錢小文，紀(jì)慧泉，龔九洲，周祥態(tài)，葉廣志

（1.江蘇國信揚(yáng)州發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇揚(yáng)州 225131；2.江蘇旅游職業(yè)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127；3.揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠有限公司，江蘇揚(yáng)州 225003）

0 引言

電廠原煤倉一般為圓形鋼倉體，其結(jié)構(gòu)為漏斗狀，上大下小，出口位置及以上0～3 m之間的截面積相對較小。原煤一般存放在露天敞篷里，容易吸收水分[1]，出現(xiàn)“黏煤”現(xiàn)象，煤質(zhì)下降和摻燒煤泥的情況下，也會出現(xiàn)這種情況。向原煤倉添加“黏煤”，在煤倉下端容易出現(xiàn)堵煤現(xiàn)象。嚴(yán)重影響煤場周轉(zhuǎn)，機(jī)器的正常運(yùn)行，給機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來較大隱患[2]。

針對堵煤情況，目前國內(nèi)普遍采用安裝空氣炮、疏通機(jī)、震打器等清堵裝置，但效果不理想，在濕煤的情況下效果更差。不斷捶打倉壁，有時(shí)反而會導(dǎo)致上端粘煤破拱速度大于下端，導(dǎo)致下端堵煤現(xiàn)象更嚴(yán)重[3]。靠人工敲打倉壁，掏煤來疏通煤倉，不僅時(shí)間長，影響機(jī)組負(fù)荷，還造成給煤機(jī)平臺嚴(yán)重污染[4]。

為確保電廠給煤系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提高機(jī)組安全運(yùn)行可靠性，減少經(jīng)濟(jì)損失。針對上述堵煤情況，本文作者提出了通過旋轉(zhuǎn)煤斗的方案解決該問題，通過截取原煤倉下端部分，替代以旋轉(zhuǎn)活動式圓錐形倉體來打破原煤倉原煤結(jié)拱造成的物料平衡狀態(tài)，瓦解了堵煤的基礎(chǔ)因素，避免堵煤、斷煤情況。同空氣錘等清堵方案相比，該方案清堵效果好、效率高。

1 旋轉(zhuǎn)煤斗載荷計(jì)算

1.1 原煤倉結(jié)構(gòu)分析

電廠原煤鋼倉，上端為圓柱形，下端為錐形，具體結(jié)構(gòu)及外形簡圖如圖1所示。漏斗壁與水平面的夾角為α，上端圓柱長度H1，下端錐形漏斗長度H2，內(nèi)徑為dn，煤倉總高度H=H1+H2。當(dāng)倉體總高度與圓形倉筒內(nèi)徑之比，即≥1.5，則該倉體為深倉，反之為淺倉。一般情況下，電廠原煤倉高度與倉筒內(nèi)徑之比大于介于1.5～3之間，屬于深倉[5]。

圖1 圓形煤筒倉貯煤載荷示意圖

1.2 圓形鋼倉貯料載荷通用計(jì)算模型研究

針對圓形深筒鋼倉，貯料重力載荷計(jì)算模型可簡化為如圖2所示的模型。計(jì)算截面在漏斗高度范圍內(nèi)時(shí)，作用于漏斗壁單位面積上的法向壓力值 pn為一定值，均取漏斗頂面之值[5]，此時(shí)按公式（1）計(jì)算。

ζ為法向壓力系數(shù)：

圖2 錐形鋼倉貯料重力載荷計(jì)算模型

Pvh為漏斗頂面單位面積上的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2)，按式（4）計(jì)算。

Cv為豎直壓力修正系數(shù)，按表1采用；ρ為筒倉水平凈截面的水力半徑（m)，對于圓形筒倉ρ=；

μ為貯料與深倉壁摩擦系數(shù)；γ為貯料重力密度，kN/m3；k為側(cè)壓力系數(shù)；hn為貯料計(jì)算高度，即貯料頂面或貯料錐體重心至鋼倉漏斗頂面的距離(m)；e為自然對數(shù)的底。

表1 深倉豎直壓力修正系數(shù)C v

1.3 旋轉(zhuǎn)煤斗力學(xué)模型及載荷計(jì)算

1.3.1 旋轉(zhuǎn)煤倉結(jié)構(gòu)介紹

針對堵煤情況，采用截取原煤倉錐形漏斗下端部分，替代以旋轉(zhuǎn)活動式圓錐形倉體來消除腔內(nèi)原煤結(jié)拱、堵煤的現(xiàn)象。改造實(shí)驗(yàn)的原煤倉外形尺寸如圖3所示，尺寸單位均為m）

旋轉(zhuǎn)煤斗整體分為3個(gè)部分：上部固定端與原倉體通過法蘭連接，中間為旋轉(zhuǎn)倉體，旋轉(zhuǎn)倉體通過螺栓與回轉(zhuǎn)支撐2的外圈相連接?；剞D(zhuǎn)支撐2的外圈為齒輪輪齒，回轉(zhuǎn)支撐2的內(nèi)圈固定在支架上承受回轉(zhuǎn)倉體的重量。電機(jī)與減速箱帶動輸出軸上的小齒輪轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的動力傳遞到回轉(zhuǎn)支撐2的外圈齒輪，與回轉(zhuǎn)支承2相連的中間旋轉(zhuǎn)倉隨之旋轉(zhuǎn)。煤斗旋轉(zhuǎn)的過程中內(nèi)壁與原煤之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，打破原煤的平衡狀態(tài)，結(jié)拱隨之破裂，原煤順利的流下，整個(gè)原煤倉暢通。煤斗具體結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

旋轉(zhuǎn)煤倉倉壁分為兩層，外壁由碳鋼鋼板卷制，內(nèi)壁使用耐磨、耐蝕的不銹鋼板，采用焊塞與煤倉連接。表面打磨平整形成光滑的整體結(jié)構(gòu)，減小了煤流在倉壁內(nèi)受到的摩擦阻力，保證煤流的暢通[6-7]。旋轉(zhuǎn)煤倉的動靜結(jié)合處采用密封效果好的迷宮密封和盤根密封，保證密封效果。

圖3 原煤倉及旋轉(zhuǎn)煤斗外形結(jié)構(gòu)簡圖

旋轉(zhuǎn)式煤倉清堵面積大，可徹底清除料倉內(nèi)燃煤的架橋、結(jié)拱、漏斗流等現(xiàn)象。

結(jié)合理論分析和電廠原煤倉實(shí)際運(yùn)行情況，原煤倉出口位置及以上0～3 m之間的截面積相對較小，是堵煤情況的高發(fā)點(diǎn)，因此破除此范圍內(nèi)的原煤結(jié)拱是保證整個(gè)給煤系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要突破點(diǎn)。

1.3.2 旋轉(zhuǎn)煤斗基本參數(shù)及法向壓力（壓強(qiáng)）計(jì)算

在該方案中，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)煤斗轉(zhuǎn)動的動力參數(shù)是重要關(guān)鍵點(diǎn)，它關(guān)系到齒輪、軸承參數(shù)的確定；減速箱、電機(jī)功率的選配【8】。過小的驅(qū)動力矩?zé)o法帶動煤斗旋轉(zhuǎn)，無法疏通煤斗。選用保守的減速箱及電機(jī)功率，會造成整個(gè)結(jié)構(gòu)體積增大，影響整體協(xié)調(diào)性，還造成成本的浪費(fèi)。

目前在旋轉(zhuǎn)煤斗載荷計(jì)算相關(guān)領(lǐng)域，可供借鑒參考的資料過少。結(jié)合貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊、理論力學(xué)、微積分等知識，對煤斗載荷的計(jì)算進(jìn)行了較為深刻的研究，總結(jié)得到如下較為可靠的計(jì)算方法。

取旋轉(zhuǎn)煤斗極限工況（原煤倉滿載堵煤）為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，截取距離煤倉頂部24.29 m處的截面作為旋轉(zhuǎn)倉的上端，距離煤倉頂部25.5 m處的截面作為旋轉(zhuǎn)倉的下端，查資料及計(jì)算知此次電廠改造實(shí)驗(yàn)的原煤倉相關(guān)參數(shù)：γ=10 kN/m2，hn=14.69 m ，CV=2.0， φ=30°， α=70°

1.3.3 旋轉(zhuǎn)煤斗驅(qū)動載荷計(jì)算方法探究及對比

（1）驅(qū)動煤斗旋轉(zhuǎn)的扭矩計(jì)算方法一

驅(qū)動旋轉(zhuǎn)煤斗轉(zhuǎn)動的載荷數(shù)學(xué)模型如圖4所示。煤斗在旋轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動力矩與摩擦力矩相等。在距離原煤倉頂面x（x≥14.69 m)處任取一小段 d x，(d x 0）。環(huán)形面積d y=2πR

其中R=4.5-[x -14.69] ×tan20°；

煤斗在d x內(nèi)的力學(xué)參數(shù)如下：

承受的力d F=d y.pn；

承受的摩擦力d Fa=d Fμ；

摩擦力矩d M=δ.d FaR；

式中δ為考慮安裝刮刀等因素帶來的阻力放大系數(shù)，取值δ=1.2。

在[2 4 .29,25.5]內(nèi)，對d M進(jìn)行積分得到整個(gè)旋轉(zhuǎn)煤斗旋轉(zhuǎn)時(shí)需要克服的的摩擦力矩M1。

代入相關(guān)數(shù)值得M1=198.323 kN·m=198 323 N·m

圖4 旋轉(zhuǎn)煤斗驅(qū)動載荷數(shù)學(xué)模型

（2）驅(qū)動煤斗旋轉(zhuǎn)的扭矩計(jì)算方法二

計(jì)算得到y(tǒng)=6.529 8m2；

原煤作用在整個(gè)旋轉(zhuǎn)煤斗上的法向壓力FN=pn?y=526.419 kN，煤斗旋轉(zhuǎn)時(shí)，煤斗與原煤之間產(chǎn)生的摩擦力 f=δμFN，代入相關(guān)數(shù)值得 f=252.681 kN。

回轉(zhuǎn)支承2距離煤倉頂部中心的S=24.72 m，旋轉(zhuǎn)煤斗此處的半徑為R==0.849 5 m，將煤斗旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生1的摩擦力當(dāng)做集中力，以R1為力臂，則摩擦力矩：

M2=fR1=214.653 kN·m=214 653N·m

方法一通過數(shù)學(xué)微積分，將旋轉(zhuǎn)煤斗高度微分成無數(shù)小段d x，先求出距原煤倉頂面x處的一小段環(huán)面（高度d x）承受的法向力d F和摩擦力d Fa，然后求出需要克服的摩擦力矩dM，最后在旋轉(zhuǎn)煤斗高度范圍[2 4 .29,25.5]將微小的力矩進(jìn)行積分得出需要克服的總摩擦力矩，此種結(jié)果一般非常接近真實(shí)值。

方法二是先求出旋轉(zhuǎn)煤斗整個(gè)內(nèi)壁的摩擦力，將此力當(dāng)作集中力，以R1為力臂，求出需要克服的摩擦力矩。當(dāng)煤斗截取高度較大，漏斗壁對水平面的夾角α較小時(shí)，煤斗半徑在高度方向的變化較大，回轉(zhuǎn)支承2與煤斗的交點(diǎn)位置選取的不同，計(jì)算的摩擦力矩就會產(chǎn)生存在較大的差異。

通過理論誤差分析，對比方法一和方法二的計(jì)算原理，方法一計(jì)算的結(jié)果相對更科學(xué)。

1.4 動力驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)摩擦力矩?cái)?shù)值，結(jié)合煤斗外徑、旋轉(zhuǎn)速度，可初步給出回轉(zhuǎn)支承2的外圈齒輪和小齒輪參數(shù)（模數(shù)、齒數(shù)、中心距、寬度）。根據(jù)齒輪計(jì)算手冊，反向校核齒根抗彎強(qiáng)度和齒面抗疲勞強(qiáng)度，微調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)，即可完成動力驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)。

2 旋轉(zhuǎn)煤斗清堵刮刀的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.1 旋轉(zhuǎn)煤倉刮刀布置研究

當(dāng)濕度過大，原煤之間的內(nèi)摩擦阻力、粘性、靜電力也隨之增加，更容易粘煤，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)煤斗破拱難度增加。為確保旋轉(zhuǎn)煤斗可靠的疏通原煤倉，在旋轉(zhuǎn)煤斗內(nèi)壁內(nèi)置清堵刮刀來增強(qiáng)清堵效果。

旋轉(zhuǎn)煤倉內(nèi)部共布置3把刮刀，刮刀位置布置結(jié)構(gòu)如圖5所示。第1把刮刀布置在旋轉(zhuǎn)煤倉上部固定端，懸臂布置且不隨旋轉(zhuǎn)倉體旋轉(zhuǎn)。第2把刮刀設(shè)在中間倉體檢修人孔門上，隨旋轉(zhuǎn)倉體一起旋轉(zhuǎn)。第3把刮刀設(shè)在旋轉(zhuǎn)倉體下部懸臂布置，跟隨旋轉(zhuǎn)倉體一起旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)倉體設(shè)定為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。三把刮刀相對豎直方向均左旋成一定角度，這樣在旋轉(zhuǎn)時(shí)刮刀既能刮離粘黏在倉體內(nèi)壁的煤，起到破拱作用，又能將煤往下推，疏導(dǎo)煤流，加強(qiáng)清堵效果。

圖5 刮刀位置布置結(jié)構(gòu)圖

2.2 刮刀結(jié)構(gòu)及受力分析

煤斗旋轉(zhuǎn)時(shí)，刮刀承受較大的阻力，因此在設(shè)計(jì)刮刀時(shí)有必要對截面形狀進(jìn)行研究，確保清堵效果的同時(shí)，減少刮刀阻力和變形。

如圖6所示，取懸臂刮刀作為研究對象，煤斗旋轉(zhuǎn)時(shí)，原煤對刮刀產(chǎn)生一個(gè)平行于H3（或H4）方向的阻力，設(shè)阻力F阻一定，截面1和截面2面積相等，截面高度相等時(shí)，則H3≥H4。根據(jù)相關(guān)力學(xué)知識，當(dāng)載荷平行于H3方向，截面形狀1的懸臂梁抗彎抗剪強(qiáng)度大于截面形狀2的懸臂梁。前者整體剛度更好。

截面1中，刮刀外形輪廓成左右對稱7邊形，左右有兩個(gè)銳角突起，猶如銳利的車刀，便于將粘煤“切碎”，被切碎的原煤沿著刮刀兩棱邊切線方向移動，有利于快速破拱，且阻力較小。

圖6 刮刀結(jié)構(gòu)簡圖

3 煤斗改造運(yùn)行情況跟蹤

以本文給出的理論分析結(jié)果作指導(dǎo)對原煤倉進(jìn)行改造。改造的旋轉(zhuǎn)煤斗已投入實(shí)際運(yùn)行。旋轉(zhuǎn)煤斗每天根據(jù)PLC控制模塊設(shè)定的“正常運(yùn)轉(zhuǎn)模式”和“堵煤、斷煤時(shí)的運(yùn)行模式”運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)目前已運(yùn)行半年多時(shí)間，一切正常，頻繁堵煤情況基本消除。

4 結(jié)論

（1）實(shí)踐和上述理論計(jì)算分析的結(jié)果基本吻合，這為解決電廠原煤倉堵煤問題提供了有效的解決方案。最近幾年，旋轉(zhuǎn)煤斗作為解決電廠堵煤的方案在市面上逐漸出現(xiàn)，但目前國內(nèi)關(guān)于旋轉(zhuǎn)煤斗理論設(shè)計(jì)方法的資料較少。關(guān)于動力載荷的計(jì)算，刮刀結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的資料更是寥寥無幾，大多通過工程師平時(shí)積累的經(jīng)驗(yàn)給出，缺乏理論支撐。

（2）旋轉(zhuǎn)煤斗的設(shè)計(jì)、制造是一較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，還有很多方面需要進(jìn)行深入的研究。例如旋轉(zhuǎn)煤斗結(jié)合面的密封，大尺寸零件加工、安裝的尺寸要求如何保證都是可以深入研究的專題。