火電廠煤倉清堵系統(tǒng)的應(yīng)用研究

高圣溥

摘要：針對(duì)煤倉在下煤時(shí)出現(xiàn)的堵塞現(xiàn)象對(duì)生產(chǎn)造成的諸多不利影響，分析了煤粉物料在料倉內(nèi)滯留起拱堵塞的原因及主要形式，根據(jù)牛頓力學(xué)定律、運(yùn)用流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行了分析，論述了旋風(fēng)式原煤倉助流清堵系統(tǒng)的基本原理、操作控制方法，案例驗(yàn)證了運(yùn)行實(shí)效。

Abstract： According to many adverse effects on the production caused by clogging phenomenon in the coal bunker， this paper analyzes the causes and the main forms of the retention blockage of pulverized material in the silo bagging. According to the laws of Newtonian mechanics， using the principles of fluid mechanics and aerodynamics， this paper analyzes and discusses the basic principle and operation control method of Tornado coal storage aid runny blocking system， and verifies the operation effectiveness by cases.

關(guān)鍵詞：煤倉；堵塞；旋風(fēng)式；助流清堵

Key words： bunker；block；tornado；glidants clear blocked

中圖分類號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）04-0094-04

0 引言

洛陽龍羽宜電有限公司有抽汽式汽輪機(jī)組2臺(tái)，總裝機(jī)容量2×55MW。循環(huán)流化床鍋爐2臺(tái)，型號(hào)：DG-260/9.81-2。采用低熱值煤矸石及燃煤做燃料，利用電袋復(fù)合除塵器，石灰石石膏法脫硫等設(shè)備，完成除塵脫硫脫硝，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

龍羽宜電原煤倉上部是矩錐式，下部是圓錐式煤倉，粉狀煤炭通過圓錐式煤倉下落到膠帶式給煤機(jī)皮帶上，然后輸送到爐膛。生產(chǎn)運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)的問題是，每年冬季或者連陰雨天，因天氣潮濕，原煤倉經(jīng)常出現(xiàn)堵塞情況，影響煤炭正常供給，波及鍋爐正常運(yùn)行。

龍羽宜電針對(duì)煤倉堵煤導(dǎo)致的斷煤情況，先后采取了應(yīng)對(duì)措施：一是在每個(gè)煤倉上加裝兩臺(tái)電動(dòng)振動(dòng)器，堵塞時(shí)，通過振動(dòng)疏松煤炭，有一定效果，但因煤炭濕度大，水分率高時(shí)，黏壁粘結(jié)，有時(shí)越振越實(shí)，不易下煤；二是在煤倉內(nèi)部貼壁加裝了兩套液壓疏松裝置，#1、#3煤倉共用一套，#2、#4煤倉共用一套，根據(jù)斷煤信號(hào)，自動(dòng)啟動(dòng)疏松機(jī)運(yùn)行，進(jìn)行疏通，有一定效果。由于疏松機(jī)刮板寬度和上下行程有限，疏松面積較小，水分率高時(shí)疏通效果也不好，局限性較大，內(nèi)部安裝也不便于檢修維護(hù)。

后經(jīng)多次改進(jìn)，仍效果不佳，依然出現(xiàn)堵塞情況。人工疏松時(shí)耗時(shí)費(fèi)力，又存在登高作業(yè)危險(xiǎn)，不安全。煤炭堵塞影響到運(yùn)行及負(fù)荷穩(wěn)定性。清堵工作亟待創(chuàng)新解決。

1 煤倉堵塞原因分析

原煤倉初始設(shè)計(jì)時(shí)，沒有清堵裝置，煤在倉內(nèi)的流動(dòng)是由它自身的重力引起的，通常利用原煤自身重力作用，自行溜出煤倉進(jìn)入給煤機(jī)。

隨著原煤水分含量、粒度、煤種性狀的不同，原煤顆粒之間摩擦力，原煤同倉壁之間摩擦力增大，當(dāng)煤倉某個(gè)部位的料層產(chǎn)生的支撐力與上部物料的壓力達(dá)到平衡時(shí)，就會(huì)造成排煤中斷，發(fā)生煤倉堵塞。

原煤形成拱狀棚煤和粘壁現(xiàn)象，不能順利落入給煤機(jī)，致使給煤機(jī)出現(xiàn)斷煤現(xiàn)象。通常水分率6%以下不易出現(xiàn)斷煤現(xiàn)象，6%-8%水分率會(huì)偶爾出現(xiàn)斷煤現(xiàn)象，水分率8%以上會(huì)出現(xiàn)頻繁斷煤現(xiàn)象。斷煤時(shí)只能人工疏松煤倉，投入人工較多、效率低下，且存在安全隱患。

堵塞產(chǎn)生的原因是煤炭物料同倉壁之間的摩擦力大于物料在倉壁上的下滑分力，從而產(chǎn)生粘壁棚料；物料含水率高，粒度細(xì)，相互之間摩擦力很大，抱團(tuán)產(chǎn)生拱狀棚料；物料粘結(jié)成團(tuán)或冬季凍結(jié)成團(tuán)在出料口只滾動(dòng)不流動(dòng)產(chǎn)生滾動(dòng)棚料。

煤在倉中的流動(dòng)、運(yùn)動(dòng)形式主要有整體流、管狀流兩種：

整體流是整個(gè)倉內(nèi)的物料同時(shí)從各自的位置流向卸料口，這是倉內(nèi)物料流動(dòng)最理想的狀態(tài)。

管狀流是物料在煤倉中心部位呈柱狀向卸料口運(yùn)動(dòng)，其他區(qū)域是處于停滯狀態(tài)。這種狀態(tài)使煤倉有效容積相對(duì)減少，同時(shí)增加了煤倉卸料時(shí)物料的粘結(jié)、起拱，易形成煤倉堵塞。

龍羽宜電煤倉的底部漏斗結(jié)構(gòu)是向斗口收縮的圓錐形，橫截面由上而下逐漸縮小，截面收縮率從上至下增大很快，當(dāng)貯存在倉內(nèi)的煤粒由于自重的作用，克服阻力向下流動(dòng)時(shí)，煤流每下降一個(gè)微小的高度，煤粉顆粒均要重新排列，煤粉顆粒的原有層面呈不均勻下降，以適應(yīng)截面收縮的變化。由于截面收縮率的增大，煤粉愈接近斗口，擠壓錯(cuò)動(dòng)愈大，加之煤粉的粘結(jié)作用（在一定范圍內(nèi)，煤粉的粘結(jié)力與煤粉的含水率成正比），煤流的內(nèi)外摩擦力也急劇增大，由于各種阻力的影響使煤顆粒原有層面破壞到一定程度時(shí)，便導(dǎo)致產(chǎn)生管狀流。

當(dāng)倉內(nèi)各種阻力增大到超過煤粒自重作用的垂直凈壓力時(shí)，煤流中斷，形成拱形堵塞，流動(dòng)完全停滯。結(jié)拱的位置一般在煤倉下口上方約1.5-2m的地方。

近年來，隨著煤礦井下綜合開采的普及、煤的洗選加工、天氣因素等影響，煤的外在水分普遍在8%，甚至更高。煤的粘結(jié)性強(qiáng)、流動(dòng)性差，當(dāng)它在重力作用下，呈漏斗狀從倉口排出時(shí)，就容易結(jié)拱堵塞。

2 清堵系統(tǒng)原理

針對(duì)煤倉堵塞問題，相關(guān)人員從減小摩擦阻力，減小內(nèi)聚力，改善煤炭物料筒倉壁的摩擦條件，減小或降低摩擦系數(shù)，清除拱狀棚料等方面著手分析堵塞問題，提出解決方案。

2.1 物料受力分析

摩擦力中煤炭顆粒物阻力分量和煤炭與倉壁的阻力分量所占的比率與荷載、接觸面狀況有關(guān)，當(dāng)荷載大，濕度大，接觸面粗糙不平時(shí)，粘結(jié)阻力分量不斷增大；反之，當(dāng)荷載小，阻力分量小時(shí)，阻力不斷減小，甚至可以忽略，煤炭顆粒就可以自由下落。

2.2 壓縮空氣運(yùn)行分析

龍羽宜電聯(lián)合設(shè)計(jì)施工單位通過現(xiàn)場(chǎng)診斷、分析，實(shí)驗(yàn)?zāi)M，將電廠現(xiàn)有的壓縮空氣引入就地設(shè)置的壓縮空氣罐，通過空氣罐引出的空氣管路，接引設(shè)置在煤倉圓錐體外表面的助流空氣管路，通過閥門控制，將壓縮空氣通過各噴嘴以螺旋線軌跡緊貼倉壁，并沿螺旋角方向向料倉內(nèi)噴射，高速氣流在倉內(nèi)通氣段形成旋風(fēng)式氣流。該氣流能將物料與倉壁脫離，降低該段的摩擦阻力，消除粘壁堵塞。

高速氣流在旋轉(zhuǎn)過程中，形成低壓區(qū)，這樣高壓區(qū)的氣流就會(huì)向中間的低壓區(qū)流動(dòng)，從而形成翻轉(zhuǎn)向上的氣流。向上的氣流在料倉橫斷面上會(huì)形成剪力，從而破壞倉內(nèi)的棚料拱，從而清除粘壁棚料、拱狀棚料等，堵塞解除，煤粉順利下落。

旋風(fēng)式氣動(dòng)助流料倉清堵裝置示意見圖2。

系統(tǒng)主要圍繞錐形原煤倉，布置氣力輸送管路。有氣源罐、連接氣路、控制氣路、助流氣路、助流噴嘴、控制閥門、智能控制系統(tǒng)等組成。

2.3 吹掃能量分析

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備條件，清堵裝置主管道內(nèi)徑50mm，圓形管也是50mm，控制管路25mm，噴嘴橫管是32mm；每層噴吹1、2s，每次循環(huán)耗氣0.4m3，噴射壓縮空氣出口速度設(shè)計(jì)為300m/s。每秒噴射氣量為30升。

龍羽宜電錐形煤倉下端直徑0.7m，上端3m，加上上部棱錐形倉體，結(jié)合日常上煤量統(tǒng)計(jì)，每個(gè)煤倉原煤儲(chǔ)量在120噸。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，煤倉中心以上位置，煤炭儲(chǔ)量約為80噸。煤倉中心距離出料口10m。

由此可計(jì)算出，每秒噴射出的壓縮空氣的動(dòng)能：E1= M1v2/2。

常態(tài)下，每立方米空氣質(zhì)量M約為1.29千克。此條件下，壓縮空氣出口速度V等于300m/s。

噴嘴出口動(dòng)能E1=M1v2/2=1.29×30×10-3×3002/2=1.47×103（J）

煤倉中心點(diǎn)的勢(shì)能E2=M2gh=80×103×10×10=8×106（J）

由上計(jì)算可知，E2>E1；當(dāng)壓縮空氣噴入煤倉后，中心點(diǎn)以上部位不會(huì)被吹散，造成溢倉。

根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)E1恒定時(shí)，假定吹掃部位在底部二層位置，煤炭物料質(zhì)量MX為100×103千克，壓縮空氣噴入后，E1=Mxghx，hx=1.47mm。

物料將被吹起1.47mm，該區(qū)域摩擦粘結(jié)力量平衡被打破，堵塞被吹散蓬松，煤炭顆粒被重新分布，形成新的物料流動(dòng)，從而消除堵塞。

3 解決方案

針對(duì)原煤倉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及生產(chǎn)實(shí)際需要，在原煤倉周圍安裝鋪設(shè)五層氣動(dòng)助流裝置。噴咀氣流沿倉壁向下噴射，形成氣墊，降低了物料同倉壁的摩擦力。根據(jù)設(shè)計(jì)，噴嘴數(shù)量由錐體的底部至頂部依次增多，由控制系統(tǒng)控制氣流沿倉壁噴射，氣流進(jìn)入物料與倉壁之間的小間隙中，從而形成氣墊，在重力作用下，物料就會(huì)沿著倉壁下滑到料倉底部。

龍羽宜電每臺(tái)鍋爐有4個(gè)煤倉，一個(gè)煤倉一套清堵裝置，每套清堵裝置一個(gè)氣源總閥、一臺(tái)觸摸屏控制器，裝置共分五層：每層四個(gè)噴嘴，成螺旋上升布置；每層各有一個(gè)氣動(dòng)蝶閥，控制每層噴吹氣源的啟閉；每層氣動(dòng)蝶閥的控制氣源經(jīng)過雙聯(lián)過濾器各有一個(gè)電磁閥控制；電磁閥的開啟由控制柜內(nèi)觸摸屏的程序分別控制。

由于本系統(tǒng)維護(hù)、操作簡單，使用成本低，實(shí)際使用中不需要暫停供料，不會(huì)給操作工造成額外體力付出，大大改善了清堵帶來的人工勞累。

龍羽宜電多個(gè)原煤倉批量施工，因此設(shè)計(jì)共用一套氣源系統(tǒng)。

3.1 清堵裝置的控制方式

旋風(fēng)式氣動(dòng)助流料倉清堵裝置由氣源系統(tǒng)、電控系統(tǒng)組成?？刂颇Ｊ椒肿詣?dòng)和手動(dòng)控制兩種。

3.1.1 氣源系統(tǒng)

該系統(tǒng)包含空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、主氣管路、各種不銹鋼氣動(dòng)元件；空氣助流系統(tǒng)包含快速控制閥門、助流管路、專用噴嘴。助流用儲(chǔ)氣罐容積為2m3，工作壓力為0.5～0.8MPa。助流管路由無縫鋼管卷圓焊接而成，其通徑為DN50；控制用儲(chǔ)氣罐容積為2m3，工作壓力是0.4～0.8MPa?？刂乒苈芬灿蔁o縫鋼管焊接而成，通徑為DN20。

3.1.2 電控系統(tǒng)

根據(jù)煤炭物料性質(zhì)，含水率，通過PLC對(duì)噴嘴的噴射時(shí)間和各助流管路的工作次序進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)控制。本次控制系統(tǒng)采用觸屏控制，并設(shè)置預(yù)清堵程序，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)雙模式控制，盡量減少人工勞動(dòng)付出。

3.1.3 手動(dòng)控制模式

本模式由觸摸屏控制，分為三個(gè)畫面，啟動(dòng)后首先進(jìn)入主控畫面，畫面中設(shè)有兩組選擇按鈕分別為單層控制選擇按鈕和組合模式選擇按鈕。選擇對(duì)應(yīng)模式后，進(jìn)入相應(yīng)控制畫面。若進(jìn)入單控模式畫面則就是1-5層單層控制按鈕可獨(dú)立分別控制每層（此控制需嚴(yán)格要求按1-5層的順序控制）；若進(jìn)入組合控制畫面則分3個(gè)模式按鈕，其模式1順序?yàn)椋?-2，模式2順序?yàn)椋?-2-3-1，模式3為：1-2-3-4-5-2-1。

工作時(shí)，當(dāng)儲(chǔ)氣罐壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，打開主管路閥門，氣源系統(tǒng)的壓縮空氣即被輸送到控制管路和助流管路中，通過控制各氣動(dòng)閥門，將壓縮空氣通過被布置在煤倉倉壁上的噴嘴，實(shí)現(xiàn)氣流噴射，根據(jù)需求，實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，完成清堵工作。

運(yùn)行人員可根據(jù)情況操作。改造后的實(shí)物樣式見圖3。

根據(jù)煤炭堵塞情況，實(shí)施三種模式的自動(dòng)控制，操作界面見圖4；也可就地控制，實(shí)施不同層面的手動(dòng)模式控制調(diào)節(jié)，操作界面見圖5。

不同模式的控制方式，便于運(yùn)行人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，做出實(shí)時(shí)處理。

清堵系統(tǒng)只有一臺(tái)空壓機(jī)間歇式工作，噴嘴采用合金材料，設(shè)計(jì)精巧，不會(huì)被堵塞。

根據(jù)煤炭堵塞情況，當(dāng)斷煤信號(hào)發(fā)出時(shí)，啟動(dòng)底部1層、2層氣路，進(jìn)行吹掃；中度堵塞時(shí)，啟動(dòng)底部1層、2層、3層氣路，進(jìn)行吹掃；重度堵塞時(shí)，由下至上啟動(dòng)底部1層、2層、3層、4層、5層氣路，進(jìn)行吹掃。壓縮空氣通過管路系統(tǒng)、控制閥門、噴嘴分層噴入錐體內(nèi)，形成空氣場(chǎng)，改變煤炭粘結(jié)結(jié)構(gòu)、狀態(tài)，重新形成物料流動(dòng)，疏通堵塞狀況，在重力作用下，順利實(shí)現(xiàn)煤炭物質(zhì)的流動(dòng)、下落。清堵結(jié)束后關(guān)閉供氣球閥。

3.1.4 預(yù)防清堵控制

此模式為DCS控制。無論在手動(dòng)或自動(dòng)模式下以及有無斷煤信號(hào)，按下此按鈕均可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)定每隔幾小時(shí)自動(dòng)循環(huán)1-5層清堵一次。

3.2 問題整改及措施效果

旋風(fēng)式氣動(dòng)助流料倉清堵裝置最初使用中出現(xiàn)的問題：①運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，清堵裝置的底層噴嘴有進(jìn)煤現(xiàn)象；②氣動(dòng)蝶閥的控制氣源用雙聯(lián)過濾器，出現(xiàn)過多個(gè)散架現(xiàn)象。

經(jīng)分析，采取了在噴嘴前加裝了橡膠膜片措施，減少了細(xì)煤的侵入。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)導(dǎo)致的固定螺絲松動(dòng)、脫落，采取螺絲粘膠的方法防止了螺絲倒轉(zhuǎn)、松動(dòng)。

旋風(fēng)式氣動(dòng)助流料倉清堵裝置利用壓縮空氣在瞬間產(chǎn)生的動(dòng)能進(jìn)行清堵，每次清堵時(shí)間最長不超過兩秒，耗氣量少，不會(huì)使煤倉內(nèi)壓力增大，對(duì)煤倉壁及給煤機(jī)無任何影響。

儲(chǔ)氣罐容積大，可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多次噴射，使倉內(nèi)物料產(chǎn)生脈動(dòng)振蕩，并可防止氣洞的產(chǎn)生。噴嘴噴氣時(shí)間，時(shí)間間隔，循環(huán)周期可調(diào)，噴嘴噴氣能量及沖力在噴射過程中基本保持不變，并能保持在最高值。

旋風(fēng)式氣動(dòng)助流料倉清堵裝置電氣控制功能強(qiáng)大，可同DCS系統(tǒng)融合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)，遠(yuǎn)程或就地控制。操作簡單。

4 結(jié)論

經(jīng)過改造，龍羽宜電#2鍋爐原煤倉采用的新型旋風(fēng)式氣動(dòng)助流煤倉清堵裝置運(yùn)行穩(wěn)定，替代了震動(dòng)錘疏松清堵裝置及空氣炮爆破破拱裝置。該系統(tǒng)沒有運(yùn)動(dòng)部件，沒有易損件，沒有油類污染，無振動(dòng)噪音，節(jié)能環(huán)保，結(jié)構(gòu)合理，工作可靠，清堵徹底，效率高。完全不用人工現(xiàn)場(chǎng)捅料，無出現(xiàn)堵倉現(xiàn)象，使用效果良好。

由于本清堵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)維護(hù)簡單，操作簡單，無易損件，使用成本低，實(shí)際使用中不需要暫停供料，不會(huì)給操作工造成額外體力付出，大大改善了清堵帶來的人工勞累。實(shí)現(xiàn)了煤炭水分含量高時(shí)，煤倉不堵煤，連續(xù)供煤，保持了機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定不降，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏明生，等.管道清堵機(jī)器人電磁定位系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化，2016，42（06）：1-4.

[2]張寧.鍋爐原煤倉清堵措施研究與實(shí)踐[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（27）：118-119.

[3]申健，等.回轉(zhuǎn)壁式煤倉清堵裝置在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用[J].河南電力，2013（03）：43-47.

[4]王慧，等.煤倉堵煤的力學(xué)分析與改進(jìn)[J].工業(yè)鍋爐，2013（04）：49-51.

[5]焦洪濤.料倉清堵技術(shù)及氣壓旋轉(zhuǎn)式清堵裝置的研究[J].粉煤灰，2014（1）：11-12.

[6]李民強(qiáng)，等.多頭空氣炮破拱裝置的研制與應(yīng)用[J].選煤技術(shù)，2015（2）：24-27.

[7]王一鳴，等.新型助流清堵系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015，31（9）：248-249.

[8]丁開瑞，等.煤倉清堵解決方案在火電廠中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（21）：150.

[9]卜祝龍，等.料倉粘煤清堵空氣炮清堵系統(tǒng)性能測(cè)試[J].煤礦安全，2016（6）：123-125.

[10]金永飛，等.煤倉清堵空氣炮噴爆關(guān)鍵參數(shù)數(shù)值模擬[J].煤礦安全，2015，46（5）：193-196.