ANSYS在電廠煙風(fēng)道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

郭娟麗

(華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京 100120)

1 概述

隨著機(jī)組容量的大型化，電廠煙風(fēng)道截面和重量都大幅增加，通常情況設(shè)計(jì)選用矩形截面，若能選用圓形截面煙風(fēng)道，相同截面積下，可減小煙風(fēng)道表面積，降低其重量，節(jié)省材料，近年來備受設(shè)計(jì)方及用戶青睞。

國內(nèi)《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》DL/T5121—2000只給出了管徑φ1020～φ4020范圍內(nèi)橫向加固肋規(guī)格及間距。并沒有給出圓形煙風(fēng)道的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，本文通過有限元計(jì)算方法對本單位自主編寫的圓形煙道計(jì)算方法進(jìn)行校核，選用該計(jì)算方法得到的多組煙風(fēng)道體設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行建模計(jì)算，驗(yàn)證多組煙道的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對該計(jì)算方法可靠性評定，同時(shí)提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議。

2 煙風(fēng)道設(shè)計(jì)概述

煙風(fēng)道設(shè)計(jì)中，根據(jù)工藝要求確定設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度，道體壁厚選擇4～6mm，道體尺寸根據(jù)煙風(fēng)流量、流速及空間位置確定，加固肋間距和型號分正壓和負(fù)壓兩種工況進(jìn)行確定。電廠大截面圓形煙風(fēng)道體的設(shè)計(jì)壓力一般不超過30 kPa，溫度不超過500℃。GB150—2011適用于壓力不大于35 MPa，溫度為-269℃～900℃的圓筒形容器，圓形煙風(fēng)道和圓筒形壓力容器形狀相似，受力相似，溫度壓力等參數(shù)差別不大，可將圓形煙風(fēng)道近似為壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

根據(jù)GB150—2011[2]中150.3內(nèi)壓圓筒最大允許工作壓力：

式中：[pw]為道體最大允許工作壓力(MPa)；δe為道體有效厚度(mm)；[σ]'為設(shè)計(jì)溫度下道體材料許用應(yīng)力(MPa) ；φ為焊縫系數(shù)，Di為道體內(nèi)徑(mm)。

電廠中負(fù)壓工況道體很常見，引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)前等處均為負(fù)壓工況，即使微正壓工況的道體也可能出現(xiàn)局部負(fù)壓。因?yàn)榈荔w本身的重量、保溫重量、風(fēng)荷載、雪荷載、支吊架與管壁接觸處形成的荷載都可歸為負(fù)壓(外)荷載。負(fù)壓道體許用外壓力為：

式中：E為彈性模量；D0為道體外徑(mm)；L為道體計(jì)算長度。

正壓工況時(shí)，當(dāng)組合計(jì)算壓力大于[pw]，負(fù)壓工況時(shí)，當(dāng)組合計(jì)算壓力大于[p]，需要增大壁厚或增加加固肋。增大壁厚會(huì)造成材料浪費(fèi)，道體笨重，增加加固肋即縮小計(jì)算長度L是可行的方法。

為使加固肋起作用，加固肋的間距必須滿足一定要求，即

式中：pc為道體組合計(jì)算壓力。

加固肋的尺寸，必須確保加固肋與道體組合后的截面慣性矩足夠大，即必須要有足夠的剛性和慣性矩。

3 建立模型

煙風(fēng)煤粉管道及其零部件和加固肋材料一般可采用Q235—A.F，Q235—A/B號鋼制作，部分高溫?zé)燂L(fēng)道可采用16Mn低合金鋼板或非金屬材料制作，本文材料選用Q235—A，根據(jù)上述計(jì)算方法，得出一組道體尺寸見表1。

表1 模型尺寸

根據(jù)上述數(shù)據(jù)搭建煙風(fēng)道模型，見圖1。

圖1 煙風(fēng)道模型

模型網(wǎng)格劃分可靈活設(shè)置，對重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域加固肋處及支座附近加密網(wǎng)格，本模擬網(wǎng)格尺寸小到mm級別，從而得出計(jì)算結(jié)果無關(guān)化網(wǎng)格，即再細(xì)化網(wǎng)格對計(jì)算結(jié)果幾乎沒有影響。道體和加固肋連接處、靠近支座的加固肋都是結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，同時(shí)也是應(yīng)力集中點(diǎn)，設(shè)計(jì)不合理可能導(dǎo)致局部失效，ANSYS通過加密危險(xiǎn)區(qū)域的網(wǎng)格，準(zhǔn)確計(jì)算出每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變及安全系數(shù)。圖2為局部有限元模型。

圖2 煙風(fēng)道體有限元模型

4 施加荷載

道體承受的荷載主要有：內(nèi)壓、外壓、結(jié)構(gòu)自重、積灰、地震力、風(fēng)雪荷載，同時(shí)承受運(yùn)行溫度下的熱變形和熱應(yīng)力等。在ANSYS中自重和介質(zhì)壓力都可以直接加載；風(fēng)荷載和雪荷載選用軸承力，該荷載受力面積為與受力方向垂直的模型投影面積；保溫荷載選用壓力荷載,規(guī)定受力方向垂直向下；積灰荷載選用靜力學(xué)壓力,設(shè)定流體密度、流體自由面及慣性加速度方向。在模型的兩個(gè)支座處分別設(shè)置兩個(gè)固定約束作為邊界條件。荷載工況見表2。

表2 施加荷載

5 微正壓道體應(yīng)力應(yīng)變分布分析

當(dāng)?shù)荔w工作壓力為≥0 kPa時(shí)，0 kPa為穩(wěn)定性最危險(xiǎn)工況；選用工況1和表3中的模型尺寸進(jìn)行模擬，得出道體應(yīng)力應(yīng)變分布，見圖3、圖4。

圖3 煙風(fēng)道體應(yīng)力分布云圖

圖4 煙風(fēng)道體應(yīng)變分布云圖

從圖3可以看出加固肋處應(yīng)力相對集中，最大應(yīng)力發(fā)生在支座附近處的加固肋區(qū)域，最大應(yīng)力見表3。

表3 正壓道體最大應(yīng)力

從表3可以看出最大應(yīng)力均不超過材料Q235A在400℃以下的許用應(yīng)力，因此三組道體在微正壓工況安全，但應(yīng)力分布不均勻，需要對應(yīng)力集中處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，本文調(diào)整鞍座包角，模型其他參數(shù)不變，分析鞍座包角對局部最大應(yīng)力的影響，分析發(fā)現(xiàn)增大鞍座包角(≤180°)對降低局部最大應(yīng)力有明顯影響。

去掉其他荷載，逐項(xiàng)分析每項(xiàng)荷載對道體應(yīng)力分布的影響，發(fā)現(xiàn)積灰荷載影響系數(shù)最大，因此可通過優(yōu)化工藝使灰量減少從而使道體結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。

從圖4看出該工況下，道體變形由下往上逐漸變大，但最大變形量不超過10 mm。

6 負(fù)壓道體屈曲分析

煙風(fēng)道截面大、壁板薄，易發(fā)生局部失穩(wěn)，ANSYS中線性(特征值)屈曲計(jì)算可用于分析煙風(fēng)道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。做屈曲分析時(shí)忽略初始缺陷對結(jié)構(gòu)的影響。ANSYS中屈曲分析的原理是給模型結(jié)構(gòu)施加載荷直到結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性，此時(shí)計(jì)算機(jī)會(huì)算出失穩(wěn)載荷和實(shí)際載荷的比值，即載荷因子，其實(shí)質(zhì)為安全系數(shù)，該值必須大于1，否則結(jié)構(gòu)有失穩(wěn)的危險(xiǎn)。

選用表1中的道體尺寸，表2中的工況2進(jìn)行模擬計(jì)算，得出煙風(fēng)道失穩(wěn)云圖見圖5，同時(shí)比較三組模型荷載因子見圖6。

圖5 煙風(fēng)道失穩(wěn)云圖

圖6 負(fù)壓道體荷載因子

從圖5可以看出最大變形量出現(xiàn)在道體頂部，失穩(wěn)嚴(yán)重區(qū)域位于加固肋之間中間部分，因此道體頂部加固肋中間區(qū)域?yàn)槭Х€(wěn)薄弱點(diǎn)，可通過減小加固肋間距降低失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

從圖6可以看出負(fù)壓道體壓力下降，道體直徑增大，荷載因子變小，當(dāng)荷載因子接近1時(shí)，需要采取措施防止道體失穩(wěn)，本模擬中荷載因子均大于1，三組道體均不會(huì)失穩(wěn)。

7 支座包角對支座承受最大荷載影響

選表1中模型1，即道體尺寸為4220×5，加固肋型號，加固肋間距為3000，選表2中的工況3，將模型支座包角分別設(shè)計(jì)為120°和135°進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 支座能承受最大荷載

從表4可以看出，在保證道體局部應(yīng)力不超過許用應(yīng)力的前提下，增大支座包角可以大幅提高支座能承受的最大荷載。

8 結(jié)語

采用ANSYS有限元分析軟件，對國內(nèi)典型電廠百萬機(jī)組煙道進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析和屈曲分析研究，通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知：

(1) 灰荷載對道體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響最大，施加灰荷載時(shí)選用靜力學(xué)壓力,規(guī)定流體密度和流體自由面，優(yōu)化工藝減小積灰對道體結(jié)構(gòu)優(yōu)化非常有效。

(2) 微正壓工況支座附近處的加固肋應(yīng)力最大，增大鞍座包角(不大于180°)可優(yōu)化道體的應(yīng)力分布，同時(shí)可大幅提高支座能承受的最大荷載。

(3) 負(fù)壓道體失穩(wěn)區(qū)域主要集中在道體頂部加固肋之間中部區(qū)域，隨著負(fù)壓降低，道體尺寸增大，荷載因子變小。

[1]DLT 5121—2000，火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S]．

[2]GB150．1～150．4—2011，壓力容器[S]．

[3]DLT 5121—2000，火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程配套設(shè)計(jì)計(jì)算方法[S]．

[4]侯慶偉，祁金勝．基于ANSYS 的大風(fēng)箱結(jié)構(gòu)有限元設(shè)計(jì)分析[J]．鍋爐技術(shù)，2010，(6)．