火力发电厂煤场全封闭改造设计探讨

姜杰峰

神华国能宁夏煤电有限公司鸳鸯湖电厂 宁夏银川 750411

1 煤尘产生的原因分析

火力发电厂煤场的主要污染物为煤尘，其排放源主要有：煤场、转运站、碎煤机室、运煤胶带输送机通廊等。煤尘主要是煤在运输、装卸、粉碎等操作过程中向大气逸散而形成的污染。

煤场是作为这些生产工序的操作区，因此成为粉尘污染的主要场所。燃煤在皮带运输、煤机堆煤、以及刮风时都会产生扬尘，尤其是刮风扬尘，不仅起尘量多，而且扬尘颗粒粒径大，污染范围广，造成的污染最为严重。转运站、碎煤机室及运煤胶带输送机通廊等在燃煤转运、破碎时，煤粉可由设备敞口处逸散，对燃煤建筑造成污染[1]。

2 煤场全封闭建设规模

某火力发电厂现有运行机组为一期发电机组，容量为2＊135MW，日平均消耗煤量0．5万吨左右。煤场结构跨度90米，日常储存煤种2种，分煤种分堆堆放，煤堆之间要有明确的分断线。根据锅炉燃烧对煤质要求进行掺配才能达到锅炉用煤要求。进煤采用汽车进煤方式，需要留有足够的汽车活动空间。煤场在目前运行过程中的存煤能力约3．5万吨左右，为满足存煤量，必须保证封闭后储煤场面积在1万平米以上，才能保证煤场的安全储煤、汽车运煤和掺配用煤的要求。

3 煤场封闭围护类型

目前煤场较常用的封闭样式主要有三种，为筒仓、圆形封闭煤场、拱型条形封闭煤场，通过对筒仓、圆形封闭煤场、拱型条形封闭煤场等三种封闭煤场围护类型特点分析，结构方案选择需要综合考虑煤场已有建构筑物平面布局、现有运行方式、既有输煤设施、煤场规模、结构跨度对结构体系的技术要求、安全性、可实施性以及施工场地要求、施工周期和工程投资等诸多因素，选择适用的结构形式。本项目选择采用拱型条形封闭煤场方案对现有煤场进行封闭改造。

拱型条形封闭煤场是国内外电厂堆煤场常用的成熟技术方案，因其煤场堆取料机设备成熟、设计施工便利而广泛使用。拱型条形封闭煤场在堆取料设备配置、储煤量、延伸扩建条件、施工运行条件、场地利用率和降低综合造价等方面，比筒仓、圆形封闭煤场更有优势[2]。

4 拱型条形封闭煤场结构类型

封闭煤场上部结构包括两部分：承重结构及围护结构。承重结构是煤棚的骨架，承受自身及围护结构的自重、活荷载、风荷载、雪荷载及地震作用，确保干煤棚的整体强度及稳定。围护结构是干煤棚的表皮，包括檩条及屋面板，起遮挡作用，局部损坏不影响干煤棚的整体安全，在干煤棚使用期间可以随时更换。

拱型条形封闭煤场目前常采用的结构方案有网架结构体系、拱型预应力张弦桁架结构体系、普通钢桁架结构体系。

4.1 拱型普通钢桁架结构

（1）拱型普通钢桁架上、下弦及腹杆采用高频电焊钢管及无缝钢管，钢材采用Q345B低合金结构钢，钢结构设计控制比国家规范更为严格，重要钢构件强度、稳定应力比≤0．85，其它钢构件强度、稳定应力比≤0．95。本方案与基础连接的支座节点采用铰接支座，以减小支座反力，节约基础用量。屋面围护结构可采用“檩条+彩钢板”方案。屋面维护结构面层为0．7mm的单层彩色镀铝锌压型钢板，面漆为改性聚酯漆。为满足采光的要求，屋面每隔一定距离沿横向设特殊树脂采光板。

（2）普通钢桁架结构的优点。①力学特征明确。普通拱形钢管桁架结构是典型的平面单向受力结构，与网架结构相比，其力学特征更符合拱形条仓的造型，材料利用率较高；②耐腐蚀性强：普通钢管桁架结构相贯节点封闭性好，不易腐蚀，与焊接球网架相似，钢桁架结构体系耐腐性能强于螺栓球网架结构体系；③工程应用广泛：普通钢管桁架结构在国内外建筑中已广泛应用，结构技术成熟。

（3）普通钢桁架结构的缺点。①工程造价高：由于没有预应力拉索的平衡作用，普通钢桁架结构需要较多的杆件实现结构承载安全，普通钢桁架主体结构数量是预应力钢桁架结构2倍左右，钢结构工程量较大，导致工程造价高；②后期维护费用高：与预应力钢桁架结构相比，普通钢桁架结构构件数量多（为预应力钢桁架结构2倍以上），构件表面积大，后期防腐费用增加，因此，在煤场设计使用年限以内，钢桁架结构后期防腐维护较预应力钢桁架结构增加；③施工周期长：普通钢桁架结构主虽可采用“分段组拼、累积滑移”法，但与预应力钢桁架结构相比，普通钢桁架结构主拱桁架榀数多，焊接量较大，导致施工周期较长；④基础用量大：由于没有预应力拉索的平衡作用，无法有效减少拱形结构对基础的推力，因此，基础用量较大。与预应力钢桁架结构相比，普通钢桁架结构是其价格1．15倍左右。

（4）结论。普通钢桁架结构在国内外应用非常普遍，耐腐蚀性较好，但其工程造价高、后期维护费用高、施工周期长、基础用量大、抵抗基础不均匀沉降强、温度应力释放能力差。

4.2 拱型预应力张弦桁架结构

（1）预应力钢结构通过科学合理地引入自平衡的预应力构件，将上弦刚性受压构件（即钢桁架）通过撑杆与下弦拉索组合在一起形成自平衡的受力体系，能够充分发挥材料的力学性能，创建出结构力学高效、安全、经济、造型美观的现代建筑结构体系。上、下弦及腹杆采用高频电焊钢管及无缝钢管，钢材采用Q345B低合金结构钢，钢拉索高强度钢绞线，钢结构设计控制比国家规范更为严格，重要钢构件强度、稳定应力比≤0．85，其它钢构件强度、稳定应力比≤0．95，重要钢拉索强度应力比≤0．4，其它钢拉索强度应力比≤0．45。桁架与基础连接的支座节点采用铰接支座，以减小支座反力，节约基础用量。屋面围护结构采用“檩条+彩钢板”方案。屋面维护结构面层为0．7mm的单层彩色镀铝锌压型钢板，面漆为改性聚酯漆。为满足采光的要求，屋面每隔一定距离沿横向设特殊树脂采光板[3]。

（2）预应力索结构的优点。①跨越能力强：预应力钢结构具有超强的跨越能力，已建造跨度超过300m的罩棚结构，可有效解决现有钢网架结构跨度小（小于120m）、占地大等问题，节约土地资源；②结构力学特性优越：预应力张弦桁架结构体系是主次清晰的单向受力结构，其结构体系最大限度的优化结构内力，与普通钢桁架结构相比，节省钢材用量10%～15%，节约工程造价；③耐腐蚀性强：预应力钢桁架相贯节点封闭性好，不易腐蚀，钢结构的钢索防腐能满足全寿命周期要求，防腐年限可达到50年；④施工速度快：构建工厂拼接或现场地面拼装量大，每个桁架仅需2处高空拼接点，安装速度很快，对正常生产运营影响小。

（3）预应力索结构的缺点。预应力张弦桁架（预应力索结构）对设计、施工的技术能力要求较高，施工技术难度加大。

（4）结论。预应力张弦桁架结构跨越能力强、结构力学特性优越、耐腐蚀性强。但对设计及施工的技术要求很高，对跨度小于130m的结构体系工程造价偏高，其经济性体现不出来。与螺栓球网架结构相比，预应力张弦桁架结构是其价格1．3倍左右。

4.3 螺栓球网架结构

（1）螺栓球网架结构是由很多杆件从两个方向或多个方向有规律地组成的高次超静定空间结构。网架上、下弦及腹杆采用高频电焊钢管，钢材均采用 Q345 低合金结构钢。网架节点采用螺栓球节点，将杆件通过高强螺栓连接于螺栓球上。是目前应用最为广泛的一种节点形式。

支座节点是网架结构与下部支撑结构联系的纽带，也是整个结构最重要的部位。网架支座处为铰接点，包括竖向的连接板和水平的连接板，具有足够的刚度和强度。为了增加储煤量，煤场四周设置高度为5m 的钢筋混凝土挡煤墙，沿挡煤墙方向每隔一定距离设置钢筋混凝土柱，柱子对挡煤墙起一定的约束作用，网架支座位于柱顶，与柱子可靠连接。

屋面围护结构可采用“檩条+彩钢板”方案。屋面维护结构面层为0．7mm的单层彩色镀铝锌压型钢板，面漆为改性聚酯漆。为满足采光的要求，屋面每隔一定距离沿横向设特殊树脂采光板。

（2）螺栓球网架结构的优点。①网架结构最大的特点是由于杆件之间相互支撑作用，刚度大、整体性好、抗震能力强，而且能够承受由于地基不均匀沉降带来的不利影响。即使在个别杆件受到损伤的情况下，也能自动调节杆件内力，保持架构的安全；②网架结构自重轻，节约钢材；③网架结构适应性强，既适用于中小跨度的建筑，也适用于大跨度的房屋，而且从建筑物平面型式上来说，网架结构也可以适应各种平面形式的建筑：如矩形、圆形、扇形及各种多边形等平面建筑形式；④网架结构由于其杆件规格划一，适宜工厂化生产，为加速工程进度提供了有利条件和保证。

（2）螺栓球网架结构的缺点。①耐腐蚀性差。由于本工程处于煤场环境，属于煤硫化物强腐蚀工业大气环境。钢材与这些腐蚀性介质发生电化学反映，产生锈蚀。连接球节点和杆件的高强螺栓螺纹防腐处理难度较大，连接处腐蚀介质极易堆积，存在比较严重的锈蚀问题；②网架存在大面积堆载的问题。由于大面积的堆载，容易造成网壳结构支座的沉降和向外滑移，由此产生附加内力，对支座附近的节点和杆件有一定的影响。

（3）结论。螺栓球网架结构具有刚度大、整体性好、抗震能力强，对于跨度小于130m的结构体系，工程造价偏低，施工难度小，施工周期短等特点，在国内已有煤场的封闭工程中应用非常普遍。虽然其存在着耐腐蚀性差的问题，采用热浸锌防腐措施（浸锌厚度≥50μm）可以有效解决这个不足。

5 各结构类型分析

通过对筒仓、圆形封闭煤场、条形封闭煤场等不同封闭煤场围护类型特点分析，根据拟改造煤场实际现状，若采用圆形煤场和筒仓结构均需要重新改造原有输煤系统，增加高位栈桥及配套输煤系统，相比较投资高、改造难度大、施工周期长。所以选择采用条形封闭煤场类型。

通过对条形封闭煤场三种钢结构体系特点进行分析，预应力张弦桁架结构、普通钢桁架结构及螺栓球网架结构均在国内有较成熟应用。

预应力张弦桁架结构虽然跨越能力强、结构力学特性优越、耐腐蚀性强，但该结构体系对设计及施工的技术能力均有较高要求，需要具有丰富经验的预应力钢结构设计单位进行设计工作。同时施工过程需要进行全过程施工仿真分析，并根据施工仿真结果指导施工，对桁架结构安装精度及预应力张拉精度要求严格，对施工单位能力要求较高。对与本项目而言，结构跨度约90米，对跨度小于130m的结构体系工程造价偏高，约高出螺栓球网架结构24%，其经济性体现不出来。

普通钢桁架结构耐腐蚀性较好，技术成熟，与螺栓球网架结构相比，工程造价比预应力张弦桁架结构稍高，现场焊接量大，施工周期长，对于电厂正常运行有一定影响。工程造价约高出螺栓球网架结构30%。

本工程结构跨度约90米，采用螺栓球网架结构现场焊接工作量相对较小，施工周期短，且现场施工过程中对现有煤场运行的影响最小，工程建设投资相对最少。

6 结语

随着我国经济的快速发展、环境保护力度的加强和节能减排工作的大力开展，粉尘的排放控制日益受到重视。切实改善和提升城市环境空气质量已成为各级党委、地方政府“十三五”期间最大的民生工程及核心工作之一。

煤尘不仅污染环境，同时大量的煤炭也会以扬尘的形式飘散于空气中，造成煤炭资源的流失；露天煤场储煤汛期受雨水冲刷也造成一部分煤炭资源损失，煤场封闭改造完成后可有效降低煤炭资源通过上述两种方式造成的损耗。

对储煤场进行封闭式改造，是国家到地方各级环保部门的明确要求。煤场封闭改造完成后可有效降低空气的扬尘量，提高周边环境空气质量，同时降低燃煤扬尘流损。宁夏宁鲁煤电有限责任公司灵州电厂煤场进行全封闭改造具有十分重要的必要性。