上海电气电站环保工程有限公司 上海 201602
摘要：烟风道作为连接从锅炉到烟囱之间的主要管道系统，其设计品质直接关系着电厂运行的安全性、经济性。随着电力机组容量逐年的增加，烟风道的截面随之增大，而随着国家对于烟气洁净排放要求的日益提高,中间烟气处理系统越来越复杂,这些对于烟道设计来说,不仅增加了烟道的长度以及在电厂中所占比重,更增加了烟道设计在系统布置及烟道结构设计上的难度.作为一名多年从事电厂烟风系统设计的工作人员，笔者在工作中总结了一些电厂烟风道设计中应注意的问题，下面就这些问题做一个简单梳理。由于现代电厂设计中，考虑烟道结构多变，维修改造需求等多种因素，混凝土烟道基本已被钢制烟道取代，因此本文所诉烟道均以钢制结构烟道为例，非混凝土烟道所适用。
关键词：烟风系统；钢制烟道；安全性；经济性
1 电厂烟风系统
按照燃煤电厂的传统划分方法，通常我们可将其分为冷、热风道及烟道三种类型，冷、热风道相比烟道来说，其设计截面及压力相对较小，无积灰积雪高负压等工况，因此设计难度也相对较小，本文将不予重点论述。本文将以现代大型机组燃煤电厂的烟气系统为设计对象，来梳理电厂烟道设计中常见的一些问题。
在电厂烟气系统中，通常涉及到的主要设备有脱硝装置、空气预热器、烟气换热器、干式除尘器、引风机、脱硫装置、湿式除尘、烟气再加热等等。主要系统元件有：烟气挡板门、插板门、补偿器、防暴门、人孔门、清灰门及消音器等。在电厂烟气处理工艺中，不同的烟气净化工艺，所采用的烟道设计工艺也会有所不同，下图仅给出其中一种典型的电厂烟气净化及热回收工艺流程，以供后续参考和说明。
2 烟道设计步骤
2.1 烟道流速、截面计算
（1）烟气流速选择：根据《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》（DL/T5121-2000）规定，烟气流速范围宜在10~15 m/s,根据烟道所处的位置确定适宜流速。对于含尘量大的烟气(除尘前)，应选择较小的烟气流速，从而避免高流速下烟气冲刷对烟道壁产生的磨损破坏。对于除尘处理后含尘量低，较为干净的烟气，可以采用较高流速来减小烟道截面，从而优化烟道结构及整体布置。
（2）烟道截面形状选择：圆形烟道布置零活，但是在烟道支撑和制作方面有一定难度，并且对于超大截面的圆形烟道，其加固肋计算尚无成熟的规范参考，国内使用相对较少。而矩形烟道因其相对简单的加工制作工艺，简单清晰的支撑结构、受力分析设计而在电厂烟道设计中广为使用。矩形烟道的加固计算有较为成熟的计算方法及相关规范，如：《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》（以下称《计算方法》）既为国内最常用烟风煤粉官道的计算规范。对于目前国内越来越多的超大机组，超百万机组，局部烟道截面甚至可达到500㎡以上，并且由于辅助系统（脱硫、脱硝、除尘等系统）数量的增加，导致烟气系统的风机增容，烟道设计压力大大增加，对烟道设计难度提出了更高要求，已经超出了烟道规范的计算范围，对于这一类烟道，笔者建议应采用钢结构计算分析类软件（如：STAAD Pro等）辅助设计，或者使有限元分析计算软件（如：ANSYS 等）等进行烟道流场及结构模拟设计，从而提高烟道结构设计的合理性，可靠性，减少烟道安装、运行的安全隐患。
2.2烟道布置及支吊形式确定
烟道布置及支吊设计是烟道设计的重中之重，其合理性直接关系到电厂初期建设成本和后期运行、维修管理，正确的支吊设置更关系到整个烟气系统的运行安全性。笔者多年工作总结以下几点：
（1）烟道布置尽量短而紧凑。众所周知，烟道越短越经济，在满足功能需求的基础上，尽可能通过调整设备放置方式（如：引风机等）及立体空间使用等方法来缩短烟道尺寸，不仅节省烟道制作材料，更能节省电厂的占地成本。
（2）尽量避免烟道局部阻力过大。除各功能设备阻力外，烟气系统阻力的大小，也直接影响系统使用风机的功率大小，烟气系统阻力大，风机功率增大，不仅仅增加了风机成本，运行电耗，同时使得烟道设计压力增加，烟道设计规格增加，成本上升。因此，烟气系统的设计通常应严格控制烟道阻力大小，对于局部阻力过大的地方，应采用导流板、布风板等方式减小阻力。
（3）本文所述烟道均为热烟气道体，在机组运行时，道体受热膨胀，从而产生热应力。为了减少因道体膨胀而引起的热应力影响，减少荷载通过烟道刚体进行支架结构间的力传递，需在烟道适当位置或者烟道与设备连接处加装补偿器，以吸收道体的膨胀位移，增加系统稳定性。
（4）支吊架设置需配合烟道补偿器设计同时考虑。烟道运行时会受热膨胀，因此对于无补偿装置的任意两点间不可以同时存在两个固定点，防止因温度应力而引起系统失稳，导致安全事故；而对于两个补偿器之间的一段烟道，有且只能有一个固定点。在固定点延长线上可配合设置导向点，以适当分担固定点所受水平荷载。
（1）烟道与设备连接时，应使用补偿器装置，避免因烟道膨胀而对设备接口产生外力影响。烟道与挡板门等需检修设备时，应采用法兰连接。
（2）设置人孔门和清灰门时，注意配合外部平台布置，以及人进入烟道后的安全着陆，避免踏空摔伤。
2.3烟道设计计算
烟道的设计计算主要包括三个部分：烟道阻力计算，支吊架荷载计算，烟道加固肋计算。
(1)烟道阻力计算主要用于系统风机配套选型.计算可参照烟规相应章节确定每个烟道零件的阻力系数,再根据不同区段的烟气参数分段计算后得出系统总阻力.计算时需注意,对于局部阻力过大的部件,应加装导流板,按照装设导流板后的阻力计入系统总阻力.
(2)支吊架荷载计算主要用于土建或者钢结构设计依据输入.支吊架荷载按照力的方向分为竖向荷载和水平荷载,按照荷载种类可分为:自重荷载（含保温）、内压荷载、积灰荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载，补偿器推力、附加荷载等。烟道设计时，须根据支吊架形式，对每个点进行受力分析，并计算荷载值，然后给土建结构专业提资分项荷载资料，而最终工况荷载组合方式（主要涉及地震荷载、风荷载组合方式）则由结构专业按照《锅炉钢结构设计规范》等进一步详细设计。值得注意的是，受力分析时，注意代入荷载方向，以及不同工况时的荷载情况；计算时，应选取恶劣工况下的荷载状态作为提资荷载。补偿截面设置引起的面板差压荷载计算时，可将补偿器截面作为自由截面（补偿不承受来自烟道的任何外力）进行分析。
(3)烟道加固肋计算是烟道设计的一个重要环节。在《计算方法》中有详细计算过程，此处不再赘述，仅仅对其中应注意的几个问题做简单阐述。
注意一 ：因计算中涉及到荷载的方向代入，而烟道计算的荷载方向定义为：由道体向外为正（外鼓），向内为负（内吸）；
注意二：板肋自重荷载项q1，通常为经验值，根据不同位置的烟道，取值也大相径庭。但最终烟道设计结束后，应对此项设计值进行校验，如相差太大，则应重新复算加固肋。
注意三：风荷载值计算时，注意截面系数的正负方向定义，与烟道计算中的荷载方向定义有所不同。
注意四：对于积灰荷载，在与水平夹角大于45度的烟道面板上，可不计入总荷载（即不考虑积灰）。对小于45度的面板，可按照水平投影面积计入积灰面积。
注意五：加固肋计算中的a（=邻边/计算边）取值问题。在烟道截面随机组容量增大的情况下，a的取值将非常明显的影响加固肋最终计算结果。而a的取值涉及到相邻边和计算边的定义。很多设计者在取值时，将邻边定义为烟道截面的宽、高尺寸，但实际上，因烟道内撑杆的设置，对加固肋起到支撑作用，类似于设置一个中间简支点，此时a的真实取值应当为所被支撑分割后的最大边长段。
注意六：对于脱硫后的湿烟气烟道，需考虑烟道防腐要求，因此在计算时，尽量避免内撑竿设置，如实在不能避免，应将内撑竿节点按钢接设计并打磨光滑，不可铰接节点，避免湿烟气与杆件接触造成腐蚀，也避免防腐涂层不易涂刷。
3 烟道保温、防腐和油漆
为了减少烟道外表面的散热损失，也为了确保工作人员防烫伤等安全问题，所有烟道需进行保温，确保外表面温度不得大于50度。保温具体设计须按照《火力发电厂保温油漆设计规程》（DL/T 2072-2007）进行，本文不作详述。
对于具有腐蚀性烟气的烟道，须进行烟道内防腐处理，如湿法脱硫的净烟道，烟气含水量大，温度在70度~100度区间，易在烟道板面形成腐蚀点，造成安全隐患。因此需在烟道内进行防腐处理，对于需防腐的烟道，尽量避免内部撑竿设置，若不能避免，则应使内撑杆件与烟道板之间的焊接密封，焊接面须打磨光滑，便于烟道的防腐施工。具体防腐施工应参照《火力发电厂保温油漆设计规程》（DL/T 2072-2007）执行。
4 结束语:
烟气系统的设计具有一定复杂性，不同的系统工艺流程，对烟道设计的具体要求不同，在烟道的布置上更是灵活多变。随着国家对电力环保要求的不断提升，小型发电机组均面临改造甚至被取代，烟气净化处理工艺日趋复杂化，烟道设计更是面临诸如截面越来越大、而建设或者改造场地狭小等困难的挑战，因此对于烟道设计者来说，掌握烟道设计的关键点技术，保证安全施工的前提下灵活处理烟道的设计和制作过程，努力创新和发展是我们的必修课程。
参考文献
[1]郭娟丽. ANSYS在电厂烟风道设计中的应用[J]. 电力勘测设计, 2015(8):38-41.
[2]王有锋. 姜武. 张辉. 等. 电厂烟风道异型件阻力系数的数值计算方法[J]. 电力科学与工程, 2006(3):47-49.
论文作者:赵丹
论文发表刊物:《基层建设》2016年31期
论文发表时间:2017/1/18
标签：烟道论文; 荷载论文; 烟气论文; 电厂论文; 截面论文; 系统论文; 阻力论文; 《基层建设》2016年31期论文;