崔北明

摘要：本文主要分析了有限元模型，重點(diǎn)介紹了有限元模型下脫硫塔入口煙道的結(jié)構(gòu)設(shè)計，它不僅能夠確保脫硫塔入口煙道的安全、穩(wěn)定、高校運(yùn)行，而且還可以有效提高煙氣處理效率。通過對脫硫塔入口煙道的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行研究，以期為火電廠煙氣脫硫工作的安全生產(chǎn)提供可靠的保障，創(chuàng)造出最大化的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

關(guān)鍵詞：脫硫塔;入口煙道;結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.工程概述

本次研究過程中，脫硫塔高為42.8m，直徑為18.1m，出口煙道尺寸為12m×5.2m，入口煙道尺寸為12m×5.5m，材質(zhì)為Q235B。借助電除塵設(shè)備對煙氣進(jìn)行處理后進(jìn)入脫硫塔，然后通過凈化處理后進(jìn)入煙囪排放。

2.有限元模型

本次研究過程中，借助ANSYS軟件來構(gòu)建脫硫塔入口煙道有限元模型，其中煙道壁板、塔壁等選擇了殼單元SHELL181;煙道加固肋、塔體加強(qiáng)環(huán)、立柱等選擇了梁單元BEAM188。煙道壁板、脫硫塔壁及其加強(qiáng)立柱、加固肋的材料均選擇了Q235B，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3，20℃時彈性模量為206GPa，150℃時彈性模量為196GPa。

煙道面板橫向加固肋選擇了H型鋼，其指標(biāo)為350mm×175mm×7mm×11mm，縱向加固肋選擇了16號工字鋼，脫硫塔入口煙道外伸2m，煙道兩側(cè)設(shè)置2根方型鋼立柱，其指標(biāo)為400mm×400mm×25mm，中部設(shè)置加強(qiáng)立柱，并且要求與塔壁2圈加強(qiáng)環(huán)連接在一起組成口框型，這樣一來可以有效提高入口煙道段塔體的抗扭、抗彎、抗疲勞能力。在煙道內(nèi)部分別安裝了一定規(guī)格和數(shù)量的型鋼作為加強(qiáng)立柱，為了確保后續(xù)計算工作的順利進(jìn)行，建立了半模型，然后對其施加對稱約束，在此基礎(chǔ)上形成了有限元模型，如圖1 所示。

3.載荷計算

本次研究過程中，選擇了入口煙道段為計算段，并假設(shè)各載荷均施加到計算段上，然后對其荷載進(jìn)行計算，具體計算過程如下：

（1）重力載荷。在脫硫塔入口煙道中，涉及到的重力載荷主要包括塔體質(zhì)量、平臺扶梯質(zhì)量、偏心質(zhì)量、漿液質(zhì)量、內(nèi)部設(shè)備及其支架質(zhì)量等。

（2）地震載荷。在火電廠中，其脫硫塔入口煙道抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計特征周期為0.5s，設(shè)計地震基本加速度值為0.1g，地震影響系數(shù)最大值αmax 為0.08。沿高度可以把脫硫塔入口煙道塔體劃分為若干段，并假設(shè)各段質(zhì)量均在每段中央位置集中，這樣一來就可以把整個塔體轉(zhuǎn)化為若干個質(zhì)量集中的多自由度體系，其中任意計算段的水平地震力可以根據(jù)如下公式進(jìn)行計算：

同時，任意計算截面所對應(yīng)的地震彎矩計算公式為：

實(shí)際上，根據(jù)行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，如果脫硫塔設(shè)備的設(shè)防烈度為8度和9度時，需要對其上下兩個方向垂直地震力給予綜合考慮，而本次研究過程中，脫硫塔的設(shè)防烈度為7 度，因此不需要考慮垂直地震力。

（3）積灰載荷。隨著時間的推移，在脫硫塔運(yùn)行過程中，出口煙道和入口煙道均會出現(xiàn)積灰現(xiàn)象，此時出口煙道積塵深度0.87m，對應(yīng)的密度為1.5×103kg/m3，入口煙道積塵深度0.67m，對應(yīng)的密度為1.5×103kg/m3。

（4）風(fēng)載荷。本次研究過程中，基本風(fēng)壓為0.5kN/m2，并選擇如下公式對任意截面水平風(fēng)力進(jìn)行計算。

脫硫塔任意截面的風(fēng)彎矩計算公式為：

（5）偏心載荷。其主要包括了出口煙道與入口煙道兩部分，其中偏心質(zhì)量Me誘發(fā)的彎矩計算公式如下：

（6）最大彎矩。脫硫塔任意截面所對應(yīng)的最大彎矩按照如下公式計算，計算結(jié)果取較大值。

4.有限元分析

（1）方案一：將1根400mm×400mm×25mm方形鋼布設(shè)在入口煙道中心位置作為加強(qiáng)立柱，得到煙道的變形和受力結(jié)果，如圖2、圖3所示。

通過上圖得知，煙道入口位置的最大應(yīng)力為163MPa，并且在煙道上壁加固肋與加強(qiáng)立柱連接位置，及入口煙道上壁板和側(cè)壁板連接角點(diǎn)位置均超過了Q235B 的許用應(yīng)力113MPa，產(chǎn)生的最大位移為8.117mm。煙道大開口位置的剛度相對比較弱，而且導(dǎo)致此段塔體的強(qiáng)度降低，此時需要在入口煙道段適當(dāng)?shù)脑鲈O(shè)加強(qiáng)筋。

（2）方案二：將2根400mm×400mm×25mm方形鋼布設(shè)在入口煙道中心位置作為加強(qiáng)立柱，通過相關(guān)計算得知煙道入口最大應(yīng)力為93.7MPa，在入口煙道上壁板和側(cè)板連接的角點(diǎn)位置，其應(yīng)力小于Q235B 的許用應(yīng)力113MPa。產(chǎn)生的最大位移為3.79mm。該方案不僅可以降低入口煙道最大應(yīng)力，而且還可以降低入口煙道處的最大位移。

（3）方案三：將3根400mm×400mm×25mm方形鋼布設(shè)在入口煙道中心位置作為加強(qiáng)立柱，得到煙道的變形和受力結(jié)果，如圖4、圖5所示。通過分析得知，煙道入口位置的最大應(yīng)力為83.7MPa，并且在入口煙道上壁板和側(cè)壁板連接角點(diǎn)位置的最大位移為3.9mm。方案三能夠有效降低入口煙道的最大應(yīng)力，并且應(yīng)用效果好于方案二。

（4）方案四：將3根300mm×300mm×16mm方形鋼布設(shè)在入口煙道中心位置作為加強(qiáng)立柱，通過相關(guān)計算得知煙道入口最大應(yīng)力為117MPa，在入口煙道上壁板和側(cè)板連接的角點(diǎn)位置，其應(yīng)力小于Q235B 的許用應(yīng)力113MPa。產(chǎn)生的最大位移為5.499mm。與方案三進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，在立柱數(shù)量不變的基礎(chǔ)上，方案四的型鋼規(guī)格相對比較小，導(dǎo)致效果明顯不理想。

（5）方案五：將3根300mm×300mm×25mm方形鋼布設(shè)在入口煙道中心位置作為加強(qiáng)立柱，通過相關(guān)計算得知煙道入口最大應(yīng)力為85.6MPa，在入口煙道上壁板和側(cè)板連接的角點(diǎn)位置，產(chǎn)生的最大位移為4.265mm。與方案四進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，在維持型鋼外形尺寸和立柱數(shù)量不變的基礎(chǔ)上，通過增加型鋼厚度，可以有效降低脫硫塔入口煙道結(jié)構(gòu)的最大位移和最大應(yīng)力。

5.結(jié)束語

綜上所述，為了更好的提高脫硫塔運(yùn)行效率，則需要結(jié)合實(shí)際情況對入口煙道結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性、系統(tǒng)性的研究與設(shè)計，并借助有限元模型來確保入口煙道結(jié)構(gòu)的合理性，這樣不僅可以改善塔內(nèi)和煙道內(nèi)部的流場分布，而且還可以有效提高脫硫塔的脫硫效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]范孜.脫硫塔入口煙道的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[J].工程技術(shù)研究，2019，4（15）：45-46.

[2]張曉玲，趙文亮，程家慶.脫硫塔入口煙道干-濕交界面積垢原因分析及對策[J].電力科技與環(huán)保，2017，11（3）：148-149.