唐山港曹妃甸港區(qū)煤炭碼頭工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

許健剛，魏美芳

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津，300220）

引言

唐山港曹妃甸港區(qū)位于河北省東北部，唐山市南部沿海。作為地區(qū)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，曹妃甸港區(qū)的發(fā)展目標(biāo)是充分利用當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)，逐步發(fā)展成為以臨港工業(yè)服務(wù)和大宗散貨運(yùn)輸為主的國(guó)際化綜合性港區(qū)，近年來(lái)通過大規(guī)模的建設(shè)取得了良好的發(fā)展成果。

我國(guó)“北煤南運(yùn)”的能源運(yùn)輸格局長(zhǎng)期存在，唐山港曹妃甸港區(qū)是這一大系統(tǒng)中的重要北方裝船港之一。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展的背景之下，本項(xiàng)目作為曹妃甸港區(qū)首個(gè)大型專業(yè)化煤炭裝船碼頭工程，結(jié)合后方新建鐵路集港能力的提升，對(duì)適應(yīng)南方電廠日益增長(zhǎng)的需求以及北方煤炭外運(yùn)北通道的整體布局和能力完善具有重要意義。本工程位于曹妃甸港區(qū)中區(qū)一港池西岸線，共建設(shè)5 個(gè) 5 萬(wàn)～10 萬(wàn)t 級(jí)專業(yè)化散貨泊位，通過能力5 000萬(wàn)t/年。

圖1 工程位置圖

1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）本工程與相臨的續(xù)建工程考慮按5 000 萬(wàn)t/年一個(gè)單元分期建設(shè)，本工程作為先期的起步工程需充分考慮與續(xù)建工程的結(jié)合，從生產(chǎn)合理性、鐵路的適應(yīng)性和建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性角度等方面合理布局。

2）作為大型專業(yè)化煤炭碼頭，碼頭結(jié)構(gòu)的選型要充分考慮結(jié)構(gòu)的安全性，采取適合當(dāng)?shù)貤l件的方案，同時(shí)盡量節(jié)約投資。

2 設(shè)計(jì)方案

本工程共建設(shè)5 個(gè)泊位，包括4 個(gè)5 萬(wàn)～10 萬(wàn)t 級(jí)專業(yè)化煤炭裝船泊位及1 個(gè)7 萬(wàn)t 級(jí)待泊泊位，新建碼頭岸線總長(zhǎng)度為1 514 m。碼頭結(jié)構(gòu)采用遮簾式鋼板樁結(jié)構(gòu)，碼頭前沿設(shè)計(jì)頂高程為4.5 m，碼頭前沿設(shè)計(jì)底高程均按照10 萬(wàn)t 級(jí)散貨船計(jì)算，取為-15.5 m。碼頭前方裝船設(shè)備采用4 臺(tái)移動(dòng)伸縮式裝船機(jī)，其軌距為22 m，裝船機(jī)門架下方布置4條碼頭皮帶機(jī)。

本工程煤炭堆場(chǎng)位于碼頭后方，平行于碼頭岸線呈南北向布置。共布置8 條煤炭堆場(chǎng)，南北方向長(zhǎng)度約為1 200 m，東西方向?qū)挾燃s為600 m。堆場(chǎng)總面積約73 萬(wàn)m2，可堆存煤炭約400 萬(wàn)t。堆場(chǎng)采用堆取分開的布置形式間隔布置，共設(shè)5 條堆料作業(yè)線和4 條取料作業(yè)線，翻車機(jī)房至堆場(chǎng)的堆料皮帶機(jī)及堆場(chǎng)至碼頭的取料皮帶機(jī)均布置在堆場(chǎng)北側(cè)，采用同側(cè)進(jìn)出的形式。[1]

鐵路翻車系統(tǒng)位于續(xù)建堆場(chǎng)的西側(cè)，翻車機(jī)采用“四線四車”型式，起步工程配置2 臺(tái)，遠(yuǎn)期預(yù)留2 臺(tái)。

在總平面布置中還充分考慮了續(xù)建工程建設(shè)的需要，結(jié)合區(qū)域整體布局進(jìn)行了合理預(yù)留。本工程位于中區(qū)一港池南端，在新建防波堤的內(nèi)側(cè)預(yù)留了續(xù)建工程碼頭位置，遠(yuǎn)期可以將碼頭布置為棧橋型式，解決了岸線與堆場(chǎng)不匹配的問題，同時(shí)節(jié)約了岸線資源。

3 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 四車翻車機(jī)的應(yīng)用

本工程卸車設(shè)備采用2 臺(tái)“O”型轉(zhuǎn)子四車翻車機(jī)方案，其額定卸車速度27 次/h，每臺(tái)每次同時(shí)翻卸四輛車，接卸車輛全部為具有旋轉(zhuǎn)型車鉤C80 型車輛，每臺(tái)四車翻車機(jī)的額定卸車能力可達(dá)到7 780 t/h。

在本工程實(shí)施之前，國(guó)內(nèi)外所使用的最大火車卸車設(shè)備為三車翻車機(jī)，以秦皇島港為例，其煤碼頭三期、四期、五期均采用該型翻車機(jī)，每期工程建設(shè)3 條作業(yè)線，即“三線三車”模式。而在本工程的前期設(shè)計(jì)階段，按照與續(xù)建工程統(tǒng)一規(guī)劃分期實(shí)施的原則，通過對(duì)制造廠商和鐵路運(yùn)輸組織的調(diào)研，并進(jìn)行了多次的論證。最終，考慮到大秦線列車編組的標(biāo)準(zhǔn)化和大型化、以及相配套電控技術(shù)日益成熟等條件，創(chuàng)造性地提出并在國(guó)際上首次設(shè)計(jì)采用了“O”型轉(zhuǎn)子四車翻車機(jī)。

“O”型轉(zhuǎn)子四車串聯(lián)翻車機(jī)系統(tǒng)的基本原理是將兩臺(tái)“O”型轉(zhuǎn)子雙車翻車機(jī)串聯(lián)成一個(gè)翻車機(jī)。“O”型轉(zhuǎn)子雙車翻車機(jī)在港口應(yīng)用廣泛，系統(tǒng)設(shè)備性能可靠。每臺(tái)雙車翻車機(jī)兩端環(huán)間支承點(diǎn)間距約為12 m，平臺(tái)總長(zhǎng)度2×24 m，平臺(tái)設(shè)計(jì)荷載為400 t，一旦一臺(tái)雙車翻車機(jī)故障，另一臺(tái)雙車翻車機(jī)還可以繼續(xù)獨(dú)立進(jìn)行卸車作業(yè)。

四車翻車機(jī)的單機(jī)能力為2 600 萬(wàn)t/年，按照年設(shè)計(jì)運(yùn)量5 000 萬(wàn)t 計(jì)算，需要采用 2 臺(tái)四車翻車機(jī)。三車翻車機(jī)的單機(jī)年作業(yè)能力則為2 300 萬(wàn)t，完成同樣的年運(yùn)量需要設(shè)置3 臺(tái)。經(jīng)過對(duì)兩種方案的對(duì)比測(cè)算，采用2 臺(tái)四車翻車機(jī)方案的能耗指標(biāo)相較于3 臺(tái)三車翻車機(jī)方案可降低0.005 kWh/t，設(shè)備及相關(guān)土建結(jié)構(gòu)等部分的投資節(jié)省約7 000 萬(wàn)元。

四車翻車機(jī)系統(tǒng)的采用，積極響應(yīng)了國(guó)家有關(guān)節(jié)能減排和建設(shè)節(jié)約性社會(huì)的產(chǎn)業(yè)政策，無(wú)論從工程直接投資、能源消耗、自動(dòng)化程度而言，均優(yōu)于目前所用的三車翻車機(jī)。

為適應(yīng)兩期工程1 億t/年的通過能力，需新建1 座四線四車翻車機(jī)房，如采用三線三車翻車機(jī)房則需建設(shè)2 座，四車翻車機(jī)房及其配套鐵路可節(jié)約占用土地約5 萬(wàn)m2。

圖2 四車翻車機(jī)

3.2 新型碼頭結(jié)構(gòu)的采用

針對(duì)多年來(lái)典型板樁碼頭結(jié)構(gòu)僅能適用于中小型碼頭建設(shè)這一長(zhǎng)期困擾水運(yùn)工程界的難題，結(jié)合唐山港京唐港區(qū)和曹妃甸港區(qū)的建設(shè)研究開發(fā)了遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的計(jì)算理論和方法，從而實(shí)現(xiàn)了板樁碼頭向大型化、深水化的革命。遮簾式深水板樁碼頭結(jié)構(gòu)由于施工設(shè)備簡(jiǎn)單，故可最大限度地實(shí)現(xiàn)多頭施工，且不受風(fēng)浪等條件的影響，從而大大縮短了工期。

為增強(qiáng)碼頭結(jié)構(gòu)的安全可靠性，避免施工缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，在充分進(jìn)行理論分析、模型試驗(yàn)研究及專家論證工作后，本工程碼頭前墻采用H-AZ 型組合型鋼板樁，這也是遮簾式深水鋼板樁碼頭結(jié)構(gòu)首次應(yīng)用于10 萬(wàn)t 級(jí)碼頭。鋼板樁主體的質(zhì)量更易控制，從環(huán)保角度講，優(yōu)于同類混凝土主體結(jié)構(gòu)。經(jīng)方案比較，該新結(jié)構(gòu)比同樣噸級(jí)的沉箱碼頭節(jié)省投資約10 %。

由于碼頭前墻所采用的鋼板樁為大型企業(yè)的定型的產(chǎn)品，質(zhì)量更有保證。在碼頭建成后進(jìn)行了原形觀測(cè)，觀測(cè)周期為2008 年8 月開始，2010 年9 月截止，觀測(cè)期間碼頭最大沉降量為6.06 mm，最大位移量為向海側(cè)偏移8 mm。從目前使用結(jié)果及相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，該新型碼頭結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

3.3 堆場(chǎng)排水系統(tǒng)

針對(duì)公認(rèn)的傳統(tǒng)意義上的混凝土或砌石等結(jié)構(gòu)形式的矩形斷面的散貨堆場(chǎng)排水溝，雨季過后溝內(nèi)被沉積的煤粉等沉積物所堵塞，需要人工進(jìn)行大量清掏、且造價(jià)高等問題，本工程采用了散貨堆場(chǎng)偏溝排水分級(jí)沉淀排水系統(tǒng)。

散貨堆場(chǎng)偏溝排水分級(jí)沉淀排水系統(tǒng)包括有設(shè)置于散貨堆場(chǎng)軌道梁側(cè)壁一側(cè)側(cè)壁的排水偏溝、溝末端沉淀池及含煤污水處理設(shè)施,使排水偏溝更能有效地排除散貨堆場(chǎng)中的雨水，增加了排除雨水的暢通性，方便了雨后溝底沉積物的清理，免除了矩形排水溝難于清理的問題，從而創(chuàng)造了適用于散貨堆場(chǎng)的新型排水結(jié)構(gòu)型式，打破了傳統(tǒng)的散貨堆場(chǎng)排水設(shè)計(jì)理念，降低了含煤污水處理運(yùn)行成本，節(jié)約投資。同時(shí)，此排水偏溝可與堆場(chǎng)消防通道相結(jié)合，從而節(jié)約了占地面積，增加了堆場(chǎng)可用容量。

圖3 偏溝排水分級(jí)沉淀排水系統(tǒng)

3.4 干霧抑塵技術(shù)

散貨碼頭各轉(zhuǎn)接點(diǎn)位置的傳統(tǒng)除塵工藝主要為布袋除塵技術(shù)和普通灑水抑塵技術(shù)。布袋除塵技術(shù)的特點(diǎn)是除塵效率高，但初投資較高，占用空間較大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高。而普通灑水抑塵技術(shù)的缺點(diǎn)為除塵效率低，用于煤炭會(huì)造成熱值損失。

干霧除塵技術(shù)具有耗水量低，除塵效率高，運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)；對(duì)10 μm 以下可吸入性粉塵去除效率高達(dá)96 %，物料濕度增加重量比僅為0.02 %-0.05 %,對(duì)煤炭基本無(wú)熱值損失。

結(jié)合本工程的裝卸工藝流程，將干霧抑塵技術(shù)應(yīng)用于包括皮帶機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)站封閉區(qū)域和翻車機(jī)房落料處半封閉區(qū)域等。結(jié)合各區(qū)域特點(diǎn)，研究了干霧除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，包括產(chǎn)塵量計(jì)算、干霧噴嘴選型及配置、干霧機(jī)和空壓機(jī)選型及配置、水氣管道配備及水力計(jì)算、系統(tǒng)布置等。

干霧除塵系統(tǒng)與傳統(tǒng)布袋除塵系統(tǒng)相比初投資節(jié)省34 %以上，節(jié)電28 %以上，維護(hù)費(fèi)節(jié)省49 %以上。翻車機(jī)房干霧抑塵系統(tǒng)與普通灑水系統(tǒng)相比，四翻翻車機(jī)節(jié)水率為90.7 %，年節(jié)水量約200 萬(wàn)立方米。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，煤炭含水量每增加1 個(gè)百分點(diǎn)，煤熱值損失 30～50 kcal/kg,按煤熱值 6 000 kcal/kg、熱值損失40 kcal/kg 計(jì)算，相當(dāng)于煤炭損失 0.667 %。按照本工程年吞吐量 5 000 萬(wàn)t 噸計(jì)算，采用干霧抑塵技術(shù)節(jié)約的熱值損失相當(dāng)于減少煤炭損失33 萬(wàn)t。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程與續(xù)建工程均已建成投產(chǎn)，運(yùn)營(yíng)期間機(jī)構(gòu)、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。本工程的建設(shè)對(duì)支持我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，充分發(fā)揮大秦線擴(kuò)能效益具有重要意義，同時(shí)也使曹妃甸港區(qū)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力得到了明顯提升。