锅炉烟风管道设计优化探析

王方明 王毅 张茂

摘 要：针对工程中多台锅炉共用的汇集烟道占地面积大，材料用量多，造价高的问题，优化比选烟道道体及加固肋内撑杆布置方案，进行经济性分析。

关键词：烟道壁厚；加固肋；内撑杆；积灰载荷；优化设计

中图分类号：TH43 文献标志码：A

0 引言

在火力发电厂锅炉烟风道设计是以《六道技规》做为指导规范，进行壁厚选取到荷载计算直至确定加固肋和内撑杆的规格。规范中推荐在1000t/h锅炉及以下时采用圆形管道，在实际工程中是600MW及以上的大型火力发电厂考虑圆形烟气管道的居多，1000t/h锅炉及以下时采用的大部分是矩形管道。其原因是圆形烟风道制作简单，在大型机组烟道考虑防爆压力时，圆形管道更容易实现，并在空气动力相同时，圆形烟道在金属及保温材料耗量上均小于矩形烟道。以2×600MW机组为例，使用圆形烟风道机组比方形烟风道节省钢材量725t。

在小型火力发电厂锅炉系统中，尤其是煤气发电系统中，由于烟风道要求低，钢材重量在总投资中占比较少，很少引起重视，绝大部分是以矩形管道进行设计。在东南亚的一些工程中，因为当地的混凝土价格高，所以多台发电机组锅炉的汇集烟道采用钢制的居多，锅炉总蒸发量达到或超过1000t/h锅炉级以上，如果按照《六道技规》的标准计算方法，计算后的肋板重量比甚至超过1.5。另外，如果是脱硫后的烟气管道或燃气锅炉烟气管道，积灰高度按照附录F取用也并不合理。计算出的结果，会产生加固肋用钢型号过大，间距过小，有实际优化的需要。针对以上大型截面烟风道优化，可以从3个方面考虑：管道壁厚与加固肋内撑杆的综合比较、优化设置内撑杆和优化积灰荷载。

1 壁厚优化

从壁厚的角度考虑，以增加管道壁厚来增加道体刚度和加固肋间距。由《配套计算方法》T3.1-4的加固肋间距计算公式可知，刚度条件和强度条件的加固肋的间距与道体厚度成正比，在振动条件下加固肋间距与道体厚度的0.5次方成正比，所以道体壁厚增加会使得刚度值增加；另外，在增加壁厚的同时可以提高加固肋的最小断面系数和断面惯性矩，因此，可以合理地选择道体壁厚可以有效降低加固肋规格。以某工程10.52m×7.7m烟道为例，以0.006m道体厚度和0.008m道体厚度对比强度校核计算：

Smax=55δ（[σ]t/∑q）0.5+50

刚度校核计算：

Smax=84δ（E/∑q）1/3+50

振动校核计算：

Smax=116δ0.5E0.25+50

式中：

δ——道体厚度mm；

q——面板设计荷载kPa；

E——弹性模量GPa。

计算可知各壁厚对应的加固肋见表1。

2 内撑杆优化

内撑杆与加固肋配合可以进一步有效地降低加固肋规格，做为减少加固肋跨度的有效手段，但内撑杆的设置会增加烟风道阻力，所以设置内撑杆时既要降低烟风道钢材耗量，也要考虑道体阻力导致的风机电耗量。

由于圆形内撑杆容易导致涡流产生，需要对内撑杆进行进一步优化处理。在内撑杆选择上，如根据流场分析选用菱形或翼型内撑杆时，内撑杆对应加固肋布置，烟风在流经此内撑杆时不会产生涡流，由此也可以减少振动降低噪声，同时也会降低道体内部流动阻力，降低能源消耗。保持内撑杆数量与圆形内撑杆数量相同时，阻力可以降低40%。

在优化阻力后，通过设置内撑杆的形式，可进一步减少加固肋跨距，降低加固肋截面，以10.52m×7.7m烟道道体为例，在内部通过设置横向铰接内撑杆，不需要如同十字内撑杆一样对每根内撑杆都进行连接，对降低内撑杆的数量有明显的作用。

按常规十字内撑杆配合加固筋时本管件重量6.92t，按照横向铰接布置后，本管件重量为5.77t，降低了18.3%钢材用量。

3 积灰荷载优化

在烟道计算中荷载是其中的一个重要因素，主要由内压力、自重、保温、积灰、雪载、风载构成，计算方法采用《六道技规》中的方法，其中积灰荷载属于可优化荷载，针对于附录F的积灰荷载计算方法仅适合于燃煤锅炉，并且随着超低排放的实施，对脱硫塔前高效除尘器的要求日趋严格，烟气高效除尘器后的含尘量已达到保证值20mg/Nm3，超低排放达到5 mg/Nm3。对于煤气锅炉出口烟气含尘量极低基本处于5 mg/Nm3。根据20台不同钢厂实际使用10年以上的煤气锅炉的运行情况来看，烟道最不利点积灰高度不足烟道高度的1/20；对10台实际运行使用5年的高效除尘器后燃煤锅炉烟道进行检查，最不利点积灰高度不足烟道高度的1/10。

综上所述，在烟道积灰荷载计算中，煤气锅炉烟道积灰高度按照1/20截面高度计算，燃煤锅炉除尘器后的按照1/10截面高度计算是安全的。进而通过降低积灰荷载可以减小加固肋的截面尺寸。同样以工程中10.52m×7.7m脱硫前烟道为例，以1/6高度积灰荷载计算，积灰重量12.667kPa，根据强度条件：

Z=M/[σ]t

初选加固肋Z

对于现今采用超低排放标准的燃煤机组，在出口20mg/Nm3高效除尘器后的热原烟道在计算积灰荷载时，可以按照积灰高度等于烟道1/10来考虑，在冷净烟道或热净烟道上按照1/20高度计算灰荷载。

结语

综上所述，在进行大截面的烟风道计算时，通过道体壁厚优化、内撑杆优化、积灰荷载优化后来计算道体的内撑杆和加固肋，在保证了同样安全的情况下，可以有效地降低道体钢材用量，进而节约安装及土建成本。

参考文献

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