大型火力發電廠主煙道設計探討

黃友強 王林寶

提要：本文給出大型火力發電廠主煙道設計的思路和方法，并指出單純按《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程》（DL/T 5121—2000）設計存在安全隱患，供有關工程技術人員參考。

關鍵詞：主煙道，自振頻率，變形，鋼材強度設計值

1. 工程概況

近年來，1000MW機組已逐漸代替600MW機組，成為國內火力發電廠建設的主力機型。火力發電廠隨著機組容量的加大，煙氣流量加大，例如：某300MW機組工程，主煙道截面尺寸4.5mx9m；某600MW機組工程，主煙道截面尺寸6.0mx11m；華電國際山東某1000MW機組工程，主煙道截面尺寸7.5mx12.0m。

2. 主要設計思路

在以往的火力發電廠工程設計中，主煙道一般由工藝專業負責，根據《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程》（DL/T 5121—2000）（以下簡稱《煤粉管道規程》）進行設計。在工藝規程中，考慮了煙氣壓力、積灰、風載、雪載等對煙道頂底面、側面的局部影響，沒有考慮風載等水平荷載對煙道整體的影響。現行的《煤粉管道規程》為2001年1月1日實施，至今已有十幾年時間，火力發電廠的規模、容量、機組參數等均有了很大的發展，隨著煙道截面的加大，按現行工藝規程進行煙道設計是否安全可靠，應進行驗證。針對上述情況，本工程鋼煙道的設計，確定以下設計思路：

(1)初步確定煙道結構布置兩個方案。

(2)按《煤粉管道規程》進行道體面板和加固肋設計，確定道體面板厚度和加固肋的規格、間距。

(3)按土建結構規范規程，對設計結果進行結構強度、自振頻率等復核。

3. 主煙道按《煤粉管道規程》設計

根據《煤粉管道規程》，本工程對道體面板和橫向加固肋應分別按強度（應力）、剛度（撓度）、振動（頻率）條件進行設計，控制加固肋和道體面板自振頻率分別≥40Hz（振動設計）和≥40Hz（常規設計）。本工程主煙道遠離風機口，第一自振頻率應≥20Hz（常規設計）。

(1) 主煙道截面尺寸7.5m（寬）x12.8m（高），加固肋按剛接設置，結構布置方案如下：

方案一：在煙道內部設置兩道水平內撐桿，將高度三等分，再在上部分、下部分設置斜撐桿，呈三角形布置。

方案二：在煙道內部設置兩道水平內撐桿，將高度三等分，再設置一道豎向內撐桿，將寬度兩等分，無斜撐桿。

(2)道體面板設計荷載統計

道體及

受力面

分項荷載

組合設計荷載 當量荷載

內壓q0 自重q1 保溫q2 積灰q3 雪載q4 風載q5 ∑q ∑qdl

正壓道體

頂面 +q0 - q1 - q2 0 - q4 + q5 q0- q1- q2- q4+ q5 - q1- q2- q4+ q5

側面 +q0 0 0 0 0 + q5 q0 + q5 + q5

底面 +q0 + q1 + q2 + q3 0 + q5 q0+q1+ q2+ q3+ q5 + q1+ q2+q3+ q5

負壓道體

頂面 -q0 - q1 - q2 0 - q4 + q5 -q0- q1- q2- q4+ q5 - q1- q2- q4+ q5

側面 -q0 0 0 0 0 - q5 -q0 - q5 - q5

底面 +q0 + q1 + q2 + q3 0 + q5 q0+q1+ q2+ q3+ q5 + q1+ q2+q3+ q5

注：1、荷載方向，由道體向外為“＋”，向內為“－”。

(3)道體面板設計荷載統計道體面板和加固肋的按以下設計，確定面板厚度、加固肋規格

道體面板和加固肋的計算條件

計算

項 目 強度條件 剛度條件 振動條件（常規設計）

道體面板跨度 Smax=55?δ?（［σ］t／∑q）1/2＋50(mm) Smax=84?δ?（E／∑q）1/3＋50(mm) Smax=116?δ1/2?E1/4＋50(mm)

加固肋選型(簡支) Lmax=2828?（Z?［σ］t／∑q?S）1/2＋50(mm) Lmax=1243?（E?.I／∑q?.S）1/3＋50(mm) Lmax=498?(E?I/G)1/4 +50(mm)

加固肋選型(固支) Lmax=3464?（Z?［σ］t／∑q?S）1/2＋50(mm) Lmax=1566?（E?.I／∑q?.S）1/3＋50(mm) Lmax=542?(E?I/G)1/4 +50(mm)

(4)根據《煤粉管道規程》的要求，以上“方案一、方案二”加固肋的設計條件相同，加固肋規格、間距相同，設計結果無區別。

4. 主煙道土建規程復核

(1)主煙道軸向變形核算

煙道固定支座的設置，應保證煙道隨溫度變化引起的軸向變形，小于膨脹節允許變形的要求。本工程煙道固定支座最大間距為L=25m，煙道安裝初始溫度T=10℃，煙氣最高溫度Tmax=150℃，膨脹節軸向變形允許值85mm。

膨脹節兩側煙道膨脹軸向變形之和：

△u=αS?(Tmax-T) ?L=1.2x10-5x(150-10)x25000=42mm<85mm

軸向變形滿足要求。

(2)主煙道結構復核

本工程采用STAAD PRO V8i結構分析軟件對“方案一、方案二”進行了結構分析。

STAAD PRO V8i結構分析軟件計算結果

計算應力

（N/mm2） 橫向變形

（mm） 允許變形

（mm） 結論

方案一 170 11.5 ±26 計算應力在規程允許范圍內，橫向變形滿足允許變形要求

方案二 232 105 ±26 計算應力超出規程允許范圍，橫向變形不滿足允許變形要求

注：1）計算應力——加固肋最大計算應力

2）水平位移——煙道頂部最大橫向計算變形

3）允許變形——煙道膨脹節允許橫向變形

風載等水平荷載對煙道整體影響明顯，影響煙道的結構安全和使用。

(3)主煙道自振頻率復核

根據STAAD PRO V8i結構分析軟件對方案一計算結果，道體面板第一振型自振頻率27.8Hz，加固肋第一振型自振頻率46.0Hz，均≥20Hz（常規設計），滿足要求。

5. 工藝規程與土建規程鋼材力學性能的差異

Q235B鋼材力學性能(150℃)

彈性摸量E（N/mm2） 結構強度（N/mm2）

《煤粉管道規程》 1.96x105 125

《鋼結構設計規范》 2.06x105 183

注：(1)結構強度——對于《煤粉管道規程》，為鋼材的許用應力；對于《鋼結構設計規范》，為鋼材的強度設計值。

(2)150℃鋼材強度設計值約折減f ≈ 0.85x215=183 N/mm2

《煤粉管道規程》和《鋼結構設計規范》中，彈性模量E基本一致。

《煤粉管道規程》和《鋼結構設計規范》中，鋼材Q235B許用應力與鋼材強度設計值183 N/mm2差別較大，分析如下：

《煤粉管道規程》采用的是許用應力設計法，各項荷載均采用標準值。土建規程采用的是基于概率理論的極限狀態設計方法，各項荷載均采用設計值，若參照結構規范，則鋼材Q235B許用應力乘荷載分項系數，則125x1.35=168 N/mm2 ，小于183 N/mm2 ，二者差值約為9%，大致相當，《煤粉管道規程》略顯保守。

6. 結論

單純按《煤粉管道規程》主煙道設計，沒有考慮風載等水平荷載對煙道整體的影響，存在安全隱患，需要按土建規程進行復核。

鑒于筆者水平有限，文中難免有考慮不道支處，本文旨在共享工程設計中的經驗，為今后類似工程提供借鑒參考。

參考文獻

1. 《煙囪設計規范》（GB 50051-2002）

2. 《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程》（DL/T 5121—2000）

3. 《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程》（DL/T 5121— 2000）配套計算方法

4. 《鈦制焊接容器》（JB/T4745-2002）

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。