【深度】选煤厂设计与建设的未来
发布时间:2018-10-31
作者:郭大林,卫中宽
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引言

笔者在此引入一条广义装配式钢结构选煤厂的概念,其应有两个特点:其一,速度快,施工现场只需要拼装,土建工程量大幅减少,工厂化制作有利于保证工程质量,现场施工效率得以提升,综合工期短。其二,范围广,涵盖了选煤厂地面生产系统中所有建构筑物(基础除外),包括所有车间、栈桥及仓储设施,甚至附属设施;由于设备、非标也来源于工厂,因此可理解为地面以上建构筑物均来自工厂制作。

装配式钢结构选煤厂(仅限主厂房)虽然早已进入中国,但其与我国国情、工业技术发展步伐等深度融合尚未取到令人满意的效果,以至于发展缓慢,不尽如人意。从住建部颁布的《建筑业10项新技术》(2017版)可以看出,未来建筑业将会大力推广装配式施工技术、绿色施工技术、建筑节能技术、建筑防灾减灾技术、建筑信息化技术等,装配式建筑在选煤厂设计与建设中推广指日可待。近5年以来,模块栈桥、钢板筒仓技术取得了长足发展,并已成熟应用,这些新技术为实现“全系统”装配式钢结构选煤厂设计提供了必要条件,再整合已沉淀多年的装配式主厂房技术,完全可以创造出“全系统”装配式钢结构选煤厂。因此,重新审视这一传统工业工程很有意义。

一、历史回顾

时至今日,我们所说的装配式钢结构选煤厂仍仅限于主厂房或某个车间采用了这项技术,在中国,这种狭义的装配式钢结构选煤厂已经历了三个发展阶段。

第一阶段:20世纪60年代,我国从前苏联引入了全钢结构选煤厂(晋阳选煤厂),但在以后的很长一段时间,钢结构在选煤厂设计中很少提及,主要是当时我国的经济建设不允许。

第二阶段:20世纪80年代,配套开发兖州矿区和平朔矿区的同时,我国先后从美国引入了兴隆庄选煤厂和安太堡选煤厂,其中兴隆庄选煤厂为美国罗伯茨—谢菲尔公司(简称 R·S 公司)设计,安太堡选煤厂为美国麦克纳利公司设计,两厂主厂房均为钢框架装配式结构,全新的西方设计理念为中国选煤厂设计注入了新动力,但因投资高、钢材质量不过关、设计施工经验少、尚未形成一套完整的钢结构选煤厂设计体系,装配式钢结构选煤厂未得到推广。

第三阶段:1998年澳大利亚朗艾道公司在晋城成庄矿建设了中国第一座模块式选煤厂,其设计能力为2.40Mt/a,采用两产品重介旋流器分选工艺,入洗0-13mm原煤。其先进、高效、新颖的特点令人耳目一新,之后短短两年时间,中国又先后建成了重庆三汇坝、淮北朔里两座模块式选煤厂。按照笔者的理解,模块式选煤厂应该是一种应用了“蒙皮效应”的装配式钢结构选煤厂,其可以做到结构最省,大大降低工程造价。2003年,随着中国煤炭行业黄金十年的到来,美国赛吉满公司进入中国,乌兰木伦、下沟、东欢坨等美系装配式钢结构选煤厂先后建成,其在工艺选择、设备布置、结构设计等方面与澳大利亚模块式选煤厂存在较大区别,各有千秋。此后,这两种不同风格的选煤厂在中国盛行,并针对中国煤质做了相应调整,适应了中国选煤的需要,掀开了我国装配式钢结构选煤厂设计的新局面,同时也提升了本土设计公司的技术能力,推动了中国选煤行业的发展。

虽然某些地区因水质腐蚀等原因,钢结构不太适宜,但总体来看,装配式钢结构选煤厂是成功的。

二、“全系统”装配式钢结构选煤厂的提出背景

经济社会发展对传统建筑业的冲击很大,聚焦选煤厂设计与建设领域,笔者认为主要体现在以下几个方面:

1、价值导向改变了人生追求

众多媒体将雾霾的主因归结于煤炭,大家谈“煤”色变,加之煤炭行业产能过剩,好多煤炭企业仍处于转型路上,行业起色不大。优秀的大学生不愿意进入这一行业,整个煤炭行业面临前所未有的人才危机,尤其是煤炭建设板块。

2、人工成本越来越高

随着中国人口红利的逐步消退,人工成本越来越高,在建筑市场,技术性工人的日工资可达300元。选煤厂多建于边远偏僻地域,工人招生、队伍稳定成为制约项目建设的主要因素,为保证建设质量,现场施工中不得不高价聘请技术工人,建设成本骤升。

3、安全因素得到重视

众所周知,选煤厂建设现场需要大量的工人,为了工人们的安全,需要采取各种各样的措施,无疑之中增加了建设成本。经济社会在发展,人权意识在提高,安全已成为制约生产、创造效益的关键因素,如果能减少现场施工人员的数量,相当于提高了安全系数。目前工业领域人工智能的发展正得益于人们安全意识的提高。

4、绿色环保意识的提升

任何工业建筑均有生命周期,选煤厂也不例外,若干年后是否会产生大量的建筑垃圾如何将这些不利因素降至最低?个人认为应将可能的减少建筑垃圾,从设计源头做起,尽量采用可以回收复用的建筑材料,这是推广装配式钢结构选煤厂的原因之一。随着认识的提高,我们应该采用全生命周期来评价一座选煤厂的社会价值。

5、新技术、新材料的成功研发

自改革开放以来,中国取得了举世瞩目的成就,包括耐腐蚀钢材质量的提升,为钢结构的大量采用奠定了基础。近年来,在原有装配式钢结构主厂房的基础上,行业内科技工作者开发了模块栈桥和钢板筒仓,选煤厂地面生产系统的所有建构筑物均可采用钢结构代替。

三、“全系统”装配式钢结构选煤厂的实现

选煤厂生产系统一般由四部分构成,分别是:主厂房(或其他车间)、浓缩车间、带式输送机栈桥、仓储设施。“全系统”装配式钢结构选煤厂各个生产单元分述如下:

1、主厂房(或其他车间)

选煤厂主厂房或其他车间采用装配式钢结构形式,行业内都已通晓,在此就不一一赘述。在形式选择上,笔者建议有条件的情况下,尽量采用澳大利亚模块式钢结构(如图1所示),因为其将设备、非标、土建结构等融为一体考虑,将“蒙皮效应”发挥到了极致,可以做到满足结构安全的条件下用料最省,这也是为什么模块式主厂房单位体积用钢量非常少的原因。推广这种结构形式,有利于最大限度地节约造价,于人于己,何乐不为?

 

(a)模块主厂房剖面1

 

b)模块主厂房剖面2

1  装配式钢结构模块主厂房

2、浓缩车间

国内大部分选煤厂浓缩车间为钢筋混凝土结构,但在国外则普遍采用钢结构形式,尤其在金属矿选矿领域,其实国产的NZY-55G全钢结构高效浓缩机早已应用于现场。在装配式钢结构选煤厂设计中,浓缩车间完全可以采用钢结构,工厂制作,现场组装,建设速度可大幅提升。装配式钢结构浓缩机如下图2所示。

 

a钢结构浓缩机现场照片1

 

b)钢结构浓缩机现场照片2

2  装配式钢结构浓缩车间现场照片

3、带式输送机栈桥

2015年8月,中煤邯郸设计公司在葫芦素选煤厂至图克大化肥项目的输煤系统中首次引入了整体预应力装配式箱型带式输送机栈桥(以下简称模块栈桥),该项目是模块栈桥在国内输煤系统的第一次应用,其为一条带宽1400mm的单机输煤栈桥,2016年5月投入了使用。

模块栈桥作为装配式钢结构选煤厂的主要组成部分,技术已经成熟,可直接引用。

 

(a)模块栈桥现场照片

 

b)模块栈桥安装图

3  装配式模块栈桥现场照片及安装图

装配式模块栈桥现场照片及安装图如图3所示,其特点主要体现在:

(1)模块栈桥的所有组成部分均在工厂加工制作,精度高,产品质量有保障。车间内除锈,防腐效果好,可有效延长栈桥的使用寿命。

(2)把施工现场大量的重复性工作转移到工厂内的自动化生产线上完成,有效提高了劳动效率。在现场只需完成拼装工作,工期可大幅缩短。

(3)模块栈桥具有复制性和普遍性,不同项目可使用同一套图纸(基础图除外),有利于节约设计周期。

4、仓储设施

选煤厂仓储设施依次经历了露天堆放、储煤棚(条形料场及圆形料场)、钢筋混凝土筒仓、钢筋混凝土薄壳球仓四个发展阶段,目前主要以钢筋混凝土筒仓为主。

本文向大家介绍一种钢板筒仓,它是由建材行业引入煤炭行业的,除基础外,地面以上均可做成钢结构,如图4所示,其作为装配式钢结构选煤厂的仓储设施不失为一种好选择。钢板筒仓仓壁、仓顶和仓底采用板单元,竖向加劲肋和环向加劲肋采用梁单元。仓顶采用桁架形式,其球缺状仓顶半圆体,是通过定型钢材的结构设计和多个拱形梁的组合,形成了独特结构建筑,其合理的建筑结构使其圆顶具有可靠的承载能力。仓体采用钢板焊制而成,仓壁板自上而下厚度递增,仓内部设有竖向加劲肋、仓外部设有环向加劲肋。

钢板筒仓施工工艺相对简单(采用倒装法),不需要高空作业及搭建脚手架,大部分结构件采用工厂加工,现场施工人员少,工期较短。

钢板筒仓储量大,目前最大单仓已达11.6万m³,吨煤投资600-1000元,优势明显。

 

(a)河南龙城1万吨煤仓现场照片

 

b)霍州煤电3000T煤仓现场照片

4  装配式钢板筒仓现场照片

从上述介绍可知,选煤厂生产系统的主要环节均已具备实现装配式建筑的条件,大量的现场工作可以在生产车间完成,现场只需安装,达到了节约人力资源的目的。“全系统”装配式钢结构选煤厂的实现,不仅有利于加快施工进度,提高建设质量,还可以减少建筑垃圾的产生,利国利民,绿色环保,是应该倡导的建设模式。

四、装配式钢结构选煤厂的重新定位

随着基建项目的减少,选煤厂主厂房采用钢结构形式盛行多年之后有走衰的趋势,究其原因,主要是钢结构防腐、振动噪音、采暖等问题困扰。

纵观技术发展的潮流,防腐是可以抑制的,一方面钢材本身的防腐性能已经提高,另一方面新的表面防腐材料层出不群,甚至军工领域的防腐技术也在向工业民用领域渗透,其次,水质调节、生产管理等因素也已得到重视,通过多方面的努力,钢结构防腐会得到相应改善。

振动噪音与设计有很大关系,设计中应尽可能多采用减震措施,如采用减震平台、软连接、支撑吊架等,工艺布置时可采用区域单元动静分离方式,使设备与建构筑物共振区错峰。同时尽量选用高品质低噪音的设备,从振动源头减少噪音的产生,另外随着智能化选煤厂的推广,运行过程中现场操作工人会大幅降低,甚至无人值守,即便有噪音,也不会对人身造成伤害。

对于装配式钢结构选煤厂,如楼板面采用镀锌网格板,采暖宜集中布置在一层,门口设有热风幕,并考虑空压机余热利用。此外,根据地区不同选用合适耐寒设备,采取上述一系列措施后,完全可以适应中国北方装配式钢结构选煤厂采暖要求。

全新意义上的装配式钢结构选煤厂可以实现全系统工厂化制造,不仅仅局限于主厂房,范围可扩展至所有车间、输煤栈桥和仓储设施,按照广义的装配式钢结构选煤厂设计理念,大量的现场土建工程可转移至车间内生产线上完成,现场施工时只需要拼装,施工人员数量可大幅降低。考虑到安全系数的提高、施工环境的改善、尽可能少的产生建筑垃圾、可持续性发展的需要等因素,可以断定,装配式钢结构选煤厂依然有强大的生命力,它的缺点不应被放大和忽略,优点更应被发掘和弘扬。

五、未来选煤厂设计与建设展望

未来选煤厂设计与建设,更多的是理性化思考,看重长远发展,全生命周期权衡一个工业产品的价值,也会关注人文、环境等社会因子。设计将具前瞻性,项目前期会全方位多维度评价其优劣,尽可能适应社会发展需求。

无论从节约人力成本,加快建设速度,还是从建筑安全、资源化回收利用等方面分析,笔者认为,“全系统”装配式钢结构选煤厂是未来选煤厂设计与建设的主要发展方向,是广大科技工作者关注的重点,这一发展势头对选煤厂设计人员素质提出了更高的挑战,要求我们的设计理念与时俱进,也预示着优秀的创新研发团队是企业立于不败之地的保障。有些地区,确实不宜采用钢结构时,也可考虑钢筋混凝土装配式选煤厂,同样可达到减员提效的目的,大家期待着钢筋混凝土装配式建筑能尽早应用于工业领域。

小结

装配式建筑在民用领域兴起的同时,笔者联想到选煤厂设计与建设也应该推广装配式建筑,至少“全系统”钢结构装配式选煤厂已具备条件,可以推广。在认识层面,选煤厂设计中对钢结构厂房或模块式厂房或多或少存在一些误区,放大了其在防腐难、造价高等问题,同时也忽略了其诸多优点,没有理解钢结构装配式选煤厂的真正精髓,尤其是在现有技术条件下,可实现“全系统”钢结构装配式选煤厂设计与建设。文章从主厂房、浓缩车间、输煤栈桥及仓储设施入手,说明了每个小系统均有装配式先例,唯独没有整合在一起。笔者认为“全系统”钢结构装配式选煤厂“六节一环保”(即更加节能、节地、节水、节材、节省时间、节省投资、环保)工业建筑,符合循环经济发展理念,又好、又省、又快,实现了从粗放的工业建筑向高端制造业转变,打破了传统基建项目土建、安装的分割界限,工业建筑转型发展的一场深刻变革。

 

作者简介:郭大林(1965—) ,男,山东青岛人,1986 年毕业于中国矿业大学选矿工程专业,工学学士,中煤邯郸设计工程有限责任公司 副总经理,教授级高工。

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对不起,暂时没有内容!
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