三管自立式钢烟囱结构设计简介

张江霖，范振中，国茂华，张 欣

(1.中国电力工程顾问集团科技开发有限公司，北京 100120；2.中南电力设计院，湖北 武汉 430071 ；3.国核电力规划设计研究院，北京 100094)

1 概述

当前国内新建火力发电厂都要求进行烟气脱硫处理，烟囱运行条件恶劣，促使烟囱不断向更高、多筒及多管方向发展,因此从将烟囱视为设备来考虑的革新设计思路出发,我们创新性地提出了一种全新的多管自立式烟囱结构——三管自立式钢烟囱结构，可以有效地实现了大型火力发电厂两台机组不停机下的钢排烟筒防腐检修维护，对火力发电厂整个机组的连续和可靠运行具有非常重要意义。

2 三管自立式钢烟囱设计特点

当火力发电厂两台600MW或1000MW机组烟囱采用三管自立式钢烟囱时，三个钢筒按正三边形布置并通过合理的钢内筒间距和竖向布置的钢桁架有效连接成为一个整体空间塔架结构来共同抵抗地震荷载、风荷载以及其它荷载作用，最终实现对常规套筒烟囱的取消钢筋混凝土外筒、缩减基础工程量、降低工程造价、以及厂区优化的创新设计。三管自立式钢烟囱立面和平面布置见图1和图2。

图1 三管自立式钢烟囱立面示意图

图2 三管自立式钢烟囱平面布置图

三管自立式钢烟囱同常规多管自立式钢烟囱结构一样，取消了原套筒烟囱的钢筋混凝土外筒，保留的钢内筒既是排烟筒，又是受力构件，因此与常规钢筋混凝土套筒烟囱相比，此新型烟囱有如下主要特点：

(1)在烟囱设计中革命性地提出了“2运1备”理念，即在机组正常运行时，两台机组的烟气分别将接入两个钢排烟筒；当烟囱进行检修维护时，将需要检修机组的烟气通过烟道直接接入第3个钢排烟筒，很好地解决火力发电厂机组在连续运行(不停机)状态下的钢排烟筒防腐检修维护难题；

(2)三个钢筒按正三边形布置，整个烟囱结构平面和立面形体规则，各方向受力均匀、合理；同时整个钢烟囱造型简洁、美观，全面融入了现代气息和建筑美学的设计理念，充分体现了现代火力发电厂的景观设计和创意设计的理念。

(3)对于常规2×1000MW火电厂工程的双钢内筒套筒烟囱(钢筋混凝土外筒)底部外直径一般在35m左右，三管自立式钢烟囱优化后可以控制其底部宽度在24m左右，从而为炉后工艺布置预留更加充裕的空间，为炉后工艺系统的优化创造条件；同时可以避免烟囱基础对周边设备基础的影响；

(4)通过优化钢筒的中心距可满足运煤通道在各钢筒之间顺利通过要求，使得采用侧煤仓炉后上煤方案在发电厂中成为现实，为煤场到煤仓间之间输煤通道的系统最大优化创造条件，大力提高输煤效率的同时有效地节省输煤系统工程投资；

当前国内大跨、超高钢结构大量涌现,因此国内钢结构施工技术水平是完全能够保证火力发电厂中三管自立式钢烟囱的应用，同时此种新型烟囱的应用可在一定程度上缩短烟囱总体施工周期，但也应看到它在施工方面的技术要求和投入会相应提高，以及由于钢筒直接外露后的防腐要求较高，会导致钢筒的维护工作量和费用会有所增加。

3 风荷载计算

根据《烟囱设计规范》(GB50051-2002)及《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)可知，自立式烟囱结构设计关键点的风荷载计算首先应确定风荷载体型系数、风振系数。随着现代计算机技术和计算流体技术的飞速发展，利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamic，CFD)方法在计算机上模拟结构周围风场的变化并求解结构表面风荷载的“数值风洞”技术已经广泛应用到结构风工程研究，考虑到规范未明确给出三管自立式钢烟囱的风荷载体型系数，因此在缺少物理模型试验结论时可以采用数值风洞方法来揭示风压分布与绕流结构的内在联系，研究钢筒的直径、间距、以及风向角的变化对结构风载体型系数影响，并得到结构的风载体型系数取值，为结构优化设计提供依据。典型三管自立式钢烟囱数模计算模型见图3，此时三个钢筒位于正三边形的三个顶点，高度均为240m，各钢筒间的中心间距为24m；数值模拟分析计算中采用的矩形区域取流向迎风面边界取在距离模型中心为1200m，而左右及上边界距离模型中心为1200m，同时为了更好模拟模型尾流的发展，下游出口边界距离模型中心为2400m。根据数值模拟计算得到的三管自立式钢烟囱风载体型系数取值见表1。

图3 三管自立式烟囱的数模分析计算模型

表1 三管自立式钢烟囱风载体型系数

对于三管自立式钢烟囱风振系数取值，应用大型有限元计算程序ABAQUS计算研究三管自立式钢烟囱在风荷载作用下的动态响应，并计算分析后得到烟囱一阶、二阶的自振频率、自振周期和振型，然后根据《建筑结构荷载规范》公式7.4.2计算可确定风振系数取值，对于不同间距的风振系数计算结果见表2。

表2 240m高直径7.3m的三管自立式钢烟囱风振系数(间距20m/24m/28m)

4 技术经济分析

为便于三管自立式钢烟囱与常规套筒烟囱进行技术经济分析，对于最低温度为0℃以上地区的某常规2×1000MW级燃煤机组工程的240m三管自立式钢烟囱应用大型有限元计算程序ABAQUS进行整体计算分析，研究在各种荷载作用下烟囱的应力分布情况，为实际工程应用提供参考。相关工程设计参数如下：百年一遇基本风压值为0.5kN/m2；地面粗糙度类别为B类；抗震设防烈度为7度，地震动峰值加速度为0.1g；设计地震分组为第一组；建筑场地类别为Ⅱ类；特征周期为0.35s；钢烟囱阻尼比为0.01；机组不设计GGH，无烟气旁路，脱硫后进烟囱湿烟气温度为50℃左右；考虑钢的导热性能比较好，温度荷载计算时不考虑日照温差影响，只考虑三个钢筒中仅有一个钢筒正常运行的特殊工况，取钢管温升为50℃。

有限元计算模型的三根钢筒外径为7.3m，管壁厚为20mm，轴心间距为24m，均采用JNS耐硫酸腐蚀结构钢(强度及稳定应力计算按Q345-B考虑)，钢筒间连接钢桁架采用Q345型钢。三管自立式钢烟囱整体有限元计算模型见图4，计算中H型钢采用开口横截面翘曲理论的B31OS梁单元，钢管采用S4R壳单元模拟；计算中直接对烟囱底部施加固端约束来约束底部节点的所有自由度。

图4 三管自立式钢烟囱有限元模型

为简化计算，整体结构计算分析中只考虑自重、风荷载、温度荷载，重点计算三种荷载单独作用下的内力情况；同时根据现行《烟囱设计规范》进行了承载力极限状态和正常使用极限状态两种极限状态设计下的内力计算，其中温度作用1、温度作用2分别对应于1#钢管、2#钢管正常运行两种运行方式。四种典型荷载组合工况如下：

工况1：1.1×[自重(1.0)+风(1.(4)](承载能力极限状态验算)；

工况2：1.1×[自重(1.3(5)+风(1.(4)](承载能力极限状态验算)；

工况3：自重(1.0)+温度作用1(1.0)+风(1.0)(正常使用极限状态验算)；

工况4：自重(1.0)+温度作用1(1.0)+风(1.0)(正常使用极限状态验算)。

单种荷载作用和组合工况荷载作用下的内力计算结果见表3。从表3不难看出，对于单工况作用时，风荷载作用引起的最大Mises应力比其它荷载大，温度荷载次之，自重荷载引起的Mises应力最小；对比组合工况1和工况2结果可知，自重荷载在降低钢筒受拉侧拉应力时也加大了受压侧压应力，综合来看自重荷载过大对整体结构设计是不利的；对比组合工况3、工况4结果可知工况3为最不利荷载组合工况。

表3 三管自立式钢烟囱单荷载工况计算内力

结合上述典型2×1000MW级燃煤机组工程算例采用三管自立式钢烟囱的计算分析，并与常规套筒烟囱(钢筋混凝土外筒+自立式双钢内筒方案)针对烟囱本体进行初步技术与经济分析见表4。

从表4可以看出，当基础采用天然基础时，对于2×1000MW级燃煤机组采用三管自立式钢烟囱时其工程造价则同双管套筒烟囱传统方案略高10%，主要原因是考虑备用的第三个排烟筒直接导致耐酸钢用量和内侧贴宾高德玻璃砖用量(材料单价均较高)增加而促使烟囱造价上升较多。当采用桩基础等特殊地基处理方法，三管自立式钢烟囱的结构自重轻很多(约为双钢内筒套筒烟囱的10%)使得相应的基础地基处理费用更低，同时综合考虑钢结构的回收重复利用和钢筒内侧贴国产玻化砖防腐时，三管自立式钢烟囱与双管套筒烟囱两个方案的经济性基本持平。值得说明的是，从厂区平面优化占地、输煤系统上煤通道的整体优化和烟囱检修期间整个机组不停机连续运行的发电效益等方面来综合考虑，三管自立式钢烟囱的经济性将更加凸显。

表4 2×1000MW级燃煤机组不同烟囱结构方案经济性分析

5 结论

三管自立式钢烟囱已经成功获得国家实用新型专利证书，对于大力倡导创新设计和低碳环保的今天，大型火力发电厂机组采用此新型烟囱在设计、施工方面技术上是完全可行的，可取得较好的经济效益和社会效益：

(1)三管自立式钢烟囱方案是国内首次将烟囱作为设备考虑的革命性设计创新，此方案通过“2运1备”的全新设计理念实现在保证两台机组不停机情况下对钢排烟筒的防腐进行检修维护，建议在工程实际中大力应用推广。

(2)三管自立式钢烟囱钢结构温度荷载计算时温度荷载按照±50℃考虑，钢管外壁未考虑采取保温隔热措施，因此从经济性考虑，当钢筒内壁未采用具有保温功能的防腐措施(如宾高德玻璃砖、发泡玻化砖)时，对于北方严寒地区火电厂采用三管自立式钢烟囱是不适合的；同时对于未采用湿法脱硫系统，且烟囱入口温度超过100℃的火电厂，采用三管自立式钢烟囱也是不适合的。

(3)通过烟囱本体的初步技术与经济比较后可知，对于1000MW级燃煤电厂采用三管自立式钢烟囱同传统的双钢内筒套筒烟囱相比工程造价高出10%左右，因此不断降低烟囱防腐材料(耐酸钢和防腐玻璃砖)价格是降低三管自立式钢烟囱工程造价的有效途径之一；对于软弱地基条件上大型项目积极进行整个输煤系统输煤提到的优化，并统筹考虑烟囱检修期间整个机组不停机连续运行的发电效益等方面综合因素，三管自立式钢烟囱的推广应用可取得良好的经济效益和社会效益。

[1]GB50009-2001，建筑结构荷载规范[S].

[2]GB50051-2002，烟囱设计规范[S].

[3]张相庭.工程抗风设计计算手册[K].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[4]中国电力工程顾问集团公司.科研四管自立式钢烟囱结构方案研究[R].2008.