三管自立式鋼煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

張江霖，范振中，國(guó)茂華，張 欣

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100120；2.中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071 ；3.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100094)

1 概述

當(dāng)前國(guó)內(nèi)新建火力發(fā)電廠都要求進(jìn)行煙氣脫硫處理，煙囪運(yùn)行條件惡劣，促使煙囪不斷向更高、多筒及多管方向發(fā)展,因此從將煙囪視為設(shè)備來(lái)考慮的革新設(shè)計(jì)思路出發(fā),我們創(chuàng)新性地提出了一種全新的多管自立式煙囪結(jié)構(gòu)——三管自立式鋼煙囪結(jié)構(gòu)，可以有效地實(shí)現(xiàn)了大型火力發(fā)電廠兩臺(tái)機(jī)組不停機(jī)下的鋼排煙筒防腐檢修維護(hù)，對(duì)火力發(fā)電廠整個(gè)機(jī)組的連續(xù)和可靠運(yùn)行具有非常重要意義。

2 三管自立式鋼煙囪設(shè)計(jì)特點(diǎn)

當(dāng)火力發(fā)電廠兩臺(tái)600MW或1000MW機(jī)組煙囪采用三管自立式鋼煙囪時(shí)，三個(gè)鋼筒按正三邊形布置并通過(guò)合理的鋼內(nèi)筒間距和豎向布置的鋼桁架有效連接成為一個(gè)整體空間塔架結(jié)構(gòu)來(lái)共同抵抗地震荷載、風(fēng)荷載以及其它荷載作用，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)常規(guī)套筒煙囪的取消鋼筋混凝土外筒、縮減基礎(chǔ)工程量、降低工程造價(jià)、以及廠區(qū)優(yōu)化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。三管自立式鋼煙囪立面和平面布置見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 三管自立式鋼煙囪立面示意圖

圖2 三管自立式鋼煙囪平面布置圖

三管自立式鋼煙囪同常規(guī)多管自立式鋼煙囪結(jié)構(gòu)一樣，取消了原套筒煙囪的鋼筋混凝土外筒，保留的鋼內(nèi)筒既是排煙筒，又是受力構(gòu)件，因此與常規(guī)鋼筋混凝土套筒煙囪相比，此新型煙囪有如下主要特點(diǎn)：

(1)在煙囪設(shè)計(jì)中革命性地提出了“2運(yùn)1備”理念，即在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組的煙氣分別將接入兩個(gè)鋼排煙筒；當(dāng)煙囪進(jìn)行檢修維護(hù)時(shí)，將需要檢修機(jī)組的煙氣通過(guò)煙道直接接入第3個(gè)鋼排煙筒，很好地解決火力發(fā)電廠機(jī)組在連續(xù)運(yùn)行(不停機(jī))狀態(tài)下的鋼排煙筒防腐檢修維護(hù)難題；

(2)三個(gè)鋼筒按正三邊形布置，整個(gè)煙囪結(jié)構(gòu)平面和立面形體規(guī)則，各方向受力均勻、合理；同時(shí)整個(gè)鋼煙囪造型簡(jiǎn)潔、美觀，全面融入了現(xiàn)代氣息和建筑美學(xué)的設(shè)計(jì)理念，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代火力發(fā)電廠的景觀設(shè)計(jì)和創(chuàng)意設(shè)計(jì)的理念。

(3)對(duì)于常規(guī)2×1000MW火電廠工程的雙鋼內(nèi)筒套筒煙囪(鋼筋混凝土外筒)底部外直徑一般在35m左右，三管自立式鋼煙囪優(yōu)化后可以控制其底部寬度在24m左右，從而為爐后工藝布置預(yù)留更加充裕的空間，為爐后工藝系統(tǒng)的優(yōu)化創(chuàng)造條件；同時(shí)可以避免煙囪基礎(chǔ)對(duì)周邊設(shè)備基礎(chǔ)的影響；

(4)通過(guò)優(yōu)化鋼筒的中心距可滿足運(yùn)煤通道在各鋼筒之間順利通過(guò)要求，使得采用側(cè)煤倉(cāng)爐后上煤方案在發(fā)電廠中成為現(xiàn)實(shí)，為煤場(chǎng)到煤倉(cāng)間之間輸煤通道的系統(tǒng)最大優(yōu)化創(chuàng)造條件，大力提高輸煤效率的同時(shí)有效地節(jié)省輸煤系統(tǒng)工程投資；

當(dāng)前國(guó)內(nèi)大跨、超高鋼結(jié)構(gòu)大量涌現(xiàn),因此國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)水平是完全能夠保證火力發(fā)電廠中三管自立式鋼煙囪的應(yīng)用，同時(shí)此種新型煙囪的應(yīng)用可在一定程度上縮短煙囪總體施工周期，但也應(yīng)看到它在施工方面的技術(shù)要求和投入會(huì)相應(yīng)提高，以及由于鋼筒直接外露后的防腐要求較高，會(huì)導(dǎo)致鋼筒的維護(hù)工作量和費(fèi)用會(huì)有所增加。

3 風(fēng)荷載計(jì)算

根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50051-2002)及《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)可知，自立式煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)的風(fēng)荷載計(jì)算首先應(yīng)確定風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體技術(shù)的飛速發(fā)展，利用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamic，CFD)方法在計(jì)算機(jī)上模擬結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)場(chǎng)的變化并求解結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載的“數(shù)值風(fēng)洞”技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究，考慮到規(guī)范未明確給出三管自立式鋼煙囪的風(fēng)荷載體型系數(shù)，因此在缺少物理模型試驗(yàn)結(jié)論時(shí)可以采用數(shù)值風(fēng)洞方法來(lái)揭示風(fēng)壓分布與繞流結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系，研究鋼筒的直徑、間距、以及風(fēng)向角的變化對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)載體型系數(shù)影響，并得到結(jié)構(gòu)的風(fēng)載體型系數(shù)取值，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。典型三管自立式鋼煙囪數(shù)模計(jì)算模型見(jiàn)圖3，此時(shí)三個(gè)鋼筒位于正三邊形的三個(gè)頂點(diǎn)，高度均為240m，各鋼筒間的中心間距為24m；數(shù)值模擬分析計(jì)算中采用的矩形區(qū)域取流向迎風(fēng)面邊界取在距離模型中心為1200m，而左右及上邊界距離模型中心為1200m，同時(shí)為了更好模擬模型尾流的發(fā)展，下游出口邊界距離模型中心為2400m。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算得到的三管自立式鋼煙囪風(fēng)載體型系數(shù)取值見(jiàn)表1。

圖3 三管自立式煙囪的數(shù)模分析計(jì)算模型

表1 三管自立式鋼煙囪風(fēng)載體型系數(shù)

對(duì)于三管自立式鋼煙囪風(fēng)振系數(shù)取值，應(yīng)用大型有限元計(jì)算程序ABAQUS計(jì)算研究三管自立式鋼煙囪在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并計(jì)算分析后得到煙囪一階、二階的自振頻率、自振周期和振型，然后根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》公式7.4.2計(jì)算可確定風(fēng)振系數(shù)取值，對(duì)于不同間距的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 240m高直徑7.3m的三管自立式鋼煙囪風(fēng)振系數(shù)(間距20m/24m/28m)

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

為便于三管自立式鋼煙囪與常規(guī)套筒煙囪進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，對(duì)于最低溫度為0℃以上地區(qū)的某常規(guī)2×1000MW級(jí)燃煤機(jī)組工程的240m三管自立式鋼煙囪應(yīng)用大型有限元計(jì)算程序ABAQUS進(jìn)行整體計(jì)算分析，研究在各種荷載作用下煙囪的應(yīng)力分布情況，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。相關(guān)工程設(shè)計(jì)參數(shù)如下：百年一遇基本風(fēng)壓值為0.5kN/m2；地面粗糙度類別為B類；抗震設(shè)防烈度為7度，地震動(dòng)峰值加速度為0.1g；設(shè)計(jì)地震分組為第一組；建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類；特征周期為0.35s；鋼煙囪阻尼比為0.01；機(jī)組不設(shè)計(jì)GGH，無(wú)煙氣旁路，脫硫后進(jìn)煙囪濕煙氣溫度為50℃左右；考慮鋼的導(dǎo)熱性能比較好，溫度荷載計(jì)算時(shí)不考慮日照溫差影響，只考慮三個(gè)鋼筒中僅有一個(gè)鋼筒正常運(yùn)行的特殊工況，取鋼管溫升為50℃。

有限元計(jì)算模型的三根鋼筒外徑為7.3m，管壁厚為20mm，軸心間距為24m，均采用JNS耐硫酸腐蝕結(jié)構(gòu)鋼(強(qiáng)度及穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算按Q345-B考慮)，鋼筒間連接鋼桁架采用Q345型鋼。三管自立式鋼煙囪整體有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖4，計(jì)算中H型鋼采用開(kāi)口橫截面翹曲理論的B31OS梁?jiǎn)卧摴懿捎肧4R殼單元模擬；計(jì)算中直接對(duì)煙囪底部施加固端約束來(lái)約束底部節(jié)點(diǎn)的所有自由度。

圖4 三管自立式鋼煙囪有限元模型

為簡(jiǎn)化計(jì)算，整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析中只考慮自重、風(fēng)荷載、溫度荷載，重點(diǎn)計(jì)算三種荷載單獨(dú)作用下的內(nèi)力情況；同時(shí)根據(jù)現(xiàn)行《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行了承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)下的內(nèi)力計(jì)算，其中溫度作用1、溫度作用2分別對(duì)應(yīng)于1#鋼管、2#鋼管正常運(yùn)行兩種運(yùn)行方式。四種典型荷載組合工況如下：

工況1：1.1×[自重(1.0)+風(fēng)(1.(4)](承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算)；

工況2：1.1×[自重(1.3(5)+風(fēng)(1.(4)](承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算)；

工況3：自重(1.0)+溫度作用1(1.0)+風(fēng)(1.0)(正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算)；

工況4：自重(1.0)+溫度作用1(1.0)+風(fēng)(1.0)(正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算)。

單種荷載作用和組合工況荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。從表3不難看出，對(duì)于單工況作用時(shí)，風(fēng)荷載作用引起的最大Mises應(yīng)力比其它荷載大，溫度荷載次之，自重荷載引起的Mises應(yīng)力最小；對(duì)比組合工況1和工況2結(jié)果可知，自重荷載在降低鋼筒受拉側(cè)拉應(yīng)力時(shí)也加大了受壓側(cè)壓應(yīng)力，綜合來(lái)看自重荷載過(guò)大對(duì)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是不利的；對(duì)比組合工況3、工況4結(jié)果可知工況3為最不利荷載組合工況。

表3 三管自立式鋼煙囪單荷載工況計(jì)算內(nèi)力

結(jié)合上述典型2×1000MW級(jí)燃煤機(jī)組工程算例采用三管自立式鋼煙囪的計(jì)算分析，并與常規(guī)套筒煙囪(鋼筋混凝土外筒+自立式雙鋼內(nèi)筒方案)針對(duì)煙囪本體進(jìn)行初步技術(shù)與經(jīng)濟(jì)分析見(jiàn)表4。

從表4可以看出，當(dāng)基礎(chǔ)采用天然基礎(chǔ)時(shí)，對(duì)于2×1000MW級(jí)燃煤機(jī)組采用三管自立式鋼煙囪時(shí)其工程造價(jià)則同雙管套筒煙囪傳統(tǒng)方案略高10%，主要原因是考慮備用的第三個(gè)排煙筒直接導(dǎo)致耐酸鋼用量和內(nèi)側(cè)貼賓高德玻璃磚用量(材料單價(jià)均較高)增加而促使煙囪造價(jià)上升較多。當(dāng)采用樁基礎(chǔ)等特殊地基處理方法，三管自立式鋼煙囪的結(jié)構(gòu)自重輕很多(約為雙鋼內(nèi)筒套筒煙囪的10%)使得相應(yīng)的基礎(chǔ)地基處理費(fèi)用更低，同時(shí)綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)的回收重復(fù)利用和鋼筒內(nèi)側(cè)貼國(guó)產(chǎn)?；u防腐時(shí)，三管自立式鋼煙囪與雙管套筒煙囪兩個(gè)方案的經(jīng)濟(jì)性基本持平。值得說(shuō)明的是，從廠區(qū)平面優(yōu)化占地、輸煤系統(tǒng)上煤通道的整體優(yōu)化和煙囪檢修期間整個(gè)機(jī)組不停機(jī)連續(xù)運(yùn)行的發(fā)電效益等方面來(lái)綜合考慮，三管自立式鋼煙囪的經(jīng)濟(jì)性將更加凸顯。

表4 2×1000MW級(jí)燃煤機(jī)組不同煙囪結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)性分析

5 結(jié)論

三管自立式鋼煙囪已經(jīng)成功獲得國(guó)家實(shí)用新型專利證書，對(duì)于大力倡導(dǎo)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和低碳環(huán)保的今天，大型火力發(fā)電廠機(jī)組采用此新型煙囪在設(shè)計(jì)、施工方面技術(shù)上是完全可行的，可取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益：

(1)三管自立式鋼煙囪方案是國(guó)內(nèi)首次將煙囪作為設(shè)備考慮的革命性設(shè)計(jì)創(chuàng)新，此方案通過(guò)“2運(yùn)1備”的全新設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)在保證兩臺(tái)機(jī)組不停機(jī)情況下對(duì)鋼排煙筒的防腐進(jìn)行檢修維護(hù)，建議在工程實(shí)際中大力應(yīng)用推廣。

(2)三管自立式鋼煙囪鋼結(jié)構(gòu)溫度荷載計(jì)算時(shí)溫度荷載按照±50℃考慮，鋼管外壁未考慮采取保溫隔熱措施，因此從經(jīng)濟(jì)性考慮，當(dāng)鋼筒內(nèi)壁未采用具有保溫功能的防腐措施(如賓高德玻璃磚、發(fā)泡?；u)時(shí)，對(duì)于北方嚴(yán)寒地區(qū)火電廠采用三管自立式鋼煙囪是不適合的；同時(shí)對(duì)于未采用濕法脫硫系統(tǒng)，且煙囪入口溫度超過(guò)100℃的火電廠，采用三管自立式鋼煙囪也是不適合的。

(3)通過(guò)煙囪本體的初步技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比較后可知，對(duì)于1000MW級(jí)燃煤電廠采用三管自立式鋼煙囪同傳統(tǒng)的雙鋼內(nèi)筒套筒煙囪相比工程造價(jià)高出10%左右，因此不斷降低煙囪防腐材料(耐酸鋼和防腐玻璃磚)價(jià)格是降低三管自立式鋼煙囪工程造價(jià)的有效途徑之一；對(duì)于軟弱地基條件上大型項(xiàng)目積極進(jìn)行整個(gè)輸煤系統(tǒng)輸煤提到的優(yōu)化，并統(tǒng)籌考慮煙囪檢修期間整個(gè)機(jī)組不停機(jī)連續(xù)運(yùn)行的發(fā)電效益等方面綜合因素，三管自立式鋼煙囪的推廣應(yīng)用可取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]GB50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2]GB50051-2002，煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]張相庭.工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)[K].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

[4]中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司.科研四管自立式鋼煙囪結(jié)構(gòu)方案研究[R].2008.