1000MW机组超大型变径脱硫塔设计

周青生

（广东华海建设有限公司 广东广州 510630）

1 变径吸收塔设计概述

江西某电厂2X1000MW烟气脱硫工程装置采用石灰石—石膏湿法脱硫工艺，一炉一塔，二氧化硫排放值为不大于35mg/Nm3。为达到脱硫要求，吸收塔浆池有效容积5330m3，吸收塔直径为24.79m/20.66m，高度为43.16m，正常运行液位为11.61m，设计脱硫效率98.8%。

若采用20.66m直筒式吸收塔，同等有效浆池容积5330m3时，正常运行液位需为15.03m，比变径吸收塔浆池增加高度3.42m。由此计算需增加氧化风机约30%电耗约为200KW；另外塔体高度的提高导致各水泵的电耗增加约30KW。在工程造价方面，吸收塔采用变径吸收塔可因此节省钢材、防腐、土建基础成本。因此，设置变径吸收塔具有降低能耗、降低工程造价的必要性。

2 变径塔有限元模型

2.1 材料选用

吸收塔整体为Q345B碳钢，入口壁板为C276哈氏合金。

2.2 模型建立

首先使用建立全塔有限元模型，并进行网格划分，设计壁厚为25mm~8mm。

3 变径塔荷载

3.1 荷载类型

A静荷载；B静水压力；C地震荷载；D内压；E真空荷载；F风荷载；G活荷载。

3.2 荷载组合

根据《钢制焊接石油储罐API650》规范要求6种组合方式进行荷载组合。①A+F+0.4D；②A+F+0.4E；③A+B+C+0.4D；④A+G+0.4E；⑤A+E+0.4G；⑥A+B+1.25D。

4 变径塔计算结果

4.1 变径吸收塔强度计算

（1）许用标准：Q345B材料许用应力为345MPa*66.6%=230MPa。

（2）结果分析：6种组合计算结果最大等效应力：97.5MPa；位置：吸收塔第一圈壁板下部。计算结果显示吸收塔强度符合强度要求。

4.2 变径吸收塔刚度计算

（1）许用标准：根据设计验收规范要求。取：梁变形量≤1/400梁长度，塔壁变形量≤19mm。

（2）结果分析：除雾器支撑梁变形量：37mm；位置：吸收塔除雾器支撑大梁中部，小于20660mm/400=52mm的允许变形量。塔壁上最大变形量为11.8mm，位置吸收塔入口上方的中间位置。此处由于吸收塔开孔影响，变形较大。计算结果显示吸收塔强度符合强度要求。

4.3 变径吸收塔稳定性计算分析

变径吸收塔稳定性分析是本文的难点，吸收塔稳定性分析有以下两种方法。

方法1：根据设计规范计算

（1）许用标准

根据规范计算临界压应力。美国《API650钢制焊接石油储罐》，罐壁临界压应力[δcr]=0.413Et/D，（E为弹性模量，D为塔径，t为管壁厚度）。日本规范中，罐壁临界压应力[δcr]=0.33Et/D。我国《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》中，结合了我国大量石油储罐的实践经验，分别对几次大地震中间，国内几十台石油储罐在地震中的罐壁稳定性验算，已经证明罐壁临界压应力[δcr]=0.15Et/D，与实际更为符合。

（2）计算结果

根据计算结果云图，比较不同壁厚各层许用压应力值。各层计算压应力值均不超过临界压应力，吸收塔直筒部分稳定性符合规范要求。

压应力统计表，如下：

由上表可知，规范中的罐壁临界压应力只能计算及判断直筒部分的稳定性，无法计算及判断锥体部分的稳定性。因此锥体部分的稳定性以及整体稳定性计算及判断，需要引入方法2有限元屈曲稳定性计算。

方法2：有限元稳定性计算

（1）线性屈曲稳定性计算

我们首先对吸收塔进行有限元线性屈曲稳定性计算，屈曲稳定性计算的理论基础为欧拉公式，给出已有形状、材料特性的物体，通过有限元计算得出失稳屈曲的临界力或弯矩。

计算结果表明：全塔最薄弱的地方为入口柱的上方。这就定性地说明，直筒部分要先于变径部分失稳。这与我们实际工程经验相符合，锥体稳定性比直筒更不易失稳。

定量的分析，计算机给出最为恶劣受力状况下，荷载安全系数为9.884，即：失稳的临界荷载为目前所施加的9.884倍。线性屈曲稳定性分析，吸收塔结构稳定性是安全的。

（2）非线性屈曲稳定性计算

线性屈曲稳定性计算在工程实际中预测的值偏高，有的甚至超过实际实验测试值的十几倍。这是因为工程中，实际的塔器、钢结构等都不是完美的几何体，都存在几何缺陷、材料缺陷等等。

因此在有限元计算时，利用线性屈曲稳定性计算的结果模型，对其设置初始几何缺陷，缺陷为屈曲变形相对值的0.1倍，用屈曲部位带几何缺陷模型作为新模型重新进行线性屈曲计算。由此计算得，荷载安全系数为1.778，即：失稳的临界荷载为目前所施加的1.778倍。非线性屈曲稳定性分析，吸收塔结构稳定性仍然是安全的。

（3）吸收塔变径部分屈曲稳定性计算

将变径段以外的壁板，弹性模量人为提高，以变径段作为线性屈曲稳定性研究对象，受力状况不变。变径段首先屈曲失稳的部位为变径下端的加强环。最为恶劣受力状况下，荷载安全系数为39.923，即：失稳的临界荷载为目前所施加的39.923倍。线性屈曲稳定性分析，吸收塔结构稳定性是安全的。

同样，变径段线性屈曲稳定性结果模型，对其设置初始0.1倍几何缺陷，用屈曲部位带几何缺陷模型作为新模型重新进行线性屈曲计算。重新计算后，荷载安全系数为5.827，即：失稳的临界荷载为目前所施加的5.827倍。非线性屈曲稳定性分析，变径段结构稳定性仍然是安全的。

结语

通过有限元计算可知，本24.49m/20.66m国内容量最大的变径吸收塔，满足强度、变形及稳定性要求，并且通过计算知道变径段强度、稳定性较强，并非全塔的薄弱部位。决定吸收塔壁厚的关键为稳定性控制。本工程吸收塔，目前已经建成并投入使用，一直运行正常，为电力环保树立了标杆产品，同时，也为业主方节省了能耗，为建设方节省了投资成本。