利用旋转煤斗解决电厂原煤仓堵煤的设计方法*

钱小文，纪慧泉，龚九洲，周祥态，叶广志

（1.江苏国信扬州发电有限责任公司，江苏扬州 225131；2.江苏旅游职业学院，江苏扬州 225127；3.扬州电力设备修造厂有限公司，江苏扬州 225003）

0 引言

电厂原煤仓一般为圆形钢仓体，其结构为漏斗状，上大下小，出口位置及以上0～3 m之间的截面积相对较小。原煤一般存放在露天敞篷里，容易吸收水分[1]，出现“黏煤”现象，煤质下降和掺烧煤泥的情况下，也会出现这种情况。向原煤仓添加“黏煤”，在煤仓下端容易出现堵煤现象。严重影响煤场周转，机器的正常运行，给机组安全、经济运行带来较大隐患[2]。

针对堵煤情况，目前国内普遍采用安装空气炮、疏通机、震打器等清堵装置，但效果不理想，在湿煤的情况下效果更差。不断捶打仓壁，有时反而会导致上端粘煤破拱速度大于下端，导致下端堵煤现象更严重[3]。靠人工敲打仓壁，掏煤来疏通煤仓，不仅时间长，影响机组负荷，还造成给煤机平台严重污染[4]。

为确保电厂给煤系统的正常运行，提高机组安全运行可靠性，减少经济损失。针对上述堵煤情况，本文作者提出了通过旋转煤斗的方案解决该问题，通过截取原煤仓下端部分，替代以旋转活动式圆锥形仓体来打破原煤仓原煤结拱造成的物料平衡状态，瓦解了堵煤的基础因素，避免堵煤、断煤情况。同空气锤等清堵方案相比，该方案清堵效果好、效率高。

1 旋转煤斗载荷计算

1.1 原煤仓结构分析

电厂原煤钢仓，上端为圆柱形，下端为锥形，具体结构及外形简图如图1所示。漏斗壁与水平面的夹角为α，上端圆柱长度H1，下端锥形漏斗长度H2，内径为dn，煤仓总高度H=H1+H2。当仓体总高度与圆形仓筒内径之比，即≥1.5，则该仓体为深仓，反之为浅仓。一般情况下，电厂原煤仓高度与仓筒内径之比大于介于1.5～3之间，属于深仓[5]。

图1 圆形煤筒仓贮煤载荷示意图

1.2 圆形钢仓贮料载荷通用计算模型研究

针对圆形深筒钢仓，贮料重力载荷计算模型可简化为如图2所示的模型。计算截面在漏斗高度范围内时，作用于漏斗壁单位面积上的法向压力值 pn为一定值，均取漏斗顶面之值[5]，此时按公式（1）计算。

ζ为法向压力系数：

图2 锥形钢仓贮料重力载荷计算模型

Pvh为漏斗顶面单位面积上的竖向压力标准值（kN/m2)，按式（4）计算。

Cv为竖直压力修正系数，按表1采用；ρ为筒仓水平净截面的水力半径（m)，对于圆形筒仓ρ=；

μ为贮料与深仓壁摩擦系数；γ为贮料重力密度，kN/m3；k为侧压力系数；hn为贮料计算高度，即贮料顶面或贮料锥体重心至钢仓漏斗顶面的距离(m)；e为自然对数的底。

表1 深仓竖直压力修正系数C v

1.3 旋转煤斗力学模型及载荷计算

1.3.1 旋转煤仓结构介绍

针对堵煤情况，采用截取原煤仓锥形漏斗下端部分，替代以旋转活动式圆锥形仓体来消除腔内原煤结拱、堵煤的现象。改造实验的原煤仓外形尺寸如图3所示，尺寸单位均为m）

旋转煤斗整体分为3个部分：上部固定端与原仓体通过法兰连接，中间为旋转仓体，旋转仓体通过螺栓与回转支撑2的外圈相连接。回转支撑2的外圈为齿轮轮齿，回转支撑2的内圈固定在支架上承受回转仓体的重量。电机与减速箱带动输出轴上的小齿轮转动，转动的动力传递到回转支撑2的外圈齿轮，与回转支承2相连的中间旋转仓随之旋转。煤斗旋转的过程中内壁与原煤之间产生相对运动，打破原煤的平衡状态，结拱随之破裂，原煤顺利的流下，整个原煤仓畅通。煤斗具体结构简图如图3所示。

旋转煤仓仓壁分为两层，外壁由碳钢钢板卷制，内壁使用耐磨、耐蚀的不锈钢板，采用焊塞与煤仓连接。表面打磨平整形成光滑的整体结构，减小了煤流在仓壁内受到的摩擦阻力，保证煤流的畅通[6-7]。旋转煤仓的动静结合处采用密封效果好的迷宫密封和盘根密封，保证密封效果。

图3 原煤仓及旋转煤斗外形结构简图

旋转式煤仓清堵面积大，可彻底清除料仓内燃煤的架桥、结拱、漏斗流等现象。

结合理论分析和电厂原煤仓实际运行情况，原煤仓出口位置及以上0～3 m之间的截面积相对较小，是堵煤情况的高发点，因此破除此范围内的原煤结拱是保证整个给煤系统正常运行的重要突破点。

1.3.2 旋转煤斗基本参数及法向压力（压强）计算

在该方案中，驱动旋转煤斗转动的动力参数是重要关键点，它关系到齿轮、轴承参数的确定；减速箱、电机功率的选配【8】。过小的驱动力矩无法带动煤斗旋转，无法疏通煤斗。选用保守的减速箱及电机功率，会造成整个结构体积增大，影响整体协调性，还造成成本的浪费。

目前在旋转煤斗载荷计算相关领域，可供借鉴参考的资料过少。结合贮仓结构设计手册、理论力学、微积分等知识，对煤斗载荷的计算进行了较为深刻的研究，总结得到如下较为可靠的计算方法。

取旋转煤斗极限工况（原煤仓满载堵煤）为设计出发点，截取距离煤仓顶部24.29 m处的截面作为旋转仓的上端，距离煤仓顶部25.5 m处的截面作为旋转仓的下端，查资料及计算知此次电厂改造实验的原煤仓相关参数：γ=10 kN/m2，hn=14.69 m ，CV=2.0， φ=30°， α=70°

1.3.3 旋转煤斗驱动载荷计算方法探究及对比

（1）驱动煤斗旋转的扭矩计算方法一

驱动旋转煤斗转动的载荷数学模型如图4所示。煤斗在旋转时，驱动力矩与摩擦力矩相等。在距离原煤仓顶面x（x≥14.69 m)处任取一小段 d x，(d x 0）。环形面积d y=2πR

其中R=4.5-[x -14.69] ×tan20°；

煤斗在d x内的力学参数如下：

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为考虑安装刮刀等因素带来的阻力放大系数，取值δ=1.2。

在[2 4 .29,25.5]内，对d M进行积分得到整个旋转煤斗旋转时需要克服的的摩擦力矩M1。

代入相关数值得M1=198.323 kN·m=198 323 N·m

图4 旋转煤斗驱动载荷数学模型

（2）驱动煤斗旋转的扭矩计算方法二

计算得到y=6.529 8m2；

原煤作用在整个旋转煤斗上的法向压力FN=pn⋅y=526.419 kN，煤斗旋转时，煤斗与原煤之间产生的摩擦力 f=δμFN，代入相关数值得 f=252.681 kN。

回转支承2距离煤仓顶部中心的S=24.72 m，旋转煤斗此处的半径为R==0.849 5 m，将煤斗旋转时产生1的摩擦力当做集中力，以R1为力臂，则摩擦力矩：

M2=fR1=214.653 kN·m=214 653N·m

方法一通过数学微积分，将旋转煤斗高度微分成无数小段d x，先求出距原煤仓顶面x处的一小段环面（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，最后在旋转煤斗高度范围[2 4 .29,25.5]将微小的力矩进行积分得出需要克服的总摩擦力矩，此种结果一般非常接近真实值。

方法二是先求出旋转煤斗整个内壁的摩擦力，将此力当作集中力，以R1为力臂，求出需要克服的摩擦力矩。当煤斗截取高度较大，漏斗壁对水平面的夹角α较小时，煤斗半径在高度方向的变化较大，回转支承2与煤斗的交点位置选取的不同，计算的摩擦力矩就会产生存在较大的差异。

通过理论误差分析，对比方法一和方法二的计算原理，方法一计算的结果相对更科学。

1.4 动力驱动系统参数设计

根据摩擦力矩数值，结合煤斗外径、旋转速度，可初步给出回转支承2的外圈齿轮和小齿轮参数（模数、齿数、中心距、宽度）。根据齿轮计算手册，反向校核齿根抗弯强度和齿面抗疲劳强度，微调设计参数，即可完成动力驱动系统的参数设计。

2 旋转煤斗清堵刮刀的设计及优化

2.1 旋转煤仓刮刀布置研究

当湿度过大，原煤之间的内摩擦阻力、粘性、静电力也随之增加，更容易粘煤，导致旋转煤斗破拱难度增加。为确保旋转煤斗可靠的疏通原煤仓，在旋转煤斗内壁内置清堵刮刀来增强清堵效果。

旋转煤仓内部共布置3把刮刀，刮刀位置布置结构如图5所示。第1把刮刀布置在旋转煤仓上部固定端，悬臂布置且不随旋转仓体旋转。第2把刮刀设在中间仓体检修人孔门上，随旋转仓体一起旋转。第3把刮刀设在旋转仓体下部悬臂布置，跟随旋转仓体一起旋转。旋转仓体设定为顺时针旋转。三把刮刀相对竖直方向均左旋成一定角度，这样在旋转时刮刀既能刮离粘黏在仓体内壁的煤，起到破拱作用，又能将煤往下推，疏导煤流，加强清堵效果。

图5 刮刀位置布置结构图

2.2 刮刀结构及受力分析

煤斗旋转时，刮刀承受较大的阻力，因此在设计刮刀时有必要对截面形状进行研究，确保清堵效果的同时，减少刮刀阻力和变形。

如图6所示，取悬臂刮刀作为研究对象，煤斗旋转时，原煤对刮刀产生一个平行于H3（或H4）方向的阻力，设阻力F阻一定，截面1和截面2面积相等，截面高度相等时，则H3≥H4。根据相关力学知识，当载荷平行于H3方向，截面形状1的悬臂梁抗弯抗剪强度大于截面形状2的悬臂梁。前者整体刚度更好。

截面1中，刮刀外形轮廓成左右对称7边形，左右有两个锐角突起，犹如锐利的车刀，便于将粘煤“切碎”，被切碎的原煤沿着刮刀两棱边切线方向移动，有利于快速破拱，且阻力较小。

图6 刮刀结构简图

3 煤斗改造运行情况跟踪

以本文给出的理论分析结果作指导对原煤仓进行改造。改造的旋转煤斗已投入实际运行。旋转煤斗每天根据PLC控制模块设定的“正常运转模式”和“堵煤、断煤时的运行模式”运转。系统目前已运行半年多时间，一切正常，频繁堵煤情况基本消除。

4 结论

（1）实践和上述理论计算分析的结果基本吻合，这为解决电厂原煤仓堵煤问题提供了有效的解决方案。最近几年，旋转煤斗作为解决电厂堵煤的方案在市面上逐渐出现，但目前国内关于旋转煤斗理论设计方法的资料较少。关于动力载荷的计算，刮刀结构优化方面的资料更是寥寥无几，大多通过工程师平时积累的经验给出，缺乏理论支撑。

（2）旋转煤斗的设计、制造是一较为复杂的系统工程，还有很多方面需要进行深入的研究。例如旋转煤斗结合面的密封，大尺寸零件加工、安装的尺寸要求如何保证都是可以深入研究的专题。