脱硫塔载荷有限元分析与理论计算比较

李旭朋

(中国恩菲工程技术有限公司 化工事业部， 北京 100038)

脱硫塔载荷有限元分析与理论计算比较

李旭朋

(中国恩菲工程技术有限公司 化工事业部， 北京 100038)

应用ANSYS有限元软件和SW6软件对脱硫吸收塔进行结构计算分析，在不同载荷作用下得到结果进行对比分析，发现地震载荷以均匀的水平加速度施加的加载方式的有限元计算结果与常规计算相对误差较大。

脱硫吸收塔； 有限元分析； 地震载荷

0 前言

二氧化硫是煤燃烧的直接产物，它的大量排放，导致降雨酸化，腐蚀植被、森林和建筑物，破坏人类的生存环境。控制燃煤电厂二氧化硫排放，减少酸雨发生，是环境保护的重要任务之一。烟气脱硫是降低煤燃烧所产生主要污染物二氧化硫的重要措施。目前，我国的火力发电厂以湿法烟气脱硫为主。吸收塔是湿法脱硫系统的核心设备，因此对其合理设计及优化在工程中十分重要。

脱硫吸收塔为大型薄壁钢制圆筒形结构，烟气的进、出口烟道开孔率较大，内部有多层的喷淋和除雾装置且设有支撑梁，设备尺寸大，负荷范围宽且种类多，防腐要求高，结构形式特殊且复杂，在结构分析中存在很多值得研究的技术难题。对于该类脱硫吸收塔的结构设计，目前尚无现成完全适用的设计规范可循，在很大程度上依赖于工程经验，缺乏必要的理论分析和指导，这对设备结构的安全设计稳定运行以及经济性是不利的。

近年来，随着有限元计算软件的应用越来越广泛，许多工程应用中的脱硫吸收塔设计都基于有限元计算。由于吸收塔结构的上述的特殊性，在对吸收塔进行有限元计算时，需要用梁、壳单元相结合的方法进行分析模拟。在进行计算时，所考虑的载荷主要有内压，风载荷和地震载荷。为了确定吸收塔有限元计算在工程实际应用中的可靠性，本文对各种载荷加载方法的有限元计算结果进行研究。

1 有限元计算与常规计算对比研究

以下对简化模型的不同加载方式的有限元计算结果与常规计算的结果进行对比。对比分析模型的计算条件为：塔体内径：1000 mm，壁厚10 mm，筒体长度6000 mm；裙座内径1000 mm，壁厚10 mm，长度1000 mm；上下均为球形封头，壁厚10 mm。材料密度按7850 kg/m3，弹性模量2×105MPa，泊松比0.3；内压0.1 MPa；基本风压500 Pa，地震烈度7度，场地土类型Ⅱ，场地土粗糙度类别B。有限元计算采用ANSYS软件，选用壳单元shell63，根据载荷的对称性建立图1所示有限元计算模型。对塔底做全约束，对称面施加对称约束。网格剖分图见图2，共剖分5625个单元。

图1 有限元计算模型

图2 网格剖分图

1.1 载荷处理

由于SW6- 1998考虑附件质量计算系数为1.2，为此有限元计算中材料密度乘以1.2倍。

风载荷：风压利用表面效应单元施加，但乘以系数1.19(即体型系数K1=0.7，由于H<20 m，风振系数K2取1.7，K1×K2=0.7×1.7=1.19)

地震载荷：阻尼比取为0.01，则阻尼调整系数为1.519。地震烈度为7度(0.1 g)，地震影响系数最大值为0.08，由于塔的一阶自振周期为0.07 s，可算得地震影响系数为0.096，塔体从上到下，地震载荷按均匀的水平加速度0.096 g施加。

自重：施加竖直方向的重力加速度g。

各种载荷的加载如图3所示。

图3 各种载荷的加载

1.2 计算结果

1.2.1 内压

内压作用下计算结果如图4所示，远离连接边界区，塔体环向应力为5 MPa，轴向应力为2.5 MPa。

1.2.2 风载荷

风载荷作用下计算结果如图5所示，由于塔体筒体与封头连接区存在边缘应力，此处仅考察裙座底部的轴向压应力，为2.81 MPa。

1.2.3 地震载荷

地震载荷作用下的计算结果如图6所示，仅考察裙座底部的轴向压应力，为1.60 MPa。

1.2.4 自重、内压、风载荷共同作用

自重、内压、风载荷共同作用下计算结果如图7所示，轴向拉应力筒体与下封头连接区最大，为4.61 MPa。

1.2.5 自重、风载荷共同作用

自重、风载荷共同作用下计算结果如图8所示，仅考察裙座底部的轴向压应力，为3.87 MPa。

1.3 结果比较

针对以上ANSYS分析的各个工况与SW6- 1998常规计算结果做对比，如表1所示。

图4 内压作用下的应力云图

图5 风载荷作用下轴向应力云图

从表1中可以看出，内压和风载荷计算结果误差较小，适合工程实际应用；地震载荷以均匀的水平加速度施加的加载方式的有限元计算结果与常规计算相对误差较大，不适合工程实际应用，地震载荷按分段加速度的方法施加所得结果比整体施加均匀加速度的方法结果相对误差要小。

图6 地震载荷作用下轴向应力云图

图7 自重、内压、风载荷共同作用轴向应力云图

图8 自重、风载荷共同作用轴向应力云图

表1 有限元计算结果与SW6- 1998的比较

注：由于SW6计算应力时考虑了钢板负偏差0.8 mm，即钢板有效厚度为9.2 mm，而有限元计算壁厚为10 mm，故对有限元应力计算结果进行了修正。

Applying Loads Compared Between Finite Element Analysis and Theoretic Calculation of FGD Absorbing Tower

LI Xu-peng

The structure of the flue gas desulfuration absorbing tower is analyzed by means of finite element method analysis software ANSYS and compared with results from SW6 software. It is found that finite element method calculation results with conventional seismic load loading applied in a uniform horizontal acceleration of the relative error is large.

flue gas desulfuration absorbing tower； finite element analysis； seismic loads

2015-01-02

李旭朋(1982-)，男，河北保定人，工程师，工学硕士，主要从事硫酸设备及脱硫设备的设计工作。

X701.3

B

1003-8884(2015)02-0019-04