孫曄文，蔡?hào)|升，莊海清，徐志波

火電機(jī)組引風(fēng)機(jī)鋼支架平移的有限元分析

孫曄文1，蔡?hào)|升2，莊海清1，徐志波1

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力建設(shè)第三工程公司，江蘇鎮(zhèn)江 212001；2.江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

對(duì)國(guó)電常州電廠火電機(jī)組引風(fēng)機(jī)支架平移工程進(jìn)行了多方案、多工況的強(qiáng)度、剛度有限元分析，為引風(fēng)機(jī)支架平移工程最終方案的確定提供理論依據(jù)。該平移方案可有效縮短工期、節(jié)省投資。

火電機(jī)組；鋼結(jié)構(gòu)；平移；強(qiáng)度；剛度；有限元分析

1 問(wèn)題的提出

為貫徹《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》及《國(guó)務(wù)院關(guān)于落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的決定》等法律、法規(guī)，保護(hù)環(huán)境，改善環(huán)境質(zhì)量，防治火電廠大氣污染物排放造成的污染，促進(jìn)火力發(fā)電行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展，中國(guó)環(huán)境保護(hù)部及國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局對(duì)GB 13223—2003《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行了第3次修訂，規(guī)定于2012年1月1日起開(kāi)始實(shí)施新標(biāo)準(zhǔn)GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》并給出了污染物排放控制時(shí)間要求。為此，相關(guān)研究者對(duì)電廠火電機(jī)組節(jié)能減排的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并探討了相關(guān)解決措施及對(duì)策［1-3］。與此同時(shí)，為貫徹落實(shí)新標(biāo)準(zhǔn)的大氣污染物排放規(guī)定，各大發(fā)電集團(tuán)均制訂了現(xiàn)有火力發(fā)電鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)組的改造計(jì)劃。對(duì)現(xiàn)有鍋爐機(jī)組的低NOx燃燒器、脫硝裝置進(jìn)行改造，以降低NOx排放量；進(jìn)行電除塵改造，以降低煙塵的排放量，電除塵增容改造需將位于電除塵器后的引風(fēng)機(jī)支架及煙道移位，為電除塵改造提供空間。

引風(fēng)機(jī)支架設(shè)計(jì)位置不滿足電除塵改造的要求時(shí)，傳統(tǒng)改造施工步驟為：拆除煙道保溫，將煙道分解后拆除，將鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)割開(kāi)，分成單件或組合件逐一進(jìn)行拆除；拆除結(jié)束后，按新建鋼結(jié)構(gòu)安裝工藝進(jìn)行安裝，并對(duì)割開(kāi)的節(jié)點(diǎn)重新焊接；鋼結(jié)構(gòu)安裝結(jié)束后，對(duì)拆下的煙道修整后利舊安裝，最后使用新保溫材料完成煙道保溫。整個(gè)改造過(guò)程約耗時(shí)一個(gè)半月，并需使用大量的機(jī)械臺(tái)班及勞動(dòng)力，涉及高處作業(yè)、交叉作業(yè)、起重作業(yè)等多種高危因素。

國(guó)電常州電廠＃2機(jī)組投運(yùn)后進(jìn)行第2次計(jì)劃性A級(jí)檢修時(shí)，因電除塵改造及引風(fēng)機(jī)支架改造需要，需將電除塵出口煙道及鋼結(jié)構(gòu)支架向后移位10.5m安裝。結(jié)構(gòu)整體長(zhǎng)54.7 m、寬15.0m、高16.7m，橫向9排立柱，縱向3排立柱，共27根立柱，總質(zhì)量約444 t。由于＃1機(jī)組改造時(shí)采用上述先拆后裝的方法，耗時(shí)長(zhǎng)、耗資大，為此，＃2機(jī)組引風(fēng)機(jī)支架改造在詳細(xì)論證的基礎(chǔ)上，擬采用整體平移技術(shù)，但需對(duì)平移方案實(shí)施過(guò)程中可能出現(xiàn)的各工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度分析［4-8］。

2 引風(fēng)機(jī)支架整體平移技術(shù)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

火電機(jī)組支架平移的主要技術(shù)流程為：鋼結(jié)構(gòu)支架及設(shè)備整體移位方案設(shè)計(jì)→驗(yàn)算并調(diào)整優(yōu)化方案→確定液壓千斤頂布置位置、移位軌道布置位置→軌道處地面找平、澆素基礎(chǔ)并找平→鋪設(shè)基礎(chǔ)鋼板→布置焊接軌道梁→鋼結(jié)構(gòu)加固→鋼結(jié)構(gòu)支撐設(shè)備加固→設(shè)置纜風(fēng)繩→分離立柱與柱底板→布置液壓千斤頂→整體頂升→設(shè)置重物移運(yùn)器→千斤頂卸載→整體平移→整體頂空→拆重物移運(yùn)器后就位→立柱與柱底板連接→拆除臨時(shí)設(shè)施。

上述方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括荷載計(jì)算、液壓千斤頂頂升位置優(yōu)化、頂升局部承載力驗(yàn)算及設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)整體聯(lián)動(dòng)構(gòu)造措施、平移軌道設(shè)計(jì)、重物移運(yùn)器布置方式、牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

3 有限元建模與分析

3.1 工程概況

常州電廠＃2機(jī)組于2006年11月投產(chǎn)，該項(xiàng)目進(jìn)行的是＃2機(jī)組投運(yùn)后的第2次計(jì)劃性A級(jí)檢修。因電除塵改造及引風(fēng)機(jī)改造需要，需將電除塵出口煙道及鋼結(jié)構(gòu)支架向后移位10.5m進(jìn)行安裝。原結(jié)構(gòu)如圖1～圖4所示。

圖1 6.8m層平面布置

圖2 U軸縱向框架立面

圖3 V軸縱向框架立面

圖4 W軸縱向框架立面

3.2 結(jié)構(gòu)平移加固方案

方案1：在U，V排框架間的第1，2，3，4，5，6，7，8，9軸處采用800mm×300mm×30mm×30mm的H型鋼進(jìn)行連接，H型鋼上翼板安裝標(biāo)高為+1.0m。

方案2：在U，V排和V，W排框架間的第1，2，3，4，5，6，7，8，9軸處分別采用800mm×300mm×30 mm×30mm的H型鋼進(jìn)行連接。

方案3：在U，V排和V，W排框架間的第1，2，3，4，5，6，7，8，9軸處分別采用800mm×300mm×30 mm×30mm的H型鋼進(jìn)行連接，在W排框架處采用800mm×300mm×30mm×30mm的H型鋼進(jìn)行連接，所有H型鋼上翼板安裝標(biāo)高為+1.0m。

方案4：在U，V排和V，W排框架間的第2，3，5，7，8軸處分別采用800mm×300mm×30mm×30 mm的H型鋼進(jìn)行連接，H型鋼上翼板安裝標(biāo)高為+1.0m，第1，4，6，9軸位置處采用＃20b槽鋼焊接，標(biāo)高為+1.0m；在U，W排框架處采用＃20b槽鋼焊接并與H型鋼上翼板焊接牢固。

利用有限元軟件ANSYS對(duì)該引風(fēng)機(jī)支架頂升方案進(jìn)行分析，采用梁?jiǎn)卧⒛Ｐ?，在框架U，W軸與2，3，5，7，8軸交點(diǎn)位置處為鉸支約束，材料彈性模量為2.1×1011N／m2、泊松比為0.3、密度為7850 kg／m3。每排框架長(zhǎng)54.7m，U，V軸框架間距為10.5m，V，W軸框架間距為4.5m，計(jì)算時(shí)考慮荷載不均勻系數(shù)、施工荷載、活荷載等因素，在恒載基礎(chǔ)上考慮放大系數(shù)1.3。

經(jīng)有限元分析，各方案結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力見(jiàn)表1。

表1 各方案結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力 MPa

由以上分析可知，4種方案下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力都小于容許應(yīng)力［σ］（215MPa），均滿足強(qiáng)度要求。

各方案結(jié)構(gòu)最大位移見(jiàn)表2。

表2 各方案結(jié)構(gòu)最大位移 cm

由以上分析可知：結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)的位移較小，整體行進(jìn)及就位時(shí)偏差小，可滿足施工要求。因此，底端縱梁所設(shè)型鋼可滿足要求。

各方案結(jié)構(gòu)最大豎向支反力FZ見(jiàn)表3。

表3 各方案結(jié)構(gòu)最大豎向支反力 kN

由以上分析可知，方案3的最大豎向支反力較大，方案1，4的最大豎向支反力較小且相近。

綜合以上分析可知，方案4結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和水平面內(nèi)位移較小，因此，方案4在經(jīng)濟(jì)性和安全性上更優(yōu)。

3.3 千斤頂頂升同步性對(duì)引風(fēng)機(jī)支架的影響

由于人為等因素很可能導(dǎo)致千斤頂不同步運(yùn)行或支架產(chǎn)生一定的傾斜，為此，進(jìn)行各千斤頂作用點(diǎn)不同步情況下的結(jié)構(gòu)整體有限元分析。表4為千斤頂不同步頂升引風(fēng)機(jī)支架系統(tǒng)最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖5為U2處千斤頂不同步時(shí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。

表4 千斤頂不同步頂升引風(fēng)機(jī)支架系統(tǒng)最大應(yīng)力 MPa

圖5 U2處千斤頂不同步頂升引風(fēng)機(jī)支架系統(tǒng)整體應(yīng)力圖

由表4可知，千斤頂頂升不同步對(duì)引風(fēng)機(jī)支架系統(tǒng)的影響較小，施工時(shí)可將頂升不同步誤差控制在1 cm以內(nèi)。

3.4 結(jié)構(gòu)整體傾斜對(duì)引風(fēng)機(jī)支架平移的影響

考慮結(jié)構(gòu)傾斜千分之一（1∶1000）對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，其分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 傾斜千分之一結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力圖

由以上分析可知，傾斜千分之一結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為31.2MPa＜［σ］，滿足強(qiáng)度要求。結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)的位移較小，整體行進(jìn)及就位時(shí)偏差小，可滿足施工要求。

3.5 最不利風(fēng)荷載對(duì)引風(fēng)機(jī)支架平移的影響

考慮最不利風(fēng)荷載下整體模型的應(yīng)力分布情況，支架系統(tǒng)應(yīng)力分析結(jié)果如圖7所示。

由以上分析可知，考慮最不利風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為33.8MPa＜［σ］，滿足強(qiáng)度要求。結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)的位移較小，整體行進(jìn)及就位時(shí)偏差小，可滿足施工要求。

3.6 千斤頂作用細(xì)部分析

考慮受千斤頂作用的H型鋼與柱連接處結(jié)構(gòu)的受力狀況，強(qiáng)度分析如圖8所示。

圖7 考慮最不利風(fēng)荷載的整體應(yīng)力圖

圖8 H型鋼與柱連接處應(yīng)力圖

由以上分析可知，受千斤頂作用的H型鋼與柱連接處結(jié)構(gòu)所受的最大應(yīng)力為143MPa＜［σ］，滿足強(qiáng)度要求。

3.7 重物承載器及基礎(chǔ)受力分析

采用方案4，分析在頂升力不同步、結(jié)構(gòu)傾斜千分之一、最不利風(fēng)荷載作用的情況下，引風(fēng)機(jī)支架系統(tǒng)對(duì)基礎(chǔ)的最大作用力。支架系統(tǒng)通過(guò)重物承載器將力傳給下部結(jié)構(gòu)，其重物承載器豎直方向受力分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 各重物承載器豎直方向受力分析結(jié)果 N

由表5數(shù)據(jù)計(jì)算可以得出，第8軸重物承載器對(duì)基礎(chǔ)的平均作用力最大，為（265 430+166 990+ 96032+518342）×10-6÷（0.6×12）＝0.145MPa，其中第5軸第5個(gè)重物承載器對(duì)基礎(chǔ)的作用力最大，為0.526268÷（0.6×1）＝0.877MPa，方案中在軌道下方澆筑了素混凝土墊層并鋪設(shè)了鋼板，因此，地基承載力能滿足規(guī)范強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

火電機(jī)組改造中采用有限元軟件對(duì)引風(fēng)機(jī)支架平移方案中可能出現(xiàn)的工況進(jìn)行模擬仿真，能為方案的選擇和實(shí)施提供較好的理論依據(jù)，為項(xiàng)目的順利實(shí)施奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該項(xiàng)目目前已順利實(shí)施，實(shí)施結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)先拆后裝的方法，火電機(jī)組鋼結(jié)構(gòu)引風(fēng)機(jī)支架平移能縮短工期50%以上，節(jié)省專項(xiàng)投資約60%。相關(guān)研究結(jié)果若能在既有電廠鍋爐檢修項(xiàng)目中順利推廣，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益將會(huì)是非常巨大的；與此同時(shí)，各既有電廠能更好、更快地實(shí)現(xiàn)環(huán)保新政對(duì)火電廠大氣污染物的排放規(guī)定。

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（本文責(zé)編：劉芳）

TK 223.26：TH 123+.4

：A

：1674-1951（2015）03-0026-03

孫曄文（1982—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，工程師，從事電力建設(shè)工程方面的工作（E-mail：15050868660＠139.com）。

2014-08-07；

2014-12-12