利用旋轉煤斗解決電廠原煤倉堵煤的設計方法*

錢小文，紀慧泉，龔九洲，周祥態，葉廣志

（1.江蘇國信揚州發電有限責任公司，江蘇揚州 225131；2.江蘇旅游職業學院，江蘇揚州 225127；3.揚州電力設備修造廠有限公司，江蘇揚州 225003）

0 引言

電廠原煤倉一般為圓形鋼倉體，其結構為漏斗狀，上大下小，出口位置及以上0～3 m之間的截面積相對較小。原煤一般存放在露天敞篷里，容易吸收水分[1]，出現“黏煤”現象，煤質下降和摻燒煤泥的情況下，也會出現這種情況。向原煤倉添加“黏煤”，在煤倉下端容易出現堵煤現象。嚴重影響煤場周轉，機器的正常運行，給機組安全、經濟運行帶來較大隱患[2]。

針對堵煤情況，目前國內普遍采用安裝空氣炮、疏通機、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。不斷捶打倉壁，有時反而會導致上端粘煤破拱速度大于下端，導致下端堵煤現象更嚴重[3]。靠人工敲打倉壁，掏煤來疏通煤倉，不僅時間長，影響機組負荷，還造成給煤機平臺嚴重污染[4]。

為確保電廠給煤系統的正常運行，提高機組安全運行可靠性，減少經濟損失。針對上述堵煤情況，本文作者提出了通過旋轉煤斗的方案解決該問題，通過截取原煤倉下端部分，替代以旋轉活動式圓錐形倉體來打破原煤倉原煤結拱造成的物料平衡狀態，瓦解了堵煤的基礎因素，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。

1 旋轉煤斗載荷計算

1.1 原煤倉結構分析

電廠原煤鋼倉，上端為圓柱形，下端為錐形，具體結構及外形簡圖如圖1所示。漏斗壁與水平面的夾角為α，上端圓柱長度H1，下端錐形漏斗長度H2，內徑為dn，煤倉總高度H=H1+H2。當倉體總高度與圓形倉筒內徑之比，即≥1.5，則該倉體為深倉，反之為淺倉。一般情況下，電廠原煤倉高度與倉筒內徑之比大于介于1.5～3之間，屬于深倉[5]。

圖1 圓形煤筒倉貯煤載荷示意圖

1.2 圓形鋼倉貯料載荷通用計算模型研究

針對圓形深筒鋼倉，貯料重力載荷計算模型可簡化為如圖2所示的模型。計算截面在漏斗高度范圍內時，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]，此時按公式（1）計算。

ζ為法向壓力系數：

圖2 錐形鋼倉貯料重力載荷計算模型

Pvh為漏斗頂面單位面積上的豎向壓力標準值（kN/m2)，按式（4）計算。

Cv為豎直壓力修正系數，按表1采用；ρ為筒倉水平凈截面的水力半徑（m)，對于圓形筒倉ρ=；

μ為貯料與深倉壁摩擦系數；γ為貯料重力密度，kN/m3；k為側壓力系數；hn為貯料計算高度，即貯料頂面或貯料錐體重心至鋼倉漏斗頂面的距離(m)；e為自然對數的底。

表1 深倉豎直壓力修正系數C v

1.3 旋轉煤斗力學模型及載荷計算

1.3.1 旋轉煤倉結構介紹

針對堵煤情況，采用截取原煤倉錐形漏斗下端部分，替代以旋轉活動式圓錐形倉體來消除腔內原煤結拱、堵煤的現象。改造實驗的原煤倉外形尺寸如圖3所示，尺寸單位均為m）

旋轉煤斗整體分為3個部分：上部固定端與原倉體通過法蘭連接，中間為旋轉倉體，旋轉倉體通過螺栓與回轉支撐2的外圈相連接。回轉支撐2的外圈為齒輪輪齒，回轉支撐2的內圈固定在支架上承受回轉倉體的重量。電機與減速箱帶動輸出軸上的小齒輪轉動，轉動的動力傳遞到回轉支撐2的外圈齒輪，與回轉支承2相連的中間旋轉倉隨之旋轉。煤斗旋轉的過程中內壁與原煤之間產生相對運動，打破原煤的平衡狀態，結拱隨之破裂，原煤順利的流下，整個原煤倉暢通。煤斗具體結構簡圖如圖3所示。

旋轉煤倉倉壁分為兩層，外壁由碳鋼鋼板卷制，內壁使用耐磨、耐蝕的不銹鋼板，采用焊塞與煤倉連接。表面打磨平整形成光滑的整體結構，減小了煤流在倉壁內受到的摩擦阻力，保證煤流的暢通[6-7]。旋轉煤倉的動靜結合處采用密封效果好的迷宮密封和盤根密封，保證密封效果。

圖3 原煤倉及旋轉煤斗外形結構簡圖

旋轉式煤倉清堵面積大，可徹底清除料倉內燃煤的架橋、結拱、漏斗流等現象。

結合理論分析和電廠原煤倉實際運行情況，原煤倉出口位置及以上0～3 m之間的截面積相對較小，是堵煤情況的高發點，因此破除此范圍內的原煤結拱是保證整個給煤系統正常運行的重要突破點。

1.3.2 旋轉煤斗基本參數及法向壓力（壓強）計算

在該方案中，驅動旋轉煤斗轉動的動力參數是重要關鍵點，它關系到齒輪、軸承參數的確定；減速箱、電機功率的選配【8】。過小的驅動力矩無法帶動煤斗旋轉，無法疏通煤斗。選用保守的減速箱及電機功率，會造成整個結構體積增大，影響整體協調性，還造成成本的浪費。

目前在旋轉煤斗載荷計算相關領域，可供借鑒參考的資料過少。結合貯倉結構設計手冊、理論力學、微積分等知識，對煤斗載荷的計算進行了較為深刻的研究，總結得到如下較為可靠的計算方法。

取旋轉煤斗極限工況（原煤倉滿載堵煤）為設計出發點，截取距離煤倉頂部24.29 m處的截面作為旋轉倉的上端，距離煤倉頂部25.5 m處的截面作為旋轉倉的下端，查資料及計算知此次電廠改造實驗的原煤倉相關參數：γ=10 kN/m2，hn=14.69 m ，CV=2.0， φ=30°， α=70°

1.3.3 旋轉煤斗驅動載荷計算方法探究及對比

（1）驅動煤斗旋轉的扭矩計算方法一

驅動旋轉煤斗轉動的載荷數學模型如圖4所示。煤斗在旋轉時，驅動力矩與摩擦力矩相等。在距離原煤倉頂面x（x≥14.69 m)處任取一小段 d x，(d x 0）。環形面積d y=2πR

其中R=4.5-[x -14.69] ×tan20°；

煤斗在d x內的力學參數如下：

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的阻力放大系數，取值δ=1.2。

在[2 4 .29,25.5]內，對d M進行積分得到整個旋轉煤斗旋轉時需要克服的的摩擦力矩M1。

代入相關數值得M1=198.323 kN·m=198 323 N·m

圖4 旋轉煤斗驅動載荷數學模型

（2）驅動煤斗旋轉的扭矩計算方法二

計算得到y=6.529 8m2；

原煤作用在整個旋轉煤斗上的法向壓力FN=pn?y=526.419 kN，煤斗旋轉時，煤斗與原煤之間產生的摩擦力 f=δμFN，代入相關數值得 f=252.681 kN。

回轉支承2距離煤倉頂部中心的S=24.72 m，旋轉煤斗此處的半徑為R==0.849 5 m，將煤斗旋轉時產生1的摩擦力當做集中力，以R1為力臂，則摩擦力矩：

M2=fR1=214.653 kN·m=214 653N·m

方法一通過數學微積分，將旋轉煤斗高度微分成無數小段d x，先求出距原煤倉頂面x處的一小段環面（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，最后在旋轉煤斗高度范圍[2 4 .29,25.5]將微小的力矩進行積分得出需要克服的總摩擦力矩，此種結果一般非常接近真實值。

方法二是先求出旋轉煤斗整個內壁的摩擦力，將此力當作集中力，以R1為力臂，求出需要克服的摩擦力矩。當煤斗截取高度較大，漏斗壁對水平面的夾角α較小時，煤斗半徑在高度方向的變化較大，回轉支承2與煤斗的交點位置選取的不同，計算的摩擦力矩就會產生存在較大的差異。

通過理論誤差分析，對比方法一和方法二的計算原理，方法一計算的結果相對更科學。

1.4 動力驅動系統參數設計

根據摩擦力矩數值，結合煤斗外徑、旋轉速度，可初步給出回轉支承2的外圈齒輪和小齒輪參數（模數、齒數、中心距、寬度）。根據齒輪計算手冊，反向校核齒根抗彎強度和齒面抗疲勞強度，微調設計參數，即可完成動力驅動系統的參數設計。

2 旋轉煤斗清堵刮刀的設計及優化

2.1 旋轉煤倉刮刀布置研究

當濕度過大，原煤之間的內摩擦阻力、粘性、靜電力也隨之增加，更容易粘煤，導致旋轉煤斗破拱難度增加。為確保旋轉煤斗可靠的疏通原煤倉，在旋轉煤斗內壁內置清堵刮刀來增強清堵效果。

旋轉煤倉內部共布置3把刮刀，刮刀位置布置結構如圖5所示。第1把刮刀布置在旋轉煤倉上部固定端，懸臂布置且不隨旋轉倉體旋轉。第2把刮刀設在中間倉體檢修人孔門上，隨旋轉倉體一起旋轉。第3把刮刀設在旋轉倉體下部懸臂布置，跟隨旋轉倉體一起旋轉。旋轉倉體設定為順時針旋轉。三把刮刀相對豎直方向均左旋成一定角度，這樣在旋轉時刮刀既能刮離粘黏在倉體內壁的煤，起到破拱作用，又能將煤往下推，疏導煤流，加強清堵效果。

圖5 刮刀位置布置結構圖

2.2 刮刀結構及受力分析

煤斗旋轉時，刮刀承受較大的阻力，因此在設計刮刀時有必要對截面形狀進行研究，確保清堵效果的同時，減少刮刀阻力和變形。

如圖6所示，取懸臂刮刀作為研究對象，煤斗旋轉時，原煤對刮刀產生一個平行于H3（或H4）方向的阻力，設阻力F阻一定，截面1和截面2面積相等，截面高度相等時，則H3≥H4。根據相關力學知識，當載荷平行于H3方向，截面形狀1的懸臂梁抗彎抗剪強度大于截面形狀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稱7邊形，左右有兩個銳角突起，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，有利于快速破拱，且阻力較小。

圖6 刮刀結構簡圖

3 煤斗改造運行情況跟蹤

以本文給出的理論分析結果作指導對原煤倉進行改造。改造的旋轉煤斗已投入實際運行。旋轉煤斗每天根據PLC控制模塊設定的“正常運轉模式”和“堵煤、斷煤時的運行模式”運轉。系統目前已運行半年多時間，一切正常，頻繁堵煤情況基本消除。

4 結論

（1）實踐和上述理論計算分析的結果基本吻合，這為解決電廠原煤倉堵煤問題提供了有效的解決方案。最近幾年，旋轉煤斗作為解決電廠堵煤的方案在市面上逐漸出現，但目前國內關于旋轉煤斗理論設計方法的資料較少。關于動力載荷的計算，刮刀結構優化方面的資料更是寥寥無幾，大多通過工程師平時積累的經驗給出，缺乏理論支撐。

（2）旋轉煤斗的設計、制造是一較為復雜的系統工程，還有很多方面需要進行深入的研究。例如旋轉煤斗結合面的密封，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。