基于脱硫塔入口烟道的结构设计相关思考与论述

崔北明

摘要：本文主要分析了有限元模型，重点介绍了有限元模型下脱硫塔入口烟道的结构设计，它不仅能够确保脱硫塔入口烟道的安全、稳定、高校运行，而且还可以有效提高烟气处理效率。通过对脱硫塔入口烟道的结构设计进行研究，以期为火电厂烟气脱硫工作的安全生产提供可靠的保障，创造出最大化的经济与社会效益。

关键词：脱硫塔;入口烟道;结构设计

1.工程概述

本次研究过程中，脱硫塔高为42.8m，直径为18.1m，出口烟道尺寸为12m×5.2m，入口烟道尺寸为12m×5.5m，材质为Q235B。借助电除尘设备对烟气进行处理后进入脱硫塔，然后通过净化处理后进入烟囱排放。

2.有限元模型

本次研究过程中，借助ANSYS软件来构建脱硫塔入口烟道有限元模型，其中烟道壁板、塔壁等选择了壳单元SHELL181;烟道加固肋、塔体加强环、立柱等选择了梁单元BEAM188。烟道壁板、脱硫塔壁及其加强立柱、加固肋的材料均选择了Q235B，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3，20℃时弹性模量为206GPa，150℃时弹性模量为196GPa。

烟道面板横向加固肋选择了H型钢，其指标为350mm×175mm×7mm×11mm，纵向加固肋选择了16号工字钢，脱硫塔入口烟道外伸2m，烟道两侧设置2根方型钢立柱，其指标为400mm×400mm×25mm，中部设置加强立柱，并且要求与塔壁2圈加强环连接在一起组成口框型，这样一来可以有效提高入口烟道段塔体的抗扭、抗弯、抗疲劳能力。在烟道内部分别安装了一定规格和数量的型钢作为加强立柱，为了确保后续计算工作的顺利进行，建立了半模型，然后对其施加对称约束，在此基础上形成了有限元模型，如图1 所示。

3.载荷计算

本次研究过程中，选择了入口烟道段为计算段，并假设各载荷均施加到计算段上，然后对其荷载进行计算，具体计算过程如下：

（1）重力载荷。在脱硫塔入口烟道中，涉及到的重力载荷主要包括塔体质量、平台扶梯质量、偏心质量、浆液质量、内部设备及其支架质量等。

（2）地震载荷。在火电厂中，其脱硫塔入口烟道抗震设防烈度为7 度，设计特征周期为0.5s，设计地震基本加速度值为0.1g，地震影响系数最大值αmax 为0.08。沿高度可以把脱硫塔入口烟道塔体划分为若干段，并假设各段质量均在每段中央位置集中，这样一来就可以把整个塔体转化为若干个质量集中的多自由度体系，其中任意计算段的水平地震力可以根据如下公式进行计算：

同时，任意计算截面所对应的地震弯矩计算公式为：

實际上，根据行业规范和标准，如果脱硫塔设备的设防烈度为8度和9度时，需要对其上下两个方向垂直地震力给予综合考虑，而本次研究过程中，脱硫塔的设防烈度为7 度，因此不需要考虑垂直地震力。

（3）积灰载荷。随着时间的推移，在脱硫塔运行过程中，出口烟道和入口烟道均会出现积灰现象，此时出口烟道积尘深度0.87m，对应的密度为1.5×103kg/m3，入口烟道积尘深度0.67m，对应的密度为1.5×103kg/m3。

（4）风载荷。本次研究过程中，基本风压为0.5kN/m2，并选择如下公式对任意截面水平风力进行计算。

脱硫塔任意截面的风弯矩计算公式为：

（5）偏心载荷。其主要包括了出口烟道与入口烟道两部分，其中偏心质量Me诱发的弯矩计算公式如下：

（6）最大弯矩。脱硫塔任意截面所对应的最大弯矩按照如下公式计算，计算结果取较大值。

4.有限元分析

（1）方案一：将1根400mm×400mm×25mm方形钢布设在入口烟道中心位置作为加强立柱，得到烟道的变形和受力结果，如图2、图3所示。

通过上图得知，烟道入口位置的最大应力为163MPa，并且在烟道上壁加固肋与加强立柱连接位置，及入口烟道上壁板和侧壁板连接角点位置均超过了Q235B 的许用应力113MPa，产生的最大位移为8.117mm。烟道大开口位置的刚度相对比较弱，而且导致此段塔体的强度降低，此时需要在入口烟道段适当的增设加强筋。

（2）方案二：将2根400mm×400mm×25mm方形钢布设在入口烟道中心位置作为加强立柱，通过相关计算得知烟道入口最大应力为93.7MPa，在入口烟道上壁板和侧板连接的角点位置，其应力小于Q235B 的许用应力113MPa。产生的最大位移为3.79mm。该方案不仅可以降低入口烟道最大应力，而且还可以降低入口烟道处的最大位移。

（3）方案三：将3根400mm×400mm×25mm方形钢布设在入口烟道中心位置作为加强立柱，得到烟道的变形和受力结果，如图4、图5所示。通过分析得知，烟道入口位置的最大应力为83.7MPa，并且在入口烟道上壁板和侧壁板连接角点位置的最大位移为3.9mm。方案三能够有效降低入口烟道的最大应力，并且应用效果好于方案二。

（4）方案四：将3根300mm×300mm×16mm方形钢布设在入口烟道中心位置作为加强立柱，通过相关计算得知烟道入口最大应力为117MPa，在入口烟道上壁板和侧板连接的角点位置，其应力小于Q235B 的许用应力113MPa。产生的最大位移为5.499mm。与方案三进行对比可以发现，在立柱数量不变的基础上，方案四的型钢规格相对比较小，导致效果明显不理想。

（5）方案五：将3根300mm×300mm×25mm方形钢布设在入口烟道中心位置作为加强立柱，通过相关计算得知烟道入口最大应力为85.6MPa，在入口烟道上壁板和侧板连接的角点位置，产生的最大位移为4.265mm。与方案四进行对比可以发现，在维持型钢外形尺寸和立柱数量不变的基础上，通过增加型钢厚度，可以有效降低脱硫塔入口烟道结构的最大位移和最大应力。

5.结束语

综上所述，为了更好的提高脱硫塔运行效率，则需要结合实际情况对入口烟道结构进行针对性、系统性的研究与设计，并借助有限元模型来确保入口烟道结构的合理性，这样不仅可以改善塔内和烟道内部的流场分布，而且还可以有效提高脱硫塔的脱硫效率。

参考文献：

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[2]张晓玲，赵文亮，程家庆.脱硫塔入口烟道干-湿交界面积垢原因分析及对策[J].电力科技与环保，2017，11（3）：148-149.