煙氣脫硫裝置煙道的精準優(yōu)化設(shè)計

1、煙氣脫硫裝置煙道的精準優(yōu)化設(shè)計孫克勤I，2 沈濤3(1.江蘇蘇源環(huán)保工程股份有限公司江蘇南京210024;2.南京理工大學化學化工學院江蘇南京210094；3.江蘇省電力設(shè)計院江蘇南京210024)摘要：本文采用大型有限元分析軟件ANSYS對揚州電廠200MW發(fā)電機組煙氣脫硫裝置的 煙道進行了強度計算，并對內(nèi)撐桿形式，煙道內(nèi)壓，自重等因素對結(jié)構(gòu)應力的影響進行了分 析，為工程的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：煙氣脫硫；優(yōu)化設(shè)計；煙道；ANSYS；有限元法中圖分類號：文獻標識碼：Optimization Design of Flue Gas Desulphurization DuctworksSun

2、Ke-qing1 Shen Tao2(1.Jiangsu Suyuan Environmental Protection Engineering Co., Ltd, Nanjing 210024, China;2. Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;3. Jiangsu Power Design Institute, Nanjing 210024, China )Abstract: In the present work, a finite element package ANSYS was

3、used to study the ductworks of Yangzhou power plant Flue Gas Desulphurization (FGD) device, various factors such as flue gas pressure, gravity of the duct and inner link type were used to study the stress variation, which gives ideas to engineering design.Key words: Flue Gas Desulphurization (FGD);

4、optimization; ductwork; ANSYS; Finite Element Method (FEM)1引言煙氣脫硫(Flue Gas Desulphurization, FGD)裝置是實現(xiàn)大型燃煤火力發(fā)電機組二氧化硫 排污達標的唯一有效途徑，目前國內(nèi)已建成的大型FGD裝置大都采用全套或技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備 進口的方法進行建設(shè)，盡管這些裝置的運行效果較好，但由于存在建設(shè)周期過長，投資及運 行費用過高，不適應國內(nèi)習慣等問題，不利于進一步推廣。究其根本是因為FGD系統(tǒng)的投資 及運行費用較高，同時又缺乏直接經(jīng)濟效益的驅(qū)動，故對經(jīng)濟性尤其敏感。因此必須通過精 確定量地對設(shè)計參量進行精準優(yōu)化設(shè)計

5、，以最大限度地降低工程費用，此外幾乎每一套FGD 裝置都需要度身定制，對一些特殊環(huán)節(jié)若不進行驗證就很難保證系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟性和一 次投入成功率。然而由于FGD系統(tǒng)龐大，小規(guī)模的實驗室試驗很難解決實際工程問題，而大 型的試驗在財力和時間上均難以接受。采用以數(shù)值模擬、系統(tǒng)仿真為基礎(chǔ)的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)則 可很好地解決上述問題。本文采用大型有限元分析軟件ANSYS對揚州電廠200MW發(fā)電機組 煙氣脫硫裝置的煙道進行了強度計算，并對內(nèi)撐桿形式，煙道內(nèi)壓，自重等因素對結(jié)構(gòu)應力 的影響進行了分析，為工程的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。2工程概述揚州發(fā)電有限公司5號機組（200MW）煙氣脫硫裝置是國家經(jīng)貿(mào)委資源節(jié)約和綜合

6、利用 司與日本新能源產(chǎn)業(yè)開發(fā)機構(gòu)（NEDO）共同實施的“采用商業(yè)化脫硫系統(tǒng)進行副產(chǎn)品利用研 究，的合作項目，脫硫裝置主要設(shè)備和技術(shù)由日本川崎重工株式會社提供，江蘇省電力設(shè)計 院負責工程設(shè)計，工程于2002年3月建成。其煙氣成份數(shù)據(jù)如表1所示。表1煙氣成份分析項目設(shè)計數(shù)據(jù)煙氣量/m3/h970000煙溫代160壓力/Pa100煙塵濃度/mg/m3370SO/X10-621200（濕）H2O/%50（濕）CO2/%116（濕）O2/%80（干）HC1/X10-65.84（干）HF/X10-610.66（干）煙道為薄壁鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)外表面分別設(shè)有內(nèi)撐桿和加固肋，其殼體厚度為5mm,截面尺 寸為5.4mX

7、5.4mX11m，內(nèi)壁壓力4kPa，加固肋截面尺寸為12.6，每隔0.7m設(shè)置一道，內(nèi) 設(shè)十字形中76X4內(nèi)撐桿。彈性模量Ex=2.1X105MPa，泊松比p =0.28,密度為7800kg/m3。3數(shù)值模擬方法3.1單元的選擇煙氣脫硫工程所用的煙道為薄壁鋼結(jié)構(gòu)，外表面設(shè)有環(huán)向型鋼加固肋約束，內(nèi)部對應加 固肋的地方設(shè)有內(nèi)撐桿。針對不同的承載構(gòu)件應選用不同的單元類型進行模擬。煙道壁面承 受的荷載主要為自重和內(nèi)壁壓力，其受力較為復雜，同時承受彎矩、剪力、軸力的復合作用， 宜采用SHELL63殼單元進行模擬；加固肋與煙道壁面為焊接結(jié)構(gòu)，它們共同承擔由內(nèi)壁面 傳遞的荷載及自重，其承受荷載類型為彎矩、軸

8、力、剪力，因此可采用BEAM188梁單元進 行模擬；內(nèi)撐桿僅受軸力，因此采用LINK4桿單元進行模擬。3.2單元的連接方式在煙道的有限元分析時涉及到SHELL（殼），BEAM（梁），LINK（桿）等三種不同的單元， 不同單元連接時，各單元對應節(jié)點應具有相同自由度以保證單元間協(xié)調(diào)，也即它們必須具有 相同數(shù)目和類型的位移自由度及旋轉(zhuǎn)自由度。在本文分析中，梁單元與殼單元的連接通過將 梁單元的兩個節(jié)點與殼單元一邊的兩個節(jié)點重合以形成公共節(jié)點來實現(xiàn)。煙道外部加固肋通 常為槽鋼，當梁單元與殼單元連接時，連接點在梁橫截面位置的不同將使組合結(jié)構(gòu)截面產(chǎn)生 不同的慣性矩，從而得到不同的承載力計算值。根據(jù)實際工程，

9、近似選取連接點于焊縫的形 心軸上，如圖1所示。焊縫圖1加固肋與煙道壁面連接點示意圖4結(jié)果與討論4.1 一般煙道結(jié)構(gòu)分析圖2和圖3分別給出了煙道的有限元分析模型及等效應力分布云圖，可見，煙道板面中 心線上撓度較大，而煙道截面邊角處存在明顯的應力集中。盡管結(jié)構(gòu)各部分的應力均小于鋼 板的許用應力，但由于煙道內(nèi)表面玻璃鱗片防腐對擾度的要求，根據(jù)經(jīng)驗仍應根據(jù)結(jié)構(gòu)形式 特點布置內(nèi)撐桿，以減小過大變形和應力集中對結(jié)構(gòu)的不利影響。圖2煙道的有限元模型 圖3煙道的等效應力云圖圖4和圖5分別給出了 3種不同的內(nèi)撐桿形式及其對應的等效應力分布情況，分析中 各結(jié)構(gòu)的載荷數(shù)據(jù)均一致。可見，設(shè)置內(nèi)撐桿對結(jié)構(gòu)的有利影響十分

10、明顯，結(jié)構(gòu)應力大幅下 降；對比設(shè)置不同形式內(nèi)撐桿的煙道各項應力值，當采用形式三的內(nèi)支撐桿時，煙道壁鋼板 等效應力值和加固肋外緣應力值均最小，且材料使用量接近于形式一，小于形式二，因此形 式三是比較合理的內(nèi)支撐桿形式。(a)形式一(b)形式二圖4三種不同內(nèi)撐桿形式(c)形式三(a)形式一(b)形式二(c)形式三圖5三種不同內(nèi)撐桿結(jié)構(gòu)煙道的等效應力分布0表2不同內(nèi)撐桿形式下煙道應力結(jié)果內(nèi)支撐桿形式鋼板最大等效 應 力 (MPa)中間段鋼板最大 等效應力(MPa)加固肋最大彎曲應力(MPa)中間段加固肋最大 彎曲應力(MPa)形式一38.632.61558.37形式二38.732.615310.1形

11、式三36.432.410.84.5未配置67.166.552.952.6煙道內(nèi)的氣體壓力是煙道結(jié)構(gòu)所承受的主要荷載之一，實際工程中可能會在一定幅度 范圍的變化，因此有必要分析煙道內(nèi)壓力變化對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，考察煙道對內(nèi)壓力的承受 能力。圖6給出了不同內(nèi)壓情況下煙道的最大等效應力及加固肋彎曲應力值等的變化趨勢。 可見，結(jié)構(gòu)應力與內(nèi)壓呈線性關(guān)系。在煙道設(shè)計壓力4kPa)附近壓力值的波動不會對煙道的 安全性產(chǎn)生明顯影響。0102030405060內(nèi)壓(kPa)圖6內(nèi)壓對應力的影響煙道結(jié)構(gòu)自重是其承受主要荷載之一，當自重與內(nèi)壁壓力共同作用時可能產(chǎn)生不利影 響，以下對水平布置及垂直布置的一段煙道進行了分

12、析對比。結(jié)果表明，煙道橫向布置時， 其自重對結(jié)構(gòu)承載力有不利影響，主要體現(xiàn)于對加固肋彎曲應力的影響，但其不利影響值僅 為鋼材設(shè)計強度的3%；當煙道豎向布置時，其自重對結(jié)構(gòu)各部分應力幾乎沒有影響，設(shè)計 時可不作考慮。表3自重對應力的影響分析內(nèi)支撐桿形 式鋼板最大等效應力(MPa)單位長度內(nèi) 鋼板最大等 效應力(MPa)影響程度加固肋最大彎曲應力(MPa)單位長度內(nèi)加 固肋最大彎曲 應力(MPa)影響程 度未考慮自重38.632.615.510.5考慮自重(水平煙道)41.936.3約10%25.218.4約70%考慮自重(垂直煙道)38.232.61%16.210.25%5結(jié)論煙氣脫硫工程用煙道

13、雖然結(jié)構(gòu)簡單，但如何選擇合理的結(jié)構(gòu)形式以最大限度地降低工 程造價是工程設(shè)計所追求的目標。本文采用大型有限元軟件ANSYS對對揚州發(fā)電有限公司 煙氣脫硫工程中煙道進行了數(shù)值模擬，并對各種內(nèi)撐桿形式、自重、內(nèi)壓等因素進行了綜合 分析，得出如下結(jié)論：分別采用SHELL63殼單元模擬煙道，BEAM188梁單元模擬加固肋，LINK4 桿 單元模擬內(nèi)撐桿對煙氣脫硫工程中所用的煙道進行有限元分析是可行的。設(shè)置內(nèi)撐桿可大幅降低煙道結(jié)構(gòu)各項應力，各種不同形式的內(nèi)撐桿對應力的貢獻 各異，通過對造價的綜合考慮，可得出最佳的結(jié)構(gòu)形式。煙道內(nèi)壓力值在設(shè)計壓力附近的波動對煙道的安全性影響較小。煙道豎向布置時產(chǎn)生的應力較水

14、平布置時小得多，設(shè)計時可忽略。參考文獻1孫華乾.200MW機組簡易濕法煙氣脫硫系統(tǒng)J.電力環(huán)境保護，2000，16(3): 8-13楊揚.關(guān)于煙氣脫硫工程設(shè)計的思考J.電力環(huán)境保護，2000，16(2): 40-45李守信，紀立國，于軍玲，方小寶.石灰石一石膏濕法煙氣脫硫工藝原理J.華北電力 大學學報，2002，29(4): 91-94馬力，程云弛，陳國君.帶內(nèi)撐件的尾部煙道降阻試驗研究J.東北電力技術(shù)，1998, 6： 35-38付敏，鄒繼斌，孔祥春，王文華.水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子三維溫度場的有限元計算J.電機與 控制學報，2001，5(3): 137-139孫克勤.揚州電廠200MW機組煙氣脫硫石灰石制