脱硫塔顶部放置临时烟囱的选型设计

夏怀鹏，汪洋，赵冰

(中国华电科工集团有限公司，北京 100160)

0 引言

燃煤电厂在开展超低排放烟气治理改造工程时，场地条件的限制是一个很大的障碍。在改造工程中，既有构筑物和设备之间的空间很小，平面上很难布置新的构筑物，需要考虑利用高处空间。设置临时烟囱是很多电厂改造中需要面临的一个问题，临时烟囱高度基本都在60 m左右，地面没有空间时，往往考虑把临时烟囱布置在脱硫吸收塔的顶部。临时烟囱布置在吸收塔的顶部，能节省2/3的烟囱钢结构及烟囱基础，降低此类结构的造价，因此在工程应用上越来越多。

塔体顶部放置临时烟囱的结构受力较为复杂，会对原有脱硫塔的受力产生明显的影响，传统的塔体和烟囱分算的方法很难算清楚这种复杂结构的受力，只有利用有限元软件才能完全模拟这类结构。为了明确这类结构的受力状况，本文结合某正在施工工程，利用有限元分析软件ANSYS对该类结构进行建模，根据实际情况对结构形式和荷载组成进行模拟，通过大量的计算，明确该结构在各种荷载组合工况下的受力和变形特点，得出了一些结论，对此类结构的设计提供了一些建议[1-4]。

1 自振周期的确定

此类结构的设计，首先需要计算结构的自振周期。NB/T 47041—2014《塔式容器》提供了自振周期的计算公式(该公式采用分段法计算)[5]。

T1=114.8×10-3×

根据该公式对结构的周期进行了计算，得出T1=0.275 s；根据有限元模型的计算结果，结构的第一自振周期为0.396 s：两者相差44%。

规范给出的公式是一个近似的计算公式，不能准确地反映复杂结构的周期特性，但利用有限元分析软件可以准确得到结构的周期。风荷载和地震荷载的计算都与自振周期有关，根据计算周期可以更准确地确定结构的风荷载和地震荷载。

2 风荷载和地震荷载的计算

此类高耸结构对水平荷载比较敏感[6]，风荷载和地震荷载对结构的受力影响非常大，因此，要准确地计算此结构的水平荷载。NB/T 47041—2014《塔式容器》规范给出了风荷载的计算公式[5]

Pi=K1K2ip0filiDei×10-6，

式中：Pi为第i段的水平风力；p0为基本风压；K1为体型系数；K2i为第i段的风振系数；fi为风压高度变化系数；li为第i段计算长度；Dei为第i段的有效直径。

根据计算要求，将结构在高度范围内进行分段，利用规范给出的参数和表格进行计算，可以得到每一段上风荷载的标准值，将此标准值作为面荷载施加在有限元模型上进行有限元分析。此类结构需要验算临界风速，在计算得到当量直径和自振周期之后，可以根据规范给出的公式计算临界风速，判断是否发生共振。

地震荷载在高烈度区，对此类结构的影响很大。同样根据分段情况，计算每一段的质量和地震影响系数，按照规范的公式可以得到每一段的地震力。NB/T 47041—2014《塔式容器》规范给出了地震荷载的计算公式[5]

F1k=α1η1kmkg，

式中：F1k为集中质量mk引起的基本振型水平地震力；α1为自振周期T1的地震影响系数；η1k为基本振型参与系数；mk为距地面hk处的集中质量；g为重力加速度，取9.81。

由于地震力是沿着同一个方向的，在给有限元模型施加地震力的时候，需要将地震力转化为节点荷载施加到有限元模型上。

3 结构静力分析

利用ANSYS提供的shell181单元建立塔体的壁板，beam188单元建立塔体内部的水平横梁和喷淋主管，得到有限元模型。根据实际工程中的地脚螺栓布置，设置相同数量的节点位移约束，建立边界条件。

依据NB/T 47041—2014《塔式容器》的规定，此类结构的计算采用容许应力法。荷载采用标准组合，强度设计值采用材料的许用应力。根据荷载作用的情况，首先要进行荷载的标准组合，本文的计算考虑了如下8种组合：(1)恒荷载+X向风荷载；(2)恒荷载+Y向风荷载；(3)恒荷载+活荷载+烟气正压；(4)恒荷载+烟气负压；(5)恒荷载+0.25X向风荷载+X向地震荷载；(6)恒荷载+0.25Y向风荷载+Y向地震荷载；(7)恒荷载+活荷载+X向风荷载；(8)恒荷载+活荷载+Y向风荷载。表1列出了8种荷载工况下结构的最大变形和最大应力。

根据8种荷载组合工况下结构的响应可以看出，在给定的荷载条件下，此结构整体处于弹性状态，工况5(如图1a所示)结构的最大应力为89.2 MPa，低于容许应力值113.0 MPa，强度满足规范要求；塔体的整体变形顶部最大，约为10 mm(图1b所示)约为高的1/6 00，塔体局部的变形很小，塔体的刚度满足规范要求；但是，在水平荷载参与的组合工况下，最大变形发生在塔体内部的支撑梁上，最大变形约为22.1 m(如图1c所示)变形也满足GB 50017—2003《钢结构设计规范》中规定的主梁挠度1/400的限值[7-8]。

从计算结果来看，塔壁的开洞造成了结构刚度的突变，形成了结构的薄弱部位，导致开洞附近出现了应力集中现象(如图1d所示)在与开洞方向垂直的水平荷载作用下，塔体在洞口附近存在扭转现象，如图1e所示。塔壁开洞处是烟气的出口和入口，水平段的烟气出口和入口需要采取加强构造措施，以保证局部稳定。

表1 8种荷载工况下结构的最大变形和最大应力

图1 有限元分析结果

塔体底部的轴向应力往往是最大的，根据规范要求，需要验算底部塔壁的轴向应力[9]。GB 150.1～150.4—2011《压力容器》规范查表可以得到轴向稳定应力系数限值，与ANSYS计算得出的轴向应力进行对比，从而校核轴向稳定的应力，如图1f所示[10]。

4 临时烟囱的连接

由于是临时烟囱，在整个项目改造完成后，烟气的出口会统一汇集到永久烟囱里面，临时烟囱届时将被拆除，因此，临时烟囱应该方便拆除。

临时烟囱位于脱硫吸收塔的顶部，而脱硫塔内部的防腐材料是易燃物质，因此临时烟囱的安装和拆除都必须考虑防火安全性，尽量不使用电焊和气割。出于安全和方便考虑，临时烟囱与脱硫塔的连接采用螺栓连接。临时烟囱自身有20多m高，烟囱本身在安装和拆除时需要分节。根据现场吊装的情况，将临时烟囱分成3节，每节之间用螺栓连接。螺栓连接强度需要根据软件计算的结果，提取节点的反力进行计算，另外也需要满足螺栓连接的构造要求。

5 结论

此类结构对水平荷载比较敏感，设计时必须考虑水平荷载的组合。计算首先要确定结构的自振周期(计算周期更为可靠)，进而根据计算周期进行风荷载和地震荷载的计算。

计算结果显示：在壁厚选择合理的情况下，塔体整体变形较小，强度和刚度都能满足设计要求，最大变形往往发生在塔体内部的支撑梁上，需要根据规范的变形限值控制截面的设计；塔壁的开洞减弱了塔体的抗扭刚度，导致结构在一些工况下会出现扭转，需要根据规范要求对开洞附近的壁板进行加强，包括设置环肋和局部加厚壁板。

塔壁属于薄壁类构件，对局部变形比较敏感，必须验算轴向稳定应力。

临时烟囱需要根据实际情况进行分节，尽量采用螺栓连接。螺栓的连接需要经过计算，并满足构造要求。

根据荷载的最不利组合工况下的最大应力和变形，调整塔壁的厚度和内部杆件的截面，迭代计算，从而实现设计优化，节省建造成本。

[1]张波,盛和太.ANSYS有限元数值分析原理与工程应用[M].北京：清华大学出版社,2005.

[2]常磊,叶献国,王德才,等.关键部位对脱硫塔结构的动力影响分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2009，32(8)： 1249-1252.

[3]李明惠,时文忠,刘德宏,等.大直径薄壁大开孔塔结构的有限元分析[J].压力容器，2005，22(2)： 14-17.

[4]陈小辉,徐志杨,秦广乐,等.地震载荷对筒仓的影响分析[J].北京联合大学学报(自然科学版)，2011，25(2)： 38-41.

[5]塔式容器：NB/T 47041—2014[S].

[6]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南[M].北京：中国建筑工业出版社，1996.

[7]钢结构设计规范：GB 50017—2003[S].

[8]美国钢结构协会.美国建筑钢结构设计规范[M].中国钢结构协会，译.北京：冶金工业出版社，2016.

[9]王国璋.压力容器实用设计手册[M].北京：中国石化出版社，2013.

[10]压力容器:GB 150.1～150.4—2011[S].