摘要：传统初步设计提资过程中一般都采取整体大荷载估算，估算方法局限性较大，尤其是具有异形截面烟道计算，特别是我国大部分采取了超净排放前提下，个别取值选型偏保守，对下游土建结构和工艺设计影响较大。采用ANSYS对脱硫烟道进行有限元分析，结合实际烟气工况，可以使内压、灰荷载等参数选取在各种工况条件下，快速提高计算分析的准确性，减少工程材料的浪费，通过建立力学模型，可以做到同类型的工程烟道建模计算中修改相关参数下进行快速的设计和提资的工作模式。
关键词：电厂脱硫；烟道设计；优化方法
一、工程概述
某电厂烟气脱硫工程净烟气参数数据:烟气量720.06m3/s;烟温/50℃(设计温度);压力±2.0/kPa；灰荷载1/6烟道截面高。烟道通常为薄壳结构，其内表面设有内撑杆和烟道外侧焊接加固肋，壳体厚度为6mm，截面尺寸为6m×8.8m×11m，设计压力按2.0kPa，根据《烟规》要求初步估算加固肋截面尺寸为I18a，加固肋间距0.9m，内设十字形φ76×4的内撑杆。弹性模量为Ex=2.1×105MPa，泊松比为μ=0.28，密度为7850kg/m3。
二、数值计算与分析
(一)烟道结构分析。其原理是对真实烟道物理模型系统的数值近似。其物理解释为以一组离散的单元集合体近似代替原连续结构，通过各单元分析获得单元组合体结构的特性，在给定的荷载与边界条件下，求得单元组合体各节点的位移，进而求得各单元应力等。本次对脱硫烟道进行的有限元分析，得出烟道底板面中心线上的挠度较大，而烟道的截面边角处存在明显的应力集中问题。所以调整加固肋之间的间距，合理的底部支撑，可以针对性减小过大变形对防腐造成的不利影响。
(二)烟道荷载选取优化。基于2000版《烟规》中灰荷载的规定，当时大部分电厂还未实现超净排放，粉尘含量较高，灰荷载取值相比目前超净排放形式下取值较大，各设计单位灰荷载取值均不相同，采用ANSYS有限元分析，综合对比不同积灰荷载（1/6H、1/12H、2KN/m³）下的选型经济分析和现场检修清扫情况，综合年积灰含量取1/12H较为经济合理。
下表为不同灰荷载选型出来的型钢对比：
注：年积灰量估算方法：烟气中雾滴浓度（40Nmg/m³）×含固量（6.7%）×烟气量（QNm³/h）×年小时（8000h）×湿灰密度（1.5t/m³）×除尘效率（20%~50%）
(三)烟道有限元分析。对于不同内撑杆的形式（常规十字交叉、菱形、角部局部撑）以及三种不同内撑杆对应的等效应力分布情况，分析中各结构选取的载荷数据均一致。相对《烟规》给出的传统内撑杆布置方案，当采取角部局部撑的内支撑杆时，烟道壁钢板的等效应力值与加固肋外缘的应力值时最小的，材料使用量也不是最多的，综合考虑形式三是比较合理的内支撑杆形式。根据多个现场实际工程运行反馈的经验和模型参数修改，道体变形量应控制在合理范围内（防腐烟道取L/400），可减少防腐玻璃鳞片翘曲引起的防腐失效，同时对不同侧面的加固肋进行多规格调整，大大优化了工程量。
(四)烟道计算的程序化。通过ANSYS对烟道的模拟计算可以准确计算烟道的各项应力，从而可以更准确地进行提资，缩短计算周期。每次建立的模型采用命令流的方式具有相似性，对于相似工程的烟道进行计算时，仅需要修改命令流中的相关参数，即可达到模型通用的程度，加速了设计的效率，对以后工程设计提供了新的模式。
三、加固肋的选取及对下游专业的优化提资
建模计算时不仅需要关注材料的屈服应力及形变，以防止由于颤动抖落防腐鳞片衬里和烟道整体振动,同时要对加固肋间距和内部内撑杆的型式进行优化,尽可能减少规格和钢材消耗。烟道外部加固肋统一间隔排列，加固肋使用统一的规格尺寸或尽可能减少规格,以便安装保温层。负压较大情况下,可以适当增加纵向加固肋，作为负压道体横向加固肋防失稳用。指导下游工艺设备专业详图施工。
通过有限元软件可以直接导出不同荷载工况下烟道支点的真实受力情况，加上一定的安全系数直接提资给土建结构，大大优化土建技术和支架受力情况。
四、结束语
烟气脱硫工程用烟道虽然结构简单，但如何选择合理的结构形式和荷载工况以最大限度地降低工程造价是设计所追求的目标。本文采用大型有限元软件ANSYS对某电厂脱硫工程中烟道进行了多模型多工况数值模拟，并对各种加固肋间距及内撑杆设置形式、自重、内压、灰荷载等因素进行了综合计算分析，得出如下结论:第一，设置内撑杆能大幅度降低烟道结构的各项应力值，各类型内撑杆对应力的贡献各异，通过对造价的考虑，可得出最佳的结构形式;第二，净烟道设计过程中，加固肋、内撑杆规格、灰荷载及加固肋间距的确定，需要考虑烟道防腐工艺的要求，在满足规范要求的前提下，对道体面板的挠曲变形（L/400）进行严格控制;第三，通过建立ANSYS的烟道力学模型，对支架的节点作出相应的力学约束，通过计算得出对应节点的受力数据，可以为专业之间的力学荷载提资提供精确的数据，可减少提资时间;第四，采用命令流的方式建立模型，可以快速修改烟道模型的性能参数、烟道的截面大小、支架节点的布置方式等数据，易于设计过程中的方案的反复修改而不是常规的重新建模再计算，提高设计效率。
参考文献：
[1]DL T5121-2000火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程配套设计计算方法 国家电力公司华东电力设计院 2000版.
[2]孙克勤.烟气脱硫装置的精准化设计 水利电力机械 2005.
论文作者:李亚涛
论文发表刊物:《电力设备》2019年第12期
论文发表时间:2019/10/24
标签：烟道论文; 荷载论文; 撑杆论文; 应力论文; 烟气论文; 结构论文; 截面论文; 《电力设备》2019年第12期论文;