摘要：随着火电机组的单机容量增大，目前普遍使用直吹式制粉系统，由于煤质恶化，堵煤现象以及断煤造成的降负荷、非停等问题较为突出。本文针对相关问题分析研究旋转清堵机装置在处理电厂原煤斗堵煤问题的实际应用，为推广该项技术提供应用依据。可解决煤斗断煤等引起的一系列问题，大大提高火电机组运行的安全稳定性。
关键词：火力发电厂；锅炉；原煤仓；清堵
前言
近些年来，由于国内火电厂机组不断扩大，不同项目不同机组燃烧的煤质较为复杂，其中含有大量的泥煤、混煤、烟煤、褐煤、湿度较大的原煤等。通过输煤系统进入原煤仓后，由于煤中含有一定的表面水分，原煤具有一定的粘附作用，造成原煤在下落的过程中，部分粘附于原煤斗的内壁上，当原煤累积到一定程度时，会形成搭拱，大量板结在仓壁上的缺陷，轻微时原煤下落缓慢，严重时原煤在仓内堵死不能顺利下落，甚至导致磨煤机频繁断煤。特别是大型火力发电厂配置直吹式制粉系统的原煤仓，一旦发生下煤堵塞，发电机组就要被迫紧急降出力甩负荷，甚至出现锅炉燃烧不稳造成大量投油，更严重的会造成锅炉灭火、机组非计划停运，对锅炉机组的安全运行造成较大威胁。为了有效解决原煤仓的搭拱、粘煤、板结现场，消除原煤仓堵煤导致磨煤机和给煤机断煤频繁的不利影响，本文建议采用旋转清堵机设计方案。
一、理论和实践依据
1、原煤仓底部下料仓段煤斗的型式：
很多电厂的实际运行经验表明，煤仓堵煤常发生在下料仓段煤斗的出口部位。下料仓段的常用结构型式有矩形截面斜锥式、圆锥式、矩形截面双曲线式、圆形截面双曲线式等。矩型截面煤斗斗壁四角附近原煤受“双面摩擦”和挤压的作用，易长期粘接在斗壁角落内，在同样半顶角的情况下，较圆形截面煤斗更易积煤。
锥型煤斗（包括圆锥型和方锥型）沿煤的流动方向流通截面积逐渐变小，挤压力变大，煤粒与仓壁、煤粒之间的摩擦力也越来越大，促使煤沿壁面流动的重力分力则不变，故随着煤的流动，锥形煤斗内的等效流动动力越来越小。特别是在煤粒含水较大，煤的团聚性很强的情况下，煤在仓体内的流动就更加困难，结拱堵塞的几率大大增加。
双曲线型煤斗随着煤向出口的流动，斗壁的倾角加大，促使煤沿壁面流动的重力分力逐渐变大，重力在对壁面的挤压力分力逐渐变小，与锥型煤斗相比，其等效流动动力随煤的流动下降较慢。从原理上来说，这种形式的煤斗堵塞几率相对较小。但是在实践中，当煤质的含水量达到一定值（洗中煤更加突出），在煤仓下部出口咽喉部位其堵塞的几率会迅速增加。
2、煤仓内壁半顶角、截面收缩率
对于锥形煤斗，仓壁半顶角越小，越利于煤粒流动。对于双曲线型煤斗，截面收缩率越小，越利于煤粒流动。
在原煤仓初步设计的时候，煤斗的半顶角、面积收缩率是根据电厂业主方提供的设计煤种和校核煤种确定的。设计院在考虑仓体容积和投资的因素外，下煤斗防堵塞的因素也一并考虑。但是，当项目建成投产以后，大部分电厂实际燃烧的煤质同设计煤质偏差较大，甚至严重偏离设计煤质。不同区域的电厂再加上下雨、下雪、结冻等不可控的环境因素，原来设计不堵煤的煤仓开始出现频繁堵煤。
煤仓内部煤的流动状态（漏斗流流动、整体流动）不仅决定于仓体的半顶角和面积收缩率，而且更取决于煤质本身。在设计煤种情况下，煤斗内部煤的流动成整体流流动，但是在煤质发生变化（水分增加、团聚性强）后，煤斗内部煤的流动就从整体流流动状态转变成漏斗流流动。而中心流煤斗的堵塞几率要比整体流煤斗的堵塞几率大得多。
3、煤斗堵塞常见的形式，如下图：
4、从颗粒体运动学的角度来看，对于干颗粒，满足不结拱的原煤仓开口度尺寸至少为颗粒特征尺寸的3倍以上，而湿颗粒则要求原煤仓开口度至少为颗粒特征尺寸的4倍以上。虽然原煤仓在设计上尽量考虑堵塞的因素而加以防止，但是，由于诸如原煤等物料来自不同的煤源、矿点，杂质含量也不同，另外雨季物料潮湿容易粘结、冬季寒冷容易冻结等，很多因素导致了物原煤仓内物料颗粒度的不确定性。特别是随着煤中水分的增加，煤的团聚性急剧增大，煤在煤斗内向下流动的过程中受到仓壁的挤压力越来越大，本来松散的颗粒被挤压团聚，特征尺寸变得很大，当煤团的特征尺寸达到一定的临界值，堵塞就会发生。另外，潮湿的煤在下料口内仓壁上的沾污板结也使得下料口变得日益狭窄，堵塞的几率随之增加。因此对于一个原煤仓来说，几乎无法全天候防止物料堵塞的发生，必须增加防堵设备。
5、不同的煤种，其团聚性不同。比如破碎后油页岩团聚性最强、烟煤的团聚性和吸水性较无烟煤强，石油焦本身由于有油，所以团聚性最弱。煤团聚性的不同直接影响了煤仓的堵煤状况。
煤的平均粒径越小，细粉多，比表面积大，表面自由焓高，颗粒间的作用力大，内力强，其宏观表现即为煤的粘结性较强。
在各电厂实际运行中发现，当煤的含水量（外在水分）达到8%时，有些设计不合理的煤斗（矩形煤斗、中心流煤斗）就开始出现堵煤现象；当煤的含水量达到10%时堵煤比较严重；当煤的含水量达到12%时堵煤就相当严重了。煤质水分的增加会增加煤的团聚性。
6、经调查研究及收集相关运行资料，发现煤仓堵塞主要是因下部煤斗出口咽喉部位堵塞，处理不及时造成结拱。其主要原因：原煤仓卸料时，锥形仓内物料在竖直方向膨胀，水平方向压缩，应力呈被动塑性状态，随着料仓出口尺寸的减小，压力越来越大，煤颗粒之间及煤与筒壁之间的摩擦力增大，煤颗粒之间发生团聚，特征尺寸显著增大，所以堵塞主要发生在此部位。
二、国内外研究水平综述
目前国内清理原煤斗堵煤主要采取人力破堵、仓壁振打器、空气炮、内仓壁加PU板内衬、疏松机、中心给料机或旋转清堵机等各种方式，各种清堵方式简要对比如下：
1、人力破堵
耗费人力、短时间无法疏通；效果有限；对仓壁破坏大；捅煤时大量原煤堆积在现场，造成严重的环境污染；人员高空作业，存在安全隐患等。
2、仓壁振打器
仓壁振动器必须在结拱的位置才能发挥其作用，因煤仓的结拱、堵塞位置是不确定的，随煤质等原因影响其位置不断变化。如果振动器处于结拱位置上面时反而会使堵煤越振越密实；对颗粒尺寸比较高的洗中煤效果不好，反而容易起反作用；振动器易造成仓壁疲劳损坏，如仓壁震裂等。3、空气炮
空气炮必须在结拱的位置才能发挥其作用，当空气炮如果处于结拱位置上面时会使易堵塞的咽喉部位煤越振越密实；空气炮与仓体内壁连接位置的档板增加壁面的摩擦系数，增加堵煤的概率；空气炮是利用灌内压缩空气释放喷出的高速强烈气流，直接冲击原煤滞流区，打破滞流区的力平衡，迫使原煤恢复流动，但下部空气炮喷出的高压气流易造成插板阀及给料机托辊、秤的损坏；煤质情况水分含量对其使用效果影响较大。
4、疏松机
液压疏松机的作用面是一条线，但是对煤仓来讲需要作用的是一个面，所有液压疏松机工作存在盲点；由于液压缸的挡板和大量犁煤叶片的影响，使仓壁摩擦阻力增加，自身产生堵煤隐患，增加了棚煤的概率，特别是在仓体的出口位置；由于疏松机只有直线运动，而煤仓下部最易堵煤的位置，其角度通常发生改变，导致下部无法进行清堵；容易造成煤仓结拱，造成上方的棚煤很难解决。
5、仓壁加内衬
内衬易脱落，堵塞物料仓出口，另外也造成仓壁不光滑，摩擦力增大；PU衬板厚度一般30mm左右，加内衬后造成出煤口尺寸减少，影响下料，容易造成堵塞；仓壁加内衬仅适用半顶角较小的仓体。半顶角较大的仓属于中心流仓，壁面的物料不发生流动，故其清堵效果不明显。
6、中心给料机
中心给料机内部清堵组件必须连续工作才可以保证正常下煤，设备损耗严重，一旦出现故障就会影响给煤机正常运行，且每次更换需要工作人员进入仓体内部，存在很大安全隐患；下部下料咽喉部位段仍然有堵塞，需要经常清理的现象；与给煤机用煤无法精准匹配，给料少了，造成负荷上不去，给料多了，下部落煤管容易堵塞，需要人工进行清理；4小时连续运转，设备磨损严重且耗费的电能会很大。
7、旋转清堵机
结合由我们公司（山东电力建设第三工程有限公司）EPC总承包，中国电建集团海外投资有限公司投资的“一带一路”首个已投产的巴基斯坦卡西姆港2×660MW燃煤电站项目采用旋转清堵机方案及实际良好的运行状况对旋转清堵机装置作如下介绍：
7.1结构和工作原理
旋转清堵机主要由三部分组成：上部为固定仓（其上口与筒仓相连）；中部为回转式仓；下部为固定仓（与给煤机入口相连）。其中回转仓段处于整个物料仓的易堵段，是解决整个物料仓堵塞问题的关键部件。
旋转清堵机安装于原煤仓落煤管的易堵段，上下连接部分均为直管，与落煤管和给煤机连接，并支撑整机受力。工作部分由旋转锥管与刮刀组成。工作原理为螺旋输送原理及自落原理相结合，旋转清堵机通过清堵刀与物料的相对运动，等效数倍扩大出口截面。旋转清堵装置利用大速比减速机通过齿轮传动，驱动旋转锥仓绕煤仓中心转动，与仓内安装的清堵刀构成一个防堵清堵体系，实现全方位防堵清堵，原煤堵塞的基础因素被及时破坏瓦解，可彻底解决供煤系统中咽喉部位的堵塞问题，进而保证整个物料仓物料呈整体流动状态，从根本上解决原煤仓堵煤问题。
旋转清堵机主要特点：
a.旋转清堵机的仓体转动，能够完全打破煤结拱时所形成的平衡；
b.旋转清堵机的安装位置处于煤仓下口的易堵段，此段清堵效果非常显著；
c.旋转清堵机可以改变整个仓体的内部流动状态，使仓内煤的流动状态转为整体流，煤仓上部结拱的概率大大减小。
旋转清堵机主要结构图1：
7.2旋转清堵机控制方式
旋转清堵装置采用先进PLC自动控制，可实现就地、自动、远方三种控制方式操作。根据断煤信号自动运转，清堵防堵。设备现场不需要有人操作维护，全部自动化运行。清堵装置控制系统设置有远方操作模式，接收设备接受远方（DCS）指令控制和监控。
旋转煤仓清堵装置运行模式：
⑴、“手动”模式（调试模式）：
“手动/自动”选择开关打至“手动”、“远方/就地”选择开关打至“就地”。该模式下设备只能就手动启、停：
a、给煤机未运行时，原煤仓防堵装置限时运行，运行2分钟停机。
b、给煤机运行后，原煤仓防堵装置启动，可以限时运行15分钟，如果给煤机停止，则旋转煤斗立即停止。
⑵、“自动”模式（推荐模式）：
“手动/自动”选择开关打至“自动”，该模式下设备接受断煤信号控制，并与给煤机运行与停运联锁。
a、给煤机处于运行状态，当未断煤，设备处于伺服状态下时，根据两次断煤间隔时间，自动启动若干时间，以预防堵煤发生。例如切换到自动状态下后30秒内断煤，设备常转1小时，时间到后按照停30秒运行78秒工作。如果50秒发生断煤，设备立即启动清堵。清堵完成后，设备按照每40秒启动若干时间，以预防堵煤。如果此状态连续运行30次未发生断煤，则设备判定煤质有改善，自动将启动间隔时间延长，照此模式逐步增加，直至延长到每8小时启动一次。如果在启动间隔内发生断煤，则自动将启动间隔时间缩短。
b、给煤机处于运行状态时，断煤信号有输入，则原煤仓防堵装置立即启动，断煤信号消失后，旋转煤斗延时运行3分钟停止。
⑶、“远方”模式：
“远方/就地”选择开关打至“远方”，“手动/自动”选择开关打至手动位置，该模式下设备仅接受远方（DCS）指令控制。“手动/自动”选择开关打至自动位置，该模式下远方（DCS）控制指令优先，远方指令未发时按照自动模式运行。
结论
通过以上的探讨和由我们公司EPC总承包的巴基斯坦2X660MW项目的实际应用效果可以看出，在燃用含有大量泥煤、混煤、褐煤、潮湿原煤的火力发电厂，实施锅炉机组原煤仓加装旋转煤斗的方案，清堵效果显著，危险性低，对系统设备冲击小，对消除原煤仓的棚堵，降低火力发电厂锅炉机组的燃油消耗，保证锅炉机组的安全运行是切实可行的方案。同时还要优化煤仓结构设计、改良煤仓清堵方案，从根本上解决煤仓堵煤现场，保证火电厂制粉系统的安全稳定运行。
参考文献：
[1]《电力建设施工、验收及质量验评标准汇编》中国电力出版社。
[2]丁开瑞，马更生，张旭平.煤仓清堵解决方案在火电厂中的应用2015.21.134.
[3]申健，韩诤言.回转壁式煤仓清堵装置在火力发电厂中的应用.河南电力，2013（03）：43-47
[4]《宣威电厂七期扩建工程可行性研究》，编写：云南省电力设计院。
[5]《旋转清堵机使用说明》，南阳众森电力设备制造有限公司。
论文作者:李响
论文发表刊物:《电力设备》2019年第15期
论文发表时间:2019/11/26
标签：原煤论文; 煤质论文; 物料论文; 截面论文; 顶角论文; 颗粒论文; 设备论文; 《电力设备》2019年第15期论文;