脱硫塔顶部放置湿式电除尘器的ANSYS分析

夏怀鹏，汪洋，赵冰

(中国华电科工集团有限公司，北京 100160)

0 引言

湿式电除尘器是我公司近年来的研发成果之一，因其超低的排放量在燃煤电厂超低排放的烟气治理改造工程中得到了广泛的应用。传统的做法是将脱硫塔出来的烟气通过烟道引入湿式电除尘器，经过湿式电除尘器处理后再从烟囱排放。这种将脱硫塔和湿式电除尘器分开布置再加以烟道连接的做法，需要占用较大场地，给改造工程带来了很大困难。若把湿式电除尘器布置在脱硫塔的顶部，脱硫处理后的烟气可直接进入湿式电除尘器。该方法不但充分利用了高空的空间，解决了场地紧张的问题，而且节省了湿式电除尘器和连接烟道的支架和基础，改善了烟气的流场，进一步提高了脱硫效率。脱硫塔属于薄壁类塔体结构，塔壁上开设的烟气出入口是塔体结构的薄弱部位。在脱硫塔顶部加设湿式电除尘器形成了头重脚轻的悬臂结构，这类结构主要受水平荷载的控制，属于不规则结构，对抗震极为不利[1]。

本文利用有限元软件ANSYS进行了脱硫塔和湿式电除尘器一体化建模，按照实际结构布置和荷载组成进行建模计算，对结构进行了静力分析、模态分析、时程分析和反应谱分析[2-3]。通过大量的计算，明确了该结构在各种荷载组合工况下的受力性能和变形特点，并对此类结构的设计提供了一些改进的建议。

1 有限元模型

本文利用ANSYS提供的shell181单元建立塔体的塔壁，利用beam188单元建立加劲肋和塔体内部的喷淋主管、除雾器支撑梁、托盘支架以及塔体内部的3层桁架等构件。图1是山东某电厂脱硫湿除一体化塔的有限元模型及内部支撑构件的放大图，塔体底部根据实际布置的锚栓数量，约束相应数量节点各方向的自由度。

2 自振周期的确定及水平荷载计算

此类结构的设计，首先需要计算结构的自振周期。根据NB/T 47041—2014 《塔式容器》 采用分段法计算结构的自振周期

T1=114.8×

(1)

式中：T1为结构的第一自振周期， s；H是结构总高度， mm；Hi为塔式容器顶部至第i段底截面的距离，mm；hi为第i段的高度，mm；mi为第i段的质量，kg；Ei为第i段的弹性模量，MPa；n为塔高范围内的分段数。

根据式(1)对脱硫塔结构的周期进行了计算，得出T1=0.353 s，根据有限元模型的计算结果，T1=0.686 s，两者相差49%。这是由于规范给出的公式是一个近似的计算公式，不能准确地反映不规则结构的周期特性，而有限元计算可以准确地得到结构的周期及与自振周期有关的风荷载和地震荷载。

此类高耸结构对水平荷载比较敏感，风荷载和地震荷载对结构的受力影响很大。《塔式容器》给出了风荷载和地震荷载的计算公式，将结构按高度范围进行分段，并利用规范给出的参数和表格进行计算，可以得到每一段上风荷载的标准值；将此标准值作为面荷载施加在有限元模型上进行有限元分析；计算得到当量直径和自振周期之后，可以根据规范给出的公式计算临界风速，判断是否发生共振。

在高烈度地震区，地震荷载对此类结构的影响很大。根据分段情况，计算每一段的质量和地震影响系数，按照规范中的公式可以得到每一段的地震力。由于地震力是沿同一个方向的，在给有限元模型施加地震力时，需要将地震力转化为节点荷载施加到有限元模型上。

图1 有限元模型

项目123456789最大变形/mm37.437.538.639.145.545.745.946.445.1最大应力/MPa55.058.962.068.270.169.370.670.557.3

3 结构静力分析

依据《塔式容器》，此类结构采用的是容许应力法进行静力分析，荷载采用标准组合，强度设计值采用的材料的许用应力。根据荷载作用的情况，进行荷载的组合。本文的计算考虑了9种组合：(1)恒荷载+X向风荷载；(2)恒荷载+Y向风荷载；(3)恒荷载+0.25X向风荷载+X向地震荷载；(4)恒荷载+0.25Y向风荷载+Y向地震荷载；(5)恒荷载+活荷载+X向风荷载；(6)恒荷载+活荷载+Y向风荷载；(7)恒荷载+活荷载+X向地震荷载+0.25X向风荷载；(8)恒荷载+活荷载+Y向地震荷载+0.25Y向风荷载；(9)恒荷载+活荷载+烟气负压。表1列出了9种荷载工况下结构的最大变形和最大应力。

计算模型主要考虑塔体的整体受力，并未过多关注内部支撑和出入口的构造措施。因此，在各种荷载组合的情况下，最大的变形都出现在塔内的桁架或喷淋管的部位(如图2所示)。入口的壁板处也出现较大的变形，但这些变形在采取构造措施后能得到有效的控制。

塔壁本身的整体变形大部分都在18 mm以下，变形很小，塔体的刚度满足要求。但在塔壁和内部桁架连接的地方出现了局部明显的变形。实际设计时，需要在这些部位增设环梁，以消除局部变形。在垂直烟气入口横向荷载作用下，入口处存在扭转的情况，此处结构开口较大，结构的刚度易发生突变，抗扭刚度不足，是该结构的薄弱部位。

从整体计算来看，各种荷载组合工况下，塔体结构的主要应力分布都小于许用应力113 MPa。应力集中主要发生在塔体的变径段的下部和烟气入口的开口附近，但应力集中的部位的应力并没有超过许用应力。所以塔体整体的强度满足要求。实际设计时，需要对应力集中的部位采取构造措施进行加强，消除局部的应力集中。

塔体在各种荷载组合下，整体是稳定的，未出现局部失稳的情况。实际设计时，通过构造措施保证局部稳定。另外，需要验算一下塔体的轴向稳定，确保满足轴向稳定的要求。

4 模态分析

模态分析主要用于确定结构的振动特性，即结构的固有频率和振型，它们是结构承受动力荷载设计中的重要参数。同时模态分析也是其他动力学分析的基础，如谐响应分析、瞬态动力学分析、谱分析等。

计算结构的前20阶模态(如图3所示)：1阶、6阶为整体变形的模态；2～5阶、7～19阶是除雾器支撑梁、喷淋主管、托盘支撑梁、支撑梁和壁板一起变形的模态；20阶模态是内部3层桁架变形的模态。1阶整体变形模态确定了结构的基频f1=1.458 75 Hz，由此可得周期T1=0.686 s。

图2 工况7下应力和变形

图3 结构典型模态

5 时程分析

时程分析法属于瞬态分析，是用于确定承受任意随时间变化的荷载的结构动力响应的一种方法。载荷和时间的相关性使得惯性力和阻尼作用比较显著，因此使用时程分析进行计算。计算的时候需要提前确定加速度和阻尼比。GB 50011—2010《建筑结构抗震设计规范》中规定：“正确选择输入的地震加速度时程曲线，要满足地震动三要素的要求，即频谱特性、有效峰值和持续时间要符合规定。”规范还规定，对结构开展动力响应分析，至少要选择3种地震波展开分析，且所选地震波的震级、震中距、震源机制、局部场地条件应与结构所处的场地条件近似。因此，本节选取了3组实际记录的地震波(如图4所示)分别进行了X向地震、Y向地震、X-Z向地震、XYZ三向地震的计算。针对地震波对结构的动力响应展开了分析，阻尼比参考了相关规范取为0.02[5-6]。

根据软件计算分析的结果，应力集中的地方主要出现在塔体变径的下段和烟气入口附近。根据地震的不同来向，选取了两个相反方向的节点14 785和17 300；在烟气入口附近选取了节点44 577；在塔体顶部烟气出口顶部中点位置选取了节点50 062。

图4 时程分析选用的地震波

图5 Taft Lincoln地震波作用下的时程分析

根据时程分析的结果，提取了这4个点的应力或位移数据，并对数据进行了梳理分析，得出节点的应力位移随着时间变化的荷载下的响应。

经过计算，得知在Taft Lincoln地震波作用下，考虑XYZ三向地震输入，所选节点的内力和位移都是最大的，如图5所示。

6 振型分解反应谱分析

反应谱分析是一种将模态分析的结果与一个已知谱联系起来计算结构位移和应力的分析技术。它主要用于时间-历程分析，以便确定结构对随机荷载，或随时间变化荷载的动力响应情况(如地震，飓风等)。

所谓谱，是指谱值与频率之间的关系图，它反映了时间-历程载荷的强度和频率。谱分析通常有以下3种形式：响应谱、动力设计分析方法、功率谱密度。本文采用的是单点响应谱方法，对脱硫湿除一体化的塔体进行模态分析，发现前20阶的模态绝大多数都是局部变形的模态，整体变形的模态很少。在计算的模态数量较少的情况下，振型的质量参与系数达不到规范要求的90%。所以，计算的模态数量越多，反应谱分析的结果显示应力和变形越大。计算结果显示，与时程分析的结果和静力分析的结果相比，反应谱分析的结果普遍偏小。但是，几种方法分析的结果都符合规范的要求，可以作为设计的参考依据。本次反应谱计算的云图如图6所示。

7 结论

由于悬臂结构结构对水平荷载比较敏感，设计必须考虑水平荷载的组合。计算首先要确定结构的自振周期(利用ANSYS电算的结果更为可靠)，进而根据电算周期进行风荷载和地震荷载的计算。

电算结果显示塔体本身在壁厚选择合理的情况下，整体的变形较小，强度和刚度都能满足设计要求；最大的变形往往发生在塔体内部的支撑梁上。需要根据规范的变形限值控制截面的设计。塔壁的开洞减弱了塔体的抗扭刚度，导致结构在一些工况下会出现扭转的现象， 需要进行局部的加强。

塔壁属于薄壁类构件，对局部变形比较敏感，必须验算轴向稳定应力 。根据荷载的最不利组合工况下的最大应力和变形，调整塔壁的厚度和内部杆件的截面，从而实现设计优化，节省建造成本。