干煤棚儲(chǔ)煤系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)值模擬研究

陳秀波 陳蘭芳

（交通運(yùn)輸部環(huán)境保護(hù)中心 北京 100013）

1 引言

干煤棚儲(chǔ)煤系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較普遍，國(guó)外最初的干煤棚采用的是木結(jié)構(gòu)，并且跨度也很小，當(dāng)時(shí)結(jié)構(gòu)形式和材料對(duì)干煤棚的發(fā)展產(chǎn)生了一定的局限性。隨著大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，使得干煤棚技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)外目前常采用的大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主要有球面網(wǎng)殼干煤棚、圓錐形網(wǎng)殼干煤棚、柱面網(wǎng)殼干煤棚、受地形條件限制的任意形狀的網(wǎng)殼干煤棚[1]。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，社會(huì)和環(huán)保發(fā)展的需要，近年來(lái)干煤棚儲(chǔ)煤也取得了迅猛發(fā)展。干煤棚在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用已有三十多年的歷史，在電力行業(yè)中的工程實(shí)踐較多，已載入《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL5000-2000）[2]。電廠使用過(guò)的干煤棚結(jié)構(gòu)形式主要有平面鋼架、平面桁架、平面拱、柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、斜拉網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等[3]。

2 干煤棚儲(chǔ)煤系統(tǒng)在碼頭堆場(chǎng)的應(yīng)用

2.1 河北唐山國(guó)投曹妃甸煤碼頭二期工程

碼頭年運(yùn)量為5000×104t，堆場(chǎng)布置了9條作業(yè)線，其中堆料線4條、取料線4條和堆取料線1條，將堆取料線布置在干煤棚內(nèi)。堆場(chǎng)面積約70.8×104m2，堆存量約為381.1×104t[4]。干煤棚位于堆場(chǎng)的西側(cè)，由9跨相連的條形庫(kù)組成，每個(gè)條形庫(kù)長(zhǎng)度是110m，寬103m，高40m。條形庫(kù)之間由敞開的消防通道連接，消防通道寬10m。干煤棚總長(zhǎng)1070m。

2.2 廣東粵電茂名港博賀港區(qū)煤炭碼頭工程

由廣東粵電博賀煤電有限公司建設(shè)經(jīng)營(yíng)，碼頭年運(yùn)量1000×104t，設(shè)計(jì)堆場(chǎng)容量為120×104t。該工程的特點(diǎn)是進(jìn)口的煤炭需要在堆場(chǎng)進(jìn)行混配作業(yè)，而配煤作業(yè)時(shí)要求煤炭的含水量不能過(guò)高。為保證配煤前煤炭處于相對(duì)干燥狀態(tài)，同時(shí)也為了減少堆場(chǎng)對(duì)周邊環(huán)境的污染，本工程在約一半的堆場(chǎng)區(qū)（常風(fēng)向側(cè)）布置了4跨相連的條形料倉(cāng)（每跨跨距102m，長(zhǎng)370m），另一半為露天條形堆場(chǎng)[5]。

在港口行業(yè)，用干煤棚儲(chǔ)煤尚處于起步摸索階段。原因在于電廠干煤棚儲(chǔ)煤系統(tǒng)，通常具有規(guī)模小、數(shù)量少、工藝流程簡(jiǎn)單、品種單一、效率要求不高等特定。而港口作為鐵海聯(lián)運(yùn)的樞紐，它所體現(xiàn)的功能和價(jià)值在于如何安全、高效地將多品種的煤炭快速轉(zhuǎn)運(yùn)出去，物料大進(jìn)大出，隨機(jī)因素多，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。相對(duì)于露天堆存，干煤棚建設(shè)成本較高，考慮交通水運(yùn)行業(yè)港口建設(shè)的規(guī)模和投資費(fèi)用的問(wèn)題，大型散貨港口采用干煤棚儲(chǔ)煤在堆場(chǎng)方面的應(yīng)用較少。

3 干煤棚儲(chǔ)煤系統(tǒng)與防風(fēng)網(wǎng)組合抑塵

一旦發(fā)生煤炭自燃或者其他的安全事故，消防通道便于車輛人員進(jìn)出，但同時(shí)也帶來(lái)了環(huán)境問(wèn)題，煤粉塵從消防通道逸散到外環(huán)境中，造成粉塵污染問(wèn)題。將消防通道用防風(fēng)網(wǎng)進(jìn)行封閉，解決了安全問(wèn)題同時(shí)也阻止了粉塵逸散。但不同形式的防風(fēng)網(wǎng)的抑塵效果不同，本文以河北唐山國(guó)投曹妃甸煤碼頭二期工程干煤棚建設(shè)工程為實(shí)例，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)板狀防風(fēng)網(wǎng)和拱形防風(fēng)網(wǎng)的抑塵效果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 建模

選取兩個(gè)條形庫(kù)，在滿堆情況下進(jìn)行模擬，條形庫(kù)兩端均開口，長(zhǎng)度為230m，寬103m，高40m。由于干煤棚位于堆場(chǎng)西側(cè)，根據(jù)曹妃甸港區(qū)風(fēng)況情況，設(shè)定模擬工況為：W，10m/s。防風(fēng)網(wǎng)的設(shè)置形式分為兩種進(jìn)行對(duì)比分析，即板狀防風(fēng)網(wǎng)和拱形防風(fēng)網(wǎng)，防風(fēng)網(wǎng)的孔隙率均為40%。其模型如圖1所示。

圖1 干煤棚與板狀（左）及拱形（右）防風(fēng)網(wǎng)組合模型示意圖

3.2 網(wǎng)格劃分

加設(shè)板狀防風(fēng)網(wǎng)的模型網(wǎng)格，防風(fēng)網(wǎng)處采用六面體網(wǎng)格來(lái)劃分，其他部分均采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)煤堆的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，共有90萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，491萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。加設(shè)拱形防風(fēng)網(wǎng)的模型網(wǎng)格的劃分方式與加設(shè)板狀防風(fēng)網(wǎng)模型網(wǎng)格的劃分方式相同，總共有97萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，535萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。如圖2所示。

圖2 加設(shè)板狀（左）及拱形（右）防風(fēng)網(wǎng)網(wǎng)格劃分示意圖

3.3 模擬結(jié)果分析

3.3.1 速度分布

干煤棚內(nèi)煤堆垛表面速度分布情況如圖3所示。

圖3 W 方向10m/s 來(lái)流，煤堆表面0.5m 處風(fēng)速分布對(duì)比圖

從上圖可以看出，干煤棚加設(shè)板狀防風(fēng)網(wǎng)（圖3中左圖）煤堆垛表面風(fēng)速較加設(shè)拱形防風(fēng)網(wǎng)（圖3中右圖）煤堆垛表面風(fēng)速大，即加設(shè)拱形防風(fēng)網(wǎng)對(duì)風(fēng)速的折減效果較好。

3.3.2 起塵量對(duì)比

美國(guó)環(huán)保局（U.S.Environment Protection Agency）針對(duì)露天開放性顆粒物塵源的估算推出了如下計(jì)算模式，簡(jiǎn)稱為EPA模式。

式中：k 為粒徑大小因子，無(wú)量綱，如表1所示；

N 為料堆每年受干擾的次數(shù)；

P 為第i次擾動(dòng)中觀察的最大風(fēng)速的風(fēng)蝕潛勢(shì)，g/m2。

表1 不同粒徑顆粒k 值

提取煤堆表面風(fēng)速值，采用美國(guó)環(huán)保局推薦的EPA模式估算靜態(tài)起塵量，結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 干煤棚與板狀防風(fēng)網(wǎng)組合靜態(tài)起塵量估算表（W，10m/s）

表3 干煤棚與拱形防風(fēng)網(wǎng)組合靜態(tài)起塵量估算表（W，10m/s）

圖4 干煤棚與不同防風(fēng)網(wǎng)組合靜態(tài)起塵量對(duì)比圖

從上圖可以看出，干煤棚加設(shè)板狀防風(fēng)網(wǎng)靜態(tài)起塵量約為干煤棚加設(shè)拱形防風(fēng)網(wǎng)起塵量的2倍。

4 結(jié)語(yǔ)

干煤棚儲(chǔ)煤系統(tǒng)與防風(fēng)網(wǎng)組合抑塵可以有效的阻止煤粉塵逸散到外環(huán)境中，并且防風(fēng)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)型式不同抑塵效果不同，本文僅對(duì)2種防風(fēng)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了對(duì)比研究，對(duì)其它型式防風(fēng)網(wǎng)與干煤棚的組合抑塵有待進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化研究。

[1]趙婉君.基于施工模擬的大跨度網(wǎng)殼干煤棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn).河北工程大學(xué)碩士學(xué)位論文.

[2]王月棟,端華飛,趙廣勇.干煤棚的結(jié)構(gòu)選型.第七屆全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì).工業(yè)建筑.2007增刊.

[3]董石麟.高博青,董建國(guó).臺(tái)州電廠干煤棚折線形網(wǎng)狀筒殼的選型與結(jié)構(gòu)分析.空間結(jié)構(gòu).1995(4).

[4]顧俊,路小璐,楊玉森.曹妃甸煤碼頭工程可行性研究.天津：中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院.2005.

[5]蘇君利.煤碼頭露天堆場(chǎng)與封閉堆場(chǎng)的適用性分析.水運(yùn)工程.2011(9).