輸煤系統中防堵圓形曲線落煤管的設計

傳統的輸煤系統落煤管及皮帶機頭部漏斗設計為標準部件，不考慮物料的拋料曲線及其在落煤管內部的運動軌跡，雖然可使得設計簡便，但存在以下的一些問題：轉運點處現場粉塵污染嚴重、堵煤現象時有發生，落煤管內部襯板磨損特別嚴重，需頻繁更換[。通過研究結果顯示，基于離散元技術為主導設計思路的防堵圓形曲線落煤管可以有效解決此類問題。

1.防堵圓形曲線落煤管技術簡介

1.1離散元技術

離散元法（DEM），是一類用于計算大量小顆粒運動和效果的數值方法之一。盡管DEM與分子動力學密切相關，但該方法通常通過包含旋轉自由度以及具有狀態的接觸和通常復雜的幾何形狀（包括多面體）來加以區分。隨著計算能力的提高和用于最近鄰排序的數值算法的進步，現在已經可以在單個處理器上數值模擬數百萬顆粒。如今，DEM正被廣泛認可為解決顆粒流、粉末力學和巖石力學等顆粒和不連續材料工程問題的有效方法。DEM已經擴展應用到考慮熱傳遞、化學反應以及與CFD（計算流體力學）和FEM（有限元法）的耦合。

離散元方法計算要求繁復，因而限制了模擬的時長或顆粒數目。許多DEM軟件取法于分子動力學軟件在并行處理技術中的先進技術，運用共享及分散式處理方法，極大的提升了顆粒數量和模擬時間的擴展潛力；對眾多顆粒進行物理均衡化作業，視物質為一個連續的連續性物質的整體。在土壤力學及固體顆粒的研究領域里，連續體方法一般將材料視為彈性或彈塑性形態，采用有限元與無網格技術對模型進行構建及解析操作。在處理液態與氣態顆粒流現象時，該模型將材料視為流體介質，實施計算流體動力學。

1.2EDEM軟件

EDEM系列軟件是全球領先的散料機械仿真軟件，它可以高效、準確地仿真煤炭、礦石等散裝顆粒的流動行為。EDEM系列軟件的原理是通過牛頓運動定律和材質間的接觸模型來計算每一個顆粒的運動與碰撞，通過大量迭代運算，最后得到整體物料流動結果。EDEM軟件主要由前處理器（EDEMCreator）、求解器（EDEMSimulator）和后處理工具（EDEMAnalyst）三大功能模塊組成[2。

1.3物料模型的校準

EDEM系列軟件能夠得到整體物料流動的結果，從而為設計提供了有力、準確可靠的依據。物料校準是EDEM系列軟件仿真模擬最為核心的一部分，也是關系到最終仿真結果準確性的關鍵環節。物料校準是指把虛擬的物料模型通過實驗、調節參數，達到與現實效果幾乎一致的過程。在仿真模擬之前，對該工況下所使用的物料進行標定實驗，從中獲取相關實驗數據;之后通過計算機模擬標定實驗，并根據仿真結果進行適當地調整EDEM系列軟件中相應的參數，使得EDEM仿真結果與實驗數據相一致，則表示物料完成了校準的工作，從而保證了仿真模擬的真實性、可靠性[3]。

2.防堵圓形曲線落煤管設計思路

2.1平滑落煤管母線

一種常見的曲線落煤管母線及三維模型如圖1所示。該方案由三部分拼接而成，為1段直線和2段不同半徑的圓弧組成，其特點在于能夠避免產生物料沖擊死角，實現物料平滑有序下落。

2.2適當的落煤管過流面積

傳統標準落煤管，其過流截面為方形且設計思路為落煤管過流面積越大越好，然而實際情況可能并非如此。

傳統溜槽的操控技巧簡單易掌握，但考慮到落煤管的過流面積較大，溜槽內物料流動不易得到有效調整，在復雜多變的

gt;gt;（a）落煤管母線

作業場景里，傳統落煤管往往引發物料堆積、下料點偏移、載重不平衡、膠帶沖擊力增大、粉塵濃度上升及溜槽磨損加劇的問題。

較大的落煤管過流面積以及方形截面容易造成沖擊死角，在經過較長時間的粉塵積累后容易在沖擊死角處積累過量的細小煤灰，從而壓縮煤流的過流截面，造成堵煤。

對應的解決方法為使用新型的圓形曲線落煤管，圓形的截面使得煤流在流動過程中更加地平滑，不容易形成堵煤的現象，從而保證了皮帶機以及整個輸煤系統運行時的穩定。

2.3迭代設計

經過第一次在EDEM系列軟件或者其他離散元仿真軟件中進行物料仿真模擬之后，需要生成與之對應的物料流速圖。如圖2所示，根據獲得的流速圖可以觀察到在落煤管中的哪個位置容易產生較大的物料沖擊夾角，從而導致大煤塊受到沖擊而分解成細小煤粉之后形成的積煤、堵煤情況。

在明白落煤管內的這些沖擊點后，通過調整落煤管母線以及對應的落煤管建模，盡量消除這些沖擊點，并使煤塊在落煤管中流動的速度曲線變得更加圓滑。最終的目的是使這些物料在落煤管中順暢地、無沖擊死角以及無較大沖擊點地進行流動，從而最大程度地減少積煤以及堵煤的情況。

3.廠內落煤管改造前后數據對比

以華東沿海某電廠為例，該電廠在采用防堵圓形曲線落煤管之前，在原煤接卸過程中，堵煤現象頻繁發生，每接卸一艘煤船，停運清理落煤管次數高達十幾次以上，且堵煤后清理時間長，每次清理在2小時以上。堵煤現象統計近三年情況如表1所示。

從統計表中可看出，堵煤現象有愈演愈烈趨勢，嚴重影響該電廠的供煤安全，治理已到了刻不容緩的地步。

2023年，該電廠完成了輸煤系統防堵圓形曲線落煤管的改造工作，所有落煤管均采用了以離散元與有限元耦合仿真為主導設計思路和理念的圓形曲線落煤管。從2023年整年和2024年前8個月來看，在接卸特別濕粘的原煤時，每艘次煤船接卸時堵煤的現象下降至3次左右，消除了因落煤管頻繁堵煤帶來的供煤安全隱患。同時，也證明了防堵圓形曲線落煤管改造

4.結束語

在華東沿海某電廠的應用過程中，該類防堵圓形曲線落煤管的可行性得到了充分驗證，改造方案的合理性和效果顯著，避免了設備的損壞，提升了設備的安全性，這不僅鞏固了企業的安全生產基礎，還為其他火力發電廠的輸煤線路改造提供了可行的改造方案。

參考文獻：

[1]姬紅剛。EDEM技術在選煤廠轉載點溜槽設計中的應用．《礦山工程》，2020年8期

[2]胡斌、陳長健。基于EDEM仿真技術分析物料特性對落料管結構的影響[J].煤質技術，2019，5：56-60.

[3]劉昊軒、高殿榮、秦亞璐等。轉運系統曲線落料管結構參數優化研究［J］．重慶理工大學學報（自然科學），2020，34（7）： 149-155作者單位：國能浙江寧海發電有限公司