礦石碼頭火車裝車站緩沖倉方案設計研究

吳位民，王 偉

（1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220；2.唐山曹妃甸實業港務有限公司，河北唐山 063200）

引言

近年來，我國在對散狀物料的快速定量裝載技術研究上有了新的突破，如港口、碼頭對礦石、煤炭、糧食等散狀物料的定量快速裝車等。裝車站系統在火車裝車流程中只是一個單元，一般連續裝車取料線取料設備有斗輪取料機、裝載機等設備，火車裝車系統中裝車站緩沖倉容積的確定是否合理一直是影響裝車能力的一個關鍵因素，裝車樓設備供貨廠家一般根據經驗按照3-5 倍稱量倉的容積進行確定。實際情況很多項目直到投入使用的時候才發現緩沖倉容積偏大或者偏小，缺乏在緩沖倉方案論證階段從系統理論層面進行論證分析。

1 礦石碼頭卸船裝車工藝介紹

礦石碼頭典型的工藝流程：進口礦石船在碼頭經過卸船機轉運至皮帶輸送線，經過連續的皮帶轉接系統，把物料運達料場，再經過堆料機實現堆料，根據不同的礦石貨代和買方把物料分區域、分料堆進行堆存。堆料設備有堆料機和堆取料機等。為保證卸船效率，礦石物料一般不會卸船后直接裝車。裝車流程從料場開始，取料機或者堆取料機具有取料功能的設備進行取料，并把物料運送至皮帶機輸送系統上面，通過轉接和連續運輸。然后物料運送至裝車樓緩沖倉內進行定量裝車。裝車樓系統通過配料，稱重，卸料等流程實現火車裝車功能。與裝車樓配合的設備通常有牽車機和平車機，按照裝車要求控制牽引速度，同時為了滿足鐵路部門對裝車質量提出的“物料載荷分布均勻，物料上頂面平整”的基本要求，裝車后采用平車設備進行平車。圖1為卸船裝車工藝流程圖。

圖1 卸船裝車工藝流程圖

2 火車裝車樓系統

通過皮帶機把物料輸送至裝車樓緩沖倉內，緩沖倉內物料達到低料位時，啟動緩沖倉給料閘門給稱量倉配料，給料閘門根據裝車系統能力一般設置2-4 個，配料速度和精度均通過程序控制開關量和速度進行自動控制，配料結束后關閉給料閘門。稱量倉根據火車車卡自動識別系統的數據進行自動稱重，稱量結束后，打開稱量倉卸料閘門進行裝車，裝車完成后形成裝車報表。圖2 裝車站系統示意圖。

圖2 裝車站系統示意圖

3 緩沖倉的方案設計

3.1 緩沖倉作用

緩沖倉的作用一是要滿足配料閘門工作時有足夠的物料可以配料，配料時間連續快速，滿足裝車的需要；另一方面緩沖倉要有足夠容量可以緩沖堆存一定的物料，上游取料機和皮帶機取料系統可以連續作業，不因裝車環節延時而頻繁起停取料線設備，最大限度避免皮帶機系統頻繁重載停機再起動。在圖1 流程中，卸船流程的終端是BC03 和堆料機，裝車流程的始端是BC03 和斗輪取料機。如果不考慮卸船流程和裝車流程的相互影響，根據正常的工藝控制流程，裝車站緩沖倉料位一旦達到極限料位，BC03 就會停機，進而卸船流程也要停機，會給卸船工作造成時間和成本的損失。為了避免該現象的發生，確保卸船流程不受裝車流程的影響，緩沖倉的容量需要足夠大，在裝車流程有故障需要取料線設備停機時，能夠滿足料場皮帶機BC03 不停機的條件，把料場皮帶BC03 上面取料機之后的物料可以排凈后再停后續皮帶機BC04H 和BC05。所以緩沖倉容積方案確定時必須把其置于整個卸船和裝車整個大系統流程中進行綜合確定。

3.2 緩沖倉結構分析

緩沖倉配料口數量的設置是根據裝車能力確定的，通常4 500 t/小時以下的礦石裝車能力一般采用兩配料口對應四片閘門；如圖3 兩個配料口緩沖倉布置圖，緩沖料倉設置兩個出料口，料倉倉壁傾斜角度不小于70°，兩個出料口間距根據平板閘門尺寸和空間檢修尺寸確定為2.2 米左右，反向分料漏斗結構高度在1.3 米左右。料倉高度及高低料位均應通過計算確定。

圖3 緩沖倉兩個配料口布置圖

當設計能力大于4 000 t/小時且小于7 000 t/小時火車裝車要求時，為了滿足快速裝車的要求，提高配料速度和精度，需要設置四個配料口，如圖4緩沖倉布置圖四個配料口。根據配料口閘門設備尺寸和檢修空間尺寸要求，保證料倉倉壁傾斜角度不小于70°，四個配料口錯開間距尺寸為4 米，反向分料漏斗結構高度在4.5 米，料倉高度及高低料位均應通過計算確定。

圖4 緩沖倉四個配料口布置圖

3.3 緩沖倉下游工藝設備確定倉容

理論上裝車能力與取料機能力是相吻合的，但是實際操作中會有影響裝車效率的因素存在，影響裝車效率時間因素：a、設備故障復位時間t1，b、牽車機操作時間t2，c、平車機操作時間t3，d、跳卡時間t4，e、緩沖時間t5。設系統皮帶機輸送能力為Q0（T/h），緩沖倉初始物料（具備開始裝車條件）Q1，緩沖倉高料位（取料設備停止取料）Q2，緩沖倉極限料位（倉滿取料線停機）Q3，則緩沖倉的高料位Q2=Q1+TixQ0。經過現場調研數據搜集與統計，裝車機動時間和概率總結如下表1：

表1 裝車機動時間和概率表

對各類影響裝車效率因素進行加權平均，加權平均值Ti為3.65 分鐘，按照該時間進行緩沖倉容積的估算。

3.4 緩沖倉上游工藝設備確定倉容

在裝車控制流程中，設定的控制連鎖條件是低料位時報警提示裝車司機可以裝車；當物料達到高料位，取料機等取料設備停止取料，皮帶機輸送系統正常運轉；當緩沖倉物料達到極限料位時，整個取料皮帶機系統全部停止運行。正常工況下，高料位時，提醒裝車樓加快裝車速度，防止滿倉料位出現。高料位和極限料位的緩沖能力應該滿足裝車樓從低速裝車跨到高速裝車的時間，并能把物料從高料位降低至正常料位的緩沖能力。非正常工況下，礦石碼頭卸船作業和裝車同時作業時，為了避免裝車取料線滿倉停機影響到BC03 不能正常運轉，設計緩沖倉時需要考慮如下條件：緩沖倉高料位和極限料位之間的緩沖能力應涵蓋從取料機開始一直到緩沖倉上方的皮帶機系統所有物料的總和。圖1卸船裝車工藝流程圖中，設斗輪取料機位置距離裝車樓長度為L(m)，皮帶機取料線帶速為V(m/s)，皮帶機輸送能力為Q0（T/h）。則緩沖倉的高料位和極限料位應滿足如下等式:Q3-Q2=Lx Q0/3.6v

3.5 緩沖倉倉容及料位的確定

根據上面的分析，可知緩沖倉的容積為：

如圖3所示緩沖倉配料口反向漏斗結構設置在1.3 米左右，很好的保證了緩沖倉在存料期間物料的分布情況，物料在緩沖倉內只要達到集料高度1.5米以上就可以進行裝車配料工作，經過計算物料達到低料位120t 的物料就可以啟動裝車流程；如圖4所示緩沖倉配料口反向漏斗結構設置在4.5 米左右，物料必須在緩沖倉內存料達到高度4.5 米以上才可以進行裝車配料工作，經過計算物料達到低料位250t 才可以啟動裝車流程。

以曹妃甸礦石二期項目方案論證為例：該項目的斗輪取料機取料能力為6 000t/h，該項目具有特殊性，需要考慮料場皮帶機在卸船和裝車同時工作時，確保裝車線系統停機不影響卸船流程。所以當緩沖倉達到高料位之后還要能容下料場皮帶機上從取料機到轉運站TT04 之間的物料，出料場后皮帶機BC04 和BC05 可以重載停機，項目中L=1 000米，料倉容積方案確定：

第一方案，按照6 000 t/h 進行設計，則：

第二方案，卸船與裝車同時作業時，取料機取料能力控制在3 600 t/h 以下，則：

經過論證，最終選擇第二種方案。

緩沖倉內物料料位的設置應具備低料位、高料位和極限料位三個檔次。該項目中低料位250 t，高料位469 t，極限料位735 t。很多項目中廠家把低料位報警給取消了，實際運行中是欠妥的。還有低料位和高料位都是采用雷達料位計，單個雷達料位計對雙配料口緩沖倉能起到檢測作用，但是對于四個配料口的緩沖倉，由于存在物料偏倉現象，檢測時常會誤報，為減少誤差可以設置多臺雷達料位，對測量結果進行運算分析，給出更準確的料位結果。

4 結論

通過對礦石碼頭火車裝車站緩沖倉結構及前后工藝設備的研究，總結出以下結論：

1）通過對緩沖倉結構特點分析，找到影響緩沖倉緩沖能力的關鍵因素，把裝車樓裝車環節放到卸船和裝車整個工藝系統中進行方案論證，一方面要保證裝車工作的正常作業，滿足火車裝車線的利用效率；另一方面裝車樓緩沖倉的設計要考慮到卸船系統的穩定性，保證料場的高效利用；

2）改變以往憑經驗確定裝車樓緩沖倉容積的模式，第一次提出緩沖倉的理論計算公式和方法，為同類裝車站緩沖倉容積大小論證工作指明了方向；

3）礦石碼頭快速定量裝車技術的發展有助于落實目前礦石碼頭“公轉鐵”政策導向，對促進礦石碼頭環保、綠色生產，控制公路運輸粉塵污染具有重要意義。