烟囱与吸收塔合一结构分析

曹友洪

(福建鑫泽环保设备工程有限公司,福建福州 350002)

烟囱与吸收塔合一结构分析

曹友洪

(福建鑫泽环保设备工程有限公司,福建福州 350002)

通过手工计算和ANSYS有限元软件计算两种方法对安徽新源热电有限公司烟囱与吸收塔合一结构进行结构计算。分析了结构在风载荷、地震载荷作用下的应力和变形,比较了手工计算和有限元电算结果,可为类似工程的计算提供理论参考。

烟囱;吸收塔;有限元;载荷

0 引言

近年来,国家对燃煤锅炉 SO2排放浓度控制日益严格,要求燃煤锅炉加装脱硫装置。工艺成熟、脱硫效率高达 95%的石灰石—石膏湿法烟气脱硫技术成为大多数燃煤锅炉主选脱硫工艺。由于现在很多脱硫系统未设置烟气换热器 (GGH),脱硫后的净烟气温度 (约 50℃)低于烟气酸露点,烟囱正压运行,残余的 SO2和 SO3结露后可通过混泥土渗入烟囱内部而腐蚀钢筋。因此,必须对原有烟囱进行防腐改造,这样一方面增加了工程投资,另一方面烟囱防腐施工期影响机组的正常运行。为解决上述问题,引入了烟囱与吸收塔合一结构。

1 工程概况

安徽新源热电有限公司 2×220 t/h锅炉脱硫改造工程属于老锅炉加装烟气脱硫装置项目,采用石灰石—石膏法脱硫工艺,吸收塔采用逆流喷淋空塔,不设 GGH,脱硫后的烟气温度低于 50℃,按常规必须对原烟囱进行防腐处理。原烟囱防腐施工周期估计需要 2～3个月,如果锅炉停机施工,必将给电厂造成巨额的经济损失,因此决定采用烟囱与吸收塔合一结构,此烟囱与吸收塔合一结构总高度 80m,设计为脱硫后烟气的永久性烟囱。

本工程地处蚌埠市区,厂址区 50年超越概率10%的地震动峰值加速度 0.1 g,地震基本烈度为 7度,场地类别Ⅱ类,地震动反应特征周期为 0.30 s,50年一遇基本风压为 0.35 kN/m2。

烟囱与吸收塔合一结构采用自立式,顶部标高80.000m,标高 +0.030～+33.500为塔体部分,标高 +33.500～80.000为烟囱部分。底环厚度30mm,标高 +0.030～ +7.530为Φ 10m筒体,标高在 +7.530～+9.030之间为Φ 10m/Φ 8.6m的圆台,标高 +9.030～+26.080为Φ 8.6m筒体,标高 +26.080～+33.500为Φ 8.6m/Φ 3.7m圆台,标高 +33.500～+80.000为Φ 3.7m筒体,在塔体标高 +10.735处开有 4.8m×3m矩形原烟气进口,在塔体标高 +28.780处开有 4m×3m矩形预留净烟气出口。塔体、烟囱、原烟气进口和预留净烟气出口材料为 Q235-B钢,密度 7850 kg/m3,弹性模量2.06×1011Pa,泊松比为 0.3,屈服极限为 235MPa,许用应力为 113MPa。

2 结构手工计算

2.1 风载荷和地震载荷计算

根据文献[1],为了便于分析和计算,把烟囱与吸收塔合一沿高度分为 8段,计算结构风载荷、地震载荷,计算结果见表 1和表 2。

表 1 烟囱与吸收塔合一结构风载荷计算结果

表 2 烟囱与吸收塔合一结构地震荷载计算结果

2.2 横向风振分析

根据文献[1],高度 H>30m,且高度与平均直径之比 H/D>15的自承式塔式容器应考虑横向风振的影响。对于不等径的塔,平均直径为各直径的加权平均值,计算公式为:

式中:D1、D2……为不等径各段塔直径,m;L1、L2……为不等径各段塔的长度,m。利用式 (1)计算烟囱与吸收塔合一结构的高度与平均直径之比H/D=14<15,由此可知,烟囱与吸收塔合一结构不会发生横向风振。

2.3 应力计算

根据文献[1],烟囱与吸收塔合一结构任意截面的应力计算公式为:

表 3 烟囱与吸收塔合一结构截面 0-0～7-7应力值计算结果

3 ANSYS有限元软件计算

运用 ANSYS有限元分析软件的 APDL(ANSYS Parametric Design Language)语言对烟囱与吸收塔合一结构进行参数化建模,烟囱和吸收塔板选用 Shell 63壳单元,按文献[1]定义结构的载荷,计算烟囱与吸收塔合一在定义载荷情况下的应力和变形,截面0-0～7-7的最大节点应力值见表 4。

表 4 手工计算与 ANSYS有限元软件计算结果比较

结构手工计算结果和 ANSYS有限元电算结果(见表 4)比较接近,两者计算截面应力误差基本在10%左右。两种计算表明,烟囱与吸收塔合一的应力分布不均匀,最大应力约为最小应力的 8倍,最大应力处为烟囱与塔体交接处,最小应力在烟囱顶部。结构计算的最大应力 25.32MPa,小于 Q235-B的许用应力 113MPa,说明结构强度满足要求。

4 结语

(1)烟囱与吸收塔合一结构主要承受风载荷,结构的危险点在烟囱与塔体的结合部(4-4截面),这个部位需要加强。在实际工程设计中,烟囱与塔体结合部通过焊接 40块筋板来加强结构。

(2)烟囱与吸收塔合一结构计算是基于结构不发生腐蚀情况下能满足设计要求,由于脱硫液和脱硫后烟气极具腐蚀性,为保证结构的安全,必须对结构进行防腐蚀措施。

(3)结构手工计算和 ANSYS有限元电算两种方法计算烟囱与吸收塔合一应力结果比较接近,烟囱与吸收塔合一结构强度满足设计要求。

[1]JB/T 4710-2005,钢制塔式容器[S].

[2]GB 50051-2002,烟囱设计规范[S].

[3]GB 50009-2001,建筑结构载荷规范[S].

[4]GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].

[5]GB 50071-2003,钢结构设计规范[S].

[6]博弈工作室.ANSYS9.0经典产品高级分析技术与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[7]王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社,2003.

[8]龙驭球,包世华.结构力学[M].北京:高等教育出版社,2000.

[9]曹友洪,潘 伶.电除尘器钢架有限元分析 [J].电力环境保护,2007,23(6):10-12.

Structural analysis of chimney and absorber tower integrated

U sing m anual calculation m ethod and ANSYS finite elementm ethod,the structural analysis of ch im ney and absorber tower integrated is carried out forAnhuiXinyuan Power Plant.The stress and defor m ation of structure underw ind load and earthquake load are analyzed.The results ofmanualcalculation and finite element calculation are compared,which could provide theo ry reference for calculation of s im ilar devices.

ch imney;absorber tower;finite elem ent;load〗

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1674-8069(2011)05-029-03

2011-06-24;

2011-08-20

曹友洪 (1980-),男,福建长汀人,硕士,工程师,从事烟气脱硫工程设计工作。E-mail:cyh3278@163.com