圆形煤场在电厂输煤系统中的应用-西南电力设计院.doc

圆形煤场在电厂输煤系统中的应用西南电力设计院 穆敏1 概 述1.1 圆形煤场概述随着火力发电厂锅炉机组和规模容量向高参数、大容量发展，为确保电厂运行安全，要求电厂储煤量也越来越大，如何提高场地的利用率，缩小占地面积，降低土石方量，并提高煤场作业自动化水平，是国内现代化火力发电厂储煤场发展需解决的焦点问题。同时随着环保意识和环保要求的日益提高，大型现代化储煤场还需解决好其对周围环境特别是滨海电厂对临近海域的污染，避免恶劣天气对储煤场安全运行的影响等问题。在国际上，新型的大型全封闭圆形煤场及其设备，以技术先进，程控水平高，环保性能突出，已被广泛采用，它的安全性和可靠性已经过众多的运行业绩证明。图1.1-1 美国佛罗里达东北海岸某电厂圆形储煤场2个直径122m（2001年建成）图1.1-2 德国某电厂圆形储煤场台塑美国公司独资兴建的福建漳州后石电厂是首次在大陆采用这种室内圆形煤场的电厂。后石电厂一、二期建设规模为6600MW机组，已全部发电。电厂采用5座直径120m圆形煤场作为储煤设施，均已投入运行，运行情况良好。目前，电厂正在进行三期施工建设，再增加3座直径120m的圆形煤场。图1.1-3 福建漳州后石电厂圆形储煤场图1.1-4 福建漳州后石电厂圆形储煤场近景下面以福建漳州后石电厂为例介绍圆形煤场及其各主要组成部分：1.2 圆形煤场的主要构成圆形煤场由圆形煤场堆取料机、圆形煤场土建结构及其它相关辅助设施构成。1.2.1 圆形煤场堆取料机后石电厂室内圆形煤场内采用德国SHADE公司生产的堆取料机。其主要组成部分为：中心柱及下部的圆锥形煤斗、堆料机、取料机、振动给煤机、电气和控制设备等。图1.2-1 福建漳州后石电厂圆形煤场堆取料机图1.2-2 福建漳州后石电厂圆形煤场堆取料机1.2.1.1 中心柱堆取料机的中心柱位于圆形煤场的中央，由钢板卷轧为圆筒状并焊接组装而成。中心柱的顶部与进入圆形煤场的带式输送机栈桥相接，并作为栈桥荷载的一个支承点。带式输送机的头部漏斗下口与中心柱顶的落煤管采用法兰连接，并通过其下的斜管接至堆料机上的悬臂带式输送机。中心柱的下部设有一个圆锥形煤斗和三个钢支腿。支腿支撑于圆形煤场地下钢筋混凝土基础上。中心柱也可作为地下运煤隧道的紧急通道。中心柱是煤场堆取料机的重要部件，即承受着各主要部件及输入栈桥的荷载，也是各部件的安装中心。因此中心柱的制造安装工艺要求非常严格。1.2.1.2堆料机以中心柱为中心，堆料机的一端为钢结构悬臂带式输送机，另一端为配重箱。进入圆形煤场的煤通过悬臂带式输送机头部卸料。直接向煤场堆煤，堆料机可实现360回转堆煤。悬臂带式输送机的驱动装置设在尾部滚筒处。1.2.1.3 取料机取料机位于中心柱的下部，煤场地面上，并以中心柱为回转中心。其一端为链条刮板机，另一端为配重箱。刮板固定在双链条机构上，通过尾部的双电机驱动链轮作循环运动，将取料机下部的煤刮入中心柱下的圆锥形煤斗内，并沿取料机上部空返至取料机头部。取料机的头部链轮处设有链条的拉紧装置。取料机的仰俯功能是通过设在中心柱附近的卷扬机带动钢丝绳伸缩而实现的。取料机中部平台处设有堆取料机的司机室。在司机室内可控制堆取料机的运行。另外，在运煤程控室也同样可以控制堆取料机的煤场作业。1.2.1.4 振动给煤机振动给煤机位于煤场中心的圆锥形煤斗下口以及事故煤斗的下口。其主要部件有：给料槽、振动器、振动器鞍座、弹簧组件等。另外还有衬板、护罩、进出料支路、密封部件以及煤流调节板等辅助部件。在事故煤斗的振动给煤机入料口上还设有手动闸门。1.2.1.5 电气和控制设备在圆形煤场附近设有电气配电间。动力和控制电缆通过地下运煤隧道经堆取料机中心柱底部进入中心柱内上行接至各设备。堆取料机与运煤程控室亦有控制电缆相连，实现程控室远端控制。在煤场内的四周设有摄像头，并在程控室设监视器，便于运行人员在控制室内对煤场进行监视和操作。1.2.3圆形煤场土建结构圆形煤场土建结构由挡煤墙、护壁柱及其基础、屋顶球型钢网架穹顶组成。煤场侧墙高度为15.5m，侧墙处煤堆高度可达15m。屋顶球型钢网架穹顶面层采用彩色压型钢板，局部为阳光板采光带。图1.2-3 带式输送机穿过球型钢网架穹顶并支撑于堆取料机的中心柱顶部入圆形煤场的带式输送机穿过球型钢网架穹顶，支撑于煤场内堆取料机的中心柱顶部。送入的煤通过堆料机在圆形煤场内形成环锥形煤堆。取料机沿煤堆斜面将煤刮至中心柱下圆锥煤斗内，通过振动给煤机和带式输送机地下隧道将煤输出。1.2.3 圆形煤场其它辅助设施圆形煤场设有电动卷帘门，卷帘门上设有人员进出的小门。在地下带式输送机隧道的中部设有地下煤斗及振动给煤机，作为紧急情况时的排煤口。煤场配置堆煤机作为紧急排煤设备。煤场的侧墙及堆取料机中心柱上均设有消防水枪等消防设施。消防水枪的布置满足射程覆盖整个堆煤区域。消防立足于“以防为主，防消结合”的方针，原煤的输配按“先进先出”的原则运行，按煤的自燃周期及时更新。煤场采用自然通风方式，排风口在网架屋盖顶部中央，进风口在钢网架穹顶与环形侧墙之间的环形口。室外空气通过圆形煤场四周的进风口自动吸入室内，由屋顶天窗排至室外，形成良好的“烟囱效应”，保持通风顺畅。煤场内的可燃气体可自然排放到室外，避免浓度升高产生爆炸。此外，在堆料带式输送机的头部落料点和尾部的受料点均设有喷雾除尘装置，尽量减少煤尘飞扬。在非常庞大的室内空间内自然通风的流动过程中，煤尘大面积扩散，几乎全部自行下落至煤堆，难以出现煤尘聚集和外逸的问题。这种通风防爆方式已经过多年的运行实践证明，效果良好。图1.2-4 中心柱上的消防水炮图1.2-5 球型钢网架穹顶与环形挡煤侧墙之间的环形口2 堆取料机设备型式2.1 堆料机的结构型式圆形煤场堆料机的结构型式基本相同，均采用钢结构悬臂带式输送机。根据其俯仰堆料的功能，可分为堆料不可俯仰和堆料可俯仰两种型式。堆料不可俯仰的堆料机只能以中心柱为圆心，沿360o方向旋转堆料，堆料高度固定。直径120圆形煤场，堆料机高度约3035m。该种型式的堆料机机构比较简单，可靠性高，造价低。主要缺点是，当堆料机下部无煤堆或煤堆较低时，堆煤落差很大，会造成较多的煤尘飞扬，见图2.1-1图2.1-2。图2.1-1 堆料机不可俯仰及取料机悬臂式结构图2.1-2 堆料机不可俯仰及取料机门架式结构堆料可俯仰的堆料机不但能沿360o方向旋转堆料，其悬臂还可根据煤堆高度上下俯仰，减少低位堆料的落差，避免煤尘飞扬，同时也可适当降低中心柱的高度。这种堆料机主要缺点是：机构较复杂，可靠性有所降低，设备费较高，见图2.1-3图2.1-4。图2.1-3 堆料机可俯仰及取料机悬臂式结构图2.1-4 堆料机可俯仰及取料机门架式结构以上两种型式的堆料机各有优缺点，从圆形煤场的运行特点看，堆料机在形成第一个圆锥形煤堆后，是逐步偏移煤堆顶部进行堆料，只有在煤场形成第一个堆煤时（约1个储煤周期出现1次）才会有很大的落差，以后堆料机均紧靠已有煤堆作业，落差较小，只要在堆料机头部适当装设喷水抑尘的装置，完全可以控制煤尘飞扬，并且煤场采用了封闭结构，更不会对场外环境造成影响。因此，采用无俯仰功能的堆料机虽然功能少，却已完全满足圆形煤场的运行要求。采用带俯仰功能的堆料机，功能较全面，但其俯仰功能仅在煤场形成第一个堆煤时使用，一般运行时，堆料机一直为上仰堆料，无需下俯，俯仰功能较少使用，而且增加功能机构也增加了发生故障的可能性，设备可靠性有所降低。一般推荐采用无俯仰功能的堆料机。2.2 取料机的结构型式圆形煤场取料机均为刮板式，主要结构型式有两种：悬臂式和门架式。悬臂式取料机支点设在中心柱下部，另一端设有配重，悬臂俯仰采用机械式卷扬提升形式，取料机及其配重均通过中心柱承受荷载。这种型式的取料机机构较简单，设备重量较小，造价低。后石电厂即采用这种型式，见图2.1-1图2.1-3。门架式取料机是将刮板装置设在一门形构架上，刮板装置的俯仰分别由设置于门架上部的卷扬装置来完成。门架一端支撑在中心柱下部，另一端支撑在煤场侧墙处的轨道上。门架回转驱动为支撑在环行轨道上的台车驱动，门架的大部重量由挡煤墙承受，可减少中心柱承受力，使得回转轴承更加合理，提高了设备的可靠性，但设备机构较复杂，造价较高。门式取料机还可利用环行轨道（挡煤墙）通过门架梯子直接上机，见图2.1-2图2.1-4。悬臂式和门架式取料机主要有以下几方面不同：（1） 门式取料机结构型式较合理，对中心柱的影响小，使得中心柱受力状态明显改善，运行更稳定。悬臂式取料机的负荷全部传递给中心柱，对中心柱的要求高，中心柱设计制造难度大，稳定性较差。（2） 门架式结构适用于大出力、大直径取料机，而悬臂式结构较适用低出力、直径较小的取料机。（3） 门架式结构较紧凑，不需要设计平衡重，堆料机下设备占用空间少，堆、取料机之间交叉关系少。 而悬臂式结构设有尺寸较大的配重机构，还需避免配重机构与煤堆及堆料机相干涉。（4） 门架式结构增加了设备机构部件，加大了设备重量指标，造价较高。悬臂式结构造价相对较低。（5） 门架式结构需在挡煤墙上增加环行钢轨，并需设置人员检修通道，需加宽挡煤墙上部宽度和球型钢网架穹顶直径，土建费用有所增加。悬臂式结构取料机及其配重荷载全部集中作用于中心柱处基础，使中心柱基础土建费用较大。（6） 由于门架式的环行轨道直径较大，周长较长，增加了一定的施工、安装工程量和难度，在轨道施工、安装时应特别注意安装质量。综上所述，门架式取料机在结构合理性，设备稳定性，运行可靠性等方面较有优势，并且对于大出力、大直径的取料机，较宜采用门架式结构，有利于设备的长期运行，目前宁海电厂、可门电厂等采用该型式；悬臂式取料机投资较省，特别适用于小直径、小出力的煤场，运行业绩也较多，漳州后石电厂、汕尾电厂等全部采用该型式。具体工程设计时，应根据工程实际情况，选择合理的取料机设备结构型式。3 堆取料机的运行方式3.1 基本运行原理3.1.1 堆料作业堆料机定点给煤至煤场地面，形成一个圆锥形煤堆。当煤堆达到一定高度，其顶面触及堆料机端部的探头时，堆料机回转一定的角度，紧靠原煤堆堆积另一个煤堆。按此方式，堆料机沿360圆周方向逐渐堆积数个紧靠的煤堆，直到煤场充满，或堆料机已回转到与取料机的安全距离极限位置。3.1.2 取料作业预先设定取料回转范围，取料机将在设定范围内开始回转取料（煤堆上的不规则面已经过平整处理）。取料机的回转运行还受其与堆料机之间距离限制，回转范围亦不能进入与堆料机的安全极限范围。这时，取料范围将由堆料机位置优先决定。3.1.3 堆料、取料同时作业堆料作业和取料作业可以在各自的设定工作范围内同时进行。当输入煤量大于输出煤量时，煤场将逐渐充满（堆料机运行靠近取料机时，取料机应转移到新的工作区域）。当输出煤量大于输入的煤量时，煤场将逐渐被取空（取料机运行靠近堆料机时，堆料机应转移到新的工作区域）。3.1.4 煤场作业极限煤场内若需留出人员以及堆煤机设进出的通道，在调试时，运行人员可以对这种特定位置进行设定，堆料机、取料机将不能在这些特定的位置范围内作业或停留。只有在需要改变堆料或取料位置时，堆料机或取料机可通过这些区域。3.2 运行模式堆取料机的运行模式有三种：检修、人工操作、自动运行。4 煤场储量4.1 储量计算方式目前，圆形煤场的设计、运行在国内尚属新生事物，在计算其储煤量时，其煤场堆积系数、平均堆积密度等参数取值尚无国家有关规程规定的明确依据。根据普通斗轮堆取料机煤场或桥抓煤场的经验，普通煤场在堆煤范围内难以形成规整的煤堆，煤堆成形性不好，充满系数差；并且堆高只能达到1014m左右，煤压低，煤堆松散。圆形煤场侧墙高度一般1321m，煤堆顶堆高达30m以上，煤场内储煤基本上已自然压实。据圆形煤场大型堆料机的堆料原理以及运行方式，堆料机沿圆周方向均匀堆料，所形成的煤堆形状也较规整，但其环形煤堆系三维空间变化的断面，且有通道及作业区等分割，采用手算误差大。因此，在计算圆形煤场储量时，应采用三维建模的方式，模拟煤堆的空间实体进行体积计算，堆积系数取值可适当参考普通煤场。4.2 堆煤计算区域圆形煤场堆取料机设备本体可沿360o方向任意进行堆取作业，但由于运行、管理、检修、维护的要求，实际较难做到全圆周堆煤。堆煤范围一般有以下三种方式：4.2.1 全圆周堆料方式堆料机360o范围均可堆煤，煤场地面无固定的人员或设备进出通道，这样可最大限度地利用煤场场地储煤，有效降低堆料机及煤场侧墙的高度，工程投资最省。该布置方式煤堆三维几何形状见图4.2-1。在圆形煤场侧墙四周需多处设置进出大门，用作设备检修通道。大门平时采用大枕木封闭，当设备器械等需进出煤场时可根据当时煤场内煤堆取空位置，拆开相应的封门。正常运行、维护时，人员可通过运煤栈桥或地下隧道由中心柱进出煤场。图4.2-1 全圆周堆料方式煤堆三维几何形状4.2.2 留出地面通道堆料方式在圆形煤场侧墙上设置一个进出大门，堆料机堆煤工作范围以煤堆下底边相切确定。从大门到堆取料机中心柱之间始终不堆煤，煤场地面留有人员及设备进出通道，运行、检修进出方便，但由于大门处有很大宽度的三角范围未堆煤，煤堆体积损失较大。其煤堆三维几何形状见图4.2-2。图4.2-2 留出地面通道堆料方式煤堆三维几何形状图4.2-3 留出地面通道堆料方式的煤堆形状及地面通道4.2.3 留出进门空间堆料方式在圆形煤场侧墙上设置一个进出大门，在侧墙大门处较小宽度的三角范围不堆煤，煤堆底部重叠处控制在最高2m左右，正常运行时，人员越过部分煤堆可到达堆取料机中心柱。若利用推煤机辅助作业，还可将该部分煤堆铲到大门三角区域的空闲处，即可留出中间通道，运行、检修进出较为方便。该布置方式煤堆三维几何形状见图4.2-4。图4.2-4 留出进门空间堆料方式煤堆三维几何形状图4.2-5 留出进门空间堆料方式煤堆形状及地面通道4.2.4 三种方式的比较以某工程圆形煤场直径110m，堆煤体积要求17.4104m3为例，对煤场不同堆煤方式的煤堆区域，进行煤堆三维建模计算结果如下：堆料方式侧墙高度m侧墙堆高m堆顶高度m煤堆内径m煤堆体积m3全圆周14.51328.9238174747留出地面通道23.52233.4238175320留出进门空间20.51931.9238175017通过上表可看出，在满足储煤体积要求的情况下，堆料机全圆周堆煤，侧墙高度仅需14.5m，堆料机（中心柱）及侧墙高度最低。但由于煤场地面没有人员及设备的进出通道，安装、调试、检修维护等工作很不方便，亦不利于电厂今后的运行管理；留出地面通道的方式，运行、检修人员、设备进出方便，但煤场储煤量损失最大，侧墙高度需23.5m，堆料机（中心柱）及侧墙高度最高；留出进门空间的方式，在煤场进出大门处不堆煤，留有人员即设备进出空间，大门至中心柱通道上煤堆高度约02m，煤堆坡度小，已完全可满足人员和设备进出，煤场侧墙高度需20.5m，堆料机和侧墙高度较低。由于圆形煤场的侧墙造价较高，在煤场整体投资中所占的比例较大，采用煤场进出大门处不堆煤，留有人员即设备进出空间的方式能较好地满足运行、检修、维护的要求，并且较大程度地节省了挡墙的造价，建议按此方式进行挡墙高度及储煤量计算。并且，在设计圆形煤场时，还应在满足工程储煤量要求的情况下，结合总平面布置、地基条件等，对煤场直径、挡墙高度、土建造价进行分析比较，筛选出直径和挡墙高度的最合理组合方案，实现降低煤场总造价的目的。5 堆取料机主要制造厂及供货方式目前国际上能设计和制造圆形煤场堆取料机的公司较多，实力较强的主要有德国的KRUPP公司、FAM公司、SCHADE公司、KOCH公司、API公司、法国的AMECO公司、奥地利的奥钢联公司等。上述几个公司在圆形煤场堆取料机设备的设计和制造上均有良好业绩，实力较强，有能力提供优质的煤场设备。根据国内外引进设备的经验，圆形煤场堆取料机设备采购可以采用以下两种供货方式：（1） 全部由国外公司制造，成套供货，并提供现场安装、调试、运行技术指导。（2） 由国内实力强的堆取料设备专业制造厂与国外公司合作生产，关键部件采用进口，非关键部件及钢结构件等国内制造，国外公司负责整机详细设计和技术支持（其关键技术采用转让的方式）及监造，双方均对整机设备质量负责。采用第一种方式，设备造价较高，今后的检修、故障处理、易损件及零配件等的供应也较困难，并且大量的钢结构等非关键部分实际上也是国外公司在国内进行转手外包。采用第二种方式，可降低设备造价，以目前国内制造行业能力，只要选择实力强的专业制造厂，应能确保设备质量，并且零配件的长期供应、故障及时处理、技术服务等也有保障，这样能够更快、更全面、更可靠的实现国产化。目前已有福州可门电厂和厦门嵩屿电厂的圆形煤场堆料机采用华电工程公司与SHADE公司合作生产