儲煤設施容量計算方法與適用性研究

王 洋

(中煤天津設計工程有限責任公司，天津 300131)

在煤炭生產與加工過程中，儲煤是不可或缺的環節，儲煤設施的容量是其中重要的性能參數，也是決定儲存設施結構形式的關鍵因素之一。因此，正確計算儲煤設施容量對工程設計和生產現場具有重要的指導作用。為了提高儲煤設施容量計算的精度，前人做了大量研究工作，并提出多種計算方法，主要包括公式法、經驗法和模型法。針對不同結構類型的儲煤設施，分析了三種容量計算方法的適用性，并根據其特點提出了使用建議。

1 儲煤設施類型

目前，我國的儲煤設施主要分為封閉式儲煤場、氣膜穹頂混凝土球倉(簡稱“球倉”)及圓筒倉三大類。相較而言，封閉式儲煤場和圓筒倉應用更早，也更為普遍；而球倉近些年才在煤炭儲存領域得到一定的推廣和應用。

(1)封閉式儲煤場是在露天儲煤場的基礎上發展起來的，常見的如條形儲煤場、全封閉圓形儲煤場，根據實際生產需要，不同儲煤場布置有堆取料機等存取煤機械。這種儲煤場有助于改善周圍環境，且具有地基處理費用低、建設周期較短的優勢；但在同等容量條件下，其占地面積較大，裝車效率較低[1]。

(2)圓筒倉是目前應用最廣泛的一種存煤設施，能夠實現一倉一品儲存，在煤質復雜或儲量較大時可以采用群倉形式。這種煤倉適用于中小型配煤廠，也可作為大型配煤企業的配煤倉[2]，其具有占地面積少、環保效果好、所需設備簡單、運行成本低的優點，但儲量小，噸煤造價較高[3]。圓筒倉結構如圖1所示。

圖1 圓筒倉結構示意圖

(3)球倉是近些年引自國外的一種散料儲存設施，具有容量大、建設周期短、施工受外界氣溫影響小、外形美觀等優點，但其所需投資高，不適用于塊煤存儲。球倉結構如圖2所示。

此外，露天儲煤場和半開放式儲煤場在我國也有應用，但隨著國家對環境保護要求的提高，這兩種儲煤場已無法滿足環保要求[4]，在工程設計與生產實踐中不再采用。

2 計算方法

2.1 公式法

計算儲煤設施容量的基本公式為

Q=γV，

式中：Q為儲煤設施容量，t；γ為煤的堆密度，t/m3；V為儲煤設施的有效容積，m3。

圖2 球倉結構示意圖

公式法計算的重點和難點是儲煤設施的有效容積，常用儲煤設施容量計算公式[5]如下：

(1)封閉式儲煤場容量計算公式為

Q=F0khγ，

式中：F0為儲煤場占地面積，m2；k為與煤堆有關的系數；h為煤堆的實際可能最大高度，m。

(2)圓筒倉容量計算公式為

Q=γ(V1+V2+nV3)，

V2=h1πR2，

V3= 0.2(L-a)(πR2+4a2)tanβ，

式中：V1為上部圓錐段體積，m3；V2為中部圓筒段體積，m3；V3為下部漏斗段體積，m3；n為漏斗數量；R為圓筒倉半徑，m；α為物料堆積角，(°)；h1為中部圓筒段高度，m；L為排料口間距，m；a為排料口的邊長，m；β為下部漏斗側壁與水平面的夾角，(°)。

(3)球倉容量計算公式[6]為

Q=γ(V1+V2+V3+nV4)，

V2=h2πR2，

式中：V1為上部圓錐段體積，m3；V2為中部圓柱段體積，m3；V3為中部圓臺段體積，m3；V4為下部漏斗段體積，m3；n為漏斗數量；R為球倉底部半徑，m；h1為上部圓錐段高度，m；h2為中部圓柱段高度，m；h3為中部圓臺段高度，m；r為中部圓臺段下部半徑，m；h4為下部漏斗段高度，m；R1為下部漏斗段上部直徑，m；a為排料口邊長的一半，m。

在計算過程中，k、γ的取值需要根據實際情況選擇，詳見表1。

表1 k與γ取值表[7]

采用公式法計算儲煤設施容量時操作簡單，速度較快；但計算過程繁瑣且容易出錯，結果不夠準確，其不適用于幾何結構復雜的儲煤設施容量計算。

2.2 模型法

近年來，隨著三維設計手段的推廣與應用，基于模型法的儲煤設施容量計算得到發展。以三維設計軟件作為計算手段，對儲煤設施內的存煤狀態建模，通過參數設置即可迅速計算出同類儲煤設施的容量[8]。以Solid works三維設計軟件作為計算工具，以球倉容量作為計算目標時，計算草圖如圖3所示，計算結果如圖4所示。

圖3 球倉容量計算草圖

采用模型法計算儲煤設施容量時，簡捷快速，數據準確，尤其適用于儲煤設施建設前期的設計方案比選。但該方法需要借助三維設計軟件，在現場普及應用尚需時日。草圖是容量計算是否精確的關鍵，計算時要盡可能準確地繪制相關草圖[9]。

圖4 球倉容量計算結果

2.3 經驗法

經驗法是現場應用最多的一種容量估算方法，尤其是在圓筒倉容量計算方面。得益于多年的設計與使用經驗，目前已形成完善的容量數據庫，常用的圓筒倉容積經驗值見表2[10]。

表2 常用的圓筒倉容積

采用經驗法時使用者只需查閱相關文獻，或者借鑒相似工程項目案例，即可快速得出相應的容量數據。該方法可以簡單、高效地得到儲煤設施的容量，但數據庫不夠完善，尤其是近些年新興的倉儲結構(如球倉)，由于缺乏相應的經驗數據，不能用于計算其容量。

3 適用性研究

為了研究各種計算方法的適用性，以三種儲煤設施的容量為計算目標，考察計算結果的可靠性。基于不同計算方法的儲煤設施容量見表3。

表3 基于不同計算方法的儲煤設施容量

注：計算時γ值均取0.80，各方法均基于同一模型計算，即各參數選取一致。

由表3可知：

(1)封閉式儲煤場的容量可以采用公式法和模型法計算，與模型法的計算結果相比，公式法的計算結果偏小。這是因為計算公式中存在多個經驗參數，且取值范圍較大，計算結果受經驗參數取值的影響較大。

(2)圓筒倉的容量可以采用公式法、模型法和經驗法計算，模型法和經驗法的計算結果相差不是很大，公式法的計算結果偏小，經驗法的計算結果偏大。

(3)球倉的容量可以采用公式法和模型法計算，與模型法的計算結果相比，公式法的計算結果偏小。

4 結論

容量是儲煤設施的重要參數，對儲煤設施類型選擇起著決定性作用，在實際工作中，應根據需要為不同的儲煤設施選擇合理的容量計算方法。

(1)公式法的適用范圍較廣，其操作較為簡單，計算速度較快；但在經驗參數多且取值范圍較大時，計算結果不夠準確，且普遍偏小。

(2)模型法適用于所有儲煤設施容量計算，且簡捷快速，數據準確，對于空間結構復雜、計算工作量大、對數據精度要求高的儲煤設施宜選用該方法；但其需要借助三維設計軟件，且要求草圖準確性高。

(3)經驗法的適用范圍較窄，其可以簡單、高效地計算出儲煤設施的容量；但數據庫不夠完善，僅適用于已經廣泛應用，且具有大量經驗數據的儲煤設施容量計算。

參考文獻：

[1] 齊友華.鄂爾多斯地區儲煤場數字化應用探析[J]. 中國高新技術企業,2014(24):113-114.

[2] 喬青山.儲煤場類型及優缺點探討[J].煤炭加工與綜合利用,2013(1):32-33.

[3] 王 潔.封閉型儲煤場設計特點分析[J].選煤技術,2017(4):87-91.

[4] 胡成功,趙 奇.淺析幾種儲煤場儲煤形式的優缺點[J].露天采礦技術,2013(2):88-90.

[5] 戴少康.選煤工藝設計實用技術手冊(第2版)[M].北京：煤炭工業出版社，2016:20.

[6] 張向東,胡學武.球形儲煤倉在發電廠的應用[J].機械,2016,43(7):57-68.

[7] 王曉磊.煤料堆密度的影響因素分析[J].潔凈煤技術,2015,21(5):58-60+65.

[8] 呂 盈,張 松,李劍峰,等.基于SolidWorks的滾齒過程幾何仿真及切削力計算[J].組合機床與自動 化加工技術,2017(11):112-115，119.

[9] 李 健.SolidWorks軟件應用研究[J].現代制造技術與裝備，2017(10):29-30.

[10] 于載澤.礦井生產系統設計手冊[M].太原：中國經濟出版社，1997:636.