錢小文,紀(jì)慧泉,龔九洲,周祥態(tài),葉廣志
(1.江蘇國(guó)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)
電廠原煤倉(cāng)一般為圓形鋼倉(cāng)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(duì)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(huì)出現(xiàn)這種情況。向原煤倉(cāng)添加“黏煤”,在煤倉(cāng)下端容易出現(xiàn)堵煤現(xiàn)象。嚴(yán)重影響煤場(chǎng)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(lái)較大隱患[2]。
針對(duì)堵煤情況,目前國(guó)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(cāng)壁,有時(shí)反而會(huì)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]??咳斯で么騻}(cāng)壁,掏煤來(lái)疏通煤倉(cāng),不僅時(shí)間長(zhǎng),影響機(jī)組負(fù)荷,還造成給煤機(jī)平臺(tái)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(duì)上述堵煤情況,本文作者提出了通過(guò)旋轉(zhuǎn)煤斗的方案解決該問(wèn)題,通過(guò)截取原煤倉(cāng)下端部分,替代以旋轉(zhuǎn)活動(dòng)式圓錐形倉(cāng)體來(lái)打破原煤倉(cāng)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。
電廠原煤鋼倉(cāng),上端為圓柱形,下端為錐形,具體結(jié)構(gòu)及外形簡(jiǎn)圖如圖1所示。漏斗壁與水平面的夾角為α,上端圓柱長(zhǎng)度H1,下端錐形漏斗長(zhǎng)度H2,內(nèi)徑為dn,煤倉(cāng)總高度H=H1+H2。當(dāng)倉(cāng)體總高度與圓形倉(cāng)筒內(nèi)徑之比,即≥1.5,則該倉(cāng)體為深倉(cāng),反之為淺倉(cāng)。一般情況下,電廠原煤倉(cāng)高度與倉(cāng)筒內(nèi)徑之比大于介于1.5~3之間,屬于深倉(cāng)[5]。
圖1 圓形煤筒倉(cāng)貯煤載荷示意圖
針對(duì)圓形深筒鋼倉(cāng),貯料重力載荷計(jì)算模型可簡(jiǎn)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(cāng)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(cāng)水平凈截面的水力半徑(m),對(duì)于圓形筒倉(cāng)ρ=;
μ為貯料與深倉(cāng)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(cāng)漏斗頂面的距離(m);e為自然對(duì)數(shù)的底。
表1 深倉(cāng)豎直壓力修正系數(shù)C v
1.3.1 旋轉(zhuǎn)煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)介紹
針對(duì)堵煤情況,采用截取原煤倉(cāng)錐形漏斗下端部分,替代以旋轉(zhuǎn)活動(dòng)式圓錐形倉(cāng)體來(lái)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(cāng)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(cāng)體通過(guò)法蘭連接,中間為旋轉(zhuǎn)倉(cāng)體,旋轉(zhuǎn)倉(cāng)體通過(guò)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(cāng)體的重量。電機(jī)與減速箱帶動(dòng)輸出軸上的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)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(cāng)隨之旋轉(zhuǎn)。煤斗旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中內(nèi)壁與原煤之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),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(cāng)暢通。煤斗具體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。
旋轉(zhuǎn)煤倉(cāng)倉(cāng)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(cāng)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(cāng)壁內(nèi)受到的摩擦阻力,保證煤流的暢通[6-7]。旋轉(zhuǎn)煤倉(cāng)的動(dòng)靜結(jié)合處采用密封效果好的迷宮密封和盤(pán)根密封,保證密封效果。
圖3 原煤倉(cāng)及旋轉(zhuǎn)煤斗外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
旋轉(zhuǎn)式煤倉(cāng)清堵面積大,可徹底清除料倉(cāng)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(cāng)實(shí)際運(yùn)行情況,原煤倉(cāng)出口位置及以上0~3 m之間的截面積相對(duì)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(dòng)旋轉(zhuǎn)煤斗轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)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(guò)小的驅(qū)動(dòng)力矩?zé)o法帶動(dòng)煤斗旋轉(zhuǎn),無(wú)法疏通煤斗。選用保守的減速箱及電機(jī)功率,會(huì)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(guò)少。結(jié)合貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)、理論力學(xué)、微積分等知識(shí),對(duì)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(cāng)滿載堵煤)為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn),截取距離煤倉(cāng)頂部24.29 m處的截面作為旋轉(zhuǎn)倉(cāng)的上端,距離煤倉(cāng)頂部25.5 m處的截面作為旋轉(zhuǎn)倉(cāng)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(cāng)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(dòng)載荷計(jì)算方法探究及對(duì)比
(1)驅(qū)動(dòng)煤斗旋轉(zhuǎn)的扭矩計(jì)算方法一
驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)煤斗轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)力矩與摩擦力矩相等。在距離原煤倉(cāng)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(lái)的阻力放大系數(shù),取值δ=1.2。
在[2 4 .29,25.5]內(nèi),對(duì)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(dòng)載荷數(shù)學(xué)模型
(2)驅(qū)動(dòng)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(cāng)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(guò)數(shù)學(xué)微積分,將旋轉(zhuǎn)煤斗高度微分成無(wú)數(shù)小段d x,先求出距原煤倉(cāng)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(duì)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(huì)產(chǎn)生存在較大的差異。
通過(guò)理論誤差分析,對(duì)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(duì)更科學(xué)。
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(cè),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(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)。
當(dāng)濕度過(guò)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(cāng),在旋轉(zhuǎn)煤斗內(nèi)壁內(nèi)置清堵刮刀來(lái)增強(qiáng)清堵效果。
旋轉(zhuǎn)煤倉(cāng)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(cāng)上部固定端,懸臂布置且不隨旋轉(zhuǎn)倉(cāng)體旋轉(zhuǎn)。第2把刮刀設(shè)在中間倉(cāng)體檢修人孔門上,隨旋轉(zhuǎn)倉(cāng)體一起旋轉(zhuǎn)。第3把刮刀設(shè)在旋轉(zhuǎn)倉(cāng)體下部懸臂布置,跟隨旋轉(zhuǎn)倉(cāng)體一起旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)倉(cāng)體設(shè)定為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。三把刮刀相對(duì)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(cāng)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
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(duì)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(duì)象,煤斗旋轉(zhuǎn)時(shí),原煤對(duì)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(shí),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(duì)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(dòng),有利于快速破拱,且阻力較小。
圖6 刮刀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
以本文給出的理論分析結(jié)果作指導(dǎo)對(duì)原煤倉(cāng)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。
(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(cāng)堵煤?jiǎn)栴}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(guó)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(dòng)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(wú)幾,大多通過(guò)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。