煤炭港口卸車系統(tǒng)提能改造研究與探索

趙利軍，馬光輝

（神華黃驊港務(wù)公司，河北 滄州 061113）

1 改造背景

神華黃驊港一期工程設(shè)計能力為煤炭卸車和裝船3000萬噸每年，生產(chǎn)作業(yè)設(shè)備分為卸車系統(tǒng)和裝船系統(tǒng)，卸車系統(tǒng)包括三條由翻車機(jī)、皮帶機(jī)、轉(zhuǎn)接機(jī)房、堆料機(jī)組成的流程，作業(yè)效率為4000t/h，裝船系統(tǒng)包括三條由取料機(jī)、皮帶機(jī)、轉(zhuǎn)接機(jī)房、裝船機(jī)組成的裝船流程，作業(yè)效率為6000t/h。隨著港口作業(yè)量的逐年攀升，卸車能力不能滿足裝船能力的問題越來越突出，已經(jīng)成為制約港口作業(yè)的重要因素。近3年的卸車和裝船數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，卸車能力每年在3200萬噸左右，裝船能力在4000萬噸左右，由此可見，提升卸車流程作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)裝卸能力的匹配是非常必要的。

2 改造目標(biāo)與改造原則

根據(jù)近幾年的卸車和裝船作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，卸車能力需增加25%，即卸車作業(yè)效率從4000t/h提升到4800t/h才能與裝船能力相匹配，我們以此作為改造的目標(biāo)來研究確定改造方案。

此外，在改造中我們還需綜合考慮技術(shù)可行性、生產(chǎn)停機(jī)影響、改造成本、設(shè)備安全性能、環(huán)保功能等方面的制約和影響，因此卸車流程的整體提能改造方案，必須滿足最大限度地利用現(xiàn)有設(shè)施及土建結(jié)構(gòu)、減少土建改造工程量；盡量最小的設(shè)備改造量；最少的停機(jī)時間和最低成本的原則，并且要保證設(shè)備運(yùn)行和設(shè)備改造施工的絕對安全。在面對諸多困難和制約的情況下，我們從多種角度進(jìn)行分析和論證，以保證改造的安全順利完成，如下圖1所示為皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)改造思路和流程。

3 技術(shù)改造方案設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)上述改造目標(biāo)，我們需要對卸車流程的翻車機(jī)翻卸能力、皮帶機(jī)輸送能力、轉(zhuǎn)接機(jī)房溜筒通過能力、機(jī)房鋼結(jié)構(gòu)受力計算校核及供配電能力等方面進(jìn)行分析測算，改造方案主要包含以下幾部分內(nèi)容。

圖1

翻車機(jī)翻卸能力提升改造；皮帶機(jī)輸送能力提升改造；轉(zhuǎn)接機(jī)房溜筒通過能力計算校核；機(jī)房鋼結(jié)構(gòu)受力計算校核；堆料機(jī)輸送能力提升改造校核；供配電、控制系統(tǒng)改造；變電所容量校核。

針對上述各部分改造內(nèi)容，我們分別進(jìn)行了分析校核，具體如下。

3.1 翻車機(jī)翻卸能力提升改造

目前，黃驊港一期3臺翻車機(jī)為C型雙翻翻車機(jī)，主要接卸C64和C70車，接卸C64車型時卸車能力達(dá)到3600t/h(30循環(huán)/小時)，接鉤卸C70車型時卸車能力達(dá)到4200t/h(30循環(huán)/小時)。為實(shí)現(xiàn)改造目標(biāo)，并考慮以后列車將以C80車為主，我們對翻車機(jī)進(jìn)行適應(yīng)C80改造，改造后卸車能力為4800t/h(30循環(huán)/小時)，主要改造內(nèi)容為振動給料器升級、漏斗改造和供電控制系統(tǒng)改造。

3.2 振動給料器升級和漏斗改造方案

由于原翻車機(jī)漏斗是按接卸C64車設(shè)計的，在C80改造后會有卸煤不均的問題，即會出現(xiàn)1#、5#或3#倉空倉時，2#、4#倉尚處于滿倉造成無法翻車的情況，導(dǎo)致振動給料機(jī)在空倉下空轉(zhuǎn)的情況（表1）。

表1 C80卸料時各煤倉給料機(jī)能力分析表及改造目標(biāo)（按4800t/h翻卸量）

表2 一期卸車流程設(shè)備技術(shù)參數(shù)

我們根據(jù)理論計算各倉受致數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)C80和C80B(浴盆車)卸料時各煤倉給料機(jī)能力分析提出改造目標(biāo)，詳見表1。根據(jù)上表分析，翻車機(jī)2#、3#、4#倉下給料機(jī)規(guī)格需由原來的1000t/h升級更換為1600t/h，同時對漏斗進(jìn)行改造，更換3號漏斗上方分煤板，使3號漏斗受料量增加；在漏斗中間增加緩沖板，以免空倉時卸車煤直接沖擊給料機(jī)；在給料機(jī)上方增加液壓圓弧閘板，以避免物料直接溜出給料機(jī)。由于增加圓弧閘板，對原給料機(jī)上部導(dǎo)料槽影響較大，該部分導(dǎo)料槽重新設(shè)計制作更換，新設(shè)計的導(dǎo)料槽和圓弧閘板之間較好的結(jié)合，具有較好的密封性。給料機(jī)和圓弧閘板布置方案見圖2。

圖2 給料機(jī)和圓弧閘板布置圖

供電控制與其他部分改造：翻車機(jī)卸車能力升級還需進(jìn)行供電控制等配套的改造。

3.3 皮帶機(jī)輸送能力提升改造

原卸車流程的皮帶機(jī)輸送能力為4000t/h或4400 t/h，包括BF、BH、BD各三條皮帶機(jī)，需改造達(dá)到4800t/h的能力，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

皮帶機(jī)的輸送能力主要與帶寬、帶速、物料種類、皮帶槽角、爬坡角度等有關(guān)，在不改變皮帶機(jī)現(xiàn)有主體結(jié)構(gòu)和土建基礎(chǔ)的情況下提高帶速是增大皮帶機(jī)輸送能力最優(yōu)選擇，按照增加25%能力計算，改造后的皮帶機(jī)帶速應(yīng)為5m/s，增加帶速我們可以通過改變減速機(jī)速比、增大驅(qū)動滾筒直徑來實(shí)現(xiàn)，相比較來說，增大驅(qū)動滾筒直徑改造工作量更小也更節(jié)約成本。因此皮帶機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動裝置的升級改造主要是通過增加驅(qū)動滾筒直徑和驅(qū)動電機(jī)功率的方式來實(shí)現(xiàn)，即把驅(qū)動滾筒直徑由原來的1130mm改為1400mm，驅(qū)動電機(jī)功率由原來的400kW改為500kW，其他不變。

以下為具體計算過程。

皮帶機(jī)輸送能力計算校核。

給定皮帶機(jī)的最大輸送能力計算公式為

式中：

Q——皮帶機(jī)輸送能力；

S——輸送帶物料最大截面積；

v——帶速；

k——皮帶機(jī)傾斜系數(shù)；

ρ——物料密度。

其中：S=S1+S2，如圖3所示。

表3 皮帶機(jī)最大輸送量校核

表4 皮帶機(jī)驅(qū)動滾筒直徑與帶速關(guān)系

圖3 等長三輥槽形截面

式中：

l3——中間托輥長度；

b——輸送帶可用寬度；

θ——運(yùn)行堆積角；

λ——槽角；

B——帶寬。

計算結(jié)果如表3所示。

由上表計算結(jié)果可知，卸車皮帶機(jī)在5m/s帶速下最大輸送量可達(dá)5255t/h，滿足4800t/h的改造目標(biāo)值。

皮帶機(jī)帶速與驅(qū)動滾筒直徑的確定。

在電機(jī)轉(zhuǎn)速、減速機(jī)速比、耦合器轉(zhuǎn)差不變的情況下，輸送帶帶速與驅(qū)動滾筒關(guān)系為

式中：

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速；

D——滾筒直徑；

i——減速機(jī)速比；

η——耦合器轉(zhuǎn)差。

從表4計算結(jié)果來看，在原皮帶機(jī)帶速4m/s時，驅(qū)動滾筒直徑為1130mm，要達(dá)到改造目標(biāo)，皮帶機(jī)帶速應(yīng)達(dá)到5m/s，對應(yīng)的驅(qū)動滾筒直徑應(yīng)改為1400mm。

皮帶機(jī)提速后電機(jī)功率等參數(shù)計算校核：

皮帶機(jī)整體布置形式如圖4所示。

皮帶機(jī)滿載電機(jī)功率計算校核：

電機(jī)滿載功率計算公式為

PM=Ffv/(1000ηA)，計算結(jié)果如下表5所示。

表5 BF皮帶機(jī)功率計算校核

表6

圖4 皮帶機(jī)布置形式

其中：Ff為滿載圓周力，亦即滿載阻力，包括上下分支阻力、物料提升阻力等等，其計算式為

參考上表計算結(jié)果，并考慮BF皮帶機(jī)爬坡角度為14°及翻車機(jī)偶爾出現(xiàn)的較大給料峰值的因素，選擇功率冗余安全系數(shù)1．13，即兩臺500kW電機(jī)。

其他參數(shù)如滿載啟動、皮帶張力、運(yùn)行撓度等通過計算均滿足要求。

3.4 轉(zhuǎn)接機(jī)房溜筒通過能力計算校核

轉(zhuǎn)接機(jī)房溜筒通過能力校核主要是對溜槽斷面尺寸和容積的校核。原始參數(shù)有：帶寬B=1800，帶速v=5m/s，托輥槽角 35o，動安息角 20o。

（1）溜槽斷面尺寸校核

物料最大截面積S=0．3882m2，A/S（溜槽斷面積與物料斷面積的比值）應(yīng)大于4。本次改造的帶式輸送機(jī)中，BF1/2/3/最小斷面尺寸為2．09m×1．1m。

帶式輸送機(jī)需要的溜槽斷面積

式中：

F——溜槽所需斷面面積，m2；

Q——運(yùn)量，t/h，取6000t/h；

Ψ——裝滿系數(shù)，取0．25；

V——物料在溜槽底板上的運(yùn)動速度，取0．75m/s；

ρ——輸送物料的堆積密度kg/m3，取800kg/m3。

計算結(jié)果得 F=1．48m2。

A應(yīng)該大于F。

分析結(jié)果如表6。

（2）漏斗容積校核

現(xiàn)場帶式輸送機(jī)急停狀態(tài)下，上下游帶式輸送機(jī)自由停車時間不同，在下游皮帶機(jī)長度較短，上游皮帶機(jī)長度較長的轉(zhuǎn)接點(diǎn)，產(chǎn)生堵料，這時漏斗的容量需滿足可以容納全部多余的物料。在兩條皮帶機(jī)同時斷電，制動器不工作的情況下，BF和BH皮帶機(jī)停車過程中行走距離之差為L1=50m，存容為19．4m3。現(xiàn)有的漏斗溜槽容量為27．5m3，滿足運(yùn)行要求。

3.5 機(jī)房鋼結(jié)構(gòu)受力計算校核

帶式輸送機(jī)能力的提升對鋼結(jié)構(gòu)及棧橋、機(jī)房結(jié)構(gòu)會造成載荷變化。我們對T2機(jī)房進(jìn)行了初步核算，對危險部位抽選做了應(yīng)力檢測，主結(jié)構(gòu)滿足使用要求，個別梁柱構(gòu)件超限，按要求更換后達(dá)到要求，如圖5。

圖5

3.6 堆料機(jī)性能提升計算校核

（1）堆料機(jī)現(xiàn)狀分析

一期現(xiàn)有堆料機(jī)S2，臂架皮帶機(jī)帶寬B=2000mm，帶速4．33m/s，最大傾角13°，實(shí)際額定堆料能力為5500t/h，理論上滿足改造目標(biāo)運(yùn)量，但在實(shí)際生產(chǎn)中存在堵料壓停的情況。

（2）堆料機(jī)性能核算

①堆料機(jī)尾車物料拋物線軌跡變化核算

以拋離點(diǎn)為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，豎直方向?yàn)閥軸，物料運(yùn)輸工況可簡化為斜拋運(yùn)動，根據(jù)斜拋運(yùn)動的物理特性其三大常量為

其中：皮帶機(jī)系統(tǒng)改造前物料射入速度V01=4．4m/s，改造后物料射入速度 V02=5m/s。

根據(jù)圖紙資料有，射入角度θ=15°，拋離點(diǎn)與擋料板最大間距S=1．975m，重力加速度g=10m/s2。

由以上可以得出：

系統(tǒng)改造前物料運(yùn)動軌跡方程式

系統(tǒng)改造后物料運(yùn)動軌跡方程式

通過運(yùn)動軌跡與圖紙資料相結(jié)合進(jìn)行比較，皮帶機(jī)系統(tǒng)改造前與改造后的物料均能較好地落于擋料板下部，不會在因撞擊位置較高引起物料外溢撒出。

②堆料機(jī)漏斗通過能力核算

根據(jù)《DTII皮帶輸送機(jī)設(shè)計選用手冊》，帶式輸送機(jī)輸送帶上物料的最大截面積S按下式計算：

其中：

b——有效帶寬，m

B——皮帶有效帶寬；

l3——中輥長度；

λ——槽角；

θ——動堆積角。

計算結(jié)果：

經(jīng)過計算，輸送帶上物料的最大截面積S=0．3882m2。

漏斗斷面截面積 F=1．26m2。

比值 I=F/S=3．24。

漏斗的輸送能力可按下式計算：

Q=3600Fvρψ

其中：

F——溜槽斷面截面積；

v——物料在漏斗中運(yùn)動速度，參考設(shè)計手冊選??；

ρ——堆積密度；

ψ——物料在漏斗內(nèi)的充滿系數(shù)。

計算結(jié)果：

漏斗的理論通過能力Q=5783．4t/h＞5400t/h（改造前皮帶機(jī)最大輸送能力）。

③根據(jù)上述理論計算表明，堆料機(jī)漏斗溜筒能夠滿足改造要求，不需做結(jié)構(gòu)改造，但在實(shí)際生產(chǎn)中受到多種作業(yè)因素的影響，容易在漏斗側(cè)壁產(chǎn)生粘煤等現(xiàn)象，導(dǎo)致實(shí)際的漏斗通過能力小于理論計算的通過能力。另外，在系統(tǒng)剛啟動時來料容易產(chǎn)生大料頭，短時間內(nèi)皮帶機(jī)運(yùn)輸量陡增導(dǎo)致物料不能及時通過漏斗進(jìn)而造成撒煤現(xiàn)象的發(fā)生。為避免出現(xiàn)堵料情況，我們把漏斗內(nèi)部打格襯板更換為光面襯板，保證料流通暢下泄。

3.7 供配電、控制系統(tǒng)改造

在工藝設(shè)備改造方案確定后，對供配電、控制系統(tǒng)也制定了相應(yīng)的改造方案。

（1）BFBHBD線帶式輸送機(jī)供電及照明系統(tǒng)改造

卸車流程皮帶機(jī)BFBHBD驅(qū)動裝置僅功率增加而數(shù)量不變,改造后新更換的各高壓驅(qū)動電機(jī)電源引自原有高壓MCC配電柜，依據(jù)改造后各高壓驅(qū)動電機(jī)功率調(diào)整對應(yīng)高壓MCC配電柜綜保裝置定值；改造后各驅(qū)動電機(jī)制動器電源引自原制動器低壓MCC配電柜回路?，F(xiàn)場高壓電纜加設(shè)電纜中間頭，對電纜做加長處理；低壓電纜進(jìn)行更換且電纜按原電纜路徑敷設(shè)。

BFBHBD線帶式輸送機(jī)配套控制系統(tǒng)由于皮帶機(jī)驅(qū)動裝置僅功率增加而數(shù)量不變，改造后新更換的各驅(qū)動電機(jī)電源引自原有MCC配電柜，相應(yīng)控制信號不改變。

（2）變電所容量校核

根據(jù)我司2017年生產(chǎn)負(fù)荷統(tǒng)計數(shù)據(jù)，變電所2017年1月份單段最大負(fù)荷為4408kW，單段最大負(fù)荷電流為424A。本工程新增單段最大負(fù)荷為546kW（以單段新增最大負(fù)荷乘0．65計），改造后依據(jù)設(shè)備主要參數(shù)變電所單段最大負(fù)荷為4954kW，單段最大負(fù)荷電流為477A，改造后變電所最大負(fù)荷電流為954A（以單段最大負(fù)荷電流乘2計）。

目前變電所6kV母線為單母線分段的運(yùn)行方式。若考慮當(dāng)任一路電源線路發(fā)生故障或檢修時，另一回線路帶兩段6kV母線運(yùn)行的情況，變電所進(jìn)線柜斷路器容量（1250A）滿足改造后設(shè)備總的用電需求，但變電所進(jìn)線電纜型號及規(guī)格為2×（YJV-8．7/10kV-(3×185)），總載流量（852A）不滿足改造后設(shè)備總的用電需求，因此我們對每段增加1根進(jìn)線電纜，進(jìn)線電纜型號及規(guī)格為YJV-8．7/10kV-(3×185)，電纜沿原電纜橋架敷設(shè)至變電所進(jìn)線柜。

4 改造效果

方案論證可行后，我們對黃驊港一期CD2-BF2-BH2-S2卸車流程進(jìn)行了改造，利用5天分兩次停機(jī)完成了更換5臺驅(qū)動滾筒和3臺高壓電機(jī)；CD2振動給料器、漏斗分煤板改造；BF2頭部漏斗擋板危險改造、除鐵器位置調(diào)整等改造內(nèi)容，達(dá)到了4800t/h的改造目標(biāo)，目前設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。因此，針對現(xiàn)有設(shè)備和利用現(xiàn)有條件進(jìn)行挖潛提能增效，用較低的成本也能給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)收益和社會效益。

參考文獻(xiàn)：

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[2]DTII皮帶輸送機(jī)設(shè)計選用手冊．

[3]GB/T10595-2009,帶式輸送機(jī) [S]．