節(jié)能型湍流管柵脫硫提效裝置的有限元分析

趙怡凡

摘 要：為適應(yīng)燃煤電廠二氧化硫超低排放標(biāo)準(zhǔn)，大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司自主研發(fā)了用于濕法脫硫提效的節(jié)能型湍流管柵高效脫硫技術(shù)。該文采用ANSYS有限元分析軟件對湍流管柵提效裝置模塊進(jìn)行應(yīng)力分析，通過研究不同形式單元模塊在不同工況下的載荷情況及應(yīng)力分布，對模塊設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可行性驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：燃煤電廠 脫硫 超低排放 有限元分析 湍流管柵裝置

中圖分類號：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（b）-0080-04

燃煤電廠超低排放標(biāo)準(zhǔn)的提出，使得目前應(yīng)用最為廣泛的石灰石—石膏濕法脫硫技術(shù)面臨改進(jìn)升級的需要[1-2]，在此背景下，大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司自主研發(fā)了一種可滿足超低排放要求的節(jié)能型湍流管柵脫硫除塵協(xié)同控制技術(shù)，該技術(shù)的核心設(shè)備為湍流管柵裝置，具有增強(qiáng)塔內(nèi)氣液傳質(zhì)效率、提高脫硫效率的優(yōu)點(diǎn)。為便于安裝及檢修維護(hù)，湍流管柵裝置采用模塊化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，為保證模塊設(shè)計(jì)的整體穩(wěn)定性，該文利用ANSYS有限元分析軟件對湍流管柵裝置模塊進(jìn)行應(yīng)力分析，研究單元模塊在不同工況下的載荷情況及應(yīng)力分布，并對模塊材料使用量進(jìn)行優(yōu)化。

1 分析方法及工具

1.1 有限元分析

有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個(gè)合適的近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件，從而得到問題的解。由于有限元計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段[4-5]。

其中，靜態(tài)分析是指利用有限元分析方法主要用于求解外部載荷引起的位移、應(yīng)力和力，適用于求解慣性及阻尼的時(shí)間相關(guān)作用對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響不顯著的問題。在該研究中使用靜態(tài)分析方法研究不同工況下湍流裝置模塊的應(yīng)力分布、應(yīng)變以及支點(diǎn)荷載情況。

1.2 ANSYS軟件

該次分析采用通用有限元計(jì)算軟件ANSYS，ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的集結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析（FEA）軟件。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[6]。ANSYS功能強(qiáng)大、操作簡單方便，現(xiàn)在已成為國際最流行的有限元分析軟件。目前，中國100多所理工院校采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析或者作為標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)軟件。

2 湍流管柵裝置模塊有限元分析

2.1 幾何模型構(gòu)建

湍流管柵裝置模塊由活動(dòng)管、固定管、支撐板及加強(qiáng)板構(gòu)成，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸構(gòu)建幾何模型如圖1所示。固定管件及活動(dòng)管件分上下2層，錯(cuò)位排列。鋼管外徑65 mm，端板、支撐板及加強(qiáng)板厚5 mm，裝置兩端的支撐板架在支撐梁上，用壓板固定，搭接寬度40 mm。模塊材料選用Q235b，材料屬性如表1所示。

2.2 有限元分析

該次分析采用單元SHELL181對湍流管柵裝置模塊的各個(gè)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對鋼管及端板等分別設(shè)置不同的實(shí)常數(shù)，生成有限元模型如圖2所示。

根據(jù)模塊實(shí)際支撐結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型進(jìn)行約束設(shè)置，分別在兩側(cè)支撐板40 mm的邊緣區(qū)域的平面設(shè)置Z向約束，模塊一端支撐板的邊線設(shè)置Y向約束，分別在兩側(cè)支撐板中心位置設(shè)置X向約束如圖3所示。

湍流管柵裝置模塊所受載荷包括重力荷載、溫度載荷、差壓載荷、活荷載及檢修荷載。為便于計(jì)算，假設(shè)重力加速度恒定為g=9.8 m/s2，設(shè)計(jì)溫度80 ℃，裝置模塊運(yùn)行時(shí)下部壓力比上部高800 Pa，裝置運(yùn)行時(shí)全部管道承受650 kg/m2的均布荷載，裝置檢修時(shí)上層管道承受400 kg/m2的檢修載荷。

根據(jù)模塊的實(shí)際運(yùn)行情況，對下面3種工況進(jìn)行分析：在冷態(tài)安裝工況下，模塊僅承受重力荷載；在熱態(tài)運(yùn)行工況下，模塊承受重力、溫度、壓力及活荷載；在檢修工況下，模塊承受重力及檢修荷載。

2.3 分析結(jié)果

按照工程常用管件規(guī)格，該文分別研究了鋼管壁厚2 .0 mm、2.5 mm時(shí)模塊的應(yīng)力分布情況，

2.3.1 冷態(tài)安裝工況

如圖4所示，壁厚2.5 mm時(shí)，總體應(yīng)力基本在4 MPa以下，最大應(yīng)力9.35 MPa，滿足強(qiáng)度的要求；壁厚2.0 mm時(shí)，總體應(yīng)力基本在3.5 MPa以下，最大應(yīng)力7.78 MPa，滿足強(qiáng)度的要求。壁厚2.5 mm及2.0 mm時(shí)模塊Z向最大位移分別為0.108 mm和0.105 mm，均位于下層管件的中間部位，如圖5所示。

因模塊質(zhì)量的減少，壁厚2.0 mm時(shí)模塊的應(yīng)力水平及整體撓度都有所下降。

2.3.2 熱態(tài)運(yùn)行工況

壁厚2.5 mm時(shí)，總體應(yīng)力基本在80 MPa以下，最大應(yīng)力為178 MPa；壁厚2.0 mm時(shí)，總體應(yīng)力基本在82 MPa以下，最大應(yīng)力為183 MPa。如圖6所示，兩種情況下最大應(yīng)力均位于支撐板與端板連接的不連續(xù)處，其成分主要是峰值應(yīng)力，按3倍的許用應(yīng)力評價(jià)，均滿足強(qiáng)度的要求。如圖7所示，壁厚2.5 mm及2.0 mm時(shí)模塊的Z向最大位移分別為2.122 mm和2.554 mm，均位于下層管件的中間部位，整體撓度水平均滿足要求。

壁厚2.0 mm時(shí)，模塊的整體應(yīng)力水平及撓度較壁厚2.5 mm時(shí)均有所上升。

2.3.3 檢修工況

壁厚2.5 mm，總體應(yīng)力基本在117 MPa以下，最大應(yīng)力為263 MPa；壁厚2.0 mm，總體應(yīng)力基本在121 MPa以下，最大應(yīng)力為272 MPa。如圖8所示，兩種情況下最大應(yīng)力均位于支撐板與端板連接的不連續(xù)處，其成分主要是峰值應(yīng)力，按3倍許用應(yīng)力評價(jià)均滿足強(qiáng)度要求。如圖9所示，壁厚2.5 mm及2.0 mm時(shí)模塊的Z向最大位移分別為3.303 mm和3.902 mm，均位于下層管件的中間部位，整體撓度水平均滿足要求。

壁厚2.0 mm時(shí)，模塊的整體應(yīng)力水平及撓度較壁厚2.5 mm時(shí)均有所上升。

3 結(jié)語

比較管件壁厚為2.0 mm及管件壁厚為2.5 mm兩種情況下標(biāo)準(zhǔn)模塊的分析結(jié)果，可以得出模塊在管件壁厚為2.5 mm及管件壁厚為2.0 mm時(shí)的應(yīng)力水平及撓度均滿足要求，故實(shí)際設(shè)計(jì)可按壁厚2.0 mm進(jìn)行，以節(jié)省材料費(fèi)用及減少支座反力。

參考文獻(xiàn)

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