火电厂煤仓清堵系统的应用研究

高圣溥

摘要：针对煤仓在下煤时出现的堵塞现象对生产造成的诸多不利影响，分析了煤粉物料在料仓内滞留起拱堵塞的原因及主要形式，根据牛顿力学定律、运用流体力学和空气动力学原理进行了分析，论述了旋风式原煤仓助流清堵系统的基本原理、操作控制方法，案例验证了运行实效。

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.

关键词：煤仓；堵塞；旋风式；助流清堵

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

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）04-0094-04

0 引言

洛阳龙羽宜电有限公司有抽汽式汽轮机组2台，总装机容量2×55MW。循环流化床锅炉2台，型号：DG-260/9.81-2。采用低热值煤矸石及燃煤做燃料，利用电袋复合除尘器，石灰石石膏法脱硫等设备，完成除尘脫硫脱硝，实现达标排放。

龙羽宜电原煤仓上部是矩锥式，下部是圆锥式煤仓，粉状煤炭通过圆锥式煤仓下落到胶带式给煤机皮带上，然后输送到炉膛。生产运行中经常出现的问题是，每年冬季或者连阴雨天，因天气潮湿，原煤仓经常出现堵塞情况，影响煤炭正常供给，波及锅炉正常运行。

龙羽宜电针对煤仓堵煤导致的断煤情况，先后采取了应对措施：一是在每个煤仓上加装两台电动振动器，堵塞时，通过振动疏松煤炭，有一定效果，但因煤炭湿度大，水分率高时，黏壁粘结，有时越振越实，不易下煤；二是在煤仓内部贴壁加装了两套液压疏松装置，#1、#3煤仓共用一套，#2、#4煤仓共用一套，根据断煤信号，自动启动疏松机运行，进行疏通，有一定效果。由于疏松机刮板宽度和上下行程有限，疏松面积较小，水分率高时疏通效果也不好，局限性较大，内部安装也不便于检修维护。

后经多次改进，仍效果不佳，依然出现堵塞情况。人工疏松时耗时费力，又存在登高作业危险，不安全。煤炭堵塞影响到运行及负荷稳定性。清堵工作亟待创新解决。

1 煤仓堵塞原因分析

原煤仓初始设计时，没有清堵装置，煤在仓内的流动是由它自身的重力引起的，通常利用原煤自身重力作用，自行溜出煤仓进入给煤机。

随着原煤水分含量、粒度、煤种性状的不同，原煤颗粒之间摩擦力，原煤同仓壁之间摩擦力增大，当煤仓某个部位的料层产生的支撑力与上部物料的压力达到平衡时，就会造成排煤中断，发生煤仓堵塞。

原煤形成拱状棚煤和粘壁现象，不能顺利落入给煤机，致使给煤机出现断煤现象。通常水分率6%以下不易出现断煤现象，6%-8%水分率会偶尔出现断煤现象，水分率8%以上会出现频繁断煤现象。断煤时只能人工疏松煤仓，投入人工较多、效率低下，且存在安全隐患。

堵塞产生的原因是煤炭物料同仓壁之间的摩擦力大于物料在仓壁上的下滑分力，从而产生粘壁棚料；物料含水率高，粒度细，相互之间摩擦力很大，抱团产生拱状棚料；物料粘结成团或冬季冻结成团在出料口只滚动不流动产生滚动棚料。

煤在仓中的流动、运动形式主要有整体流、管状流两种：

整体流是整个仓内的物料同时从各自的位置流向卸料口，这是仓内物料流动最理想的状态。

管状流是物料在煤仓中心部位呈柱状向卸料口运动，其他区域是处于停滞状态。这种状态使煤仓有效容积相对减少，同时增加了煤仓卸料时物料的粘结、起拱，易形成煤仓堵塞。

龙羽宜电煤仓的底部漏斗结构是向斗口收缩的圆锥形，横截面由上而下逐渐缩小，截面收缩率从上至下增大很快，当贮存在仓内的煤粒由于自重的作用，克服阻力向下流动时，煤流每下降一个微小的高度，煤粉颗粒均要重新排列，煤粉颗粒的原有层面呈不均匀下降，以适应截面收缩的变化。由于截面收缩率的增大，煤粉愈接近斗口，挤压错动愈大，加之煤粉的粘结作用（在一定范围内，煤粉的粘结力与煤粉的含水率成正比），煤流的内外摩擦力也急剧增大，由于各种阻力的影响使煤颗粒原有层面破坏到一定程度时，便导致产生管状流。

当仓内各种阻力增大到超过煤粒自重作用的垂直净压力时，煤流中断，形成拱形堵塞，流动完全停滞。结拱的位置一般在煤仓下口上方约1.5-2m的地方。

近年来，随着煤矿井下综合开采的普及、煤的洗选加工、天气因素等影响，煤的外在水分普遍在8%，甚至更高。煤的粘结性强、流动性差，当它在重力作用下，呈漏斗状从仓口排出时，就容易结拱堵塞。

2 清堵系统原理

针对煤仓堵塞问题，相关人员从减小摩擦阻力，减小内聚力，改善煤炭物料筒仓壁的摩擦条件，减小或降低摩擦系数，清除拱状棚料等方面着手分析堵塞问题，提出解决方案。

2.1 物料受力分析

摩擦力中煤炭颗粒物阻力分量和煤炭与仓壁的阻力分量所占的比率与荷载、接触面状况有关，当荷载大，湿度大，接触面粗糙不平时，粘结阻力分量不断增大；反之，当荷载小，阻力分量小时，阻力不断减小，甚至可以忽略，煤炭颗粒就可以自由下落。

2.2 压缩空气运行分析

龙羽宜电联合设计施工单位通过现场诊断、分析，实验模拟，将电厂现有的压缩空气引入就地设置的压缩空气罐，通过空气罐引出的空气管路，接引设置在煤仓圆锥体外表面的助流空气管路，通过阀门控制，将压缩空气通过各喷嘴以螺旋线轨迹紧贴仓壁，并沿螺旋角方向向料仓内喷射，高速气流在仓內通气段形成旋风式气流。该气流能将物料与仓壁脱离，降低该段的摩擦阻力，消除粘壁堵塞。

高速气流在旋转过程中，形成低压区，这样高压区的气流就会向中间的低压区流动，从而形成翻转向上的气流。向上的气流在料仓横断面上会形成剪力，从而破坏仓内的棚料拱，从而清除粘壁棚料、拱状棚料等，堵塞解除，煤粉顺利下落。

旋风式气动助流料仓清堵装置示意见图2。

系统主要围绕锥形原煤仓，布置气力输送管路。有气源罐、连接气路、控制气路、助流气路、助流喷嘴、控制阀门、智能控制系统等组成。

2.3 吹扫能量分析

根据现有设备条件，清堵装置主管道内径50mm，圆形管也是50mm，控制管路25mm，喷嘴横管是32mm；每层喷吹1、2s，每次循环耗气0.4m3，喷射压缩空气出口速度设计为300m/s。每秒喷射气量为30升。

龙羽宜电锥形煤仓下端直径0.7m，上端3m，加上上部棱锥形仓体，结合日常上煤量统计，每个煤仓原煤储量在120吨。根据运行经验，煤仓中心以上位置，煤炭储量约为80吨。煤仓中心距离出料口10m。

由此可计算出，每秒喷射出的压缩空气的动能：E1= M1v2/2。

常态下，每立方米空气质量M约为1.29千克。此条件下，压缩空气出口速度V等于300m/s。

喷嘴出口动能E1=M1v2/2=1.29×30×10-3×3002/2=1.47×103（J）

煤仓中心点的势能E2=M2gh=80×103×10×10=8×106（J）

由上计算可知，E2>E1；当压缩空气喷入煤仓后，中心点以上部位不会被吹散，造成溢仓。

根据能量守恒定律，当E1恒定时，假定吹扫部位在底部二层位置，煤炭物料质量MX为100×103千克，压缩空气喷入后，E1=Mxghx，hx=1.47mm。

物料将被吹起1.47mm，该区域摩擦粘结力量平衡被打破，堵塞被吹散蓬松，煤炭颗粒被重新分布，形成新的物料流动，从而消除堵塞。

3 解决方案

针对原煤仓的结构特点及生产实际需要，在原煤仓周围安装铺设五层气动助流装置。喷咀气流沿仓壁向下喷射，形成气垫，降低了物料同仓壁的摩擦力。根据设计，喷嘴数量由锥体的底部至顶部依次增多，由控制系统控制气流沿仓壁喷射，气流进入物料与仓壁之间的小间隙中，从而形成气垫，在重力作用下，物料就会沿着仓壁下滑到料仓底部。

龙羽宜电每台锅炉有4个煤仓，一个煤仓一套清堵装置，每套清堵装置一个气源总阀、一台触摸屏控制器，装置共分五层：每层四个喷嘴，成螺旋上升布置；每层各有一个气动蝶阀，控制每层喷吹气源的启闭；每层气动蝶阀的控制气源经过双联过滤器各有一个电磁阀控制；电磁阀的开启由控制柜内触摸屏的程序分别控制。

由于本系统维护、操作简单，使用成本低，实际使用中不需要暂停供料，不会给操作工造成额外体力付出，大大改善了清堵带来的人工劳累。

龙羽宜电多个原煤仓批量施工，因此设计共用一套气源系统。

3.1 清堵装置的控制方式

旋风式气动助流料仓清堵装置由气源系统、电控系统组成。控制模式分自动和手动控制两种。

3.1.1 气源系统

该系统包含空压机、储气罐、主气管路、各种不锈钢气动元件；空气助流系统包含快速控制阀门、助流管路、专用喷嘴。助流用储气罐容积为2m3，工作压力为0.5～0.8MPa。助流管路由无缝钢管卷圆焊接而成，其通径为DN50；控制用储气罐容积为2m3，工作壓力是0.4～0.8MPa。控制管路也由无缝钢管焊接而成，通径为DN20。

3.1.2 电控系统

根据煤炭物料性质，含水率，通过PLC对喷嘴的喷射时间和各助流管路的工作次序进行编程，实现控制。本次控制系统采用触屏控制，并设置预清堵程序，实现手动与自动双模式控制，尽量减少人工劳动付出。

3.1.3 手动控制模式

本模式由触摸屏控制，分为三个画面，启动后首先进入主控画面，画面中设有两组选择按钮分别为单层控制选择按钮和组合模式选择按钮。选择对应模式后，进入相应控制画面。若进入单控模式画面则就是1-5层单层控制按钮可独立分别控制每层（此控制需严格要求按1-5层的顺序控制）；若进入组合控制画面则分3个模式按钮，其模式1顺序为：1-2，模式2顺序为：1-2-3-1，模式3为：1-2-3-4-5-2-1。

工作时，当储气罐压力达到设定值时，打开主管路阀门，气源系统的压缩空气即被输送到控制管路和助流管路中，通过控制各气动阀门，将压缩空气通过被布置在煤仓仓壁上的喷嘴，实现气流喷射，根据需求，实现重复操作，完成清堵工作。

运行人员可根据情况操作。改造后的实物样式见图3。

根据煤炭堵塞情况，实施三种模式的自动控制，操作界面见图4；也可就地控制，实施不同层面的手动模式控制调节，操作界面见图5。

不同模式的控制方式，便于运行人员根据现场情况，做出实时处理。

清堵系统只有一台空压机间歇式工作，喷嘴采用合金材料，设计精巧，不会被堵塞。

根据煤炭堵塞情况，当断煤信号发出时，启动底部1层、2层气路，进行吹扫；中度堵塞时，启动底部1层、2层、3层气路，进行吹扫；重度堵塞时，由下至上启动底部1层、2层、3层、4层、5层气路，进行吹扫。压缩空气通过管路系统、控制阀门、喷嘴分层喷入锥体内，形成空气场，改变煤炭粘结结构、状态，重新形成物料流动，疏通堵塞状况，在重力作用下，顺利实现煤炭物质的流动、下落。清堵结束后关闭供气球阀。

3.1.4 预防清堵控制

此模式为DCS控制。无论在手动或自动模式下以及有无断煤信号，按下此按钮均可根据现场情况设定每隔几小时自动循环1-5层清堵一次。

3.2 问题整改及措施效果

旋风式气动助流料仓清堵装置最初使用中出现的问题：①运行发现，清堵装置的底层喷嘴有进煤现象；②气动蝶阀的控制气源用双联过滤器，出现过多个散架现象。

经分析，采取了在喷嘴前加装了橡胶膜片措施，减少了细煤的侵入。针对现场震动导致的固定螺丝松动、脱落，采取螺丝粘胶的方法防止了螺丝倒转、松动。

旋风式气动助流料仓清堵装置利用压缩空气在瞬间产生的动能进行清堵，每次清堵时间最长不超过两秒，耗气量少，不会使煤仓内压力增大，对煤仓壁及给煤机无任何影响。

储气罐容积大，可在短时间内实现多次喷射，使仓内物料产生脉动振荡，并可防止气洞的产生。喷嘴喷气时间，时间间隔，循环周期可调，喷嘴喷气能量及冲力在喷射过程中基本保持不变，并能保持在最高值。

旋风式气动助流料仓清堵装置电气控制功能强大，可同DCS系统融合，实现自动或手动，远程或就地控制。操作简单。

4 结论

经过改造，龙羽宜电#2锅炉原煤仓采用的新型旋风式气动助流煤仓清堵装置运行稳定，替代了震动锤疏松清堵装置及空气炮爆破破拱装置。该系统没有运动部件，没有易损件，没有油类污染，无振动噪音，节能环保，结构合理，工作可靠，清堵彻底，效率高。完全不用人工现场捅料，无出现堵仓现象，使用效果良好。

由于本清堵系统结构简单，系统维护简单，操作简單，无易损件，使用成本低，实际使用中不需要暂停供料，不会给操作工造成额外体力付出，大大改善了清堵带来的人工劳累。实现了煤炭水分含量高时，煤仓不堵煤，连续供煤，保持了机组负荷稳定不降，实现了生产稳定运行的目的。

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