封閉式充氣膜儲煤場在內(nèi)蒙古上海廟鄂西物流園區(qū)項目的應(yīng)用

張 凱

(中煤天津設(shè)計工程有限責(zé)任公司，天津 300120)

內(nèi)蒙古上海廟鄂西物流園區(qū)隸屬于內(nèi)蒙古上海廟鄂西物流有限責(zé)任公司，是集煤炭儲存、選配、運銷為一體的大型煤炭物流園區(qū)。項目位于上海廟能源化工基地，地處呼和浩特、包頭、銀川經(jīng)濟帶，介于寧東、蒙西兩大經(jīng)濟板塊之間，與全國十三個億噸級煤炭生產(chǎn)基地之一的寧東能源化工基地毗鄰，處于我國西煤東運、北煤南運的結(jié)合部，區(qū)位優(yōu)勢明顯。項目總建設(shè)規(guī)模為30.0 Mt/a，分兩期建設(shè)，一期項目建設(shè)規(guī)模為5.0 Mt/a。

為避免儲存的原煤受到惡劣自然環(huán)境影響，防止煤塵隨風(fēng)飛揚，浪費資源，污染環(huán)境[1]，在物流園區(qū)設(shè)計時，同步設(shè)計儲煤設(shè)施。根據(jù)計算，儲煤設(shè)施的容量為16萬t。

1 常用封閉式儲煤場結(jié)構(gòu)

目前常用的封閉式儲煤設(shè)施主要有圓筒倉、槽倉、圓形封閉式儲煤場、矩形封閉式儲煤場4種型式。

1.1 圓筒倉

圓筒倉是目前設(shè)計中采用最多的儲煤方式，規(guī)格齊全，通常與物流園區(qū)配套建設(shè)，存儲原料煤或產(chǎn)品煤，可分類存儲多品種煤炭。一般情況下，不同種類的煤炭對應(yīng)存儲在單獨的筒倉內(nèi)，可實現(xiàn)精準配煤。目前國內(nèi)建設(shè)的圓筒倉直徑一般為15 m、18 m、22 m和30 m，最大直徑可達45 m。

直徑22 m以下的圓筒倉通常采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，30 m以上的圓筒倉多采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。倉上采用帶式輸送機或刮板輸送機進行配倉，倉下通常設(shè)置環(huán)式給煤機或振動給煤機取料，再通過帶式輸送機將儲存的煤炭轉(zhuǎn)運至裝車站等后續(xù)工藝系統(tǒng)。

圓筒倉具有以下優(yōu)點：① 技術(shù)成熟，后期維護簡單；② 自動化程度高，可實現(xiàn)無人值守，煤炭的存取可通過集控實現(xiàn)，管理方便；③ 環(huán)保性能好，煤炭產(chǎn)品不落地，不受外界環(huán)境影響，可實現(xiàn)精細化配煤。

其主要缺點為：① 地基處理費用高、建設(shè)周期長[2]；② 噸煤儲量投資高，且其儲量較大時倉體高度較高，煤炭產(chǎn)品爬升高度大，電能消耗高，后期運行費用相對較高；③ 施工工期較長。若儲煤設(shè)施采用圓筒倉，則需新建6座直徑30 m的圓筒倉。

表1 不同直徑圓筒倉造價[3]

1.2 槽倉

槽倉是一種半地下型式儲煤倉，倉體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部采用鋼網(wǎng)架進行維護。內(nèi)部可采用擋墻進行分區(qū)，分類存儲不同品種的煤炭。來料通常采用帶式輸送機+卸料小車的型式，倉下多采用葉輪給煤機取料。通常在有可利用的地形時予以采用。

槽倉的優(yōu)點為：① 煤炭儲運自動化程度高、不需要輔助作業(yè)；② 采用半地下結(jié)構(gòu)，作業(yè)高差較低，后期運行費用低；③ 環(huán)保性能好。

其主要缺點為：① 噸煤儲量投資較高；② 土建施工難度較大，對地形要求較高，地形不可利用則土方開挖量大[4]；③ 施工工期較長。

儲煤設(shè)施若采用槽倉形式，需要一座長260 m，寬50 m的槽倉，地下部分深度約18 m。

1.3 圓形封閉式儲煤場

圓形封閉式儲煤場下部通常設(shè)有鋼筋混凝土擋墻，上部采用半球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行維護。內(nèi)部多采用落煤塔型式或回轉(zhuǎn)式堆取料機型式實現(xiàn)煤炭的堆存，儲煤場下方設(shè)有返煤地道，通過給煤機或回轉(zhuǎn)式堆取料機取料。儲煤場直徑一般為80 m、90 m、100 m、120 m。

圓形儲煤場的優(yōu)點為：① 單位面積存儲量大，噸煤儲量投資相對較低；② 采用全封閉結(jié)構(gòu)設(shè)計，對周圍環(huán)境無影響，環(huán)保性能好；

其主要缺點為：① 建成后無法延伸擴建，且中心柱及地下結(jié)構(gòu)工期較長，設(shè)備和結(jié)構(gòu)造價較高[5]；② 煤場存在死角，需要推煤機輔助作業(yè)；③ 不適合作為多煤種分類存儲的儲煤設(shè)施。

由于本項目要求較高的自動化水平，如采用圓形儲煤場作為儲煤設(shè)施，內(nèi)部采用回轉(zhuǎn)式堆取料機作業(yè)，需建設(shè)2座直徑100 m的圓形儲煤場(單座儲量8萬t)可滿足項目需求。

1.4 矩形封閉式儲煤場

矩形封閉式儲煤場的建設(shè)儲量規(guī)模比較靈活，與其余型式的儲煤場相比，儲煤量上限高，空間較為充裕。在封閉結(jié)構(gòu)方面，矩形儲煤場的建筑結(jié)構(gòu)一般可以采用鋼網(wǎng)架+彩鋼板結(jié)構(gòu)以及氣膜結(jié)構(gòu)[6]。內(nèi)部采用棧橋落煤或者堆取料機進行作業(yè)。

1.4.1 鋼網(wǎng)架+彩鋼板結(jié)構(gòu)

此種結(jié)構(gòu)型式采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圍護，頂部設(shè)計有環(huán)形采光帶，內(nèi)部安裝有煤塵、瓦斯、溫度、通風(fēng)及除塵設(shè)備與儀器。

鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)點為：① 平面布置靈活，空間受力性能好，維護便捷，非常適合大跨度、吊載重的工業(yè)建筑[7]；② 土建工程量相對較小，施工周期較短；③ 適宜分類存儲不同品種的煤炭；④噸煤儲量投資相對較低。

主要缺點在于：① 網(wǎng)殼的矢高很大時，增加了屋面面積和不必要的建筑內(nèi)部空間；② 占地面積相對較大；③ 煤場存在死角，需要推煤機輔助作業(yè)。

1.4.2 氣膜結(jié)構(gòu)

氣膜式儲煤棚的基本原理是依靠煤棚內(nèi)、外的壓力差將一定造型的膜支撐起來[8]，在錨定、充氣后，配以鋼纜系統(tǒng)，使之成為能抵御風(fēng)、霜、雨、雪的封閉式煤炭儲運建筑。

氣膜式儲煤棚的優(yōu)點為：① 全密閉、重量超輕、跨度超大、投資低、能轉(zhuǎn)移使用；② 土建施工速度快，內(nèi)部無梁柱，建設(shè)周期短；③ 采用全智能監(jiān)控體系，可對儲煤場進行實時監(jiān)測；④ 設(shè)施易于維護，運行費用低。其主要缺點為：需長期充氣、保證壓差，有一套空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對控制要求高。

圖1 氣膜式儲煤場外形

該技術(shù)在國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)有不少成功的先例，國內(nèi)部分已完成充氣膜封閉式儲煤場項目見表2。

儲煤設(shè)施若采用矩形封閉式儲煤場型式，需要建設(shè)1座長400 m，寬120 m的矩形封閉式儲煤場，內(nèi)部配置堆取料機進行堆取料作業(yè)。

表2 國內(nèi)部分已完工充氣膜封閉式儲煤場項目

2 儲煤場結(jié)構(gòu)型式比選

儲煤系統(tǒng)是物流園區(qū)建設(shè)的核心，決定了項目的建設(shè)規(guī)模和投資水平。

結(jié)合內(nèi)蒙古上海廟鄂西物流園區(qū)項目的實際情況，對幾種儲煤設(shè)施進行了技術(shù)經(jīng)濟對比，詳見表3。

由表3可見，① 圓筒倉及槽倉造價遠高于圓形及矩形封閉式儲煤場，施工工期也相對較長；② 圓形封閉式儲煤場與矩形封閉式儲煤場(鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu))造價及施工工期相近，但單座圓形封閉式儲煤場僅能存儲單一煤種，不適用于摻配煤種較多的情況；③ 矩形封閉式儲煤場(充氣膜結(jié)構(gòu))造價最低，施工工期最短。

表3 封閉式儲煤場結(jié)構(gòu)形式技術(shù)經(jīng)濟對比

內(nèi)蒙古上海廟鄂西物流園區(qū)項目建設(shè)廠址平坦，無可利用地形，且地下水位較高，如采用槽倉，土方開挖量大，基坑處理施工困難，投資較高；物流園區(qū)需要的倉儲能力較大(16萬t)，需存儲的煤產(chǎn)品種類較多，如采用圓筒倉則會導(dǎo)致煤倉數(shù)量過多，投資太大，因而不適宜采用；而圓形封閉式儲煤場僅能儲存單一煤種，同樣不適應(yīng)園區(qū)多煤種存儲的需要。經(jīng)比較可知，矩形封閉式儲煤場比較適合上海廟鄂西物流園區(qū)儲煤設(shè)施的建設(shè)。鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)需定期對上部鋼結(jié)構(gòu)進行維護，相對于鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，充氣膜結(jié)構(gòu)維護量小，造價較低，同時施工工期更短。因此，上海廟鄂西物流園區(qū)最終采用了充氣膜封閉式儲煤場作為儲煤設(shè)施。

3 儲煤設(shè)施工藝及特點

上海廟鄂西物流園區(qū)一期項目建設(shè)充氣膜結(jié)構(gòu)封閉式儲煤場一座，封閉式儲煤場外形尺寸為400 m×120 m×43 m，頂部為圓拱形充氣膜圍護，底部周圈設(shè)置3 m高鋼筋混凝土擋墻，內(nèi)部采用懸臂式堆料機與刮板取料機相結(jié)合的布置型式(見圖2)，規(guī)劃有8個獨立的貨位，每個貨位的儲量是2萬t，總儲量為16 萬t，8個獨立貨位可實現(xiàn)不同規(guī)格原料煤的分類儲存。充氣膜封閉式儲煤場中采用懸臂式堆料機+刮板取料機的布置型式，節(jié)約占地空間、自動化水平高，為國內(nèi)首創(chuàng)。

充氣膜封閉式儲煤場膜材采用高耐候、抗腐蝕、自潔性好的PVDF膜材，工廠成品制作，現(xiàn)場無施工污染。膜材滿足GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》燃燒性能B1級防火要求，符合國家消防標準。

為保證充氣膜有足夠的抗風(fēng)載和雪載能力，氣膜表面設(shè)置斜向交叉加密型鋼纜網(wǎng)系統(tǒng)。采用高強度、防老化、防銹處理的鋼芯熱鍍鋅鋼纜，外包PE保護層。儲煤場受力不依賴于膜材本身，而是通過斜向鋼纜系統(tǒng)將力均勻傳遞并分攤到基礎(chǔ)上。內(nèi)部的壓力可以根據(jù)天氣變化進行調(diào)整，當天氣惡劣時內(nèi)部壓力升高，提高氣膜建筑的剛性。

圖2 充氣膜儲煤場剖面

儲煤場配備有智能控制系統(tǒng)。智能控制系統(tǒng)是整個充氣膜設(shè)施的核心、大腦，控制著氣膜所有設(shè)備的運行[9]。智能控制系統(tǒng)收集室內(nèi)外各種傳感器的數(shù)據(jù)(包括氣膜內(nèi)壓感應(yīng)、室內(nèi)空氣質(zhì)量感應(yīng)、室內(nèi)分層溫度感應(yīng)、瓦斯感應(yīng)、一氧化碳感應(yīng)、粉塵感應(yīng)、室外風(fēng)壓感應(yīng)、室外雪荷載感應(yīng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等)，24 h對內(nèi)部粉塵濃度、氣壓、溫度及室外風(fēng)壓、雪載荷等監(jiān)控，實時將各種數(shù)據(jù)傳回智能化機電控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)采集到數(shù)據(jù)自行分析控制通風(fēng)換氣設(shè)備，保障儲煤場安全、平穩(wěn)運行。

4 結(jié) 語

煤炭物流是煤炭產(chǎn)業(yè)滿足國家能源需求、推動經(jīng)濟建設(shè)和創(chuàng)造價值的重要環(huán)節(jié)[10]。隨著國家和地方環(huán)保力度的加大，煤炭露天堆放已不能滿足環(huán)保要求，封閉式儲煤場成為煤炭物流園區(qū)設(shè)計中的一種必然選擇。在工藝設(shè)計時應(yīng)具體分析各物流園區(qū)的地形條件、投資規(guī)模、自動化程度、建設(shè)工期及配煤工藝等條件，結(jié)合具體項目量身定制，確定適宜的封閉式儲煤場布置型式。充氣膜封閉式儲煤場以其外形美觀、節(jié)能環(huán)保、維護量小、建設(shè)周期短的優(yōu)點，逐漸成為一種新的選擇。