1000MW機(jī)組超大型變徑脫硫塔設(shè)計(jì)

周青生

（廣東華海建設(shè)有限公司 廣東廣州 510630）

1 變徑吸收塔設(shè)計(jì)概述

江西某電廠(chǎng)2X1000MW煙氣脫硫工程裝置采用石灰石—石膏濕法脫硫工藝，一爐一塔，二氧化硫排放值為不大于35mg/Nm3。為達(dá)到脫硫要求，吸收塔漿池有效容積5330m3，吸收塔直徑為24.79m/20.66m，高度為43.16m，正常運(yùn)行液位為11.61m，設(shè)計(jì)脫硫效率98.8%。

若采用20.66m直筒式吸收塔，同等有效漿池容積5330m3時(shí)，正常運(yùn)行液位需為15.03m，比變徑吸收塔漿池增加高度3.42m。由此計(jì)算需增加氧化風(fēng)機(jī)約30%電耗約為200KW；另外塔體高度的提高導(dǎo)致各水泵的電耗增加約30KW。在工程造價(jià)方面，吸收塔采用變徑吸收塔可因此節(jié)省鋼材、防腐、土建基礎(chǔ)成本。因此，設(shè)置變徑吸收塔具有降低能耗、降低工程造價(jià)的必要性。

2 變徑塔有限元模型

2.1 材料選用

吸收塔整體為Q345B碳鋼，入口壁板為C276哈氏合金。

2.2 模型建立

首先使用建立全塔有限元模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)計(jì)壁厚為25mm~8mm。

3 變徑塔荷載

3.1 荷載類(lèi)型

A靜荷載；B靜水壓力；C地震荷載；D內(nèi)壓；E真空荷載；F風(fēng)荷載；G活荷載。

3.2 荷載組合

根據(jù)《鋼制焊接石油儲(chǔ)罐API650》規(guī)范要求6種組合方式進(jìn)行荷載組合。①A+F+0.4D；②A(yíng)+F+0.4E；③A+B+C+0.4D；④A+G+0.4E；⑤A+E+0.4G；⑥A+B+1.25D。

4 變徑塔計(jì)算結(jié)果

4.1 變徑吸收塔強(qiáng)度計(jì)算

（1）許用標(biāo)準(zhǔn)：Q345B材料許用應(yīng)力為345MPa*66.6%=230MPa。

（2）結(jié)果分析：6種組合計(jì)算結(jié)果最大等效應(yīng)力：97.5MPa；位置：吸收塔第一圈壁板下部。計(jì)算結(jié)果顯示吸收塔強(qiáng)度符合強(qiáng)度要求。

4.2 變徑吸收塔剛度計(jì)算

（1）許用標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)設(shè)計(jì)驗(yàn)收規(guī)范要求。?。毫鹤冃瘟俊?/400梁長(zhǎng)度，塔壁變形量≤19mm。

（2）結(jié)果分析：除霧器支撐梁變形量：37mm；位置：吸收塔除霧器支撐大梁中部，小于20660mm/400=52mm的允許變形量。塔壁上最大變形量為11.8mm，位置吸收塔入口上方的中間位置。此處由于吸收塔開(kāi)孔影響，變形較大。計(jì)算結(jié)果顯示吸收塔強(qiáng)度符合強(qiáng)度要求。

4.3 變徑吸收塔穩(wěn)定性計(jì)算分析

變徑吸收塔穩(wěn)定性分析是本文的難點(diǎn)，吸收塔穩(wěn)定性分析有以下兩種方法。

方法1：根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算

（1）許用標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)范計(jì)算臨界壓應(yīng)力。美國(guó)《API650鋼制焊接石油儲(chǔ)罐》，罐壁臨界壓應(yīng)力[δcr]=0.413Et/D，（E為彈性模量，D為塔徑，t為管壁厚度）。日本規(guī)范中，罐壁臨界壓應(yīng)力[δcr]=0.33Et/D。我國(guó)《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》中，結(jié)合了我國(guó)大量石油儲(chǔ)罐的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分別對(duì)幾次大地震中間，國(guó)內(nèi)幾十臺(tái)石油儲(chǔ)罐在地震中的罐壁穩(wěn)定性驗(yàn)算，已經(jīng)證明罐壁臨界壓應(yīng)力[δcr]=0.15Et/D，與實(shí)際更為符合。

（2）計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果云圖，比較不同壁厚各層許用壓應(yīng)力值。各層計(jì)算壓應(yīng)力值均不超過(guò)臨界壓應(yīng)力，吸收塔直筒部分穩(wěn)定性符合規(guī)范要求。

壓應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表，如下：

由上表可知，規(guī)范中的罐壁臨界壓應(yīng)力只能計(jì)算及判斷直筒部分的穩(wěn)定性，無(wú)法計(jì)算及判斷錐體部分的穩(wěn)定性。因此錐體部分的穩(wěn)定性以及整體穩(wěn)定性計(jì)算及判斷，需要引入方法2有限元屈曲穩(wěn)定性計(jì)算。

方法2：有限元穩(wěn)定性計(jì)算

（1）線(xiàn)性屈曲穩(wěn)定性計(jì)算

我們首先對(duì)吸收塔進(jìn)行有限元線(xiàn)性屈曲穩(wěn)定性計(jì)算，屈曲穩(wěn)定性計(jì)算的理論基礎(chǔ)為歐拉公式，給出已有形狀、材料特性的物體，通過(guò)有限元計(jì)算得出失穩(wěn)屈曲的臨界力或彎矩。

計(jì)算結(jié)果表明：全塔最薄弱的地方為入口柱的上方。這就定性地說(shuō)明，直筒部分要先于變徑部分失穩(wěn)。這與我們實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)相符合，錐體穩(wěn)定性比直筒更不易失穩(wěn)。

定量的分析，計(jì)算機(jī)給出最為惡劣受力狀況下，荷載安全系數(shù)為9.884，即：失穩(wěn)的臨界荷載為目前所施加的9.884倍。線(xiàn)性屈曲穩(wěn)定性分析，吸收塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是安全的。

（2）非線(xiàn)性屈曲穩(wěn)定性計(jì)算

線(xiàn)性屈曲穩(wěn)定性計(jì)算在工程實(shí)際中預(yù)測(cè)的值偏高，有的甚至超過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試值的十幾倍。這是因?yàn)楣こ讨校瑢?shí)際的塔器、鋼結(jié)構(gòu)等都不是完美的幾何體，都存在幾何缺陷、材料缺陷等等。

因此在有限元計(jì)算時(shí)，利用線(xiàn)性屈曲穩(wěn)定性計(jì)算的結(jié)果模型，對(duì)其設(shè)置初始幾何缺陷，缺陷為屈曲變形相對(duì)值的0.1倍，用屈曲部位帶幾何缺陷模型作為新模型重新進(jìn)行線(xiàn)性屈曲計(jì)算。由此計(jì)算得，荷載安全系數(shù)為1.778，即：失穩(wěn)的臨界荷載為目前所施加的1.778倍。非線(xiàn)性屈曲穩(wěn)定性分析，吸收塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性仍然是安全的。

（3）吸收塔變徑部分屈曲穩(wěn)定性計(jì)算

將變徑段以外的壁板，彈性模量人為提高，以變徑段作為線(xiàn)性屈曲穩(wěn)定性研究對(duì)象，受力狀況不變。變徑段首先屈曲失穩(wěn)的部位為變徑下端的加強(qiáng)環(huán)。最為惡劣受力狀況下，荷載安全系數(shù)為39.923，即：失穩(wěn)的臨界荷載為目前所施加的39.923倍。線(xiàn)性屈曲穩(wěn)定性分析，吸收塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是安全的。

同樣，變徑段線(xiàn)性屈曲穩(wěn)定性結(jié)果模型，對(duì)其設(shè)置初始0.1倍幾何缺陷，用屈曲部位帶幾何缺陷模型作為新模型重新進(jìn)行線(xiàn)性屈曲計(jì)算。重新計(jì)算后，荷載安全系數(shù)為5.827，即：失穩(wěn)的臨界荷載為目前所施加的5.827倍。非線(xiàn)性屈曲穩(wěn)定性分析，變徑段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性仍然是安全的。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元計(jì)算可知，本24.49m/20.66m國(guó)內(nèi)容量最大的變徑吸收塔，滿(mǎn)足強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定性要求，并且通過(guò)計(jì)算知道變徑段強(qiáng)度、穩(wěn)定性較強(qiáng)，并非全塔的薄弱部位。決定吸收塔壁厚的關(guān)鍵為穩(wěn)定性控制。本工程吸收塔，目前已經(jīng)建成并投入使用，一直運(yùn)行正常，為電力環(huán)保樹(shù)立了標(biāo)桿產(chǎn)品，同時(shí)，也為業(yè)主方節(jié)省了能耗，為建設(shè)方節(jié)省了投資成本。