礦石碼頭火車裝車站緩沖倉方案設(shè)計(jì)研究

吳位民，王 偉

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220；2.唐山曹妃甸實(shí)業(yè)港務(wù)有限公司，河北唐山 063200）

引言

近年來，我國在對(duì)散狀物料的快速定量裝載技術(shù)研究上有了新的突破，如港口、碼頭對(duì)礦石、煤炭、糧食等散狀物料的定量快速裝車等。裝車站系統(tǒng)在火車裝車流程中只是一個(gè)單元，一般連續(xù)裝車取料線取料設(shè)備有斗輪取料機(jī)、裝載機(jī)等設(shè)備，火車裝車系統(tǒng)中裝車站緩沖倉容積的確定是否合理一直是影響裝車能力的一個(gè)關(guān)鍵因素，裝車樓設(shè)備供貨廠家一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按照3-5 倍稱量倉的容積進(jìn)行確定。實(shí)際情況很多項(xiàng)目直到投入使用的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)緩沖倉容積偏大或者偏小，缺乏在緩沖倉方案論證階段從系統(tǒng)理論層面進(jìn)行論證分析。

1 礦石碼頭卸船裝車工藝介紹

礦石碼頭典型的工藝流程：進(jìn)口礦石船在碼頭經(jīng)過卸船機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至皮帶輸送線，經(jīng)過連續(xù)的皮帶轉(zhuǎn)接系統(tǒng)，把物料運(yùn)達(dá)料場(chǎng)，再經(jīng)過堆料機(jī)實(shí)現(xiàn)堆料，根據(jù)不同的礦石貨代和買方把物料分區(qū)域、分料堆進(jìn)行堆存。堆料設(shè)備有堆料機(jī)和堆取料機(jī)等。為保證卸船效率，礦石物料一般不會(huì)卸船后直接裝車。裝車流程從料場(chǎng)開始，取料機(jī)或者堆取料機(jī)具有取料功能的設(shè)備進(jìn)行取料，并把物料運(yùn)送至皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)上面，通過轉(zhuǎn)接和連續(xù)運(yùn)輸。然后物料運(yùn)送至裝車樓緩沖倉內(nèi)進(jìn)行定量裝車。裝車樓系統(tǒng)通過配料，稱重，卸料等流程實(shí)現(xiàn)火車裝車功能。與裝車樓配合的設(shè)備通常有牽車機(jī)和平車機(jī)，按照裝車要求控制牽引速度，同時(shí)為了滿足鐵路部門對(duì)裝車質(zhì)量提出的“物料載荷分布均勻，物料上頂面平整”的基本要求，裝車后采用平車設(shè)備進(jìn)行平車。圖1為卸船裝車工藝流程圖。

圖1 卸船裝車工藝流程圖

2 火車裝車樓系統(tǒng)

通過皮帶機(jī)把物料輸送至裝車樓緩沖倉內(nèi)，緩沖倉內(nèi)物料達(dá)到低料位時(shí)，啟動(dòng)緩沖倉給料閘門給稱量倉配料，給料閘門根據(jù)裝車系統(tǒng)能力一般設(shè)置2-4 個(gè)，配料速度和精度均通過程序控制開關(guān)量和速度進(jìn)行自動(dòng)控制，配料結(jié)束后關(guān)閉給料閘門。稱量倉根據(jù)火車車卡自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)稱重，稱量結(jié)束后，打開稱量倉卸料閘門進(jìn)行裝車，裝車完成后形成裝車報(bào)表。圖2 裝車站系統(tǒng)示意圖。

圖2 裝車站系統(tǒng)示意圖

3 緩沖倉的方案設(shè)計(jì)

3.1 緩沖倉作用

緩沖倉的作用一是要滿足配料閘門工作時(shí)有足夠的物料可以配料，配料時(shí)間連續(xù)快速，滿足裝車的需要；另一方面緩沖倉要有足夠容量可以緩沖堆存一定的物料，上游取料機(jī)和皮帶機(jī)取料系統(tǒng)可以連續(xù)作業(yè)，不因裝車環(huán)節(jié)延時(shí)而頻繁起停取料線設(shè)備，最大限度避免皮帶機(jī)系統(tǒng)頻繁重載停機(jī)再起動(dòng)。在圖1 流程中，卸船流程的終端是BC03 和堆料機(jī)，裝車流程的始端是BC03 和斗輪取料機(jī)。如果不考慮卸船流程和裝車流程的相互影響，根據(jù)正常的工藝控制流程，裝車站緩沖倉料位一旦達(dá)到極限料位，BC03 就會(huì)停機(jī)，進(jìn)而卸船流程也要停機(jī)，會(huì)給卸船工作造成時(shí)間和成本的損失。為了避免該現(xiàn)象的發(fā)生，確保卸船流程不受裝車流程的影響，緩沖倉的容量需要足夠大，在裝車流程有故障需要取料線設(shè)備停機(jī)時(shí)，能夠滿足料場(chǎng)皮帶機(jī)BC03 不停機(jī)的條件，把料場(chǎng)皮帶BC03 上面取料機(jī)之后的物料可以排凈后再停后續(xù)皮帶機(jī)BC04H 和BC05。所以緩沖倉容積方案確定時(shí)必須把其置于整個(gè)卸船和裝車整個(gè)大系統(tǒng)流程中進(jìn)行綜合確定。

3.2 緩沖倉結(jié)構(gòu)分析

緩沖倉配料口數(shù)量的設(shè)置是根據(jù)裝車能力確定的，通常4 500 t/小時(shí)以下的礦石裝車能力一般采用兩配料口對(duì)應(yīng)四片閘門；如圖3 兩個(gè)配料口緩沖倉布置圖，緩沖料倉設(shè)置兩個(gè)出料口，料倉倉壁傾斜角度不小于70°，兩個(gè)出料口間距根據(jù)平板閘門尺寸和空間檢修尺寸確定為2.2 米左右，反向分料漏斗結(jié)構(gòu)高度在1.3 米左右。料倉高度及高低料位均應(yīng)通過計(jì)算確定。

圖3 緩沖倉兩個(gè)配料口布置圖

當(dāng)設(shè)計(jì)能力大于4 000 t/小時(shí)且小于7 000 t/小時(shí)火車裝車要求時(shí)，為了滿足快速裝車的要求，提高配料速度和精度，需要設(shè)置四個(gè)配料口，如圖4緩沖倉布置圖四個(gè)配料口。根據(jù)配料口閘門設(shè)備尺寸和檢修空間尺寸要求，保證料倉倉壁傾斜角度不小于70°，四個(gè)配料口錯(cuò)開間距尺寸為4 米，反向分料漏斗結(jié)構(gòu)高度在4.5 米，料倉高度及高低料位均應(yīng)通過計(jì)算確定。

圖4 緩沖倉四個(gè)配料口布置圖

3.3 緩沖倉下游工藝設(shè)備確定倉容

理論上裝車能力與取料機(jī)能力是相吻合的，但是實(shí)際操作中會(huì)有影響裝車效率的因素存在，影響裝車效率時(shí)間因素：a、設(shè)備故障復(fù)位時(shí)間t1，b、牽車機(jī)操作時(shí)間t2，c、平車機(jī)操作時(shí)間t3，d、跳卡時(shí)間t4，e、緩沖時(shí)間t5。設(shè)系統(tǒng)皮帶機(jī)輸送能力為Q0（T/h），緩沖倉初始物料（具備開始裝車條件）Q1，緩沖倉高料位（取料設(shè)備停止取料）Q2，緩沖倉極限料位（倉滿取料線停機(jī)）Q3，則緩沖倉的高料位Q2=Q1+TixQ0。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)搜集與統(tǒng)計(jì)，裝車機(jī)動(dòng)時(shí)間和概率總結(jié)如下表1：

表1 裝車機(jī)動(dòng)時(shí)間和概率表

對(duì)各類影響裝車效率因素進(jìn)行加權(quán)平均，加權(quán)平均值Ti為3.65 分鐘，按照該時(shí)間進(jìn)行緩沖倉容積的估算。

3.4 緩沖倉上游工藝設(shè)備確定倉容

在裝車控制流程中，設(shè)定的控制連鎖條件是低料位時(shí)報(bào)警提示裝車司機(jī)可以裝車；當(dāng)物料達(dá)到高料位，取料機(jī)等取料設(shè)備停止取料，皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)緩沖倉物料達(dá)到極限料位時(shí)，整個(gè)取料皮帶機(jī)系統(tǒng)全部停止運(yùn)行。正常工況下，高料位時(shí)，提醒裝車樓加快裝車速度，防止?jié)M倉料位出現(xiàn)。高料位和極限料位的緩沖能力應(yīng)該滿足裝車樓從低速裝車跨到高速裝車的時(shí)間，并能把物料從高料位降低至正常料位的緩沖能力。非正常工況下，礦石碼頭卸船作業(yè)和裝車同時(shí)作業(yè)時(shí)，為了避免裝車取料線滿倉停機(jī)影響到BC03 不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)緩沖倉時(shí)需要考慮如下條件：緩沖倉高料位和極限料位之間的緩沖能力應(yīng)涵蓋從取料機(jī)開始一直到緩沖倉上方的皮帶機(jī)系統(tǒng)所有物料的總和。圖1卸船裝車工藝流程圖中，設(shè)斗輪取料機(jī)位置距離裝車樓長(zhǎng)度為L(zhǎng)(m)，皮帶機(jī)取料線帶速為V(m/s)，皮帶機(jī)輸送能力為Q0（T/h）。則緩沖倉的高料位和極限料位應(yīng)滿足如下等式:Q3-Q2=Lx Q0/3.6v

3.5 緩沖倉倉容及料位的確定

根據(jù)上面的分析，可知緩沖倉的容積為：

如圖3所示緩沖倉配料口反向漏斗結(jié)構(gòu)設(shè)置在1.3 米左右，很好的保證了緩沖倉在存料期間物料的分布情況，物料在緩沖倉內(nèi)只要達(dá)到集料高度1.5米以上就可以進(jìn)行裝車配料工作，經(jīng)過計(jì)算物料達(dá)到低料位120t 的物料就可以啟動(dòng)裝車流程；如圖4所示緩沖倉配料口反向漏斗結(jié)構(gòu)設(shè)置在4.5 米左右，物料必須在緩沖倉內(nèi)存料達(dá)到高度4.5 米以上才可以進(jìn)行裝車配料工作，經(jīng)過計(jì)算物料達(dá)到低料位250t 才可以啟動(dòng)裝車流程。

以曹妃甸礦石二期項(xiàng)目方案論證為例：該項(xiàng)目的斗輪取料機(jī)取料能力為6 000t/h，該項(xiàng)目具有特殊性，需要考慮料場(chǎng)皮帶機(jī)在卸船和裝車同時(shí)工作時(shí)，確保裝車線系統(tǒng)停機(jī)不影響卸船流程。所以當(dāng)緩沖倉達(dá)到高料位之后還要能容下料場(chǎng)皮帶機(jī)上從取料機(jī)到轉(zhuǎn)運(yùn)站TT04 之間的物料，出料場(chǎng)后皮帶機(jī)BC04 和BC05 可以重載停機(jī)，項(xiàng)目中L=1 000米，料倉容積方案確定：

第一方案，按照6 000 t/h 進(jìn)行設(shè)計(jì)，則：

第二方案，卸船與裝車同時(shí)作業(yè)時(shí)，取料機(jī)取料能力控制在3 600 t/h 以下，則：

經(jīng)過論證，最終選擇第二種方案。

緩沖倉內(nèi)物料料位的設(shè)置應(yīng)具備低料位、高料位和極限料位三個(gè)檔次。該項(xiàng)目中低料位250 t，高料位469 t，極限料位735 t。很多項(xiàng)目中廠家把低料位報(bào)警給取消了，實(shí)際運(yùn)行中是欠妥的。還有低料位和高料位都是采用雷達(dá)料位計(jì)，單個(gè)雷達(dá)料位計(jì)對(duì)雙配料口緩沖倉能起到檢測(cè)作用，但是對(duì)于四個(gè)配料口的緩沖倉，由于存在物料偏倉現(xiàn)象，檢測(cè)時(shí)常會(huì)誤報(bào)，為減少誤差可以設(shè)置多臺(tái)雷達(dá)料位，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算分析，給出更準(zhǔn)確的料位結(jié)果。

4 結(jié)論

通過對(duì)礦石碼頭火車裝車站緩沖倉結(jié)構(gòu)及前后工藝設(shè)備的研究，總結(jié)出以下結(jié)論：

1）通過對(duì)緩沖倉結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，找到影響緩沖倉緩沖能力的關(guān)鍵因素，把裝車樓裝車環(huán)節(jié)放到卸船和裝車整個(gè)工藝系統(tǒng)中進(jìn)行方案論證，一方面要保證裝車工作的正常作業(yè)，滿足火車裝車線的利用效率；另一方面裝車樓緩沖倉的設(shè)計(jì)要考慮到卸船系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證料場(chǎng)的高效利用；

2）改變以往憑經(jīng)驗(yàn)確定裝車樓緩沖倉容積的模式，第一次提出緩沖倉的理論計(jì)算公式和方法，為同類裝車站緩沖倉容積大小論證工作指明了方向；

3）礦石碼頭快速定量裝車技術(shù)的發(fā)展有助于落實(shí)目前礦石碼頭“公轉(zhuǎn)鐵”政策導(dǎo)向，對(duì)促進(jìn)礦石碼頭環(huán)保、綠色生產(chǎn)，控制公路運(yùn)輸粉塵污染具有重要意義。