苗春光

(中國神華計劃發(fā)展部項目處，北京 100101)

0 引言

為保障生產(chǎn)的連續(xù)性，大型煤礦、選煤廠、火電廠、煤化工企業(yè)需在廠區(qū)內(nèi)儲存大量的燃料煤和原料煤，儲存量從幾萬噸到幾十萬噸不等，此類煤炭需按照環(huán)保要求，實行全封閉存儲，儲存的方式有鋼筋混凝土筒倉和鋼結(jié)構(gòu)全封閉煤棚[1]。氣承式充氣膜棚成本低、建造速度快、空間跨度大的優(yōu)點被廣泛認(rèn)同，并在大型體育館、倉庫等建筑行業(yè)得到實踐應(yīng)用[2]。氣承式充氣膜棚的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)的儲煤方式，為煤炭存儲提供了一種建造快捷且造價低廉[3]的新方式，神華巴彥淖爾公司對這種儲煤方式進(jìn)行了首次實踐應(yīng)用。

1 工程概述

1.1 建設(shè)位置

神華巴彥淖爾公司(以下簡稱公司)選煤廠，位于內(nèi)蒙古烏拉特中旗甘其毛都口岸加工園區(qū)。該選煤廠洗選能力600萬t/a，建設(shè)有2座氣承式充氣膜儲煤棚，其中一座火車原煤倉儲棚400 m×110 m×42 m，倉儲量20萬t；一座汽運原煤倉儲棚232 m×100 m×38 m，倉儲量10萬t。

1.2 煤炭的存儲

汽車運輸來的原煤，進(jìn)入汽車受煤槽(上設(shè)600 mm×600 mm篦子)，經(jīng)篩分破碎后，通過皮帶轉(zhuǎn)載進(jìn)入充氣儲煤棚，由堆取料機堆至棚內(nèi)存儲。

火車運輸來的原煤，經(jīng)翻車機卸入原煤緩沖倉(上設(shè)300 mm×300 mm篦子)，通過皮帶轉(zhuǎn)載進(jìn)入充氣儲煤棚，由堆取料機堆至棚內(nèi)存儲。

1.3 煤炭的取用

棚內(nèi)堆取料機鏟斗旋轉(zhuǎn)，將堆存的煤炭取入刮板臂上，運往中心漏斗后，通過帶式輸送機運出氣模儲煤棚，如圖1所示。

圖1 工程實景Fig.1 Real scene of the project

2 充氣膜煤棚特征分析

充氣膜煤棚的基本原理是用氣壓撐起膜棚，形成空曠且密閉的工作空間[4]，如圖2所示。

圖2 充氣膜棚剖面示意Fig.2 Section of inflatable membrane shed

2.1 無梁柱設(shè)計

充氣膜棚是通過機械系統(tǒng)向室內(nèi)空間充氣，使膜面逐漸膨脹成穩(wěn)定形態(tài)，并承受外部荷載與作用的一種建筑形式[5]。室內(nèi)外壓力差一般在250 Pa左右，相當(dāng)于住宅樓1～9層大氣壓差，普通人生理上并無感覺。由于是氣壓承載，充氣膜結(jié)構(gòu)內(nèi)并無梁柱，空間高跨比[6]一般為1/4～1/2，結(jié)構(gòu)跨度最大可達(dá)180 m，長度可達(dá)1 km。

2.2 覆膜特性

力學(xué)性能[8]:覆膜材料是中等強度的PVC膜，厚度1.0 mm，彈性模量較低，但它的拉伸強度相當(dāng)于鋼材的一半，這有利于膜材形成復(fù)雜的曲面造型。

透光性能：覆膜膜材料可濾除大部分紫外線，防止內(nèi)部物品褪色，對自然光的透射率可達(dá)10%，透射光在結(jié)構(gòu)內(nèi)部會產(chǎn)生均勻的漫射光，無陰影，無眩光，具有良好的顯色性。夜晚在周圍環(huán)境光和內(nèi)部照明的共同作用下，膜結(jié)構(gòu)表面發(fā)出自然柔和的光線。

保溫節(jié)能[9]：氣承膜結(jié)構(gòu)簡單，沒有搭接件，密閉性良好。氣承膜結(jié)構(gòu)的高反射率、輕質(zhì)保溫材料以及全密封結(jié)構(gòu)，使得其比鋼結(jié)構(gòu)儲煤棚保溫方面節(jié)能70%左右。

防火性能：覆膜材料具有很好的阻燃和耐高溫性能，滿足防火標(biāo)準(zhǔn)。

自潔性能[9]：經(jīng)過特殊表面處理的PVC膜材具有很好的自潔性能，雨水會在其表面聚成水珠流下，使膜材表面得到自然清洗。

3 鋼結(jié)構(gòu)煤棚特征分析

鋼結(jié)構(gòu)儲煤棚是目前應(yīng)用較多的儲煤方式，形狀有圓形或條形[10]。儲煤棚底部由鋼筋混凝土側(cè)墻組成，頂部由鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)頂蓋構(gòu)成[11-12]，網(wǎng)架頂蓋上設(shè)有采光板。如圖3所示。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)煤棚剖面示意Fig.3 Section of steel structure coal shed

建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)固[13]，耐久度高：鋼結(jié)構(gòu)儲煤棚采用鋼筋混凝土圍墻及鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)組成，建筑結(jié)構(gòu)堅固，耐久性高。

結(jié)構(gòu)強度高，抵御機械破壞能力強：鋼筋混凝土和鋼網(wǎng)架均有一定的抵抗機械破壞能力，對棚內(nèi)作業(yè)機械的碰撞具有一定的抵御能力。

受環(huán)境氣候影響?。轰摼W(wǎng)架結(jié)構(gòu)堅固，對自然界強風(fēng)、暴雪等抵抗能力強，在惡劣自然條件下能夠維持棚內(nèi)工作環(huán)境。

4 充氣膜煤棚在選煤廠的應(yīng)用分析

考慮到筒倉不適宜大體量存儲，公司主要對充氣膜棚和鋼結(jié)構(gòu)棚的存儲方式進(jìn)行了對比分析。

4.1 充氣膜棚的優(yōu)點分析

棚內(nèi)簡潔，利于機械作業(yè):氣膜式儲煤棚全憑氣壓支持起整個充氣膜棚，不需要剛性支撐，棚內(nèi)無梁無柱；其最大跨度可達(dá)180 m，長度不限可任意延伸；在同等跨度情況下，其高度也能比其他建筑形式高出3～4倍，利于巨型機械在內(nèi)部回轉(zhuǎn)和移動。

全封閉環(huán)境，節(jié)能保暖:透光膜設(shè)計減少了室內(nèi)光照的能量消耗[3]；發(fā)散光設(shè)計不僅使室內(nèi)光照無死角，還做到了省電高效；充氣膜棚可保證棚內(nèi)溫度在合理范圍，在北方冬季酷寒的外部環(huán)境下，無需對機械設(shè)備做特殊的保暖處理，機械和車輛能正常運轉(zhuǎn)。

造價低廉[10]:在前期方案比選階段，公司將充氣膜棚與鋼結(jié)構(gòu)煤棚進(jìn)行了比較。鋼結(jié)構(gòu)煤棚需要建造鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底座、鋼筋砼結(jié)構(gòu)受煤坑、鋼筋砼落煤塔、鋼結(jié)構(gòu)屋面、壓型鋼板頂圍等，建造工程復(fù)雜，人工、鋼材、土建的費用較高，且需對地基進(jìn)行局部加固。而充氣膜棚施工簡單高效，成本低廉。經(jīng)測算，建設(shè)的2座充氣膜棚造價11 707萬元，而同等容積的鋼結(jié)構(gòu)煤棚造價16 084萬元，充氣膜棚相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)煤棚造價的70%。如圖4所示。

圖4 充氣膜煤棚和鋼結(jié)構(gòu)煤棚造價對比Fig.4 Cost comparison between inflatable membrane coal shed and steel structure coal shed

維護(hù)保養(yǎng)簡單:鋼結(jié)構(gòu)儲煤棚防腐性能差，在涂刷防腐油漆的基礎(chǔ)上仍需定期檢查銹蝕程度[12]，保障結(jié)構(gòu)安全，此項維護(hù)工作量較大，費用偏高且影響生產(chǎn)。而充氣膜棚的膜材具有耐酸堿腐蝕、耐老化的特點，理論上可25 a不做更換。

良好的抗震性:充氣膜棚輕盈的結(jié)構(gòu)，使其具有良好的抗震性能，不存在老化墜落物傷人現(xiàn)象。即使出現(xiàn)意外的塌膜現(xiàn)象也不會對昂貴的生產(chǎn)設(shè)備造成破壞，更能保證棚內(nèi)人員的安全。

4.2 充氣膜棚的缺點分析

4.2.1 除塵難度高

起塵因素:棚內(nèi)的作業(yè)設(shè)備是起塵的主要因素，包括堆取料機的來煤堆存、輪斗取煤、邊角煤的清理、皮帶轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)等。

降塵措施[14]:第1種是噴霧降塵，即在充氣棚頂部布置噴霧降塵管路，在適當(dāng)間隔位置布置電動蝶閥，實現(xiàn)間隔噴霧降塵、限時噴霧降塵等多種噴霧方式；第2種是霧炮降塵，即增加6臺射程80 m的霧炮機降塵，設(shè)備功率30 kW，每2 h啟動一次，啟動20～40 min；第3種是在起塵點降塵，即在皮帶轉(zhuǎn)載點增設(shè)擋塵簾，堆取料機輪斗位置增加噴霧嘴等。

降塵效果:公司采取了多種除塵措施相結(jié)合的方式，其中霧炮降塵效果最為明顯，但由于煤質(zhì)干燥(外蒙古進(jìn)口煤炭)，棚內(nèi)仍有少量煤塵揚起，棚內(nèi)人員需佩戴口罩作業(yè)。

4.2.2 密閉空間有瓦斯聚集的可能

瓦斯積聚的原因[16]:棚內(nèi)存儲的煤炭屬于低瓦斯煤，在存儲過程中也會少量釋放瓦斯氣體。由于充氣棚天然的密閉條件，棚內(nèi)部四角空氣弱流動區(qū)域，存在瓦斯聚集的可能，具有一定的瓦斯爆炸隱患(爆炸濃度限值5%～16%)。

采取的措施:雖然開采出的煤炭極少釋放瓦斯，但不排除煤塊裂隙中釋放微量瓦斯，出現(xiàn)瓦斯聚集濃度超限情況。為做到絕對安全，充氣膜棚頂部和四角均布設(shè)透氣小孔，排除瓦斯聚集的可能。同時，充氣棚頂部和四角區(qū)域安裝多臺瓦斯傳感器，24 h監(jiān)測瓦斯?jié)舛龋谶\行過程中無瓦斯讀數(shù)。

4.2.3 維持內(nèi)部空氣壓力持續(xù)消耗電能

為維持充氣棚內(nèi)氣壓，保障充氣棚的支撐力，充氣棚內(nèi)共安裝有39臺40 000 m3/h的風(fēng)機，通過控制系統(tǒng)控制風(fēng)機交替作業(yè)，正常運行時16臺風(fēng)機啟動。同時，為保障停電情況下的充氣棚安全，系統(tǒng)配備了應(yīng)急自啟動柴油發(fā)電機3組，作為自備應(yīng)急電源。經(jīng)生產(chǎn)單位統(tǒng)計，為維持充氣棚內(nèi)壓力，充氣棚年耗費用約97萬元，其中39臺風(fēng)機年耗電量1.30×106kWh，電費57萬元；3組應(yīng)急自啟動柴油發(fā)電機的日常保養(yǎng)、調(diào)試等，耗費40萬元/a。如圖5所示。

圖5 充氣膜煤棚耗電量統(tǒng)計Fig.5 Power consumption statistics of inflatable membrane coal shed

4.2.4 氣模外表脆弱易損壞

充氣模棚外表脆弱，不能抵抗鋒利物件或機械設(shè)備的剮蹭。2012年10月，大風(fēng)將院內(nèi)一塊彩鋼板刮起，劃破充氣膜棚外表，造成漏氣無法使用，經(jīng)20 d的返廠修補后，充氣膜棚得以重新安裝使用。

5 結(jié)論

(1)傳統(tǒng)的煤炭封閉存儲主要方式有鋼結(jié)構(gòu)棚、混凝土筒倉2種。充氣膜煤棚作為一種新型的煤炭儲存方式，特點鮮明，逐漸被行業(yè)接受，應(yīng)用將會越來越廣泛。

(2)充氣膜煤棚的特點是施工周期短、造價低廉、棚內(nèi)空間寬闊且密閉節(jié)能，但降塵難度大、持續(xù)耗電保障風(fēng)壓、外表易損壞。

(3)鋼結(jié)構(gòu)煤棚恰恰相反，具有運維費用低、無需持續(xù)通風(fēng)保障風(fēng)壓、外表堅固，但建設(shè)周期較長、基礎(chǔ)工程量巨大、造價較高且棚內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜活動空間受限、密閉性較低、保溫較差等特點。

(4)在工程實踐中，需要根據(jù)工程所處的環(huán)境、工程使用功能及項目實際情況等綜合考慮。尤其是生產(chǎn)過程中有揚塵情況時，充氣膜棚作為工業(yè)生產(chǎn)車間使用還存在不足之處，需在今后進(jìn)一步探索和解決。