淺析火力發電廠煙囪的設計

龔節福(四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610016)

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淺析火力發電廠煙囪的設計

龔節福
(四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610016)

摘要：煙囪是火力發電廠中重要的構筑物，對于煙囪設計的技術和經濟指標要求較高。由于環保的要求越來越高，煙囪的高度不斷增加。單筒式鋼筋混凝土煙囪減少使用，套筒和多管式鋼筋混凝土煙囪為目前運用最廣的煙囪型式。本文擬針對套筒和多管式鋼筋混凝土煙囪的設計方法和注意事項作簡要的分析和論述。

關鍵詞：套筒和多管式鋼筋混凝土煙囪；防腐；概念設計；風洞；開孔處理；計算模型簡化。

1　概述

對于套筒和多管式鋼筋混凝土煙囪，煙囪的內筒作用方式通常有自立式、整體懸掛、分段懸掛、分段支承以及綜合形式。自立式鋼內筒受力明確，計算簡單，但其屬于長懸臂壓彎構件，存在穩定計算問題，一般管壁較厚，經濟性較差。整體懸掛和分段懸掛以受拉為主，避免了局部失穩，自重較自立式減小30%～50%左右，經濟指標較好；但是結構體系和荷載傳遞路徑較復雜，同時懸掛(承重)平臺、止晃平臺和膨脹節的設計也較為復雜。分段懸掛或分段支承膨脹節的個數較多，防腐處理較困難，有一定的安全隱患。

2　煙囪防腐

對于套筒和多管式鋼筋混凝土煙囪，內筒的防腐內襯材料可用鈦板內襯、耐酸鋼+防腐涂料、泡沫玻璃磚內襯、泡沫?；u內襯、鎳基合金內襯、玻璃鋼內襯等。其各自的特點如下：

2.1鈦鋼復合板

鈦鋼復合板技術成熟，有專門的國家標準，防腐效果非常好，但焊接工藝較復雜，焊接質量難以保證，且造價高。

2.2耐酸鋼+防腐涂料

鋼內筒一般采用JN S耐硫酸露點防腐蝕鋼板，內涂的防腐涂料包括RHF煙囪專用防腐涂料，聚脲等。JN S鋼內涂RHF煙囪專用防腐涂料具有施工方便、施工質量易于保證的優點，目前在國內運用于設置GGH的工程較多。在濕法脫硫不設置GGH煙囪中出現的問題很多，鋼內筒的腐蝕也比較嚴重。

2.3內襯玻璃磚或內襯泡沫?；u

排煙筒使用Q235B或者JN S耐硫酸露點防腐蝕鋼板作鋼內筒，內部貼泡沫玻璃磚或者泡沫?；u。泡沫玻璃磚是以泡沫硼硅玻璃結合人造橡膠技術制成，在脫硫系統酸冷液環境中具有較強的抗腐蝕性能。泡沫玻化磚是一種集高強度、高效隔熱保溫、耐熱、耐熱沖擊(冷熱交替)、耐酸堿、防水抗滲等多項性能于一體，并具有保溫、防腐、防水功能的新材料。泡沫玻化磚配合專用的防腐底漆及耐酸耐熱彈性密封專用膠，具有較好的耐酸、耐熱、耐老化、耐沖刷和密封性好的特點。

粘結料的防腐、耐久性是整個防腐性能質量的關鍵。粘結料的老化、開裂會影響整個內襯系統的防腐性能。施工時須保證磚縫及膠體的密實。溫度變化易造成防腐層開裂或脫落，須定期檢修養護。

2.4鎳基合金內襯

鎳基合金是國際工業煙囪協會推薦的FGD系統不設GGH情況下的一種煙囪防腐內襯。鎳合金是比鈦板防腐性能更好的材料。但由于造價太高目前國內電廠還沒有采用鎳基合金作為煙囪防腐內襯的先例。

2.5玻璃鋼防腐

玻璃鋼材料綜合了玻璃纖維和合成樹脂的特性，具備質量輕、強度高、耐化學腐蝕性強的優點。尤其適合采用濕法脫硫且不加設GGH的煙囪。歐美運用廣泛，國內正在推廣使用，必將成為煙囪防腐的主流方式。

3　混凝土外筒設計及注意事項

3.1概念設計

(1)首先要判斷鋼筋混凝土外筒剛度是否合理。鋼筋混凝土外筒建模計算時，一般初算后查看其第一振型周期T'1。再根據《建筑結構荷載規范》GB50009 - 2012(以下簡稱《荷載規范》)附錄F的煙囪基本自振周期經驗公式手動計算T1。如果T'1和T1相差太大，說明剛度不合理，需要通過調整煙囪的坡度和壁厚來進行修正。根據經驗，對于一般的混凝土煙囪，200 m左右高的煙囪T'1一般控制在2.5～4 s，150 m左右高的煙囪T'1一般控制在1.5～2.5 s。當然決定因素還有煙囪的筒首直徑和坡度以及壁厚。根據，增加質量顯然不經濟且不現實，只有改變剛度K，最有效的方式就是改變半徑(回轉半徑)，通過改變坡度得以實現。

(2)根據工程經驗0.45、0.55、0.70左右的基本風壓分別和7度、7度半、8度設防烈度大致對等，即該情況下順風產生的最大彎矩和地震產生的最大彎矩大致相當。如果可不考慮橫向風振影響時，該情況下地震和風都可能起控制作用，如果風壓較之減少較大則地震控制，如果地震烈度較之減小則風荷載控制。當然只是概念設計時粗略判斷，影響因素甚多，需要具體計算為準。如果橫向風振影響不能忽略時，通常在對應的情況下風荷載起控制作用。

(3)對于鋼筋混凝土外筒，根據工程經驗，其含鋼量為：筒壁約100～150 kg/m3；基礎約60～100 kg/m3。

3.2有關風荷載計算

(1)《荷載規范》第8.5.6條順風和橫風組合時，順風的組合值系數為0.6，而《煙囪設計規范》GB50051 - 2013(以下簡稱《煙囪規范》) 第5.2.6條順風和橫風組合時，順風的組合值系數為1.0。兩者差別較大，設計時應按照《煙囪規范》計算。

(2)根據筆者所在單位總包的印度某已投運的4×135 MW電廠煙囪的風洞試驗數據可得到以下結論和建議：

① 《煙囪規范》規定整個高度的體型系數相同；但根據實驗數據，其體型系數從0.2～1.3不等，離散性較大。煙囪外形比較規則，體型系數應該和曲率具備相關性。另外，主廠房建筑對煙囪形成的紊流也對體型系數有所影響?！稛焽枰幏丁芬幎▽τ诠饣砻鏌焽梵w型系數取0.6，根據對比計算，較美國規范《鋼筋混凝土煙囪設計和構造》(ACI307 - 98)和印度規范《鋼筋混凝土煙囪設計標準》(I S 4998(Part1):1992)的計算結果明顯偏小。建議《煙囪規范》修訂時重新考慮體型系數的取值問題。

② 根據風洞試驗反推風力相互干擾系數約為1.2，同時根據美國規范計算的該系數也約為1.2。國內僅有《荷載規范》第8.3.2條說明可通過相關的風洞試驗資料或風洞試驗來確定。建議《煙囪規范》修訂時考慮風力相互干擾系數的問題，并根據相關的試驗資料或國際規范提出取值方法，便于設計人員操作的可行性。

(3)在設計的多個煙囪中，相當部分煙囪在考慮橫風效應影響的最大彎矩可達到僅考慮順風效應影響的最大彎矩的3倍以上，最大橫風向共振響應等效風荷載可達到順風向風荷載標準值的3倍以上。通過試算，在其它條件不變的情況下，在某個周期點為風荷載綜合效應的最大峰值點。如果計算結果最大風彎矩遠大于地震作用彎矩，而第一振型周期接又近于風荷載綜合效應最大峰值對應的周期，可考慮適當增加剛度，減小周期。

3.3平臺鋼梁和筒壁的連接

內筒平臺和外筒連接節點設計問題較多。外筒和平臺連接方式最好采用滑動支座，減少外筒受力，同時可避免混凝土和鋼梁連接時過多的螺栓。平臺鋼梁和混凝土筒壁的連接可采用暗榫、開孔、開孔加牛腿、牛腿、預埋鋼板等形式。其中開孔施工較麻煩，鋼梁吊裝也不易；附加牛腿增加了附加彎矩；預埋鋼板對焊接要求很高，施工難度較大。注意鋼梁連接處的筒壁開孔需要用幾何作圖驗證吊裝鋼梁的可行性，一般可水平旋轉或上下旋轉，開孔的高度從預埋螺栓頂部開始測量，能夠旋轉鋼梁。

3.4筒壁開孔處理

筒壁開孔對結構局部的影響較大。一般情況下，筒壁開孔除了用《火力發電廠土建結構設計技術規程》(DL 5022 - 2012)附錄G的規定進行計算以外，通常還用有限元軟件建模計算進行驗證。比如用通用有限元軟件 staadPro進行建模計算時，可以對煙道孔及以下部分采用板單元模擬，煙道孔以上部分采用桿單元模擬。桿單元和板單元的過渡可采用主從節點的方式。對于采用桿單元部分的模型，如果有其它的孔洞，可以對孔洞段的材料和截面進行代換，滿足孔洞折減的要求；截面慣性矩I的折減系數賦予給彈性模量E，保證實際的EI總值不變。建模時假定I值不變，而通過改變E為E'來解決因開孔而產生的剛度變化問題，即：

式中：E'為混凝土等效彈性模量；E為混凝土彈性模量；I為毛截面慣性矩；I'為扣除開孔面積的凈截面慣性矩。

建模時可按板單元把煙囪基礎一并建在一個模型中，這樣可以驗證根部開孔(人孔或安裝孔)對基礎的影響。開孔附近有應力突變，應特別注意該處的反向彎矩。

4　內筒平臺的簡化方法

4.1分段支承或分段懸掛平臺的計算模型簡化

一般情況下可通過通用有限元軟件分別對各層平臺建模計算。由于支承平臺或懸掛平臺與制晃平臺之間僅有膨脹節分隔，從經濟性考慮，可以把制晃平臺懸掛在支承平臺上或支承在懸掛平臺上。支承平臺或懸掛平臺與制晃平臺整體建模計算。手動計算水平力，然后施加在模型構件上。下面以重慶黔江某熱電機組的分段支承式多管煙囪為例，簡述平臺水平力計算方法，過程如下：

(1)周期T1取煙囪外筒第一振型周期T1=2.5 s；

(2)時程函數項中的振幅計算(振幅即振動加速度的幅值)：

式中：a為加速度幅值；ω為角速度，ω=2π/T1；x水平位移值，取外筒僅在風荷載作用下計算點的位移，本工程x=30 m。

(3)運用牛頓第二定律可求出制晃點的水平力(見圖1)。

圖1　制晃點水平力計算模型示例

m為鋼內筒質量。以175.5 m制晃計算為例，單根內筒(47 m長)荷重為500 kN，在175.5 m支座處荷重為：

175.5m處水平力為：

平臺布置由3根成120°角的主梁加次梁組成，設計時考慮上述水平力由2點承受，每個點水平力為：23.3 kN。當然要考慮該水平力可能沿任何方向，所以計算時要根據梁系布置考慮不同的典型的受力方向。同理，計算出139.15 m等支承平臺處的水平力后，施加于懸掛在支承平臺上的制晃平臺上。

4.2整體懸掛平臺的計算模型簡化

對于整體懸掛式煙囪平臺水平力的計算，可把內筒簡化為一連續梁，懸掛平臺和制晃平臺處為鉸支座。通過輸入水平位移得到的支座反力即為各平臺的水平力。水平位移為對應高度的外筒位移。簡化模型見圖2。

5　考慮施工的設計建議

根據多個項目的施工現場反饋信息，考慮施工情況的設計建議如下：

(1)屋面落水管不用通長設置，可以考慮直接在屋面下方3 m左右的位置，在煙囪外筒壁上預留2～3根排水鋼管。后期與屋面落水管連接從頂部排出屋面積水即可。

圖2　整體懸掛內筒計算模型

(2)煙囪屋面的防水和保溫設計標準沒有必要達到常規建筑屋面設計標準，保溫可不考慮，防水設計可盡量簡單且易于施工。

(3)煙囪內筒與各層鋼平臺鋼梁之間的間隙富裕度一定要充足，給施工誤差預留一定的空間。

(4)施工的提模標準模板一般由原來的1.25 m調整為現階段的1.50 m。煙囪外筒頂部航空色標的高度盡量按照1.5 m的模數設計，這樣也便于在施工外筒提模的同時就完成色標的涂刷。

(5)內部爬梯的踏步板和中間休息平臺板為了使人上爬時減少恐懼感，盡量不采用鏤空的格柵踏步板和平臺板，最好用花紋鋼板。

參考文獻：

[1]陳顯鈞，李龍華，龔節福．某電廠雙管鋼筋混凝土煙囪風洞實驗結果與規范之比較[J]．電力勘測設計，2009，(4)．

[2]GB50051-2013，煙囪設計規范[S]．

[3]GB50009-2012，建筑結構荷載規范[S]．

[4]IS：875(PART 3)-1987，Code for Practice for Design Loads(other than Earthquake)for Buildings and structures[S]．

[5]IS ：4998 (Part 1)-1992，Criteria for Design of Reinforced Concrete Chimneys:Part 1 Assessment of Loads[S]．

[6]ACI 307-98，Design and Construction of Reinforced Concrete Chimneys(ACI 307-98)Reported by ACI Committee 307[S]．

Chimney Design for Fossil-fired Power Plants

GONG Jie-fu
(Sichuan Electric Power Design & Consulting Co., Ltd., Chengdu 610016, China)

Abstract:The chimney is an important structure in fossil-fired power plant; the technical and economic indicators of the chimney design are higher. As the environmental protection requirements are getting higher, the height of the chimney continues to increase. Single tube reinforced concrete chimney reduces application ,and the tube-in-tube and multi-flue reinforced concrete chimney is currently the most widely used chimney type. In this paper, a brief analysis and discussion on the design methods and precautions of the tube-in-tube and multi-flue reinforced concrete chimney is made.

Key words:tube-in-tube and multi-flue reinforced concrete chimney,preservation,conceptual design,wind tunnel,opening handling,calculation model simplification.

中圖分類號：TM621

文獻標志碼：B

文章編號：1671-9913(2016)01-0049-04

* 收稿日期：2015-09-15

作者簡介：龔節福(1983- )，男，工程師，主要從事火力發電結構設計工作。