳見表1。

表1 k與γ取值表[7]

采用公式法計(jì)算儲(chǔ)煤設(shè)施容量時(shí)操作簡(jiǎn)單，速度較快；但計(jì)算過程繁瑣且容易出錯(cuò)，結(jié)果不夠準(zhǔn)確，其不適用于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的儲(chǔ)煤設(shè)施容量計(jì)算。

2.2 模型法

近年來，隨著三維設(shè)計(jì)手段的推廣與應(yīng)用，基于模型法的儲(chǔ)煤設(shè)施容量計(jì)算得到發(fā)展。以三維設(shè)計(jì)軟件作為計(jì)算手段，對(duì)儲(chǔ)煤設(shè)施內(nèi)的存煤狀態(tài)建模，通過參數(shù)設(shè)置即可迅速計(jì)算出同類儲(chǔ)煤設(shè)施的容量[8]。以Solid works三維設(shè)計(jì)軟件作為計(jì)算工具，以球倉容量作為計(jì)算目標(biāo)時(shí)，計(jì)算草圖如圖3所示，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖3 球倉容量計(jì)算草圖

采用模型法計(jì)算儲(chǔ)煤設(shè)施容量時(shí)，簡(jiǎn)捷快速，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，尤其適用于儲(chǔ)煤設(shè)施建設(shè)前期的設(shè)計(jì)方案比選。但該方法需要借助三維設(shè)計(jì)軟件，在現(xiàn)場(chǎng)普及應(yīng)用尚需時(shí)日。草圖是容量計(jì)算是否精確的關(guān)鍵，計(jì)算時(shí)要盡可能準(zhǔn)確地繪制相關(guān)草圖[9]。

圖4 球倉容量計(jì)算結(jié)果

2.3 經(jīng)驗(yàn)法

經(jīng)驗(yàn)法是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最多的一種容量估算方法，尤其是在圓筒倉容量計(jì)算方面。得益于多年的設(shè)計(jì)與使用經(jīng)驗(yàn)，目前已形成完善的容量數(shù)據(jù)庫，常用的圓筒倉容積經(jīng)驗(yàn)值見表2[10]。

表2 常用的圓筒倉容積

采用經(jīng)驗(yàn)法時(shí)使用者只需查閱相關(guān)文獻(xiàn)，或者借鑒相似工程項(xiàng)目案例，即可快速得出相應(yīng)的容量數(shù)據(jù)。該方法可以簡(jiǎn)單、高效地得到儲(chǔ)煤設(shè)施的容量，但數(shù)據(jù)庫不夠完善，尤其是近些年新興的倉儲(chǔ)結(jié)構(gòu)(如球倉)，由于缺乏相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不能用于計(jì)算其容量。

3 適用性研究

為了研究各種計(jì)算方法的適用性，以三種儲(chǔ)煤設(shè)施的容量為計(jì)算目標(biāo)，考察計(jì)算結(jié)果的可靠性。基于不同計(jì)算方法的儲(chǔ)煤設(shè)施容量見表3。

表3 基于不同計(jì)算方法的儲(chǔ)煤設(shè)施容量

注：計(jì)算時(shí)γ值均取0.80，各方法均基于同一模型計(jì)算，即各參數(shù)選取一致。

由表3可知：

(1)封閉式儲(chǔ)煤場(chǎng)的容量可以采用公式法和模型法計(jì)算，與模型法的計(jì)算結(jié)果相比，公式法的計(jì)算結(jié)果偏小。這是因?yàn)橛?jì)算公式中存在多個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，且取值范圍較大，計(jì)算結(jié)果受經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值的影響較大。

(2)圓筒倉的容量可以采用公式法、模型法和經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算，模型法和經(jīng)驗(yàn)法的計(jì)算結(jié)果相差不是很大，公式法的計(jì)算結(jié)果偏小，經(jīng)驗(yàn)法的計(jì)算結(jié)果偏大。

(3)球倉的容量可以采用公式法和模型法計(jì)算，與模型法的計(jì)算結(jié)果相比，公式法的計(jì)算結(jié)果偏小。

4 結(jié)論

容量是儲(chǔ)煤設(shè)施的重要參數(shù)，對(duì)儲(chǔ)煤設(shè)施類型選擇起著決定性作用，在實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)需要為不同的儲(chǔ)煤設(shè)施選擇合理的容量計(jì)算方法。

(1)公式法的適用范圍較廣，其操作較為簡(jiǎn)單，計(jì)算速度較快；但在經(jīng)驗(yàn)參數(shù)多且取值范圍較大時(shí)，計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確，且普遍偏小。

(2)模型法適用于所有儲(chǔ)煤設(shè)施容量計(jì)算，且簡(jiǎn)捷快速，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，對(duì)于空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算工作量大、對(duì)數(shù)據(jù)精度要求高的儲(chǔ)煤設(shè)施宜選用該方法；但其需要借助三維設(shè)計(jì)軟件，且要求草圖準(zhǔn)確性高。

(3)經(jīng)驗(yàn)法的適用范圍較窄，其可以簡(jiǎn)單、高效地計(jì)算出儲(chǔ)煤設(shè)施的容量；但數(shù)據(jù)庫不夠完善，僅適用于已經(jīng)廣泛應(yīng)用，且具有大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)煤設(shè)施容量計(jì)算。

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