对火电厂圆形封闭煤场的经济分析

摘要:本文通过火电厂封闭式圆形煤场的造价控制因素进行分析,针对煤场采用不同直径时各种方案的技术可行性和经济性进行分析与比较,为封闭式圆形煤场的合理和经济设计提供必要的参考。

关键词: 火电厂;圆形封闭煤场;经济分析

1概述

封闭式圆形煤场是燃煤火力发电厂煤储存设施的统称,包括煤场机械设备和土建两部分。煤场机械设备主要由中心柱及下部的圆锥形煤斗、堆料机、取料机、振动给煤机等组成;土建部分则主要包括钢网壳屋盖和钢筋砼挡煤墙、进仓栈桥和出仓地道组成,典型断面如图1所示。单个直径为120m的封闭煤场正常贮量在17万~20万吨,可以满足2×600MW电厂运行15~20天的要求。

对于环保要求不断提高的今天和日益强调资源节约的今天,封闭式圆形煤场的环保性能和降低贮藏干煤损耗的优点突出,同时系统采用的设备先进,自动化程度高、煤场堆煤回取率和场地利用率高,从而能够有效地节约煤炭资源和项目用地。从环保、减低煤的损耗和实现资源节约等方面综合考虑,其应用将越来越广泛。

2经济性分析

国内首个封闭煤场~福建漳州后石电厂封闭煤场建成后,目前已建成和在建的有宁海电厂、福建可门电厂、广东汕尾电厂、广东河源电厂、厦门嵩屿电厂等工程,其主要的结构形式分为分离式(带扶壁柱的钢筋砼挡煤墙+大跨度空间球面网壳结构屋面)和整体式(大直径筒仓钢筋砼挡煤墙+大跨度空间球面网壳结构屋面)两种形式。对已建工程的整体造价进行分析可知120m直径封闭煤场在采用国产设备后土建费用约占总造价的60%以上,因此土建费用对整体造价起控制作用和决定作用, 120m直径封闭煤场典型土建工程量构成见表1。

图1封闭式圆形煤场典型横断面图

表1120m直径封闭煤场典型土建工程量构成一览表

分项 基础 上部结构扶壁柱挡煤墙 钢网壳结构 屋面（维护） 工程造价

比例 19．6% 50．3% 19．3% 10．8% 100%

由上表可知,土建费用中的基础和上部结构扶壁柱挡煤墙造价占土建总造价的70%左右,而钢网壳屋面结构和屋面系统的造价约为30%,因此对挡煤墙和基础进行优化可以有效地降低封闭煤场整体造价。

3挡煤墙的受力特性分析与优化

对于挡煤墙的受力情况进行分析可知其承受的荷载主要来源于煤场内的堆煤压力、上部钢网架屋面的结构自重和水平推力,温度和地震作用。通过对广东河源电厂封闭煤场的挡煤墙进行有限元分析可知,钢网壳屋面传至挡煤墙上的水平力仅为堆煤侧压力的1/15左右,堆煤侧压力和温度作用是主要的控制工况,因此在项目厂址确定后,挡煤墙的结构优化工作主要是对堆煤侧压力作用的优化。

为有效降低挡煤墙堆煤侧压力,第一种方法是在不改变封闭煤场直径时采用半地下式结构(通过合理调整挡煤墙基础的埋深,充分利用挡煤墙地下部分外侧的土压力来平衡部分堆煤侧压力以减少挡煤墙结构总的侧压力);第二种方法是采用直接扩大煤场直径,通过降低作用在挡煤墙处的最大堆煤高度来实现堆煤侧压力的减小,少了方法一受地下水制约工程造价合理埋深有限等方面的影响,是一种非常直接和有效的方法。假定堆煤高度为H时单位长度挡煤墙上的堆煤水平推力为P,根据三角比例换算关系可知堆煤高度降低为H/2时,单位长度挡煤墙上的堆煤水平推力将减小为P/4,堆煤高度降低为H/4时,单位长度挡煤墙上的堆煤水平推力将减小为P/16,其受力特性优化的效果是很显著的。作为一种极限状态,对于直径为120m的封闭煤场,堆煤角38°,堆煤高度为18m,当煤场的直径增大46m (2×18m×tan38°),即将其直径调整为166m时,作用在挡煤墙的堆煤侧压力降为零。

4不同直径封闭煤场的技术比较与经济分析

煤场直径的调整后会直接导致上部钢网壳用钢量的增加和封闭煤场占地面积的加大,因此从封闭煤场的整体优化来讲应综合考虑上部结构和下部结构的总造价来确定此种方案实施的可行性和经济性,也就是同时考虑钢网壳屋面的合理跨度和下部砼挡煤墙的经济高度两个控制要因来实现煤场整体经济性最优的目标。

无论是降低挡煤墙的高度还是基本取消挡煤墙的优化方案,其基本原则均是应满足工艺堆取料机的工作面要求,为保证钢网壳屋面满足这一设备正常工作的要求,可采取的解决方案是在严格保证球形网壳最高点标高不变的原则下,逐渐增大球壳的球径及跨度,图2详细表达了封闭煤场球面网壳屋面直径变化与挡煤高度调整的大致对应关系。这种处理方案的优势主要表现在以下两个方面:其一是在球面网壳直径增大的同时可以有效地减小下部网壳支承结构-挡煤墙的高度,在保证储煤容量的不变前提下网壳跨度增加的越大使得土建所需设置的挡煤墙高度越小,从而实现有效地优化挡煤墙的整体受力和混凝土工程量的目标;其二随着堆煤高度的降低挡煤墙的承受的堆煤侧压力相应减小,挡煤墙的地基处理费用也相应降低。不难看出当网壳直径足够大的时候,堆煤可以直接按其自然堆煤线状态堆积在网壳内而不与任何周边结构保持接触,也就是达到了堆煤和煤场的封闭结构可以完全脱开,球面网壳屋面仅仅是起一个直接落地封闭屋盖的作用,此时完全可以取消挡煤墙或是采用有限高度的砌体来处理就可满足要求。

图2封闭煤场球面网壳屋面直径变化与挡煤高度调整对照图

根据上述分析,结合广东某电厂120m直径封闭煤场的设计优化,对采用不同直径封闭煤场进行相应的技术经济比较,以期获得最优选的设计方案。下面分别对网壳跨度为130m、140m、150m和160m的屋面模型采用MSTCAD进行分析试算,主要计算参数如表2所示:

表2不同直径封闭煤场网壳外形参数单位: m

模型编号 网壳跨度 网壳球径 网壳厚度 矢高 支座高度

比照模型 120 62.5 2.8 45.7834 20.7

模型1 130 67.5 2.8 48.5549 19.4

模型2 140 72.5 2.8 52.9324 15.0

模型3 150 77.5 3.0 57.3265 10.1

模型4 160 82.5 3.0 61.7360 6.2

网壳具体计算分析时,网格拓扑形式采用经纬线型双层螺栓球球形网壳,按《网壳结构技术规程》(JGJ61-2003, J258-2003)确定网壳的经济网格尺寸;为了减小对计算模型影响,对于直径变化后的模型1~4的网壳支座均视为不动铰支座来计算分析;分析计算的荷载主要考虑了恒载,活载,风荷载和温度荷载。此外,为便于比较不同直径的封闭煤场的挡煤墙均按整体式砼结构(整体连续钢筋混凝土挡煤墙)考虑,并采取内设预制混凝土槽板的煤自燃预防措施;挡煤墙基础均采用桩基础,桩型为灌注桩,所需桩数按煤场半堆煤时产生的水平力来控制,同时考虑构造要求的最小桩中心距要求来确定最终所需的桩数。

对计算结果进行分析可知,在同一荷载条件下,随着网壳跨度的增加,网壳的总用钢量和单位投影面积用钢量都增加,网壳用钢量与跨度的关系并非简单的线性关系;与此同时,砼挡煤墙的墙体、基础及地基处理的工程量随着网壳跨度增大而减小。采用不同直径的封闭煤场综合技术经济比较见表3。

表3不同直径封闭煤场综合技术经济性比较

跨度/m 120 130 140 150 160

上部钢结构/t 494.5 537.6 630.8 752.5 882.4

屋面压型钢板/ 19512 21590 25166 29025 33168

混凝土挡煤墙/ m³ 7166 6444 4953 3160 1730

隔热槽板/ m³ 1334 1341 1063 686 346

承台混凝土/ m³ 6491 6939 5495 2356 2511

桩基础/根 654 608 443 337 348

造价/万元 3817 3774 3251 2695 2772

百分百/% 100 98.8 85.2 70.6 72.6

备注 各分项工程综合单价：网壳钢材：9300元/t压型钢板：215元/，灌注桩砼：950元/m³，挡煤墙砼：1300元/ m³。

表中上部钢结构用钢量为欧洲规范，前苏联规范和中国规范三种风荷载计算方式下用钢量的加权平均值。

表中桩的数量为整个煤场区域桩基数量。

跨度为150m、160m时基础的桩数由构造要求的桩中心距控制。

表中未考虑占地增加所需增加的费用。

5结论

综上所述,可以得出如下结论:

(1)保持堆取煤设备作业半径不变和保证储煤容量不变的前提下,增大封闭煤场直径后可有效地优化挡煤墙受力特性而直接降低煤场的地基基础处理、砼挡煤墙工程量及费用,虽然上部钢网壳结构的工程量和造价相应有所增大,但其增加的幅度低于砼降低的幅度,是完全可以实现优化设计的降低工程造价目标。

(2)封闭煤场直径的加大势必会增加占地面积,同时对设备的正常运行提出了如伸臂长度调整增加推煤机等方面调整的要求,因此在总平面布置许可和占地费用合适的情况下,在设备能够正常运行条件下采用增大封闭煤场直径的办法来达到优化设计才是可行的。

(3)封闭煤场直径的调整从可行性和经济性来看最优直径大约在140m~150m・,并不是直径加大到极限效果最佳,在实际的设计优化中应综合考虑各方因素来确定。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。