自立式鋼制尾氣煙囪設(shè)計與選型

蘭洪強 張 毅 蘭 林 劉萍萍 葉 樺 曹建強 王 泳 李廣東

1.中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041；2.蘇州云白環(huán)境設(shè)備制造有限公司, 江蘇 蘇州 215000

0 前言

隨著人們環(huán)境保護意識的不斷加強,經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展越來越強調(diào)環(huán)境保護的重要性。工業(yè)煙囪作為石油石化行業(yè)和火電行業(yè)重要的尾氣排放設(shè)備,其作用舉足輕重。越來越嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),以及越來越大型化的工業(yè)規(guī)模,促使工業(yè)煙囪朝著復(fù)雜化、大型化發(fā)展。較之傳統(tǒng)的混凝土煙囪,鋼制煙囪在一定程度上解決了混凝土煙囪腐蝕、老化的問題,并能更好地解決排煙的二次污染問題[1- 12]。鋼結(jié)構(gòu)的特性有利于定期檢測和安全使用壽命的評估,除此之外,鋼制煙囪結(jié)構(gòu)在節(jié)約原材料、降低成本和縮短施工周期方面都具有很大的潛力,可靠性高,技術(shù)經(jīng)濟性更為合理[12- 13]。

天然氣凈化工業(yè)中,硫黃回收工藝是確保環(huán)保安全的重要技術(shù),為滿足環(huán)保要求,煙囪通常高度為90～120 m不等。經(jīng)多級焚燒和余熱回收的高溫?zé)煔馔ǔ：蠳Ox、SO2、SO3、H2S等產(chǎn)物[2],具有腐蝕性較強、介質(zhì)溫度高(300～650℃)和存在一定毒性(可能含微量H2S)的特點。傳統(tǒng)做法采用鋼制煙囪殼體內(nèi)襯耐高溫澆注料襯里,并以鋼制塔架對煙囪筒體進行支撐,并由塔架承擔(dān)地震和風(fēng)載荷對煙囪的影響,確保煙囪的強度和穩(wěn)定性。此法技術(shù)成熟可靠,但存在施工難度大，占地、造價等綜合成本較高的缺點。隨著自立式高聳構(gòu)筑物的發(fā)展,工業(yè)用鋼制煙囪已發(fā)展出多種不帶輔助支撐的自立式結(jié)構(gòu)。

本文結(jié)合調(diào)研成果、工程實踐經(jīng)驗和分析計算,介紹了鋼制尾氣煙囪的結(jié)構(gòu)選型原則和結(jié)構(gòu)分析計算方法,綜合考慮技術(shù)可靠性和經(jīng)濟合理性,為類似工程前期方案策劃,提供參考和借鑒。

1 工藝介紹

中小規(guī)模的克勞斯裝置尾氣焚燒工藝通常采用直接熱焚燒的方式,即在有過量空氣存在的情況下,燃料氣與空氣燃燒后生成的煙氣將尾氣加熱到一定溫度,使其中的含硫化合物全部轉(zhuǎn)化為SO2,焚燒產(chǎn)物經(jīng)尾氣煙囪排入大氣中,見圖1。該工藝適合于中小規(guī)模的克勞斯裝置,排放的尾氣溫度一般在550～650℃。

圖1 尾氣焚燒直接排放流程圖

對于大型克勞斯裝置,為降低能耗通?？紤]在尾氣焚燒爐后設(shè)置廢熱鍋爐,利用回收的熱量產(chǎn)生壓力為3.5～4 MPa 的蒸氣,并將尾氣溫度降低至300～350℃,見圖2。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 常見結(jié)構(gòu)形式

鋼制煙囪作為高聳構(gòu)筑物,從支撐結(jié)構(gòu)類型上,主要分為拉索式、塔架式、自立式和集束式。

圖2 尾氣焚燒-回收余熱后排放流程圖

2.1.1 拉索式

拉索式在煙筒中上部位置采用均布斜拉鋼索的結(jié)構(gòu),通過均布的預(yù)緊拉力傳遞到地面基礎(chǔ),使煙囪正常操作承受風(fēng)載作用時保持穩(wěn)定。由于拉索式結(jié)構(gòu)屬于預(yù)拉伸的柔性結(jié)構(gòu),基本無法承擔(dān)地震載荷。此外,由于拉索需要與煙筒保持一定的角度,對于超過20 m的拉索式鋼制煙囪,其地面基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分布占地區(qū)域面積大,隨著煙囪的日趨大型化,鋼制煙囪的安全性要求更高，用地需求更加緊張。拉索式支撐結(jié)構(gòu)僅適用較小規(guī)模的設(shè)備[13- 15]。

2.1.2 塔架式

塔架式結(jié)構(gòu)采用塔架鋼結(jié)構(gòu)形式,與設(shè)備筒體采用抱箍連接,形成整體式具有較高剛度的組合鋼結(jié)構(gòu),可有效承擔(dān)風(fēng)載荷和地震載荷。其缺點是塔架結(jié)構(gòu)地面基礎(chǔ)部分占地面積相對較大,給用地緊張地區(qū)的工程實施帶來一定的困難。塔架式煙囪適用于煙囪高度高,高徑比(H/D)大,建造地區(qū)煙囪所受風(fēng)載荷和地震載荷較大的項目。

根據(jù)國內(nèi)外調(diào)研情況,結(jié)合國內(nèi)實際現(xiàn)狀,考慮安全性和經(jīng)濟性,120 m以上煙囪宜選用塔架式鋼制結(jié)構(gòu)。另外,在煙囪穩(wěn)定性計算時,綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性和技術(shù)經(jīng)濟合理性,應(yīng)對塔架式煙囪和自立式煙囪進行綜合技術(shù)經(jīng)濟對比[13-15]。

2.1.3 自立式

自立式鋼制煙囪無需外部鋼結(jié)構(gòu)或輔助結(jié)構(gòu)支撐,靠自身筒體剛度和強度,以及底座與基礎(chǔ)的連接承擔(dān)煙囪操作運行時的風(fēng)載荷和地震載荷,筒體本身滿足強度、剛度、撓度、振動和穩(wěn)定性等要求,確保煙囪本體安全可靠[4]。

從國外煙囪理論和應(yīng)用業(yè)績看,自立式煙囪本體結(jié)構(gòu)比非自立式煙囪結(jié)構(gòu)尺寸和耗鋼量大,但在綜合占地指標(biāo)上有絕對優(yōu)勢。且自立式結(jié)構(gòu)簡單,可實現(xiàn)工廠預(yù)制,現(xiàn)場組裝、施工更為簡便,已經(jīng)成為國外眾多工程應(yīng)用的首選結(jié)構(gòu)形式。自立式鋼制煙囪由于計算模擬分析復(fù)雜,在國內(nèi)尚未大規(guī)模推廣和應(yīng)用。

根據(jù)國外和國內(nèi)自立式煙囪應(yīng)用情況,目前高度不超過100 m的煙囪,采用自立式結(jié)構(gòu)有較高的可行性。

2.1.4 集束式

集束式結(jié)構(gòu),即多根煙囪(煙筒)采用一定的幾何結(jié)構(gòu)形式排列,相互之間通過抱箍結(jié)構(gòu)連接為一個整體,形成組合式結(jié)構(gòu),從而增加煙囪整體的剛度,滿足設(shè)計條件下風(fēng)載荷和地震載荷的要求。

集束式結(jié)構(gòu)占地空間小,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。缺點是適用范圍窄,僅適用于多列裝置或同類型裝置,且對工藝裝置的總圖布置和對工藝配管的要求高。

2.2 理論依據(jù)

2.2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)地震分析中最常用的方法。該方法通過計算一組正交向量之后,將大型整體平衡方程組縮減為數(shù)量相對較少的解耦的二階微分方程,縮短用于數(shù)值求解這些方程的計算時間,并為結(jié)構(gòu)靜力分析和其他動力分析提供運算基礎(chǔ)。

([K]-ω2[M]){φ}={0}

(1)

式(1)為結(jié)構(gòu)振動的特征方程,模態(tài)分析就是計算該特征方程的特征值{ωi}(i=1,2,3,…,n),以及其對應(yīng)的特征向量{φi}=(i=1,2,3,…,n),從而構(gòu)成一個完備的模態(tài)集,描述其動力特性。

在實際工程設(shè)計中，為了減少計算量，通常取前6階段分析結(jié)果[5]。

2.2.2 反應(yīng)譜IMD分析

地震反應(yīng)譜有力反應(yīng)譜、位移反應(yīng)譜、速度反加速度反應(yīng)譜等,GB 50011-2001《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》采用的是根據(jù)加速度反應(yīng)譜得到的地震影響系數(shù)曲線,該影響系數(shù)取結(jié)構(gòu)最大加速度響應(yīng)與重力加速度的比值,以使該系數(shù)無量綱化。反應(yīng)譜理論考慮了結(jié)構(gòu)動力特性與地震動特性之間的動力關(guān)系,通過反應(yīng)譜來計算由結(jié)構(gòu)動力特性(自振周期、振型和阻尼)所產(chǎn)生的共振效應(yīng)。地震時結(jié)構(gòu)所受到的最大水平基底剪力,即總水平地震作用為：

FEK=kβ(T)G=α(T)G

(2)

式中：k為地震系數(shù);β(T)=Sa(T)/a為加速度反應(yīng)譜Sa(T)與地震動最大加速度a的比值,表示地震時結(jié)構(gòu)振動加速度的放大倍數(shù)；G為結(jié)構(gòu)等效重力載荷代表值;a(T)=kβ(T)為地震影響系數(shù)，是加速度反應(yīng)譜Sa(T)與重力加速度g的比值，表示地震時由于振動加速度引起的地震力與等效重力荷載代表值的比值。

本文采用的反應(yīng)譜通過軟件生成，見圖3。

圖3 反應(yīng)譜曲線

2.3 設(shè)計計算

2.3.1 建模

單筒式煙囪和套筒式煙囪從結(jié)構(gòu)支撐類型上無本質(zhì)區(qū)別,分析方法相同,套筒式煙囪的內(nèi)筒除自身重力以外不考慮其他載荷,主要支撐由外筒承擔(dān)。因此在進行分析時均按照單筒考慮,建立模型。

針對某工程的鋼制煙囪,采用LUSAS商業(yè)軟件,建立模態(tài)分析模型,該鋼制煙囪的結(jié)構(gòu)形式為自立式鋼制煙囪,總體高度為90 m,分為3個變徑段,底座為地腳螺栓連接。具體結(jié)構(gòu)建見圖4～5。

計算滿足如下假定條件：

1)材料為連續(xù)均勻各向同性。

2)分析始終假定整個模型保持在材料的彈性限度之內(nèi)。

3)采用三維實體元素建模和分析,以便更詳細(xì)評估這些應(yīng)力。

2.3.2 地震分析

根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果和生成的反應(yīng)譜進行動力分析。對于自立式鋼制煙囪,豎向加速度引起的作用于煙囪橫截面的縱向力計算容易,因此對于模型應(yīng)力分析暫不考慮豎向加速度的影響,簡化模型加載情況,簡化計算。因此只分析平面內(nèi)X、Y方向的作用力與反力和相關(guān)的位移[16-19]。

圖4 自立式鋼制煙囪結(jié)構(gòu)圖

圖5 自立式鋼制煙囪有限元整體模型

根據(jù)規(guī)范和煙囪實際工程資料,確定工程所在地的地震設(shè)防烈度、建筑類別、類場地土類別和設(shè)計地震分組、特征周期、地震影響系數(shù)、結(jié)構(gòu)阻尼比ξ,計算得到相關(guān)的反應(yīng)譜曲線，見圖3。

2.3.3 風(fēng)載荷分析

由于煙囪近似于一端固支的長柔桿結(jié)構(gòu),與其他類型的結(jié)構(gòu)比較,鋼制煙囪的水平荷載引起的結(jié)構(gòu)反應(yīng)特別強烈。在各類載荷中,風(fēng)載荷對煙囪結(jié)構(gòu)是最重要的,不僅結(jié)構(gòu)應(yīng)力的大部分是風(fēng)載荷引起的,而且煙囪結(jié)構(gòu)振動控制的動力源也是風(fēng)載荷。

因此,鋼制煙囪設(shè)計時要求結(jié)構(gòu)在強風(fēng)下不會發(fā)生破壞、倒塌、開裂、局部失穩(wěn)、存在殘余變形。在脈動風(fēng)載荷作用(包括順風(fēng)向、橫風(fēng)向旋渦干擾力)下,會引起煙囪結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)(包括動內(nèi)力、動位移、振動加速度)。其振動反應(yīng)與結(jié)構(gòu)本身的動力特性有關(guān),結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)、質(zhì)量分布、結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)形式都將影響結(jié)構(gòu)的動力特性。風(fēng)載荷確定則與煙囪結(jié)構(gòu)的自振頻率(周期)、各階振型等有著密切的聯(lián)系。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》垂直于建筑表面上的風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值,應(yīng)按以下公式計算：

Wk=βkμsμkWo

(3)

式中：Wk為風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2；βk為高度Z處的風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)載荷體型系數(shù)；μk為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；Wo為基本風(fēng)壓,kPa。

根據(jù)本文研究煙囪的所在地,風(fēng)壓取值為0.4 kPa。

順風(fēng)力作用下,順風(fēng)向和橫向風(fēng)產(chǎn)生響應(yīng)。橫風(fēng)力作用下,由于漩渦形成的情況不同,結(jié)構(gòu)受力情況也不同。

2.3.4 分析結(jié)果

2.3.4.1 模態(tài)分析結(jié)果

本模型模態(tài)分析,一共輸入20階,取前6階的結(jié)果分析。高階振動出現(xiàn)豎向振動,對于這類型的結(jié)構(gòu)豎向振動表現(xiàn)不明顯,因此暫不考慮。模態(tài)分析結(jié)果見表1。

表1前6階模態(tài)分析結(jié)果

階次周期T/s頻率f/Hz11.4270.70121.3140.76130.3053.27540.3053.27750.1228.16660.1228.166

從模態(tài)分析結(jié)果看出：主體結(jié)構(gòu)第1階固有頻率為f=0.707 Hz,T1=1.427 S,基本周期適中,說明結(jié)構(gòu)橫向剛度比較合理。T2/T1=0.921,結(jié)構(gòu)縱橫兩向周期比較接近,說明結(jié)構(gòu)兩方向剛度均勻,抗震性能較好[6]。

2.3.4.2 綜合工況分析結(jié)果

經(jīng)過計算分析,獲得鋼制煙囪在自重、風(fēng)載、溫度等載荷下的應(yīng)力和相關(guān)的位移,見圖6和表2,結(jié)果符合GB 50051-2013《煙囪設(shè)計規(guī)范》要求(以下簡稱GB 50051-2013)。

圖6 最大應(yīng)力和相關(guān)的位移

表2應(yīng)力分析結(jié)果

項目應(yīng)力max/MPa應(yīng)力min/MPa位移/mmGB50051-2013位移規(guī)定值/mm結(jié)果29.98-49.97114.34L/100=200

3 推薦選型

3.1 基本原則

自立式鋼制煙囪從筒體結(jié)構(gòu)類型可分為單筒式和套筒式。

單筒式煙囪和套筒式煙囪從結(jié)構(gòu)支撐類型上無本質(zhì)區(qū)別,皆可使用上述支撐結(jié)構(gòu)類型。套筒式煙囪相比單筒式煙囪更便于解決溫度和腐蝕問題。應(yīng)針對不同的煙氣溫度工況和腐蝕特性,選取合適的筒體結(jié)構(gòu),兼顧安全性和經(jīng)濟性?？蓪Σ煌瑹煔夤r進行分類,以便于筒體結(jié)構(gòu)選型。溫度工況和腐蝕特性不同導(dǎo)致選型不一致時需采用更安全的筒體結(jié)構(gòu)類型。

3.2 溫度工況選型

不同介質(zhì)溫度下推薦的結(jié)構(gòu)形式見表3。

表3不同介質(zhì)溫度下推薦結(jié)構(gòu)形式

煙氣溫度/℃主要腐蝕風(fēng)險防腐保溫形式襯里保溫套筒60≤t<150露點腐蝕◇/★150≤t<350露點腐蝕+高溫?zé)煔飧g☆◇★350≤t<600高溫?zé)煔飧g☆/★600≤t高溫?zé)煔飧g★/☆ 注:★為優(yōu)選形式;☆為次優(yōu)選形式;◇為可選形式。

應(yīng)注意以下幾點：

1)煙氣溫度60℃≤t<150℃時,主要腐蝕風(fēng)險是露點腐蝕,因此鋼制煙囪應(yīng)針對露點腐蝕采取相應(yīng)措施。優(yōu)選方案可采取耐蝕合金內(nèi)套筒式結(jié)構(gòu),也可采用內(nèi)襯里(含防腐涂料)的措施。采用外保溫的形式解決不了酸氣露點腐蝕,因此不應(yīng)采用。

2)煙氣溫度150℃≤t<350℃時,主要腐蝕風(fēng)險介于酸氣露點腐蝕和高溫硫化腐蝕之間,腐蝕類型對溫度參數(shù)的變化敏感,腐蝕機理復(fù)雜,應(yīng)進行精確的傳熱計算,同時為保證設(shè)備長周期安全運行,推薦采用套筒式結(jié)構(gòu)，兼顧設(shè)備強度和穩(wěn)定性,其耐高溫和耐腐蝕性能俱佳；推薦采用內(nèi)襯里結(jié)構(gòu)形式,輔以防腐涂料,工程應(yīng)用經(jīng)驗表明可靠性較高；外保溫形式作為可選項,需結(jié)合精確的傳熱計算,確保煙筒壁面金屬壁溫高于介質(zhì)露點溫度；由于保溫結(jié)構(gòu)工程量大,施工難度高,如有缺陷,將導(dǎo)致保溫層在雨雪氣候中失效,從而導(dǎo)致金屬壁溫偏離設(shè)計值,引起嚴(yán)重腐蝕。

3)煙氣溫度350℃≤t<650℃時,主要腐蝕風(fēng)險為高溫?zé)煔飧g,因此采用套筒式結(jié)構(gòu)和襯里式結(jié)構(gòu),都可以很好地避免碳鋼筒體與高溫?zé)煔饨橘|(zhì)的直接接觸。其中套筒式結(jié)構(gòu)完全杜絕碳鋼外筒體的腐蝕風(fēng)險,施工質(zhì)量高的襯里結(jié)構(gòu)則可以大大降低腐蝕風(fēng)險。保溫結(jié)構(gòu)因不能解決金屬壁溫過高以及碳鋼金屬材料特性變化的問題,因此不予推薦。

4)煙氣溫度650℃≤t時,主要腐蝕風(fēng)險為高溫?zé)煔飧g。由于套筒式結(jié)構(gòu),需要耐高溫性能更好的耐蝕合金作為內(nèi)筒,其材料成本較高,但作為技術(shù)方案,為可選方案。采用隔熱襯里結(jié)構(gòu),可以很好地解決耐高溫的問題,但由于溫度過高引起的襯里層過厚,導(dǎo)致襯里層垮塌等失效的風(fēng)險也是存在的。因此,建議超過650℃的尾氣系統(tǒng),從工藝上盡量考慮余熱回收,從而降低煙氣溫度。

3.3 腐蝕特性選型

導(dǎo)致煙氣腐蝕性的原因有腐蝕介質(zhì)、煙氣溫度、煙氣濕度、煙氣流速等。鋼制煙囪腐蝕性選型應(yīng)針對具體案例,界定腐蝕機理,選取適宜的防腐內(nèi)襯。對于筒體結(jié)構(gòu)在腐蝕特性影響下只做大類劃分。

1)微腐蝕,常規(guī)為煙溫150～300℃,腐蝕介質(zhì)含量低,可選用單筒式或套筒式。

2)中度腐蝕,常規(guī)為煙溫小于150℃,有一定腐蝕介質(zhì),宜選用套筒式。

3)強腐蝕,常規(guī)為煙溫小于100℃,腐蝕介質(zhì)含量高,煙氣濕度大或煙氣溫度高于450℃,腐蝕介質(zhì)含量高,應(yīng)選用套筒式。

4 結(jié)論

通過以上分析,自立式鋼制煙囪在各種綜合載荷下應(yīng)力、位移值均在規(guī)范允許的范圍內(nèi),鋼煙囪結(jié)構(gòu)在節(jié)約原材料、降低成本和縮短施工周期方面都具有很大的潛力，應(yīng)用于實際工程中具有經(jīng)濟性、安全可靠性等優(yōu)勢。

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