鍋爐煙風管道設計優化探析

王方明 王毅 張茂

摘 要：針對工程中多臺鍋爐共用的匯集煙道占地面積大，材料用量多，造價高的問題，優化比選煙道道體及加固肋內撐桿布置方案，進行經濟性分析。

關鍵詞：煙道壁厚；加固肋；內撐桿；積灰載荷；優化設計

中圖分類號：TH43 文獻標志碼：A

0 引言

在火力發電廠鍋爐煙風道設計是以《六道技規》做為指導規范，進行壁厚選取到荷載計算直至確定加固肋和內撐桿的規格。規范中推薦在1000t/h鍋爐及以下時采用圓形管道，在實際工程中是600MW及以上的大型火力發電廠考慮圓形煙氣管道的居多，1000t/h鍋爐及以下時采用的大部分是矩形管道。其原因是圓形煙風道制作簡單，在大型機組煙道考慮防爆壓力時，圓形管道更容易實現，并在空氣動力相同時，圓形煙道在金屬及保溫材料耗量上均小于矩形煙道。以2×600MW機組為例，使用圓形煙風道機組比方形煙風道節省鋼材量725t。

在小型火力發電廠鍋爐系統中，尤其是煤氣發電系統中，由于煙風道要求低，鋼材重量在總投資中占比較少，很少引起重視，絕大部分是以矩形管道進行設計。在東南亞的一些工程中，因為當地的混凝土價格高，所以多臺發電機組鍋爐的匯集煙道采用鋼制的居多，鍋爐總蒸發量達到或超過1000t/h鍋爐級以上，如果按照《六道技規》的標準計算方法，計算后的肋板重量比甚至超過1.5。另外，如果是脫硫后的煙氣管道或燃氣鍋爐煙氣管道，積灰高度按照附錄F取用也并不合理。計算出的結果，會產生加固肋用鋼型號過大，間距過小，有實際優化的需要。針對以上大型截面煙風道優化，可以從3個方面考慮：管道壁厚與加固肋內撐桿的綜合比較、優化設置內撐桿和優化積灰荷載。

1 壁厚優化

從壁厚的角度考慮，以增加管道壁厚來增加道體剛度和加固肋間距。由《配套計算方法》T3.1-4的加固肋間距計算公式可知，剛度條件和強度條件的加固肋的間距與道體厚度成正比，在振動條件下加固肋間距與道體厚度的0.5次方成正比，所以道體壁厚增加會使得剛度值增加；另外，在增加壁厚的同時可以提高加固肋的最小斷面系數和斷面慣性矩，因此，可以合理地選擇道體壁厚可以有效降低加固肋規格。以某工程10.52m×7.7m煙道為例，以0.006m道體厚度和0.008m道體厚度對比強度校核計算：

Smax=55δ（[σ]t/∑q）0.5+50

剛度校核計算：

Smax=84δ（E/∑q）1/3+50

振動校核計算：

Smax=116δ0.5E0.25+50

式中：

δ——道體厚度mm；

q——面板設計荷載kPa；

E——彈性模量GPa。

計算可知各壁厚對應的加固肋見表1。

2 內撐桿優化

內撐桿與加固肋配合可以進一步有效地降低加固肋規格，做為減少加固肋跨度的有效手段，但內撐桿的設置會增加煙風道阻力，所以設置內撐桿時既要降低煙風道鋼材耗量，也要考慮道體阻力導致的風機電耗量。

由于圓形內撐桿容易導致渦流產生，需要對內撐桿進行進一步優化處理。在內撐桿選擇上，如根據流場分析選用菱形或翼型內撐桿時，內撐桿對應加固肋布置，煙風在流經此內撐桿時不會產生渦流，由此也可以減少振動降低噪聲，同時也會降低道體內部流動阻力，降低能源消耗。保持內撐桿數量與圓形內撐桿數量相同時，阻力可以降低40%。

在優化阻力后，通過設置內撐桿的形式，可進一步減少加固肋跨距，降低加固肋截面，以10.52m×7.7m煙道道體為例，在內部通過設置橫向鉸接內撐桿，不需要如同十字內撐桿一樣對每根內撐桿都進行連接，對降低內撐桿的數量有明顯的作用。

按常規十字內撐桿配合加固筋時本管件重量6.92t，按照橫向鉸接布置后，本管件重量為5.77t，降低了18.3%鋼材用量。

3 積灰荷載優化

在煙道計算中荷載是其中的一個重要因素，主要由內壓力、自重、保溫、積灰、雪載、風載構成，計算方法采用《六道技規》中的方法，其中積灰荷載屬于可優化荷載，針對于附錄F的積灰荷載計算方法僅適合于燃煤鍋爐，并且隨著超低排放的實施，對脫硫塔前高效除塵器的要求日趨嚴格，煙氣高效除塵器后的含塵量已達到保證值20mg/Nm3，超低排放達到5 mg/Nm3。對于煤氣鍋爐出口煙氣含塵量極低基本處于5 mg/Nm3。根據20臺不同鋼廠實際使用10年以上的煤氣鍋爐的運行情況來看，煙道最不利點積灰高度不足煙道高度的1/20；對10臺實際運行使用5年的高效除塵器后燃煤鍋爐煙道進行檢查，最不利點積灰高度不足煙道高度的1/10。

綜上所述，在煙道積灰荷載計算中，煤氣鍋爐煙道積灰高度按照1/20截面高度計算，燃煤鍋爐除塵器后的按照1/10截面高度計算是安全的。進而通過降低積灰荷載可以減小加固肋的截面尺寸。同樣以工程中10.52m×7.7m脫硫前煙道為例，以1/6高度積灰荷載計算，積灰重量12.667kPa，根據強度條件：

Z=M/[σ]t

初選加固肋Z

對于現今采用超低排放標準的燃煤機組，在出口20mg/Nm3高效除塵器后的熱原煙道在計算積灰荷載時，可以按照積灰高度等于煙道1/10來考慮，在冷凈煙道或熱凈煙道上按照1/20高度計算灰荷載。

結語

綜上所述，在進行大截面的煙風道計算時，通過道體壁厚優化、內撐桿優化、積灰荷載優化后來計算道體的內撐桿和加固肋，在保證了同樣安全的情況下，可以有效地降低道體鋼材用量，進而節約安裝及土建成本。

參考文獻

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