大型脫硫吸收塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究與設(shè)計

孟 煒 單新宇 魏宗新 鄭傳祥

（浙江天地環(huán)保工程有限公司） （浙江大學(xué))

0 引言

目前大型燃煤電廠煙氣脫硫的主導(dǎo)技術(shù)是濕法煙氣脫硫，即WFGD系統(tǒng)，而脫硫吸收塔則是該系統(tǒng)的核心設(shè)備[1]。脫硫吸收塔的作用就是將除塵后煙氣中的二氧化硫與塔內(nèi)各噴淋層噴淋的石灰漿液進行氣液反應(yīng)，以脫除煙氣中的硫。脫硫后的煙氣經(jīng)除霧器除霧后再由煙道排出。吸收了二氧化硫的漿液在吸收塔的下部經(jīng)攪拌軸攪拌氧化成石膏，生成的石膏可作為副產(chǎn)品銷售[2]。

吸收塔屬于大型薄壁容器。為了使煙氣在塔內(nèi)均勻分布，煙道矩形開孔一般比較大。由于矩形大開孔的存在 （寬徑比達到70%以上），吸收塔圓筒殼體截面受到了很大的削弱，造成殼體的幾何結(jié)構(gòu)嚴重不連續(xù)，尤其當(dāng)其承受外部軸向載荷時，幾何不連續(xù)的開孔部位角點處薄膜應(yīng)力大大增加[3-4]。同時對于存在曲率的大型薄壁殼，在軸壓作用下其結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域還會產(chǎn)生彎曲變形，從而產(chǎn)生比較大的彎曲應(yīng)力。膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的疊加使結(jié)構(gòu)不連續(xù)處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大應(yīng)力值將大大超過平均應(yīng)力值，約為平均應(yīng)力值的幾倍至幾十倍不等。在外載荷頻繁變化過程中，這個高應(yīng)力區(qū)會產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋擴展使得結(jié)構(gòu)的承載能力嚴重降低，甚至結(jié)構(gòu)破壞失效。所以，吸收塔的矩形大開孔補強分析比較復(fù)雜和重要[5-7]。

目前我國對這類吸收塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計還沒有完全可查詢的設(shè)計規(guī)范，主要依靠國外的引進技術(shù)進行設(shè)計 （如美國的B&W公司），缺乏比較清晰的理論分析和指導(dǎo)規(guī)范[8-9]。對于矩形開孔部位的復(fù)雜應(yīng)力情況[10-12]，工程上采取的措施往往是對整個塔體自下而上依次分段采用不同的壁厚，塔體底部至矩形開孔段由于受力情況復(fù)雜采用比較大的壁厚值，然后向上依次減少壁厚值。這樣的壁厚布置，雖然在強度上能滿足要求，但通過研究發(fā)現(xiàn)，在正常工況下，除了在矩形開孔部位有比較大的應(yīng)力外，其他區(qū)域應(yīng)力都不太大，因此整個塔體存在比較大的優(yōu)化空間[13-14]。

1 優(yōu)化研究

目前工業(yè)上吸收塔的設(shè)計，采用的是國外引進技術(shù)進行設(shè)計 （如美國的B&W公司），這樣計算出來的壁厚雖然強度上滿足要求，但往往偏保守，具有一定的優(yōu)化空間。本文采用有限元軟件對浙能集團某電廠1#機組脫硫吸收塔進行有限元分析，分析其整體受力情況，對應(yīng)力較小的區(qū)域提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

1.1 載荷情況

浙能集團某電廠2×300 MW機組濕法煙氣脫硫工程1#吸收塔總體高度31.606 m，高度23.5 m以下是煙氣吸收筒體部分，吸收塔的內(nèi)徑11.7 m。吸收塔的壁板厚度由下到上依次改變：0～9 m高度范圍內(nèi)厚度14 mm，9～18.22 m高度范圍內(nèi)厚度12 mm，18.22～26.5 m高度范圍內(nèi)厚度10 mm，26.5～31.606 m高度范圍內(nèi)厚度6 mm。矩形煙道入口處中心高度為10.3 m，煙道開孔寬度為8.25 m，高度為3.6 m，煙道壁厚6 mm；矩形煙道出口中心處高度為29.4 m，煙道開孔寬度為5.7 m，高度為4.4 m，煙道壁厚為6 mm。吸收塔體上，在標(biāo)高3.794 m、7.294 m、8.494 m、12.306 m、13.386 m、18.090 m、23.480 m處分別設(shè)置環(huán)形加強筋L180×180×14、 L200×200×18、 L200×200×18、 L200×200×18、 L200×200×18、 L200×200×18、 L200×200×18，單位mm。脫硫吸收塔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

吸收塔自下而上各個高度段的塔體壁厚如表1所示。吸收塔是大型薄壁容器，由于工藝需要，塔內(nèi)部設(shè)有各級噴淋層和除霧層等內(nèi)部件，這些內(nèi)部件會給吸收塔施加很大的軸向力。各層內(nèi)部件的質(zhì)量及作用高度如表2所示。

圖1 電廠脫硫吸收塔

表1 不同高度的塔體壁厚

表2 吸收塔內(nèi)部件質(zhì)量和作用高度

吸收塔設(shè)計壓力0.055 MPa，設(shè)計風(fēng)載荷26.8 m/s，基本風(fēng)壓0.45 kPa，各個高度層風(fēng)壓如表3所示。吸收塔下端漿液池高度8.5 m，漿液密度1.14×103kg/m3。

1.2 建模及應(yīng)力分析

采用ANSYS軟件進行整體建模分析。加載的邊界條件為：吸收塔下端底面設(shè)為固支，煙道進出口僅矩形開孔端面軸向自由，其他方向約束。所有與操作介質(zhì)接觸面施加內(nèi)壓力，有漿液部分施加漿液靜壓力，沿軸向不同高度施加內(nèi)部件的軸向力，筒體外表面施加風(fēng)載荷，整體施加重力加速度。在該載荷工況下吸收塔應(yīng)力云圖如圖2所示，變形云圖如圖3所示。

表3 不同高度的風(fēng)壓

圖2 吸收塔應(yīng)力云圖

圖3 吸收塔變形云圖

由圖2可知，吸收塔最大應(yīng)力為81.161 MPa，位于矩形開孔下角點。整個吸收塔除了矩形開孔區(qū)域至塔底部分有較大的應(yīng)力外，矩形開孔上部直至塔頂部分的應(yīng)力整體都比較小。由圖3可知，最大變形在煙道進氣口下底板處，整個吸收塔除了煙道進出口壁板上、矩形開孔區(qū)域左右側(cè)以及上邊界區(qū)域變形較大外，其他區(qū)域變形都比較小。整個吸收塔不同高度段最大應(yīng)力如表4所示。

1.3 優(yōu)化目標(biāo)

由圖3吸收塔應(yīng)力云圖可知，吸收塔壁上面的應(yīng)力水平比較低，可以減薄壁厚。由于塔壁矩形開口及塔體下端位置受力比較復(fù)雜，且應(yīng)力相對比較大，所以保持矩形開口上邊界第二根環(huán)向加強筋及以下部分筒體厚度不變，即塔底部到標(biāo)高14000 mm位置壁厚不變，14000 mm高度至26500 mm高度的壁厚依次減薄2 mm，其他位置壁板厚度不變。優(yōu)化后的不同高度的筒體厚度如表5所示。

表4 吸收塔各高度段壁厚、最大應(yīng)力和最大變形

表5 優(yōu)化后不同高度的塔體壁厚

在同樣的載荷和邊界條件下，優(yōu)化后的吸收塔的應(yīng)力云圖和變形云圖如圖4、圖5所示。

圖4 優(yōu)化后吸收塔應(yīng)力云圖

吸收塔不同高度段最大應(yīng)力如表6所示。

由圖4和表6可知，進行壁厚減薄和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，整個吸收塔各個高度段的應(yīng)力分布更加均勻了，整個塔體應(yīng)力值都處于40～60 MPa之間，最大應(yīng)力值較優(yōu)化之前有了稍微的減小，為71.495 MPa，可能原因是矩形開孔上部壁板厚度減薄之后減少了軸向力對矩形開孔的作用，從而最大應(yīng)力有所減小。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，最大應(yīng)力值仍處于安全范圍。由圖5可知，與應(yīng)力值分布一致，優(yōu)化后整個吸收塔的變形分布也更加均勻。經(jīng)過計算，通過壁板減薄，優(yōu)化后吸收塔的用鋼量減少了14.680 t，優(yōu)化效果顯著。

圖5 優(yōu)化后吸收塔變形云圖

表6 吸收塔各高度段壁厚、最大應(yīng)力和最大變形

2 工程應(yīng)用

將以上優(yōu)化成果應(yīng)用于浙能集團某電廠1#機組，其脫硫吸收塔結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了驗證模擬分析的可靠性，課題組赴電廠進行現(xiàn)場的應(yīng)力測試。通過應(yīng)力測試掌握脫硫吸收塔的真實應(yīng)力分布情況，并與理論分析和模擬分析的應(yīng)力進行對比，驗證理論分析與模擬分析的正確性。

2.1 應(yīng)力測試

應(yīng)力測試由YJ-33型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀貼片測量。考慮了實際吸收塔能夠粘貼應(yīng)變片的可能性，選擇了有代表性的12個測點作為測試點。從上到下應(yīng)變片的分布分別為：頂部錐形過渡段中間位置1片，錐形與圓柱形過渡處1片，塔體頂層平臺處1片，矩形煙道大開孔處2片，中間平臺處上、下各1片，底部塔體上、中、下各1片，最底部加強筋不同圓周處分布2片，有效測點共11個，其位置如圖6所示。

圖6 應(yīng)變片分布

測試采用YJ-33應(yīng)變儀半橋連接法，應(yīng)變測試值如表6所示，相應(yīng)的應(yīng)力計算值列于表6的第2列。計算應(yīng)力時，鋼材的E取210 GPa，泊松比取0.3。由于該吸收塔符合薄殼殼體的無力矩理論，所以可以用二向應(yīng)力狀態(tài)公式進行等效應(yīng)力計算，等效應(yīng)力值列于表6第3列。

平面狀態(tài)的應(yīng)變有以下關(guān)系：

如果將其表示成應(yīng)力表達式，則有：

式中 σ環(huán)向——塔體的環(huán)向應(yīng)力，MPa；

σ軸向——塔體的軸向應(yīng)力，MPa；

ε環(huán)向——塔體的環(huán)向應(yīng)變，μ；

ε軸向——塔體的軸向應(yīng)變，μ。

測得應(yīng)變以后，應(yīng)力就可由上述公式計算得到，結(jié)果見表7。同時，通過模擬應(yīng)力云圖，可找出測試點附近的模擬應(yīng)力值，其值如表7中最后1列所示。

2.2 測試結(jié)果與模擬結(jié)果對比分析

將測試應(yīng)力值與模擬值進行比較，其結(jié)果如表8所示。

表7 應(yīng)變應(yīng)力測試值

表8 各應(yīng)力的比較

由表8可知，除了個別點模擬值與測試值有較大的誤差外，其他點的測試值與模擬值誤差都在允許范圍內(nèi)，可見大型脫硫吸收塔壁板厚度分段減薄具有一定的工程意義。

3 結(jié)論

大型脫硫吸收塔是薄壁容器，對于此類結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計目前還沒有可完全遵循的規(guī)范。本文對浙能集團某電廠脫硫吸收塔進行了整體建模分析，并根據(jù)整體應(yīng)力分布云圖，提出了對塔體進行分段減薄優(yōu)化的方案。優(yōu)化后整個吸收塔各個高度段的應(yīng)力分布和變形更加均勻了，充分利用了材料的性能。經(jīng)過壁板厚度優(yōu)化，吸收塔的用鋼量減少了14.680 t，優(yōu)化效果顯著。該優(yōu)化實例，可為大型脫硫吸收塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計提供一定的參考。

[1] 杜云貴，鄧佳佳，馮治云，等.濕法煙氣脫硫塔設(shè)計與優(yōu)化 [J].環(huán)境工程,2010,28(2)：69-71.

[2] 王祖培.火電廠煙氣濕法脫硫裝置吸收塔的設(shè)計 [J].煤化工,2002 (5)：44-49.

[3] 宋波,吳琳,孫北東.矩形大開孔圓柱殼軸壓作用下的屈曲性能 [J].北京科技大學(xué)學(xué)報,2009,31(2)：149-155.

[4] 李天,孫永勝.高塔型煙氣脫硫吸收塔結(jié)構(gòu)動力特性分析 [J].鄭州大學(xué)學(xué)報 （工學(xué)版）,2007,28(2)：64-67.

[5] Sigge E,Lars A S.Design of shell structures with opening subjected to buckling [J].Journal of Constructional Steel Research,1991,18(2)：155-163.

[6] 舒斌,胡剛義,肖偉,等.大開孔圓柱殼極限載荷的有限元分析 [J].艦海工程,2011,40(2)：14-17.

[7] 李明惠,時文忠,劉德宏,等.大直徑薄壁大開孔塔結(jié)構(gòu)的有限元分析 [J].壓力容器,2005,22(2)：14-17.

[8] 張丕辛.圓柱殼開孔的應(yīng)力分析 [D].北京：清華大學(xué),1985.

[9] SteelC R,SteelM L， Khathlan A.An efficient computational approach for large opening in a cylindrical vessel [J].Journal of Pressure Vessel Technologytransactions of the ASME,2006,108(4)：436-442.

[10] 余俊,王永軍,蘇海利.小開孔球殼強度分析的解析方法 [J].船舶力學(xué),2013,17(7)：763-764.

[11] Xue M D， Deng Y， Hwang K C.Some results on analytical solution of cylindrical shells with large openings[J].Journal of Pressure Vessel Technology-transactions of the ASME,2011,113(2)：297-307.

[12] 張黎源,王軍.矩形大開孔薄壁圓筒真空室的強度及屈曲分析 [J].真空,2006,43 （6） ：58-61.

[13] Wang Z M，Zheng L P，Liu Y L.Design and application of absorber proper with wet FGD of sintering machine[J].Environment Engineering,2010,28(4)：42-45.

[14] Oka J,Yoshida A， Matsukuma Y.Optimization and system control of wet flue gas desulfurization system[J].Kagaku Kogaku Ronbunshu,2007,33(6)：544-552.