黃驊港三期筒倉工藝及安全監測技術研究及應用

摘要：本文結合黃繹港三期筒倉實際，論述了大型貯煤筒倉在專業化煤炭碼頭應用中的工藝性、可靠性是可行的。

關鍵詞：黃驊港 筒倉工藝 安全檢測

1 工程概述

黃驊港三期工程設計能力為5000萬噸/年，新建4座5.0萬噸級的專業化煤炭裝船泊位，碼頭結構按7.0萬噸級設計，其中2個泊位結構按10萬噸級預留。新建煤炭筒倉24個，容量約72萬噸。

筒倉堆存工藝在我國大型煤炭出口碼頭方面尚無工程實例，但在煤礦和火力發電廠應用較多。

從占地面積方面看，筒倉方案的占地面積僅為常規堆場方案的50%，具有占地面積小的特點。另外，三期工程采用筒倉方案后，為四期工程的建設創造了非常有利的條件。

從自動化程度方面看，筒倉堆取料作業可實現無人操作，自動化程度較高。傳統堆場的堆取料設備需要配備司機作業。

從環境保護方面看，筒倉具有防雨雪、防風沙功能，環保功能強的特點。本次的傳統堆場工藝設置了防風網設施，環保性能也較好。

從混配煤工藝靈活性上看，筒倉采用活化給料機出倉，操作靈活方便，準確性、均勻性好。傳統堆場方案采用斗輪取料機進行混配煤作業，混配煤的精度受兩機聯合作業時的取料狀態的影響，準確性稍差。

從裝卸設備維修及維護方面看，筒倉方案無大型堆取料設備，堆料作業的卸料小車機構簡單、供料作業的活化給料機維修量很小，本方案的維護及維修成本較低。

從煤炭在堆場的堆存時間上看，筒倉方案的突出優點是煤炭“先進先出”。傳統堆場方案是“先進后出”，需要定時清理垛底，以避免煤炭由于堆存時間過長而產生自燃現象。

由上可知，筒倉堆存方案具有占地面積小、自動化程度高、環保性能好、設備維護簡單的諸多優點，然而截至目前為止，儲煤筒倉應用于港口受工程投資和安全生產等方面的制約，在國內外還沒有先例，基本處于研究階段。在黃驊港三期工程中采用筒倉方案具有以下優勢：

①黃驊港可有效減少筒倉數量，降低工程投資

黃驊港是礦、路、港一體化的運輸出海口，可有效地縮短煤炭在港口的堆存期，通過對黃驊港2004～2007年的堆場有關資料進行統計，發現煤炭在港平均堆存期連續四年平均只有3天，因此本次設計煤炭在港平均堆存期取3.5天，從而有效地減少了筒倉數量，降低了工程投資，使得采用筒倉方案也能使港口取得良好的經濟效益。

②神華集團實行科學化的管理，可調配煤種，保證煤炭儲存安全

黃驊港一期、二期工程的煤堆場對三期筒倉來說形成了巨大的緩沖能力，港務公司又有一套從實踐中總結出來的先進科學管理模式，完全有能力將堆存期相對較短的煤種調配到筒倉中儲存，而將堆存期相對較長的煤種調配到現有一、二期工程普通露天堆場儲存。

③筒倉與普通露天堆場相連接，保證煤炭儲存安全

黃驊港每一期工程都不是獨立的，黃驊港所有實施的工程都有機地融合到了一起，本次設計，在筒倉出口處布置一條倒倉皮帶機，通過倒倉皮帶機將筒倉中的煤炭卸出。這樣，一方面在緊急情況下，可將筒倉中發生自燃的煤炭迅速卸出，待煤炭冷卻后再通過二期工程裝船系統裝船外運；另一方面也可將筒倉中剩余的小批量煤炭倒出，從而提高了筒倉的利用率。可以說二期工程的存在是三期工程實施筒倉方案的有利依托。

綜上充分說明了黃驊港三期工程實施筒倉方案具有其它港口無法比擬的優勢，不但在生產管理方面符合筒倉系統的作業特點，保證了筒倉方案的經濟效益和安全生產，而且黃驊港的基礎設施也對筒倉系統起到了緩沖和保護作用，從而具備了實施筒倉方案的基本條件。

2 筒倉工藝方案的關鍵技術

2.1 工藝流程設計

①裝卸工藝流程可實現任意一條卸車線的煤炭進入任意一座筒倉、任意一座筒倉內的煤炭可裝入任意一條船。

②裝卸工藝流程設計上使二期擴容工程卸車線延伸至三期工程卸車線，可使二期擴容工程翻卸的煤炭進入三期工程任意一座筒倉。

③筒倉方案裝卸工藝流程設計了倒倉流程，當倉內煤炭溫度達到某一危險值時或溫度檢測失靈發生自燃時，可將倉內煤炭倒出。

④可實現兩排筒倉之間的混配煤作業。

如工藝流程圖：

本方案采用儲煤筒倉工藝，筒倉區橫向布置，進、出筒倉區的皮帶機分別布置在筒倉區西側和東側。煤炭儲存采用直徑40m圓形筒倉，單個倉容3萬噸，實際布置24個筒倉，分成4組，每組6個筒倉構成一條堆取料作業線。同作業線筒倉中心距45m，相鄰作業線筒倉間距51m。筒倉采用全地上式，倉下皮帶機布置在地面以上，筒倉高度43m。

本次工程中針對筒倉建設方案還有以下關鍵技術，進行了重點研究：

2.1.1 不同倉容對卸車的影響

根據堆場容量計算，本工程需要筒倉容量至少72萬噸。本次設計在總倉容為72萬噸的條件下，對倉數分別為24個（單倉倉容為3萬噸）和20個（單倉倉容為3.6萬噸）時兩個方案進行對比分析：

仿真試驗的主要輸入條件為：24個筒倉時平面布置為4線×6座/線，20個筒倉時平面布置為4線×5座/線，堆存期為3天，6個煤種。仿真試驗的主要結論為：當筒倉個數為24個時，比筒倉個數為20個時，列車平均在港停時：前者為3.72小時/列，后者為4.74小時/列，后者比前者長1.02小時/列；列車平均在港等待卸車的列車數，后者比前者多0.8列。故說明筒倉個數為24個時較為經濟合理。

在總倉容為72萬噸（24個筒倉）的條件下，仿真試驗顯示列車的在港停時稍偏長，但考慮到在實際運行過程中，一旦發生壓車時，港口管理方應及時啟用一、二期堆場，接納壓車卸煤量，以緩解壓車狀況，72萬噸總倉容對應24個筒倉，仍可基本滿足生產需要。

2.1.2 單倉容量選擇

單倉容量選擇主要考慮下述條件：

條件一：根據本工程的實際情況，裝卸工藝系統設計的筒倉堆場方案共需要布置4條取料裝船線以及對應的4條卸車堆料線。

條件二：考慮6種煤炭及混配煤作業的條件，筒倉規模至少為4線×6座/線，共24座筒倉。

條件三：根據堆場容量計算，本工程需要筒倉容量至少72萬噸。

因此，根據上述條件確定筒倉數量為4的整數倍：24座或28座，對應筒倉單倉容量為3萬噸或2.57萬噸。

一般來說，進出倉工藝相同的情況下，筒倉體量越大，其有效堆存容量也就越大，貨物單位堆存量的投資就越低。在滿足使用功能的情況下，單倉容量大、筒倉數量少時，便于生產管理，節省土地資源和工藝設備投資。因此從經濟性方面看，筒倉容量宜大不宜小。

通過以上分析，本設計確定筒倉單倉容量不宜小于３萬噸。

2.1.3 筒倉主要參數確定

倉型和單倉容量的確定，結合筒倉結構設計，盡量降低筒倉高度為原則，節約占地和工程投資等幾方面綜合考慮，本設計對筒倉直徑、高度進行了方案比選。

①單倉容量的選擇

本工程在總倉容確定的條件下（72萬噸），進行了以下四種筒倉型式的比較：

A直徑33m 高度52m 單倉容量3.0萬噸 共24座

B直徑36m 高度48m 單倉容量3.0萬噸 共24座

C直徑40m 高度43m 單倉容量3.0萬噸 共24座

D直徑40m 高度49m 單倉容量3.6萬噸 共20座

②經技術經濟比較，得到以下結論：

直徑33米、高度52米、單倉容量3萬噸的筒倉，因其筒倉底座直徑較小，在其底座方位內一般布樁難以滿足承載力要求，須將基樁長度增加到72m，形成超長樁，同時適當增加筒倉底承臺直徑才能滿足要求，從而增加了施工難度，工程質量難以保證。而且由于筒倉高度達到了52米，使得能量消耗和運營成本都會增加很多。

在筒倉總倉容相同時，直徑40米、高度49米、單倉容量3.6萬噸的筒倉，土建建安造價最為經濟合理，但由于筒倉數量少，相對于煤種較多的情況難以滿足生產工藝的要求。

直徑36米、高度48米和直徑40米、高度43米，單倉容量均為3萬噸的筒倉，土建建安造價比較接近，直徑40米的筒倉投資高約4％，但由于高度低，能量消耗和運營成本相對較低。對于直徑36m、高48m、容量為3.0萬噸儲煤筒倉，受布樁條件限制，采用厚板承臺，存在核心區和周邊的沉降差較難調整，承臺內力大、承臺板厚、配筋大的缺點。

經以上多方面比較，黃驊港三期采用了直徑40m、高度43m、單倉容量為3萬噸的筒倉方案，筒倉由基礎、筒壁、倉底、倉底支承結構、倉壁、倉頂及倉頂廊道組成，共計24座筒倉。

筒倉高度增量與能耗增量關系見下圖。

■

筒倉高度增量與能耗增量關系圖

2.2 筒倉工藝設備

2.2.1 倉頂布置

每條堆取料線的筒倉頂部布置一條皮帶機廊道，廊道內采用皮帶小車卸料作業方式，即卸車系統卸下的煤炭由卸車線皮帶機輸送到布置在筒倉頂部的固定皮帶機上，再通過卸料小車及其溜槽向筒倉內卸料，卸料小車可定點卸料，也可在工作時前后移動布料，每座筒倉頂部、皮帶機兩側分別布置一條長36m、寬1m的進料口，進料口設有格柵板。進倉皮帶機和卸料小車額定能力均為7700t/h。

皮帶機對物料適應性好，運輸能力大，安全可靠，易于實現自動化操作，因此得到了廣泛應用。在倉頂采用固定式皮帶機，同時裝設電動卸料小車作為布料設備較為常見。

黃驊港三期采用了煤炭進倉采用皮帶機＋卸料小車方式。黃驊港三期工程卸料小車倉頂卸料工藝采用：定點卸料、直線往復卸料兩種方式結合的方式。

定點卸料：通過溜筒直接卸料，工藝簡單可靠，但筒倉的容積利用率低，同等筒倉尺寸的存儲量低。

直線往復卸料：小車可帶載移動，通過溜筒直接卸料，工藝簡單可靠，筒倉的容積利用率較高。因此，本工程采用較為兩種結合的方式。

生產管理人員在掌握筒倉和車輛的相關信息后，即可選定計算機制定好的生產作業模式，在卸車系統作業的同時，自動控制系統將卸料小車行駛到工作位置等待作業。倉內煤炭儲量由料位計反映。

卸料小車換倉作業有兩種工況：一是煤種變化，二是倉被裝滿。卸料小車換倉作業時必須是空載，否則將會產生撒料現象。

當煤種變化時，載煤列車也不同，卸料小車的換倉作業基本上可以和機車調車作業同時進行，此時卸料進倉系統皮帶機上沒有煤炭，卸料小車換倉不會產生灑料；筒倉被裝滿的情況在開始作業前和作業過程中均可提前知道，生產管理上應預先制定好計劃。當倉容達到只能裝下最后一列車煤炭的高度時，料位計向中控室發出信號，則從此時開始，卸車系統的卸煤工作可以截至到正在作業的列車，將此列車卸完為止，如此操作可以避免倉被裝滿后的換倉作業。

2.2.2 倉底布置

每條堆取料作業線底部平行布置2條倉底皮帶機，倉底皮帶機額定能力4000t/h。2條倉底皮帶機出堆場后轉接到裝船接力皮帶機上，裝船接力皮帶機額定能力為8000t/h。筒倉底部對稱布置6個出料口，每個出料口下方布置一臺活化給料機，通過活化給料機向皮帶機上供料，3個出料口對應一條倉底皮帶機。給料機額定能力1330t/h，并且可以實現從0到100%無級調整給料能力，滿足混配煤作業的需要。

活化給料機采用獨特的結構設計，振動時先將物料振松，然后下料，集活化物料功能和給料功能于一體，確保物料通暢下落，解決了下口堵煤的問題。為安全起見，設計上在錐斗處布置了空氣炮的氣管預防筒倉堵料情況的發生。活化給料機，具有開口大、不易堵煤，設備結構緊湊、密封好、粉塵少、灑漏少、環保效果好，功率小，運營成本低，運行安全可靠，設備磨損小，壽命長，維修量少，煤炭均勻對中下料，防止了對皮帶機側向沖擊造成的跑偏問題，減少了對皮帶的維修保養費用，設備數量少、便于生產管理等諸多優點。

生產管理人員在掌握筒倉和船舶的相關信息后，即可選定計算機制定好的生產作業模式，起動活化給料機、皮帶機等進行取料裝船作業。

根據工藝布置和工藝流程，混配煤作業時需要多臺活化給料機同時工作。混配煤作業既可以在同條作業線內實現，也可以在兩條作業線之間實現。

取裝皮帶機為變頻調速形式，操作人員根據需要可隨時調整皮帶機的帶速，同時活化給料機也自動的調整其給料的能力，已達到裝船工藝所要求的流量。

2.2.3 筒倉倒倉工藝

倒倉工藝的功能有兩點：一是應急處理筒倉內高溫或自燃煤炭；二是同種煤炭合倉。本設計根據前者考慮三種倒倉作業情況：其一，筒倉更換煤種時，筒倉內部分余料倒出；其二，由于不確定的因素，使筒倉內煤炭貯存時間過長，尤其是炎熱的夏季，筒倉在太陽下長期暴曬，煤炭溫度很容易升高，并達到危險值的情況時需要將煤炭倒出；其三，筒倉內溫度檢測系統盲區內的煤炭發生自燃（陰燃）時，需要將煤炭倒出。

本裝卸工藝設計，在裝船接力皮帶機（流程圖中的BC皮帶機）西側，平行布置一條倒倉皮帶機（流程圖中BZ1皮帶機），皮帶機額定能力為8000t/h。

當倒倉作業時，倉底6臺活化給料機可同時起動，也可根據需要部分起動，同時將倉底皮帶機的伸縮頭切換至倒倉流程，通過倒倉皮帶機將煤炭卸出，倒倉系統最大出力可達8000t/h，滿倉倒倉的最短時間只有3.75小時。對于煤炭自燃情況下的倒倉作業，為避免高溫煤炭對倉底皮帶造成損傷，可先起動正常筒倉下的活化給料機，將皮帶底層鋪上一層煤以保護皮帶。

2.2.4 筒倉清倉工藝

筒倉由于長時間存儲物料，在筒倉下錐斗與倉壁的交接處及錐斗母線處容易產生部分存料（特別是全水分高的煤炭更容易沾黏在這些部位），而神華煤的揮發分基本上大于26%，長時間存留很容易自燃，因此必須適時清倉。

2.2.5 筒倉混配煤工藝

目前，國內外大型散貨煤炭碼頭普遍使用傳統露天堆存工藝，堆場取料作業設備一般采用斗輪式取料機或斗輪式堆取料機。混配煤作業時兩臺取料設備同時工作，由于受煤堆塌方和兩機聯合作業不同步等因素影響，配煤準確性、均勻性差。筒倉配煤通過活化給料機與皮帶秤組合，配煤的準確性、均勻性好。

皮帶秤和筒倉點對點布置，即倉底皮帶機在每座筒倉出倉位置設置一臺皮帶秤，每條倉底皮帶機布置3臺皮帶秤，共布置24臺，皮帶秤精度0.5%。

活化給料機額定能力1330t/h，可以實現從0到100%無級調整給料能力，因此無論何種混配煤比情況，經多臺活化給料機組合后均能達到裝船能力8000t/h。

混配煤作業既可以在同條作業線內實現，也可以在特定兩條作業線之間實現。

2.3 筒倉安全監測

為了確保生產作業系統安全，保證煤炭輸送、轉接、存儲等環節的正常作業，盡可能的避免發生煤炭自燃，應控制煤炭在倉內的存儲時間，同時也在筒倉中布置了安全檢測裝置。

2.3.1 筒倉料位監測方式

煤位測量裝置：每個筒倉設置六套雷達式料位計，卸料小車設置2套雷達式料位計（測量范圍0-75米），8個雷達裝置對整個筒倉的料位情況實時的測量并將測量信號傳輸給卸料小車，由卸料小車根據測量信號自動執行卸料作業。同時每個筒倉設置八套水銀式傾斜高料位檢測開關，當煤炭滿倉時，檢測裝置動作，并與進煤皮帶輸送機連鎖，與雷達形成雙保險，防止冒倉危險的發生。

2.3.2 筒倉氣體濃度監測系統

筒倉內部煤炭溫度變化時，內部氣體的成分組成也相應的隨之變化。每個筒倉上分別設置二個CO和二個碳氫化合物（CH4）檢測點，CO檢測儀是紅外式的，CH4檢測儀的是電化學式。氣體監測控制器將數據通過總線傳輸PLC。

2.3.3 筒倉溫度檢測系統

每個筒倉設計兩條測溫電纜，測溫電纜長度為30米。測溫電纜采用熱電偶芯，分5點單獨取樣，外面纏繞有6股19芯的鍍鋅鋼絲繩，纏繞后的直徑為30mm。在每個筒倉漏斗處布置布置6個鉑熱電阻測溫點，測點深入筒倉內的深度，測溫范圍應達到-20℃～+240℃，測點精度為Ⅰ級。測溫電纜和鉑熱電阻測溫點信號進入PLC，PLC系統實時顯示筒倉溫度，設定溫度超限報警值，其信號傳輸給監控管理系統；當溫度超限后可將煤炭外運。

2.3.4 筒倉頂廊道上部煙霧濃度監測

在筒倉頂廊道上部設置煙霧濃度測量裝置，每個倉上部設置1套（共計24套）；其煙霧濃度測量裝置報警信號傳輸給PLC。

3 結束語

黃驊港三期工程筒倉工藝的成功應用說明了大型貯煤筒倉在專業化煤炭碼頭應用中的工藝性、安全性和可靠性是可行的。并從設計上周密考慮防燃防爆等措施，在筒倉安全運行采取嚴密監測、積極預防、科學管理三結合的原則，保證了筒倉系統的可靠運營。