摘要：目前火力发电厂设计规程对支吊架间距仅规定宜为6m~9m，不能满足长距离大截面圆形管道优化设计的需要。研究利用有限元建模计算的方法，为圆形烟道支架间距的优化提供了设计依据，节省了工程造价。
关键词：圆形烟道；支吊架间距；有限元
1.引言
在火力发电厂设计过程中，与矩形截面的烟风道比较，圆形截面的烟风道具有强度好、刚度好的特性，使用圆形管道可以有效节省烟风道的钢材耗量。但目前相关的设计规程及手册不能满足大截面圆形管道的设计需要，对支吊架间距仅规定宜为6m~9m。对于长距离大截面圆形管道具有优化空间，满足安全条件下，适当增加支架间距能够有效的降低钢材使用量，节约成本，对于工程实际具有重要意义。本研究通过某工程圆形烟道支架间距优化实例，探讨利用有限元分析软件进行分析计算的方法。
2.软件介绍
本分析使用的计算机软件是大型通用有限元分析软件ANSYS。ANSYS有限元程序是匹兹堡大学力学系教授John Swanson博士创立的ANSYS公司开发的。它是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，具有多物理场耦合功能，允许在同一模型上进行各种各样的耦合计算，如：热－结构耦合、磁－结构耦合以及电－磁－流体－热耦合。ANSYS软件是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安会（NRC）、美国宇航局（NASA）、中国铁路机车车辆工业总公司、全国压力容器标准化技术委员会（cnscpv）等近二十种专业技术协会认可的标准分析软件。成为国际公认的工程仿真及校验工具。1995年10月，该软件已通过全国压力容器标准化技术委员会的测试，并被认可为压力容器分析设计标准（JB4732-1995）相适应的有限元分析软件，用于压力容器分析设计。
3.工程中遇到的问题
如图1所示某工程在建设过程中，炉后一段圆形净烟道的2号支架基础施工遇到困难，需要取消。支架最大间距由13.5m增大到17.5m。
图3-1 烟道布置图
4.有限元模型的建立
4.1结构模型
按图纸所示，烟道直径为5800mm，烟道壁板为Q235B钢板。有限元分析时，根据烟道直径较大情况，选取的烟道壁板厚度8mm进行试算，中间加固肋间距2700m，为10号槽钢。
研究采用ANSYS 12.0软件进行有限元分析计算，烟道的具体模型可以归为压力容器。 研究中所依托工程烟道的的壁厚与管子直径相比均小于1/10，满足ANSYS 软件壳单元的应用条件，同时壳单元能承受施加于结构上各种力和力矩，并能反映结构在各种力矩的作用下产生的的各种变形和应力，因此采用壳单元SHELL181对烟道进行有限元网格划分。加固肋用BEAM189单元类型。
4.2 定义材料参数
烟道、附件采用Q235，其材料性能如下表：
表4-1
说明：
由于材料特性在不同温度下不同，为简化起见，分析支座间距时不考虑温度的影响，因此只给出Q235在20
的材料属性：
Q235（20
）杨氏模量 = 2.060E8（KPa）
烟道材料密度考虑到保温对其的影响，将保温1.2E-7（33333）重量折合成钢材重量再均分在烟道钢材的密度里面最终得到本课题烟道密度= 9.05E-6（
）。
4.3 网格划分
网格划分是将几何模型转换为有限元建模的关键，网格划分质量的好坏会直接影响到后续分析工作的质量。
ANSYS 网格划分功能相当强大，主要有两种方式：一，Mapped（映射划分网格），二，Free（自由划分网格）。在对烟道进行有限元网格划分时，我们综合采用两种网格划分方式。未考虑支座的具体形式时，在划分网格之前首先将管道在有加固肋的地方切断，且它们在交线的地方的节点能一一对应，在考虑支座具体形式时，将重合面和相交面通过ANSYS Booleans（布尔操作）中的Partition（搭接功能）做成一个整体，随后的单元节点也能一一对应。不会出现节点力无法传递的情况。
在对边长度差别不是很大，我们采用Mapped 方式划分，这样划分出来的网格规则且大小基本相同，不会出现狭长奇异性网格。划分网格时首先设定每条边的单元个数，对边上的单元数要相等。如果将每条边上单元的个数设为可变的，那么即使对应边的单元个数不相同，在划分网格时也会自动将其变成相同的。建议将每条边上的单元个数设为不变，但这时如果对边单元数不相等，则会报错。需要注意的是，如果两条对边已经分别属于两个已划分好网格的区域，而每条边上的单元数又不相同，则该区域无法利用Mapped方式进行网格划分。
如果要划分网格的几何形状很不规则，那么就要用Free方式来划分网格。利用Free方式来划分网格有两种方式来控制网格均匀度：一是设置各条边界的单元数，且设置为不可变，这样可以保证该区域与别的区域交线上的节点能够重合。二是设置单元边长，将其给定，这样可以保证生成的单元的尺寸不会差别特别大。
4.4 烟道系统结构强度分析的载荷
研究主要考虑了以下荷载：
a.烟道自重：通过重力加速度9.81m/s2施加；
b.雪载荷：通过基本雪压300Pa进行计算，采用表面效应单元施加于圆形烟道上表面；
c.风载荷：通过基本风压280Pa进行计算，考虑风压高度变化系数后，采用表面效应单元施加于圆形烟道侧表面；
d.积灰载荷：按照积灰高度300mm考虑，利用表面效应单元推导出一个积灰高度关于y轴坐标的函数，进而得到积灰荷载的表达式。
e.地震载荷：根据抗震设防烈度7度，最大水平地震影响系数0.11，采用水平地震加速度方法施加；
f.内压：4 kPa，采用均布压力方法施加于烟道内表面。
g.保温载荷：按保温厚度和保温容重通过重力加速度施加。
5.有限元计算结果
根据原有烟道布置图，考虑到相邻支架的影响，按照间距17.5m设置了三段管道，4个支架的模型，有限元计算分析结果如下：
图5-1 一次薄膜加一次弯曲应力分布图
图4.3-7表示支座间距为17.5m时在第三强度理论下一次薄膜加一次弯曲应力分布云图，由于最大应力在加固肋处，考虑焊缝因素在图中可以读取一次薄膜加一次弯曲应力的等效应力（EQV）最大值 + ＝130.77MPa＜1.5kφ ＝142.8MPa，满足设计要求。
图4.3-9Y向位移图
图4.3-9表示支座间距为17.5m时总烟道Y向位移图，从图中可以看出Y向位移发生在总烟道顶部，其值为-12.104mm，由于自身变形所致，相邻两支座最大挠度为-6.3mm，满足设计要求（17500/400=45mm）。
6.结论和展望
经过计算分析，某工程支架间距由13.5m扩大到17.5m，其应力和位移均能够满足设计要求。本次研究成功解决了这一工程实际中的问题，为圆形烟道支架间距的优化提供了可靠的设计依据。在今后设计大容量机组烟风管道过程中，在保证安全的前提下材料最省、费用最低，同时也可为投标工程提供合理、经济的工程量。
参考文献：
[1]GB150-2011《钢制压力容器》
[2] 《增大架空热网管道支架间距的计算分析》黑龙江省电力勘察设计研究院 张参军 李露
[3]《大截面圆形烟风道设计研究》西北电力设计院 陈伟 王海涛 武欣荣
论文作者:武欣荣,尤婷
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
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