浅析火力发电厂烟囱的设计

龚节福(四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610016)



浅析火力发电厂烟囱的设计

龚节福
(四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610016)

摘要：烟囱是火力发电厂中重要的构筑物，对于烟囱设计的技术和经济指标要求较高。由于环保的要求越来越高，烟囱的高度不断增加。单筒式钢筋混凝土烟囱减少使用，套筒和多管式钢筋混凝土烟囱为目前运用最广的烟囱型式。本文拟针对套筒和多管式钢筋混凝土烟囱的设计方法和注意事项作简要的分析和论述。

关键词：套筒和多管式钢筋混凝土烟囱；防腐；概念设计；风洞；开孔处理；计算模型简化。

1　概述

对于套筒和多管式钢筋混凝土烟囱，烟囱的内筒作用方式通常有自立式、整体悬挂、分段悬挂、分段支承以及综合形式。自立式钢内筒受力明确，计算简单，但其属于长悬臂压弯构件，存在稳定计算问题，一般管壁较厚，经济性较差。整体悬挂和分段悬挂以受拉为主，避免了局部失稳，自重较自立式减小30%～50%左右，经济指标较好；但是结构体系和荷载传递路径较复杂，同时悬挂(承重)平台、止晃平台和膨胀节的设计也较为复杂。分段悬挂或分段支承膨胀节的个数较多，防腐处理较困难，有一定的安全隐患。

2　烟囱防腐

对于套筒和多管式钢筋混凝土烟囱，内筒的防腐内衬材料可用钛板内衬、耐酸钢+防腐涂料、泡沫玻璃砖内衬、泡沫玻化砖内衬、镍基合金内衬、玻璃钢内衬等。其各自的特点如下：

2.1钛钢复合板

钛钢复合板技术成熟，有专门的国家标准，防腐效果非常好，但焊接工艺较复杂，焊接质量难以保证，且造价高。

2.2耐酸钢+防腐涂料

钢内筒一般采用JN S耐硫酸露点防腐蚀钢板，内涂的防腐涂料包括RHF烟囱专用防腐涂料，聚脲等。JN S钢内涂RHF烟囱专用防腐涂料具有施工方便、施工质量易于保证的优点，目前在国内运用于设置GGH的工程较多。在湿法脱硫不设置GGH烟囱中出现的问题很多，钢内筒的腐蚀也比较严重。

2.3内衬玻璃砖或内衬泡沫玻化砖

排烟筒使用Q235B或者JN S耐硫酸露点防腐蚀钢板作钢内筒，内部贴泡沫玻璃砖或者泡沫玻化砖。泡沫玻璃砖是以泡沫硼硅玻璃结合人造橡胶技术制成，在脱硫系统酸冷液环境中具有较强的抗腐蚀性能。泡沫玻化砖是一种集高强度、高效隔热保温、耐热、耐热冲击(冷热交替)、耐酸碱、防水抗渗等多项性能于一体，并具有保温、防腐、防水功能的新材料。泡沫玻化砖配合专用的防腐底漆及耐酸耐热弹性密封专用胶，具有较好的耐酸、耐热、耐老化、耐冲刷和密封性好的特点。

粘结料的防腐、耐久性是整个防腐性能质量的关键。粘结料的老化、开裂会影响整个内衬系统的防腐性能。施工时须保证砖缝及胶体的密实。温度变化易造成防腐层开裂或脱落，须定期检修养护。

2.4镍基合金内衬

镍基合金是国际工业烟囱协会推荐的FGD系统不设GGH情况下的一种烟囱防腐内衬。镍合金是比钛板防腐性能更好的材料。但由于造价太高目前国内电厂还没有采用镍基合金作为烟囱防腐内衬的先例。

2.5玻璃钢防腐

玻璃钢材料综合了玻璃纤维和合成树脂的特性，具备质量轻、强度高、耐化学腐蚀性强的优点。尤其适合采用湿法脱硫且不加设GGH的烟囱。欧美运用广泛，国内正在推广使用，必将成为烟囱防腐的主流方式。

3　混凝土外筒设计及注意事项

3.1概念设计

(1)首先要判断钢筋混凝土外筒刚度是否合理。钢筋混凝土外筒建模计算时，一般初算后查看其第一振型周期T'1。再根据《建筑结构荷载规范》GB50009 - 2012(以下简称《荷载规范》)附录F的烟囱基本自振周期经验公式手动计算T1。如果T'1和T1相差太大，说明刚度不合理，需要通过调整烟囱的坡度和壁厚来进行修正。根据经验，对于一般的混凝土烟囱，200 m左右高的烟囱T'1一般控制在2.5～4 s，150 m左右高的烟囱T'1一般控制在1.5～2.5 s。当然决定因素还有烟囱的筒首直径和坡度以及壁厚。根据，增加质量显然不经济且不现实，只有改变刚度K，最有效的方式就是改变半径(回转半径)，通过改变坡度得以实现。

(2)根据工程经验0.45、0.55、0.70左右的基本风压分别和7度、7度半、8度设防烈度大致对等，即该情况下顺风产生的最大弯矩和地震产生的最大弯矩大致相当。如果可不考虑横向风振影响时，该情况下地震和风都可能起控制作用，如果风压较之减少较大则地震控制，如果地震烈度较之减小则风荷载控制。当然只是概念设计时粗略判断，影响因素甚多，需要具体计算为准。如果横向风振影响不能忽略时，通常在对应的情况下风荷载起控制作用。

(3)对于钢筋混凝土外筒，根据工程经验，其含钢量为：筒壁约100～150 kg/m3；基础约60～100 kg/m3。

3.2有关风荷载计算

(1)《荷载规范》第8.5.6条顺风和横风组合时，顺风的组合值系数为0.6，而《烟囱设计规范》GB50051 - 2013(以下简称《烟囱规范》) 第5.2.6条顺风和横风组合时，顺风的组合值系数为1.0。两者差别较大，设计时应按照《烟囱规范》计算。

(2)根据笔者所在单位总包的印度某已投运的4×135 MW电厂烟囱的风洞试验数据可得到以下结论和建议：

① 《烟囱规范》规定整个高度的体型系数相同；但根据实验数据，其体型系数从0.2～1.3不等，离散性较大。烟囱外形比较规则，体型系数应该和曲率具备相关性。另外，主厂房建筑对烟囱形成的紊流也对体型系数有所影响。《烟囱规范》规定对于光滑表面烟囱体型系数取0.6，根据对比计算，较美国规范《钢筋混凝土烟囱设计和构造》(ACI307 - 98)和印度规范《钢筋混凝土烟囱设计标准》(I S 4998(Part1):1992)的计算结果明显偏小。建议《烟囱规范》修订时重新考虑体型系数的取值问题。

② 根据风洞试验反推风力相互干扰系数约为1.2，同时根据美国规范计算的该系数也约为1.2。国内仅有《荷载规范》第8.3.2条说明可通过相关的风洞试验资料或风洞试验来确定。建议《烟囱规范》修订时考虑风力相互干扰系数的问题，并根据相关的试验资料或国际规范提出取值方法，便于设计人员操作的可行性。

(3)在设计的多个烟囱中，相当部分烟囱在考虑横风效应影响的最大弯矩可达到仅考虑顺风效应影响的最大弯矩的3倍以上，最大横风向共振响应等效风荷载可达到顺风向风荷载标准值的3倍以上。通过试算，在其它条件不变的情况下，在某个周期点为风荷载综合效应的最大峰值点。如果计算结果最大风弯矩远大于地震作用弯矩，而第一振型周期接又近于风荷载综合效应最大峰值对应的周期，可考虑适当增加刚度，减小周期。

3.3平台钢梁和筒壁的连接

内筒平台和外筒连接节点设计问题较多。外筒和平台连接方式最好采用滑动支座，减少外筒受力，同时可避免混凝土和钢梁连接时过多的螺栓。平台钢梁和混凝土筒壁的连接可采用暗榫、开孔、开孔加牛腿、牛腿、预埋钢板等形式。其中开孔施工较麻烦，钢梁吊装也不易；附加牛腿增加了附加弯矩；预埋钢板对焊接要求很高，施工难度较大。注意钢梁连接处的筒壁开孔需要用几何作图验证吊装钢梁的可行性，一般可水平旋转或上下旋转，开孔的高度从预埋螺栓顶部开始测量，能够旋转钢梁。

3.4筒壁开孔处理

筒壁开孔对结构局部的影响较大。一般情况下，筒壁开孔除了用《火力发电厂土建结构设计技术规程》(DL 5022 - 2012)附录G的规定进行计算以外，通常还用有限元软件建模计算进行验证。比如用通用有限元软件 staadPro进行建模计算时，可以对烟道孔及以下部分采用板单元模拟，烟道孔以上部分采用杆单元模拟。杆单元和板单元的过渡可采用主从节点的方式。对于采用杆单元部分的模型，如果有其它的孔洞，可以对孔洞段的材料和截面进行代换，满足孔洞折减的要求；截面惯性矩I的折减系数赋予给弹性模量E，保证实际的EI总值不变。建模时假定I值不变，而通过改变E为E'来解决因开孔而产生的刚度变化问题，即：

式中：E'为混凝土等效弹性模量；E为混凝土弹性模量；I为毛截面惯性矩；I'为扣除开孔面积的净截面惯性矩。

建模时可按板单元把烟囱基础一并建在一个模型中，这样可以验证根部开孔(人孔或安装孔)对基础的影响。开孔附近有应力突变，应特别注意该处的反向弯矩。

4　内筒平台的简化方法

4.1分段支承或分段悬挂平台的计算模型简化

一般情况下可通过通用有限元软件分别对各层平台建模计算。由于支承平台或悬挂平台与制晃平台之间仅有膨胀节分隔，从经济性考虑，可以把制晃平台悬挂在支承平台上或支承在悬挂平台上。支承平台或悬挂平台与制晃平台整体建模计算。手动计算水平力，然后施加在模型构件上。下面以重庆黔江某热电机组的分段支承式多管烟囱为例，简述平台水平力计算方法，过程如下：

(1)周期T1取烟囱外筒第一振型周期T1=2.5 s；

(2)时程函数项中的振幅计算(振幅即振动加速度的幅值)：

式中：a为加速度幅值；ω为角速度，ω=2π/T1；x水平位移值，取外筒仅在风荷载作用下计算点的位移，本工程x=30 m。

(3)运用牛顿第二定律可求出制晃点的水平力(见图1)。

图1　制晃点水平力计算模型示例

m为钢内筒质量。以175.5 m制晃计算为例，单根内筒(47 m长)荷重为500 kN，在175.5 m支座处荷重为：

175.5m处水平力为：

平台布置由3根成120°角的主梁加次梁组成，设计时考虑上述水平力由2点承受，每个点水平力为：23.3 kN。当然要考虑该水平力可能沿任何方向，所以计算时要根据梁系布置考虑不同的典型的受力方向。同理，计算出139.15 m等支承平台处的水平力后，施加于悬挂在支承平台上的制晃平台上。

4.2整体悬挂平台的计算模型简化

对于整体悬挂式烟囱平台水平力的计算，可把内筒简化为一连续梁，悬挂平台和制晃平台处为铰支座。通过输入水平位移得到的支座反力即为各平台的水平力。水平位移为对应高度的外筒位移。简化模型见图2。

5　考虑施工的设计建议

根据多个项目的施工现场反馈信息，考虑施工情况的设计建议如下：

(1)屋面落水管不用通长设置，可以考虑直接在屋面下方3 m左右的位置，在烟囱外筒壁上预留2～3根排水钢管。后期与屋面落水管连接从顶部排出屋面积水即可。

图2　整体悬挂内筒计算模型

(2)烟囱屋面的防水和保温设计标准没有必要达到常规建筑屋面设计标准，保温可不考虑，防水设计可尽量简单且易于施工。

(3)烟囱内筒与各层钢平台钢梁之间的间隙富裕度一定要充足，给施工误差预留一定的空间。

(4)施工的提模标准模板一般由原来的1.25 m调整为现阶段的1.50 m。烟囱外筒顶部航空色标的高度尽量按照1.5 m的模数设计，这样也便于在施工外筒提模的同时就完成色标的涂刷。

(5)内部爬梯的踏步板和中间休息平台板为了使人上爬时减少恐惧感，尽量不采用镂空的格栅踏步板和平台板，最好用花纹钢板。

参考文献：

[1]陈显钧，李龙华，龚节福．某电厂双管钢筋混凝土烟囱风洞实验结果与规范之比较[J]．电力勘测设计，2009，(4)．

[2]GB50051-2013，烟囱设计规范[S]．

[3]GB50009-2012，建筑结构荷载规范[S]．

[4]IS：875(PART 3)-1987，Code for Practice for Design Loads(other than Earthquake)for Buildings and structures[S]．

[5]IS ：4998 (Part 1)-1992，Criteria for Design of Reinforced Concrete Chimneys:Part 1 Assessment of Loads[S]．

[6]ACI 307-98，Design and Construction of Reinforced Concrete Chimneys(ACI 307-98)Reported by ACI Committee 307[S]．

Chimney Design for Fossil-fired Power Plants

GONG Jie-fu
(Sichuan Electric Power Design & Consulting Co., Ltd., Chengdu 610016, China)

Abstract:The chimney is an important structure in fossil-fired power plant; the technical and economic indicators of the chimney design are higher. As the environmental protection requirements are getting higher, the height of the chimney continues to increase. Single tube reinforced concrete chimney reduces application ,and the tube-in-tube and multi-flue reinforced concrete chimney is currently the most widely used chimney type. In this paper, a brief analysis and discussion on the design methods and precautions of the tube-in-tube and multi-flue reinforced concrete chimney is made.

Key words:tube-in-tube and multi-flue reinforced concrete chimney,preservation,conceptual design,wind tunnel,opening handling,calculation model simplification.

中图分类号：TM621

文献标志码：B

文章编号：1671-9913(2016)01-0049-04

* 收稿日期：2015-09-15

作者简介：龚节福(1983- )，男，工程师，主要从事火力发电结构设计工作。