有限元分析軟件在濕法脫硫技改項(xiàng)目上的應(yīng)用

王銳

（湖南宏福環(huán)保股份有限公司，長沙 410205）

引言

有限元分析法是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬，其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（較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，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，在工程領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

目前應(yīng)用較多的有限元分析軟件包括ANSYS、MARC、STAAD等，其中ANSYS在工程結(jié)構(gòu)力學(xué)上運(yùn)用最為廣泛。ANSYS有限元分析軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，具有多物理場耦合功能，允許在同一模型上進(jìn)行多種的耦合計(jì)算。

針對火電廠濕法煙氣脫硫技改工程的項(xiàng)目特點(diǎn)，ANSYS有限元分析軟件對吸收塔臨時(shí)煙囪的模擬分析主要運(yùn)用地震載荷、風(fēng)載荷、雪載荷和吸收塔實(shí)際運(yùn)行載荷進(jìn)行載荷工況組合計(jì)算，在保留原吸收塔主體結(jié)構(gòu)的前提下，通過加強(qiáng)和修改吸收塔部分結(jié)構(gòu)，以保證吸收塔及其臨時(shí)煙囪的安全結(jié)構(gòu)性能，同時(shí)盡量減少結(jié)構(gòu)修改對吸收塔性能的負(fù)面影響。

華能長春熱電廠新建工程（2×350MW）煙氣脫硫系統(tǒng)工程，由于取消設(shè)置煙氣加熱設(shè)備（簡稱GGH）后，電廠的主煙囪和煙道需進(jìn)行防腐改造施工，因此需在吸收塔上增設(shè)臨時(shí)煙囪來保證防腐改造施工期間電廠機(jī)組的正常運(yùn)行；即電廠鍋爐煙氣經(jīng)煙氣脫硫系統(tǒng)（簡稱FGD）進(jìn)行脫硫處理后，凈煙氣經(jīng)吸收塔頂部設(shè)置的臨時(shí)煙囪排入大氣，從而滿足環(huán)保要求。在保留原吸收塔主體結(jié)構(gòu)不變的情況下，其頂部需進(jìn)行改造和重新防腐處理，支撐臨時(shí)煙囪的斜向拉桿生根于出口煙道和吸收塔，凈煙氣壁上，吸收塔出口煙道和塔壁局部需增設(shè)加強(qiáng)筋，以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

通過ANSYS有限元分析軟件將臨時(shí)煙囪和吸收塔結(jié)合成整體以建立數(shù)學(xué)模型，對其重力荷載、風(fēng)載荷、雪載荷和地震載荷等多種載荷進(jìn)行工況組合，從位移、應(yīng)力、剪切等多方面對其進(jìn)行模擬分析，對臨時(shí)煙囪及吸收塔的本體和支撐鋼結(jié)構(gòu)按照相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行強(qiáng)度校核，從而保證臨時(shí)煙囪及吸收塔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

1 臨時(shí)煙囪設(shè)計(jì)及吸收塔改造原則

設(shè)計(jì)考慮到該吸收塔為核心反應(yīng)設(shè)備且屬大型構(gòu)件建筑物，臨時(shí)煙囪的設(shè)置和拆除應(yīng)不影響脫硫吸收塔的塔體結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)基于經(jīng)濟(jì)成本和施工難度及工期考慮，當(dāng)吸收塔的整體強(qiáng)度或穩(wěn)定性不足時(shí)，應(yīng)采用局部增設(shè)加強(qiáng)筋的方法；臨時(shí)煙囪的設(shè)置應(yīng)滿足場地實(shí)際情況和工藝系統(tǒng)布置及功能需要；臨時(shí)煙囪作為臨時(shí)過渡措施，要考慮對廠區(qū)周圍環(huán)境的影響；并需考慮臨時(shí)煙囪的使用壽命到期后的拆除方便及出口的封堵措施，盡可能減少對主機(jī)運(yùn)行的影響。

2 臨時(shí)煙囪設(shè)計(jì)及吸收塔改造方案

2.1 脫硫吸收塔及臨時(shí)煙囪相關(guān)數(shù)據(jù)（見表1）

表1 FGD工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

華能長春電廠位于長春市郊，屬波狀平原地帶，按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，建筑場地類別為Ⅱ類；廠址場地地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35s；地震動峰值加速度為0.05g，對應(yīng)地震基本烈度按6度考慮。

2.2 臨時(shí)煙囪設(shè)計(jì)方案

2.2.1 方案一

采用鋼筋斜拉索固定臨時(shí)煙囪，即將臨時(shí)煙囪分三段采用法蘭形式進(jìn)行安裝，每段分別用4根鋼筋斜拉索進(jìn)行固定，鋼筋斜拉索根據(jù)實(shí)際脫硫場地布置生根于地面或吸收塔周邊建筑物上。

優(yōu)點(diǎn)：可減少臨時(shí)煙囪對吸收塔結(jié)構(gòu)的水平載荷影響；便于臨時(shí)煙囪和鋼筋斜拉索的拆卸，如要拆除臨時(shí)煙囪時(shí)，該部分拉索鋼結(jié)構(gòu)可回收利用。

缺點(diǎn)：需對脫硫場地的布置進(jìn)行多方面綜合考慮，將影響吸收塔及其周邊建筑物的土建結(jié)構(gòu)。

2.2.2 方案二

在吸收塔頂部設(shè)置12根斜向拉桿以支撐臨時(shí)煙囪，其生根于吸收塔出口煙道和塔壁周邊處，使臨時(shí)煙囪所產(chǎn)生的動、靜荷載由加固的周邊塔壁承受；臨時(shí)煙囪分三段采用法蘭型式進(jìn)行安裝。

優(yōu)點(diǎn)：只對吸收塔本體結(jié)構(gòu)及其地基產(chǎn)生影響；減少了對脫硫場地布置的影響；便于臨時(shí)煙囪的安裝及拆卸。

缺點(diǎn)：由于吸收塔的載荷增加，吸收塔出口煙道及除霧器以上需局部增設(shè)加強(qiáng)筋，除霧器以上部分需重新做防腐處理；影響原吸收塔的土建結(jié)構(gòu)，原吸收塔地基需進(jìn)行加固處理；不便于斜向拉桿的拆卸，如要拆除臨時(shí)煙囪時(shí)，該部分鋼結(jié)構(gòu)只可部分回收利用。

2.2.3 方案三

在距離吸收塔四周2.5～3m位置設(shè)置一個(gè)鋼支架框架，該鋼支架框架生根于吸收塔附近的地面上，將臨時(shí)煙囪分三段分別用鋼支架框架直接支撐。

優(yōu)點(diǎn)：可減少臨時(shí)煙囪對吸收塔結(jié)構(gòu)的影響，不需考慮臨時(shí)煙囪的垂直荷載和水平荷載均由鋼支架框架承受；只對脫硫場地的布置產(chǎn)生局部影響，便于安裝和拆卸。

缺點(diǎn)：需要重新考慮吸收塔的土建支撐結(jié)構(gòu)型式，對局部脫硫場地布置的多方面綜合考慮要求較高，將直接影響吸收塔及其周邊部分建筑物的土建結(jié)構(gòu)。

綜合考慮現(xiàn)場實(shí)際情況及施工難度和工期問題，采用方案二較為合適，改造后的吸收塔外形見圖示。

臨時(shí)煙囪的脫硫吸收塔外形圖

2.3 臨時(shí)煙囪設(shè)計(jì)中需考慮的載荷及工況

2.3.1 結(jié)合ANSYS有限元分析軟件，吸收塔設(shè)計(jì)中需要考慮以下8種獨(dú)立的載荷

（1）溫差載荷：由于吸收塔本體一般設(shè)置了保溫層，塔內(nèi)溫差變化不大，因此在設(shè)計(jì)中可不予考慮。

（2）塔內(nèi)石灰石漿液的靜壓：即吸收塔實(shí)際運(yùn)行過程中，塔內(nèi)下部漿液池中石灰石漿液產(chǎn)生的靜壓載荷。

（3）塔內(nèi)石灰石漿液表面上部的煙氣壓力：1）塔內(nèi)石灰石漿液表面上部煙氣正壓：在實(shí)際運(yùn)行過程中，塔內(nèi)石灰石漿液表面上部的煙氣壓力為≤+4000Pa，計(jì)算載荷時(shí)按+4000Pa考慮；由于臨時(shí)煙囪頂端與大氣相連，即其壓力與大氣壓相同，所以臨時(shí)煙囪段不施加內(nèi)壓。2）塔內(nèi)石灰石漿液表面上部煙氣負(fù)壓：當(dāng)吸收塔處于事故工況時(shí)，塔內(nèi)石灰石漿液表面上部煙氣壓力為0～-2000Pa，計(jì)算載荷時(shí)按-2000Pa考慮；由于臨時(shí)煙囪頂端與大氣相連，即其壓力與大氣壓相同，所以臨時(shí)煙囪段不施加內(nèi)壓。

（4）吸收塔鋼結(jié)構(gòu)及其內(nèi)構(gòu)件的重力載荷：即吸收塔停運(yùn)時(shí)的空塔重量。

（5）雪載荷：根據(jù)當(dāng)?shù)鼗狙褐涤?jì)算出來的雪載荷[2]；其作用于吸收塔出入口煙道上表面及吸收塔錐頂，由于臨時(shí)煙囪頂端與大氣相連，所以臨時(shí)煙囪段不予計(jì)算。

（6）風(fēng)載荷：根據(jù)當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓值計(jì)算出來的風(fēng)載荷[2]；由于吸收塔在煙氣出、入口側(cè)面方向迎風(fēng)面積較大，因此該方向施加的風(fēng)載荷將使模型受到的風(fēng)彎矩最大，而風(fēng)彎矩在塔殼中引起的應(yīng)力也最大，比較危險(xiǎn)，所以煙氣出、入口的側(cè)面方向?yàn)橛L(fēng)面計(jì)算即可。

（7）地震載荷：綜合參考《鋼制焊接常壓容器》和《鋼制塔式容器》的規(guī)定，需考慮水平地震力、垂直地震力和地震液晃載荷，水平地震力的作用方向與迎風(fēng)面一致；由于吸收塔的高徑比較小，因此高階振型對吸收塔的影響可不予考慮。

2.3.2 吸收塔內(nèi)壁主應(yīng)力

在圓筒形塔壁中，理論上存在3個(gè)主應(yīng)力，分別是周向應(yīng)力、軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力；對于脫硫吸收塔這種低壓塔而言，其徑向應(yīng)力很小，完全可以忽略不計(jì)；因此塔壁中的應(yīng)力狀態(tài)可簡化為只受周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的兩向應(yīng)力狀態(tài)，該兩向應(yīng)力包括以下幾項(xiàng)：1）由內(nèi)壓或外壓產(chǎn)生的塔壁軸向拉/壓應(yīng)力；2）由結(jié)構(gòu)自重、雪載荷、風(fēng)載荷等產(chǎn)生的塔壁受應(yīng)力；3）由最大彎矩（包括水平風(fēng)力和地震力、偏心力）產(chǎn)生的塔壁軸向拉/壓應(yīng)力；4）由垂直地震力產(chǎn)生的塔壁軸向拉/壓應(yīng)力；5）由內(nèi)壓或外壓產(chǎn)生的塔壁周向拉/壓應(yīng)力。

2.3.3 綜合考慮吸收塔的實(shí)際運(yùn)行情況，有限元分析共需校核以下3種組合工況的強(qiáng)度和穩(wěn)定性

（1）操作工況A：載荷（1）+（2）+（3-a）+（4）+（5）+（6）

（2）操作工況B：載荷（1）+（2）+（3-b）+（4）+（5）+0.25×（6）+（7）

（3）事故工況：載荷（1）+（2）+（3-b）+（4）+（5）+（6）

組合工況（1）和組合工況（2）中包括內(nèi)壓，組合工況（3）中包括外壓，相對更容易發(fā)生失穩(wěn)，可見如果組合工況（3）的穩(wěn)定性復(fù)合要求，則組合工況（1）（2）的穩(wěn)定性也將符合要求，因此只需對組合工況（3）進(jìn)行校核即可。

2.4 臨時(shí)煙囪的安全校核判據(jù)

一般而言，設(shè)備的安全判據(jù)有三類：強(qiáng)度判據(jù)、穩(wěn)定性判據(jù)和剛度判據(jù)。

2.4.1 強(qiáng)度判據(jù)

根據(jù)《鋼制焊接常壓容器》規(guī)定，吸收塔運(yùn)行時(shí)的強(qiáng)度判據(jù)為：σ≤[σ]t

式中，σ為結(jié)構(gòu)中的等效應(yīng)力，[σ]t為材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。

2.4.2 穩(wěn)定性判據(jù)

設(shè)備的穩(wěn)定性安全判據(jù)是設(shè)備各處的最大薄膜軸向壓縮應(yīng)力σt≤[σ]tc。

2.4.3 剛度判據(jù)

按一般低壓塔式容器進(jìn)行強(qiáng)度校核即可。

吸收塔結(jié)構(gòu)材料機(jī)械性能數(shù)據(jù)見表2。

表2 吸收塔結(jié)構(gòu)材料機(jī)械性能數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

（1）根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，吸收塔頂部錐段結(jié)構(gòu)較為單薄，且附帶有開孔面積較大的煙氣出口，屬大應(yīng)力區(qū)，增設(shè)臨時(shí)煙囪后容易發(fā)生失穩(wěn)；而吸收塔頂部錐段的底部是臨時(shí)煙囪斜向拉桿的生根處，容易出現(xiàn)局部應(yīng)力過大的現(xiàn)象，因此需對這些部位采用加強(qiáng)筋進(jìn)行局部增強(qiáng)。

（2）加固后的吸收塔頂部錐段應(yīng)力和位移計(jì)算分析結(jié)果，其最大應(yīng)力值為22.6MPa，最大位移值6mm，均滿足鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

（3）由于增設(shè)臨時(shí)煙囪的脫硫吸收塔結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，已超過了常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算范圍；采用ANSYS有限元分析軟件可將多種載荷工況設(shè)置成多個(gè)載荷步，然后按實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行最危險(xiǎn)工況的組合，從而計(jì)算分析得出整個(gè)吸收塔結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域；通過應(yīng)力強(qiáng)度評定，判斷吸收塔設(shè)備的強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理。