曹友洪

(福建鑫澤環(huán)保設(shè)備工程有限公司,福建福州 350002)

煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)分析

曹友洪

(福建鑫澤環(huán)保設(shè)備工程有限公司,福建福州 350002)

通過(guò)手工計(jì)算和ANSYS有限元軟件計(jì)算兩種方法對(duì)安徽新源熱電有限公司煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。分析了結(jié)構(gòu)在風(fēng)載荷、地震載荷作用下的應(yīng)力和變形,比較了手工計(jì)算和有限元電算結(jié)果,可為類似工程的計(jì)算提供理論參考。

煙囪;吸收塔;有限元;載荷

0 引言

近年來(lái),國(guó)家對(duì)燃煤鍋爐 SO2排放濃度控制日益嚴(yán)格,要求燃煤鍋爐加裝脫硫裝置。工藝成熟、脫硫效率高達(dá) 95%的石灰石—石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)成為大多數(shù)燃煤鍋爐主選脫硫工藝。由于現(xiàn)在很多脫硫系統(tǒng)未設(shè)置煙氣換熱器 (GGH),脫硫后的凈煙氣溫度 (約 50℃)低于煙氣酸露點(diǎn),煙囪正壓運(yùn)行,殘余的 SO2和 SO3結(jié)露后可通過(guò)混泥土滲入煙囪內(nèi)部而腐蝕鋼筋。因此,必須對(duì)原有煙囪進(jìn)行防腐改造,這樣一方面增加了工程投資,另一方面煙囪防腐施工期影響機(jī)組的正常運(yùn)行。為解決上述問(wèn)題,引入了煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)。

1 工程概況

安徽新源熱電有限公司 2×220 t/h鍋爐脫硫改造工程屬于老鍋爐加裝煙氣脫硫裝置項(xiàng)目,采用石灰石—石膏法脫硫工藝,吸收塔采用逆流噴淋空塔,不設(shè) GGH,脫硫后的煙氣溫度低于 50℃,按常規(guī)必須對(duì)原煙囪進(jìn)行防腐處理。原煙囪防腐施工周期估計(jì)需要 2～3個(gè)月,如果鍋爐停機(jī)施工,必將給電廠造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失,因此決定采用煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu),此煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)總高度 80m,設(shè)計(jì)為脫硫后煙氣的永久性煙囪。

本工程地處蚌埠市區(qū),廠址區(qū) 50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度 0.1 g,地震基本烈度為 7度,場(chǎng)地類別Ⅱ類,地震動(dòng)反應(yīng)特征周期為 0.30 s,50年一遇基本風(fēng)壓為 0.35 kN/m2。

煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)采用自立式,頂部標(biāo)高80.000m,標(biāo)高 +0.030～+33.500為塔體部分,標(biāo)高 +33.500～80.000為煙囪部分。底環(huán)厚度30mm,標(biāo)高 +0.030～ +7.530為Φ 10m筒體,標(biāo)高在 +7.530～+9.030之間為Φ 10m/Φ 8.6m的圓臺(tái),標(biāo)高 +9.030～+26.080為Φ 8.6m筒體,標(biāo)高 +26.080～+33.500為Φ 8.6m/Φ 3.7m圓臺(tái),標(biāo)高 +33.500～+80.000為Φ 3.7m筒體,在塔體標(biāo)高 +10.735處開(kāi)有 4.8m×3m矩形原煙氣進(jìn)口,在塔體標(biāo)高 +28.780處開(kāi)有 4m×3m矩形預(yù)留凈煙氣出口。塔體、煙囪、原煙氣進(jìn)口和預(yù)留凈煙氣出口材料為 Q235-B鋼,密度 7850 kg/m3,彈性模量2.06×1011Pa,泊松比為 0.3,屈服極限為 235MPa,許用應(yīng)力為 113MPa。

2 結(jié)構(gòu)手工計(jì)算

2.1 風(fēng)載荷和地震載荷計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[1],為了便于分析和計(jì)算,把煙囪與吸收塔合一沿高度分為 8段,計(jì)算結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷、地震載荷,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 1和表 2。

表 1 煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果

表 2 煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)地震荷載計(jì)算結(jié)果

2.2 橫向風(fēng)振分析

根據(jù)文獻(xiàn)[1],高度 H>30m,且高度與平均直徑之比 H/D>15的自承式塔式容器應(yīng)考慮橫向風(fēng)振的影響。對(duì)于不等徑的塔,平均直徑為各直徑的加權(quán)平均值,計(jì)算公式為:

式中:D1、D2……為不等徑各段塔直徑,m;L1、L2……為不等徑各段塔的長(zhǎng)度,m。利用式 (1)計(jì)算煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)的高度與平均直徑之比H/D=14<15,由此可知,煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生橫向風(fēng)振。

2.3 應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[1],煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)任意截面的應(yīng)力計(jì)算公式為:

表 3 煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)截面 0-0～7-7應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果

3 ANSYS有限元軟件計(jì)算

運(yùn)用 ANSYS有限元分析軟件的 APDL(ANSYS Parametric Design Language)語(yǔ)言對(duì)煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模,煙囪和吸收塔板選用 Shell 63殼單元,按文獻(xiàn)[1]定義結(jié)構(gòu)的載荷,計(jì)算煙囪與吸收塔合一在定義載荷情況下的應(yīng)力和變形,截面0-0～7-7的最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值見(jiàn)表 4。

表 4 手工計(jì)算與 ANSYS有限元軟件計(jì)算結(jié)果比較

結(jié)構(gòu)手工計(jì)算結(jié)果和 ANSYS有限元電算結(jié)果(見(jiàn)表 4)比較接近,兩者計(jì)算截面應(yīng)力誤差基本在10%左右。兩種計(jì)算表明,煙囪與吸收塔合一的應(yīng)力分布不均勻,最大應(yīng)力約為最小應(yīng)力的 8倍,最大應(yīng)力處為煙囪與塔體交接處,最小應(yīng)力在煙囪頂部。結(jié)構(gòu)計(jì)算的最大應(yīng)力 25.32MPa,小于 Q235-B的許用應(yīng)力 113MPa,說(shuō)明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)主要承受風(fēng)載荷,結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)點(diǎn)在煙囪與塔體的結(jié)合部(4-4截面),這個(gè)部位需要加強(qiáng)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,煙囪與塔體結(jié)合部通過(guò)焊接 40塊筋板來(lái)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

(2)煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)計(jì)算是基于結(jié)構(gòu)不發(fā)生腐蝕情況下能滿足設(shè)計(jì)要求,由于脫硫液和脫硫后煙氣極具腐蝕性,為保證結(jié)構(gòu)的安全,必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐蝕措施。

(3)結(jié)構(gòu)手工計(jì)算和 ANSYS有限元電算兩種方法計(jì)算煙囪與吸收塔合一應(yīng)力結(jié)果比較接近,煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

[1]JB/T 4710-2005,鋼制塔式容器[S].

[2]GB 50051-2002,煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB 50009-2001,建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范[S].

[4]GB 50011-2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]GB 50071-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]博弈工作室.ANSYS9.0經(jīng)典產(chǎn)品高級(jí)分析技術(shù)與實(shí)例詳解[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2005.

[7]王勖成.有限單元法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[8]龍馭球,包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2000.

[9]曹友洪,潘 伶.電除塵器鋼架有限元分析 [J].電力環(huán)境保護(hù),2007,23(6):10-12.

Structural analysis of chimney and absorber tower integrated

U sing m anual calculation m ethod and ANSYS finite elementm ethod,the structural analysis of ch im ney and absorber tower integrated is carried out forAnhuiXinyuan Power Plant.The stress and defor m ation of structure underw ind load and earthquake load are analyzed.The results ofmanualcalculation and finite element calculation are compared,which could provide theo ry reference for calculation of s im ilar devices.

ch imney;absorber tower;finite elem ent;load〗

X701.3

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1674-8069(2011)05-029-03

2011-06-24;

2011-08-20

曹友洪 (1980-),男,福建長(zhǎng)汀人,碩士,工程師,從事煙氣脫硫工程設(shè)計(jì)工作。E-mail:cyh3278@163.com