大型脱硫塔结构文丘里顶梁部分有限元分析

陈庭芳

1 引言

按全球的煤炭消费和生产量排序，我国是世界上将煤炭为我们的主要能源的少数几个国家之一。由于国家环保的强制性要求，我国从20世纪90年代开始对火力发电厂产生的废气中所含的SO2、等相关有害气体的排放量就加进行了严格控制，规定必须进行烟气脱硫。脱硫塔是我国火力发电厂进行脱硫的主要设备，对于保护及改善环境、使SO2排放量符合我国环保的有关标准规定、确保广大群众的身体健康都有重要的意义，它作为一种有效的脱硫设备，正发挥着越来越重要的作用[1]。

脱硫塔结构多为特种结构中的大型薄壁壳体钢结构，脱硫塔内部有各种管道、支撑梁，塔体开设管道孔洞、烟气进出口，壳体壁板通过型钢进行加强，该体系结构的形式复杂且多样。对于脱硫塔结构的设计计算，截至目前，没有一部完整系统且适用的规范可循，专业人员在进行分析计算时，由于缺乏必要的理论分析和指导，多依据工程经验。并且建立模型过程中，通常采用把结构分成各部分建立模型的方式进行计算，选取的荷载较保守，使模型的分析结果有时不能完全符合实际，从而计算出的各构件截面尺寸具有较大的保守性和盲目性，从而造成了材料的很大浪费。但是进行整体分析费时费力，所以结构能否采用局部建模，成为一个比较关注的问题，一旦该结构在整体与局部建模中的分析结果变化不大，就可以采用局部建模，减少工作量。因此，对脱硫塔壳体结构进行深入细致的研究分析，为专业人员提供学可靠的设计理论依据，具有非常重要的工程和实际意义[2]。本文仅对脱硫塔结构的文丘里部分进行局部与整体分析比较，文丘里顶梁结构位于文丘里的顶部，在环梁的下部，位于标高20.2m处。

2 文丘里结构模型建立

2.1 有限元分析软件

MIDAS/Gen-建筑结构通用有限元分析和设计软件，由世界最大的结构软件开发商之一的MIDASIT集团开发。该软件适用于各种结构，如钢筋混凝土结构、钢结构、组合结构等建筑，尤其是各类特种结构（筒体、坝体、塔体结构等）。本文采用MIDAS中的空间梁单元模拟各种加劲肋。该软件的梁单元主要用于分析各种梁结构单元，其特点是每个节点都具有6个自由度：即3个转动自由度，3个位移自由度[3]。

2.2 模型基本情况

文丘里顶盖承受文丘里结构内部的积灰荷载，结构的自重及下部结构重（1000kN）。积灰荷载考虑最不利情况，即积满文丘里10m高，约为10000kN，合计为11000kN荷载。经过计算等效为线荷载，142.8kN/m，施加在梁顶端。文丘里的约束情况为内筒壁对结构有Z向的约束，筒体不能沿环向转动。文丘里顶梁采用Q345钢，梁全部选普工40a。建立模型，约束边界，施加荷载，如图1所示。

3 文丘里计算结果分析

3.1 文丘里顶梁应力图（见图2）

3.2 顶梁应力与位移比较（见图3）

3.3 积灰荷载作用下文丘里构件内力比较（见表1）

图1 文丘里顶梁荷载图（kN/m）

图2 文丘里顶梁应力图（MPa）

图3 文丘里顶梁应力和位移比较图

表1 积灰荷载作用下文丘里构件内力比较表

进行比较后发现，二者在位移和应力方面的差距较大，最大位移和最大应力发生在内环梁上，且数值较大，这是正常情况。因为该模型是简化了原结构，原结构内环梁是由文丘里的筒壁互相约束的，而此时只有外环梁有约束，因此，实际的位移和应力应该比该结果要小些。为保证设计时选取截面材料较符合实际，建议采用整体建模方法。为避免位移过大，应当在选择梁截面时考虑加大，或者做其它支撑结构，避免应力集中。

4 结语

本文介绍了组成脱硫塔结构的重要构件文丘里的组成形式，构件材料，以及在脱硫塔结构中的位置，通过文丘里进行详细的建模分析，了解文丘里环梁部分在结构中的受力情况、位移变形情况等，通过结果分析发现结构的薄弱部位，以便今后在设计时需要加强及重点关注，现总结如下：

（1）文丘里顶梁在整体建模中，是处在最下面位置的结构，该结构是将文丘里中的积灰荷载传给支撑环梁，或者说它承受积灰荷载，环梁再承受它上面的荷载。

（2）在分析比较后发现，该结构由于单独建模时，不考虑文丘里的约束与承载能力，使得结果要比整体下的大很多，建议相关设计建模尽量采用整体建模，考虑协同作用，达到仿真的效果。

（3）由于该结构承受的是竖向荷载，但是中间部分的环梁没有上部结构的支撑，所以在荷载作用下，位移和应力较大，可通过加大该部分梁的截面或者加适当支撑结构等措施改善结构情况。