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)

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)

通過手工計算和ANSYS有限元軟件計算兩種方法對安徽新源熱電有限公司煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)計算。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,比較了手工計算和有限元電算結(jié)果,可為類似工程的計算提供理論參考。

煙囪;吸收塔;有限元;載荷

0 引言

近年來,國家對燃煤鍋爐 SO2排放濃度控制日益嚴格,要求燃煤鍋爐加裝脫硫裝置。工藝成熟、脫硫效率高達 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,煙囪正壓運行,殘余的 SO2和 SO3結(jié)露后可通過混泥土滲入煙囪內(nèi)部而腐蝕鋼筋。因此,必須對原有煙囪進行防腐改造,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組的正常運行。為解決上述問題,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)必須對原煙囪進行防腐處理。原煙囪防腐施工周期估計需要 2～3個月,如果鍋爐停機施工,必將給電廠造成巨額的經(jīng)濟損失,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%的地震動峰值加速度 0.1 g,地震基本烈度為 7度,場地類別Ⅱ類,地震動反應(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,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,標(biāo)高 +33.500～+80.000為Φ 3.7m筒體,在塔體標(biāo)高 +10.735處開有 4.8m×3m矩形原煙氣進口,在塔體標(biāo)高 +28.780處開有 4m×3m矩形預(yù)留凈煙氣出口。塔體、煙囪、原煙氣進口和預(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)手工計算

2.1 風(fēng)載荷和地震載荷計算

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

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

表 2 煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)地震荷載計算結(jié)果

2.2 橫向風(fēng)振分析

根據(jù)文獻[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。對于不等徑的塔,平均直徑為各直徑的加權(quán)平均值,計算公式為:

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度,m。利用式 (1)計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)不會發(fā)生橫向風(fēng)振。

2.3 應(yīng)力計算

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

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

3 ANSYS有限元軟件計算

運用 ANSYS有限元分析軟件的 APDL(ANSYS Parametric Design Language)語言對煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化建模,煙囪和吸收塔板選用 Shell 63殼單元,按文獻[1]定義結(jié)構(gòu)的載荷,計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)點應(yīng)力值見表 4。

表 4 手工計算與 ANSYS有限元軟件計算結(jié)果比較

結(jié)構(gòu)手工計算結(jié)果和 ANSYS有限元電算結(jié)果(見表 4)比較接近,兩者計算截面應(yīng)力誤差基本在10%左右。兩種計算表明,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)計算的最大應(yīng)力 25.32MPa,小于 Q235-B的許用應(yīng)力 113MPa,說明結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

4 結(jié)語

(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)的危險點在煙囪與塔體的結(jié)合部(4-4截面),這個部位需要加強。在實際工程設(shè)計中,煙囪與塔體結(jié)合部通過焊接 40塊筋板來加強結(jié)構(gòu)。

(2)煙囪與吸收塔合一結(jié)構(gòu)計算是基于結(jié)構(gòu)不發(fā)生腐蝕情況下能滿足設(shè)計要求,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,必須對結(jié)構(gòu)進行防腐蝕措施。

(3)結(jié)構(gòu)手工計算和 ANSYS有限元電算兩種方法計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)強度滿足設(shè)計要求。

[1]JB/T 4710-2005,鋼制塔式容器[S].

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

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

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

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1674-8069(2011)05-029-03

2011-06-24;

2011-08-20

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