曹 亮

（中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

近年來，我國對環(huán)境保護越來越重視，燃煤的開采、運輸和儲存等要求也逐步提升，而筒倉具有加載快、儲量大、占地小、環(huán)境保護好等特點，因此用筒倉儲煤的方式得到了廣泛認(rèn)可?；炷羶γ簜}卸料漏斗多采用錐型漏斗[1]，這種漏斗壁板由4 個平面組成，傾角通常為60°。由于2 個相鄰平面相貫線處傾角較小，在生產(chǎn)過程中會發(fā)生不通暢、容易堵塞倉口等問題，需要配置專業(yè)的動力促流設(shè)備，當(dāng)遇到含水量大、粉煤多、煤質(zhì)黏結(jié)時，機械動力促流也不能完全解決堵塞問題。實踐證明，雙曲線漏斗不僅解決了堵塞問題，還取消了機械動力促流設(shè)備，系統(tǒng)簡單可靠。雙曲線型卸料漏斗在實際應(yīng)用中必須面對一些問題[2]，如填料多、施工難度大、有效倉容降低等。

1 工程簡介

勝利一號露天煤礦至勝利電廠輸煤系統(tǒng)工程是國家能源集團神華勝利電廠和華能集團北方勝利電廠的廠外輸煤、輸灰專線。采用同1 條帶式輸送機上帶正向運煤、下帶反向運灰的特殊設(shè)計方式，輸煤最大運力為3 000 t/h，輸灰最大運力為500 t/h。輸煤起點為勝利一號露天煤礦，終點為神華勝利電廠廠外儲煤倉，總長度約13.8 km；輸灰起點為儲煤倉附近的中轉(zhuǎn)灰?guī)欤K點為露天礦排土場附近的粉煤灰裝車倉，總長度約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)“煤來灰去”煤電一體化的典型工程，為國內(nèi)乃至世界首創(chuàng)。

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

2 倉口布置

廠外輸煤系統(tǒng)終點為儲煤倉，倉后為廠內(nèi)輸煤系統(tǒng)，屬神華勝利發(fā)電廠設(shè)計范圍。倉下設(shè)計采用3條普通槽型帶式輸送機，中間1 條預(yù)留。一期工程時，外側(cè)2 條帶式輸送機均單向運行，1 用1 備，待電廠二期工程建成后，倉下帶式輸送機全部改造成可逆帶式輸送機，任意1 條帶式輸送機都可為一期、二期供煤，實現(xiàn)2 用1 備。因此，儲煤倉倉口的布置不僅要考慮2 條帶式輸送機的給料方式，還要考慮后期中間帶式輸送機的給料方式。

根據(jù)初步計算，儲量3.5 萬t 褐煤選用直徑36 m 的圓形儲煤倉是最經(jīng)濟的。為使電廠二期工程建成后最大限度降低改造難度，每個倉口預(yù)埋基礎(chǔ)螺栓對稱布置，倉口至帶式輸送機中心線的間距均為3.25 m，二期工程建設(shè)完成后，只需將部分給料機旋轉(zhuǎn)90°安裝即可實現(xiàn)為中間帶式輸送機供煤。

筒倉為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，倉上倉下采暖，倉壁保溫，直徑36 m，有效儲量3.5 萬t。每個筒倉倉下設(shè)有卸煤點16 個，每個倉口尺寸2.2 m×2.2 m，采用全座式振動給煤機給料，每臺給煤機最大給料能力為1 000 t/h。

3 雙曲線漏斗

1）常規(guī)錐型漏斗的特點。常規(guī)混凝土儲煤倉卸料漏斗多采用錐型漏斗，漏斗壁板由4 個平面組成，傾角通常為60°，這種結(jié)構(gòu)施工簡單、快速，市場占用率很高。對塊煤、煙煤等流動性較好的煤，錐型漏斗的優(yōu)勢很明顯，對末煤、褐煤等流動性差的煤來說，由于錐形漏斗2 個相鄰平面相貫線處傾角較小，在生產(chǎn)過程中會發(fā)生不通暢、易堵塞、自燃等問題。

2）雙曲線漏斗的提出。有關(guān)專家學(xué)者在研究漏斗漏煤原理時認(rèn)為：由于漏斗的橫截面的收縮變化，煤粒在漏斗內(nèi)的流動過程中迫使煤粒之間互相錯動、重新排列，煤與煤之間的流動阻力增大，這是影響貯煤流動、產(chǎn)生堵煤現(xiàn)象的一個不可忽略的原因[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，K=1.0，截面呈方形時，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。雙曲線形卸料漏斗不易出現(xiàn)卸料不通暢、堵塞問題，除倉口尺寸外，關(guān)鍵是其截面積收縮率是常量。這是一種按負高斯曲率旋轉(zhuǎn)而成的殼體結(jié)構(gòu)，早期應(yīng)用在小儲量的單口卸料圓筒倉設(shè)計中，將其設(shè)計成無需填料的殼體結(jié)構(gòu)形式，如鋼結(jié)構(gòu)倉。但對于大直徑、多個卸料口的圓筒倉，設(shè)計上一般是鋼筋混凝土梁板帶錐形漏斗，倉底結(jié)構(gòu)保持不變，用陶粒混凝土砌體、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，表層再采用高強耐磨料。這就需要大量的填料，特別是倉口不均勻布置時，遠離倉壁的倉口填料量是巨大的，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題及解決方法。無論是單口卸料還是多口卸料的圓筒倉，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，前者對筒倉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)計問題。本工程設(shè)計將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、堵塞問題，又減小了有效倉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

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

4.1 雙曲線形漏斗的設(shè)計原理

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，在物料排出的過程中，下部的料流通過量小，上部的料流通過量大，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，在物料排出的過程中，物料通過量穩(wěn)定，消除卸料堵塞問題。但是，對于大直徑筒倉來說，1 段雙曲線漏斗的填料太多，倉容降低，進一步增大工程投資。

4.2 雙曲線形漏斗曲線的分段設(shè)計

由于筒倉上部半徑很大，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，由于半徑逐漸變小，C 值急劇增大，這時就會出現(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)計的筒倉容積減少很小，而卸煤的優(yōu)勢又得以發(fā)揮，這種設(shè)計稱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)計時，上部錐形角度需要很大，填料仍然很高，于是本次設(shè)計將采用分段型雙曲線設(shè)計。所謂分段設(shè)計，是按雙曲線形漏斗設(shè)計原理將1 段曲線分上、下2 段分別設(shè)計，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)計原理，只不過是修改了雙曲線形漏斗的設(shè)計原則，即將雙曲線形漏斗同一C 值設(shè)計原則修改為按2 個C 值設(shè)計，用2 個不同C 值的雙曲線形漏斗連接成為1 個雙曲線形漏斗。

對于大直徑筒倉，受倉下帶式輸送機布置影響，帶式輸送機兩側(cè)的倉口填料較多?？紤]到倉內(nèi)落煤時物料粒度分布不均的特點，即筒倉中心物料粒度小，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，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，對于大直徑筒倉來說，分段設(shè)計解決了填料太多、倉容降低的問題。

4.3 倉口尺寸設(shè)計

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

5 結(jié)語

1）勝利一號露天煤礦至勝利發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)分段型雙曲線漏斗儲煤倉于2019 年8 月開始是施工，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#儲煤倉倉上建筑層數(shù)3 層，檐高77.561 m；2#儲煤倉，倉上建筑層數(shù)為1 層，檐高為66.561 m。通過優(yōu)化，雙曲線漏斗可減少填料體積3 024 m3，增加的倉容可使倉體高度降低3 m。

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

3）采用2.2 m×2.2 m 大倉口設(shè)計，使料流卸載通暢、不堵倉，取消了空氣炮等輔助生產(chǎn)設(shè)施，簡化系統(tǒng)流程，降低生產(chǎn)運行、維護費用，具有很大的經(jīng)濟效益。