輸煤系統(tǒng)中防堵圓形曲線落煤管的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的輸煤系統(tǒng)落煤管及皮帶機(jī)頭部漏斗設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)部件，不考慮物料的拋料曲線及其在落煤管內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)軌跡，雖然可使得設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，但存在以下的一些問題：轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)處現(xiàn)場(chǎng)粉塵污染嚴(yán)重、堵煤現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，落煤管內(nèi)部襯板磨損特別嚴(yán)重，需頻繁更換[。通過(guò)研究結(jié)果顯示，基于離散元技術(shù)為主導(dǎo)設(shè)計(jì)思路的防堵圓形曲線落煤管可以有效解決此類問題。

1.防堵圓形曲線落煤管技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1離散元技術(shù)

離散元法（DEM），是一類用于計(jì)算大量小顆粒運(yùn)動(dòng)和效果的數(shù)值方法之一。盡管DEM與分子動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)，但該方法通常通過(guò)包含旋轉(zhuǎn)自由度以及具有狀態(tài)的接觸和通常復(fù)雜的幾何形狀（包括多面體）來(lái)加以區(qū)分。隨著計(jì)算能力的提高和用于最近鄰排序的數(shù)值算法的進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)可以在單個(gè)處理器上數(shù)值模擬數(shù)百萬(wàn)顆粒。如今，DEM正被廣泛認(rèn)可為解決顆粒流、粉末力學(xué)和巖石力學(xué)等顆粒和不連續(xù)材料工程問題的有效方法。DEM已經(jīng)擴(kuò)展應(yīng)用到考慮熱傳遞、化學(xué)反應(yīng)以及與CFD（計(jì)算流體力學(xué)）和FEM（有限元法）的耦合。

離散元方法計(jì)算要求繁復(fù)，因而限制了模擬的時(shí)長(zhǎng)或顆粒數(shù)目。許多DEM軟件取法于分子動(dòng)力學(xué)軟件在并行處理技術(shù)中的先進(jìn)技術(shù)，運(yùn)用共享及分散式處理方法，極大的提升了顆粒數(shù)量和模擬時(shí)間的擴(kuò)展?jié)摿Γ粚?duì)眾多顆粒進(jìn)行物理均衡化作業(yè)，視物質(zhì)為一個(gè)連續(xù)的連續(xù)性物質(zhì)的整體。在土壤力學(xué)及固體顆粒的研究領(lǐng)域里，連續(xù)體方法一般將材料視為彈性或彈塑性形態(tài)，采用有限元與無(wú)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行構(gòu)建及解析操作。在處理液態(tài)與氣態(tài)顆粒流現(xiàn)象時(shí)，該模型將材料視為流體介質(zhì)，實(shí)施計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)。

1.2EDEM軟件

EDEM系列軟件是全球領(lǐng)先的散料機(jī)械仿真軟件，它可以高效、準(zhǔn)確地仿真煤炭、礦石等散裝顆粒的流動(dòng)行為。EDEM系列軟件的原理是通過(guò)牛頓運(yùn)動(dòng)定律和材質(zhì)間的接觸模型來(lái)計(jì)算每一個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)與碰撞，通過(guò)大量迭代運(yùn)算，最后得到整體物料流動(dòng)結(jié)果。EDEM軟件主要由前處理器（EDEMCreator）、求解器（EDEMSimulator）和后處理工具（EDEMAnalyst）三大功能模塊組成[2。

1.3物料模型的校準(zhǔn)

EDEM系列軟件能夠得到整體物料流動(dòng)的結(jié)果，從而為設(shè)計(jì)提供了有力、準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。物料校準(zhǔn)是EDEM系列軟件仿真模擬最為核心的一部分，也是關(guān)系到最終仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。物料校準(zhǔn)是指把虛擬的物料模型通過(guò)實(shí)驗(yàn)、調(diào)節(jié)參數(shù)，達(dá)到與現(xiàn)實(shí)效果幾乎一致的過(guò)程。在仿真模擬之前，對(duì)該工況下所使用的物料進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，從中獲取相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);之后通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整EDEM系列軟件中相應(yīng)的參數(shù)，使得EDEM仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致，則表示物料完成了校準(zhǔn)的工作，從而保證了仿真模擬的真實(shí)性、可靠性[3]。

2.防堵圓形曲線落煤管設(shè)計(jì)思路

2.1平滑落煤管母線

一種常見的曲線落煤管母線及三維模型如圖1所示。該方案由三部分拼接而成，為1段直線和2段不同半徑的圓弧組成，其特點(diǎn)在于能夠避免產(chǎn)生物料沖擊死角，實(shí)現(xiàn)物料平滑有序下落。

2.2適當(dāng)?shù)穆涿汗苓^(guò)流面積

傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)落煤管，其過(guò)流截面為方形且設(shè)計(jì)思路為落煤管過(guò)流面積越大越好，然而實(shí)際情況可能并非如此。

傳統(tǒng)溜槽的操控技巧簡(jiǎn)單易掌握，但考慮到落煤管的過(guò)流面積較大，溜槽內(nèi)物料流動(dòng)不易得到有效調(diào)整，在復(fù)雜多變的

gt;gt;（a）落煤管母線

作業(yè)場(chǎng)景里，傳統(tǒng)落煤管往往引發(fā)物料堆積、下料點(diǎn)偏移、載重不平衡、膠帶沖擊力增大、粉塵濃度上升及溜槽磨損加劇的問題。

較大的落煤管過(guò)流面積以及方形截面容易造成沖擊死角，在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的粉塵積累后容易在沖擊死角處積累過(guò)量的細(xì)小煤灰，從而壓縮煤流的過(guò)流截面，造成堵煤。

對(duì)應(yīng)的解決方法為使用新型的圓形曲線落煤管，圓形的截面使得煤流在流動(dòng)過(guò)程中更加地平滑，不容易形成堵煤的現(xiàn)象，從而保證了皮帶機(jī)以及整個(gè)輸煤系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定。

2.3迭代設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)第一次在EDEM系列軟件或者其他離散元仿真軟件中進(jìn)行物料仿真模擬之后，需要生成與之對(duì)應(yīng)的物料流速圖。如圖2所示，根據(jù)獲得的流速圖可以觀察到在落煤管中的哪個(gè)位置容易產(chǎn)生較大的物料沖擊夾角，從而導(dǎo)致大煤塊受到?jīng)_擊而分解成細(xì)小煤粉之后形成的積煤、堵煤情況。

在明白落煤管內(nèi)的這些沖擊點(diǎn)后，通過(guò)調(diào)整落煤管母線以及對(duì)應(yīng)的落煤管建模，盡量消除這些沖擊點(diǎn)，并使煤塊在落煤管中流動(dòng)的速度曲線變得更加圓滑。最終的目的是使這些物料在落煤管中順暢地、無(wú)沖擊死角以及無(wú)較大沖擊點(diǎn)地進(jìn)行流動(dòng)，從而最大程度地減少積煤以及堵煤的情況。

3.廠內(nèi)落煤管改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比

以華東沿海某電廠為例，該電廠在采用防堵圓形曲線落煤管之前，在原煤接卸過(guò)程中，堵煤現(xiàn)象頻繁發(fā)生，每接卸一艘煤船，停運(yùn)清理落煤管次數(shù)高達(dá)十幾次以上，且堵煤后清理時(shí)間長(zhǎng)，每次清理在2小時(shí)以上。堵煤現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)近三年情況如表1所示。

從統(tǒng)計(jì)表中可看出，堵煤現(xiàn)象有愈演愈烈趨勢(shì)，嚴(yán)重影響該電廠的供煤安全，治理已到了刻不容緩的地步。

2023年，該電廠完成了輸煤系統(tǒng)防堵圓形曲線落煤管的改造工作，所有落煤管均采用了以離散元與有限元耦合仿真為主導(dǎo)設(shè)計(jì)思路和理念的圓形曲線落煤管。從2023年整年和2024年前8個(gè)月來(lái)看，在接卸特別濕粘的原煤時(shí)，每艘次煤船接卸時(shí)堵煤的現(xiàn)象下降至3次左右，消除了因落煤管頻繁堵煤帶來(lái)的供煤安全隱患。同時(shí)，也證明了防堵圓形曲線落煤管改造

4.結(jié)束語(yǔ)

在華東沿海某電廠的應(yīng)用過(guò)程中，該類防堵圓形曲線落煤管的可行性得到了充分驗(yàn)證，改造方案的合理性和效果顯著，避免了設(shè)備的損壞，提升了設(shè)備的安全性，這不僅鞏固了企業(yè)的安全生產(chǎn)基礎(chǔ)，還為其他火力發(fā)電廠的輸煤線路改造提供了可行的改造方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]姬紅剛。EDEM技術(shù)在選煤廠轉(zhuǎn)載點(diǎn)溜槽設(shè)計(jì)中的應(yīng)用．《礦山工程》，2020年8期

[2]胡斌、陳長(zhǎng)健。基于EDEM仿真技術(shù)分析物料特性對(duì)落料管結(jié)構(gòu)的影響[J].煤質(zhì)技術(shù)，2019，5：56-60.

[3]劉昊軒、高殿榮、秦亞璐等。轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)曲線落料管結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究［J］．重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2020，34（7）： 149-155作者單位：國(guó)能浙江寧海發(fā)電有限公司