大直径混凝土储煤仓双曲线漏斗的设计与优化

曹 亮

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

近年来，我国对环境保护越来越重视，燃煤的开采、运输和储存等要求也逐步提升，而筒仓具有加载快、储量大、占地小、环境保护好等特点，因此用筒仓储煤的方式得到了广泛认可。混凝土储煤仓卸料漏斗多采用锥型漏斗[1]，这种漏斗壁板由4 个平面组成，倾角通常为60°。由于2 个相邻平面相贯线处倾角较小，在生产过程中会发生不通畅、容易堵塞仓口等问题，需要配置专业的动力促流设备，当遇到含水量大、粉煤多、煤质黏结时，机械动力促流也不能完全解决堵塞问题。实践证明，双曲线漏斗不仅解决了堵塞问题，还取消了机械动力促流设备，系统简单可靠。双曲线型卸料漏斗在实际应用中必须面对一些问题[2]，如填料多、施工难度大、有效仓容降低等。

1 工程简介

胜利一号露天煤矿至胜利电厂输煤系统工程是国家能源集团神华胜利电厂和华能集团北方胜利电厂的厂外输煤、输灰专线。采用同1 条带式输送机上带正向运煤、下带反向运灰的特殊设计方式，输煤最大运力为3 000 t/h，输灰最大运力为500 t/h。输煤起点为胜利一号露天煤矿，终点为神华胜利电厂厂外储煤仓，总长度约13.8 km；输灰起点为储煤仓附近的中转灰库，终点为露天矿排土场附近的粉煤灰装车仓，总长度约10 km。此工程是集科研成果、技术创新为一体的高寒地区“煤来灰去”煤电一体化的典型工程，为国内乃至世界首创。

胜利一号露天煤矿开采褐煤，煤层形成时间较晚，煤质较轻，针对高含水量的褐煤及传统筒仓易堵料的问题，急需进行结构改进，使其在不借用辅助设备的情况下，料流顺畅卸载，不发生堵仓现象。胜利褐煤具有吸水性强、易风化、风化后呈团块状及鳞片状、易自燃发火等特点，主要为5#煤和6#煤。

2 仓口布置

厂外输煤系统终点为储煤仓，仓后为厂内输煤系统，属神华胜利发电厂设计范围。仓下设计采用3条普通槽型带式输送机，中间1 条预留。一期工程时，外侧2 条带式输送机均单向运行，1 用1 备，待电厂二期工程建成后，仓下带式输送机全部改造成可逆带式输送机，任意1 条带式输送机都可为一期、二期供煤，实现2 用1 备。因此，储煤仓仓口的布置不仅要考虑2 条带式输送机的给料方式，还要考虑后期中间带式输送机的给料方式。

根据初步计算，储量3.5 万t 褐煤选用直径36 m 的圆形储煤仓是最经济的。为使电厂二期工程建成后最大限度降低改造难度，每个仓口预埋基础螺栓对称布置，仓口至带式输送机中心线的间距均为3.25 m，二期工程建设完成后，只需将部分给料机旋转90°安装即可实现为中间带式输送机供煤。

筒仓为钢筋混凝土结构，仓上仓下采暖，仓壁保温，直径36 m，有效储量3.5 万t。每个筒仓仓下设有卸煤点16 个，每个仓口尺寸2.2 m×2.2 m，采用全座式振动给煤机给料，每台给煤机最大给料能力为1 000 t/h。

3 双曲线漏斗

1）常规锥型漏斗的特点。常规混凝土储煤仓卸料漏斗多采用锥型漏斗，漏斗壁板由4 个平面组成，倾角通常为60°，这种结构施工简单、快速，市场占用率很高。对块煤、烟煤等流动性较好的煤，锥型漏斗的优势很明显，对末煤、褐煤等流动性差的煤来说，由于锥形漏斗2 个相邻平面相贯线处倾角较小，在生产过程中会发生不通畅、易堵塞、自燃等问题。

2）双曲线漏斗的提出。有关专家学者在研究漏斗漏煤原理时认为：由于漏斗的横截面的收缩变化，煤粒在漏斗内的流动过程中迫使煤粒之间互相错动、重新排列，煤与煤之间的流动阻力增大，这是影响贮煤流动、产生堵煤现象的一个不可忽略的原因[3]。漏斗截面收缩率的数学公式可表示为：

式中：K 为漏斗的截面形状系数，当截面呈圆形时，K=1.0，截面呈方形时，K=0.75～1.0；C 为漏斗的截面收缩率，m-1；dA 为与微小量dy 相对应的截面积的微小变量；A 为漏斗任一水平截面的截面积，m2；dy 为与A 截面垂直方向上的微小变量。

3）双曲线漏斗的关键点。双曲线形卸料漏斗不易出现卸料不通畅、堵塞问题，除仓口尺寸外，关键是其截面积收缩率是常量。这是一种按负高斯曲率旋转而成的壳体结构，早期应用在小储量的单口卸料圆筒仓设计中，将其设计成无需填料的壳体结构形式，如钢结构仓。但对于大直径、多个卸料口的圆筒仓，设计上一般是钢筋混凝土梁板带锥形漏斗，仓底结构保持不变，用陶粒混凝土砌体、C15 素混凝土等轻质材料将锥形漏斗逐渐填成双曲线形漏斗，表层再采用高强耐磨料。这就需要大量的填料，特别是仓口不均匀布置时，远离仓壁的仓口填料量是巨大的，双曲线形漏示意图如图1。

图1 双曲线形漏示意图

4）双曲线漏斗存在的问题及解决方法。无论是单口卸料还是多口卸料的圆筒仓，双曲线形漏斗高度都较高。双曲线形漏斗与60°锥形漏斗相比，前者对筒仓的有效容积损失较大，这也是采用双曲线形卸料漏斗必须解决的设计问题。本工程设计将1 条曲线分为2 段，每段采用不同的截面收缩率，不仅解决了卸料不通畅、堵塞问题，又减小了有效仓容的损失及填料高度，优化后的双曲线漏斗示意图如图2。

图2 优化后的双曲线漏斗示意图

4 双曲线漏斗的曲线优化

针对胜利一号露天煤矿褐煤含水量高的特点，结合双曲线漏斗的设计理论，筒仓仓口采用不同角度双曲线设计，实现降低填料高度，且不采取辅助设备，保证不堵仓[4-5]。

4.1 双曲线形漏斗的设计原理

锥形卸料漏斗之所以不通畅，出现卸料堵塞，并不完全是由于锥形漏斗的倾角a0取的不够大，主要原因是锥形漏斗的截面积收缩率C 不是常量，而是变量，在物料排出的过程中，下部的料流通过量小，上部的料流通过量大，逐渐形成堆积堵料[6-8]。不同曲线的漏斗口如图3。

图3 不同曲线的漏斗口

截面积收缩率C 的表达式为：

式中：C 为截面积收缩率，m-1；r 为沿锥形漏斗任一高度h 处的圆半径，m；α0为倾角，（°）。

锥形漏斗截面收缩率C 随其高度h 的下降而急剧增大，至卸料漏斗底部时C 值最大，这是锥形漏斗卸料不通畅、发生卸料堵塞的根本原因。

1 段双曲线漏斗的角度α0随漏斗半径变化而变化，而C 值为常量，在物料排出的过程中，物料通过量稳定，消除卸料堵塞问题。但是，对于大直径筒仓来说，1 段双曲线漏斗的填料太多，仓容降低，进一步增大工程投资。

4.2 双曲线形漏斗曲线的分段设计

由于筒仓上部半径很大，漏斗的C 值数值很小，变化不大，不存在堵煤现象；当下部靠近漏斗口时，由于半径逐渐变小，C 值急剧增大，这时就会出现堵煤现象。于是只需要将下部的锥形漏斗改为双曲线即可，相比1 条双曲线设置，这样设计的筒仓容积减少很小，而卸煤的优势又得以发挥，这种设计称之为部分双曲线漏斗。

考虑到胜利褐煤具有很高的含水率、黏性较大，如采用部分双曲线漏斗设计时，上部锥形角度需要很大，填料仍然很高，于是本次设计将采用分段型双曲线设计。所谓分段设计，是按双曲线形漏斗设计原理将1 段曲线分上、下2 段分别设计，上段取较小的倾角α2，下段曲线取较大倾角α1。这并不违反双曲线形漏斗设计原理，只不过是修改了双曲线形漏斗的设计原则，即将双曲线形漏斗同一C 值设计原则修改为按2 个C 值设计，用2 个不同C 值的双曲线形漏斗连接成为1 个双曲线形漏斗。

对于大直径筒仓，受仓下带式输送机布置影响，带式输送机两侧的仓口填料较多。考虑到仓内落煤时物料粒度分布不均的特点，即筒仓中心物料粒度小，四周粒度大的原则，可降低上部双曲线的起始角度。根据以往工程经验，块煤漏斗倾角可选40°，优化后的双曲线漏斗主要参数如图4。

图4 优化后的双曲线漏斗主要参数

由图1 和图2 是双曲线形漏斗优化前后对比图，优化后的双曲线可减少填料体积3 024 m3，褐煤松散密度按0.85 t/ m3算，可多装煤2 570 t。显然，对于大直径筒仓来说，分段设计解决了填料太多、仓容降低的问题。

4.3 仓口尺寸设计

根据截面积收缩量C 的表达式中可以得知，当倾角固定时，截面积收缩量与仓口半径成反比。因此，储煤仓漏斗的设计不仅仅是双曲线的设计，仓口尺寸更是不能忽略的。根据近几年内工程实践来看，仓口尺寸大于1.7 m×1.7 m 时不易堵料，本工程结合工艺布置及仓下给料机给料能力，最终确定仓口尺寸为2.2 m×2.2 m。

5 结语

1）胜利一号露天煤矿至胜利发电厂输煤系统分段型双曲线漏斗储煤仓于2019 年8 月开始是施工，2020 年10 月完成建设。直径36 m，主体结构形式为钢筋混凝土筒体结构，屋面为现浇钢筋混凝土结构，1#储煤仓仓上建筑层数3 层，檐高77.561 m；2#储煤仓，仓上建筑层数为1 层，檐高为66.561 m。通过优化，双曲线漏斗可减少填料体积3 024 m3，增加的仓容可使仓体高度降低3 m。

2）采用分段型双曲线漏斗，可降低仓体高度、上仓带式输送机提升高度、栈桥长度和驱动功率等，节省了大量填料，降低了工程投资。

3）采用2.2 m×2.2 m 大仓口设计，使料流卸载通畅、不堵仓，取消了空气炮等辅助生产设施，简化系统流程，降低生产运行、维护费用，具有很大的经济效益。