大型脫硫塔結構文丘里頂梁部分有限元分析

陳庭芳

1 引言

按全球的煤炭消費和生產量排序，我國是世界上將煤炭為我們的主要能源的少數幾個國家之一。由于國家環保的強制性要求，我國從20世紀90年代開始對火力發電廠產生的廢氣中所含的SO2、等相關有害氣體的排放量就加進行了嚴格控制，規定必須進行煙氣脫硫。脫硫塔是我國火力發電廠進行脫硫的主要設備，對于保護及改善環境、使SO2排放量符合我國環保的有關標準規定、確保廣大群眾的身體健康都有重要的意義，它作為一種有效的脫硫設備，正發揮著越來越重要的作用[1]。

脫硫塔結構多為特種結構中的大型薄壁殼體鋼結構，脫硫塔內部有各種管道、支撐梁，塔體開設管道孔洞、煙氣進出口，殼體壁板通過型鋼進行加強，該體系結構的形式復雜且多樣。對于脫硫塔結構的設計計算，截至目前，沒有一部完整系統且適用的規范可循，專業人員在進行分析計算時，由于缺乏必要的理論分析和指導，多依據工程經驗。并且建立模型過程中，通常采用把結構分成各部分建立模型的方式進行計算，選取的荷載較保守，使模型的分析結果有時不能完全符合實際，從而計算出的各構件截面尺寸具有較大的保守性和盲目性，從而造成了材料的很大浪費。但是進行整體分析費時費力，所以結構能否采用局部建模，成為一個比較關注的問題，一旦該結構在整體與局部建模中的分析結果變化不大，就可以采用局部建模，減少工作量。因此，對脫硫塔殼體結構進行深入細致的研究分析，為專業人員提供學可靠的設計理論依據，具有非常重要的工程和實際意義[2]。本文僅對脫硫塔結構的文丘里部分進行局部與整體分析比較，文丘里頂梁結構位于文丘里的頂部，在環梁的下部，位于標高20.2m處。

2 文丘里結構模型建立

2.1 有限元分析軟件

MIDAS/Gen-建筑結構通用有限元分析和設計軟件，由世界最大的結構軟件開發商之一的MIDASIT集團開發。該軟件適用于各種結構，如鋼筋混凝土結構、鋼結構、組合結構等建筑，尤其是各類特種結構（筒體、壩體、塔體結構等）。本文采用MIDAS中的空間梁單元模擬各種加勁肋。該軟件的梁單元主要用于分析各種梁結構單元，其特點是每個節點都具有6個自由度：即3個轉動自由度，3個位移自由度[3]。

2.2 模型基本情況

文丘里頂蓋承受文丘里結構內部的積灰荷載，結構的自重及下部結構重（1000kN）。積灰荷載考慮最不利情況，即積滿文丘里10m高，約為10000kN，合計為11000kN荷載。經過計算等效為線荷載，142.8kN/m，施加在梁頂端。文丘里的約束情況為內筒壁對結構有Z向的約束，筒體不能沿環向轉動。文丘里頂梁采用Q345鋼，梁全部選普工40a。建立模型，約束邊界，施加荷載，如圖1所示。

3 文丘里計算結果分析

3.1 文丘里頂梁應力圖（見圖2）

3.2 頂梁應力與位移比較（見圖3）

3.3 積灰荷載作用下文丘里構件內力比較（見表1）

圖1 文丘里頂梁荷載圖（kN/m）

圖2 文丘里頂梁應力圖（MPa）

圖3 文丘里頂梁應力和位移比較圖

表1 積灰荷載作用下文丘里構件內力比較表

進行比較后發現，二者在位移和應力方面的差距較大，最大位移和最大應力發生在內環梁上，且數值較大，這是正常情況。因為該模型是簡化了原結構，原結構內環梁是由文丘里的筒壁互相約束的，而此時只有外環梁有約束，因此，實際的位移和應力應該比該結果要小些。為保證設計時選取截面材料較符合實際，建議采用整體建模方法。為避免位移過大，應當在選擇梁截面時考慮加大，或者做其它支撐結構，避免應力集中。

4 結語

本文介紹了組成脫硫塔結構的重要構件文丘里的組成形式，構件材料，以及在脫硫塔結構中的位置，通過文丘里進行詳細的建模分析，了解文丘里環梁部分在結構中的受力情況、位移變形情況等，通過結果分析發現結構的薄弱部位，以便今后在設計時需要加強及重點關注，現總結如下：

（1）文丘里頂梁在整體建模中，是處在最下面位置的結構，該結構是將文丘里中的積灰荷載傳給支撐環梁，或者說它承受積灰荷載，環梁再承受它上面的荷載。

（2）在分析比較后發現，該結構由于單獨建模時，不考慮文丘里的約束與承載能力，使得結果要比整體下的大很多，建議相關設計建模盡量采用整體建模，考慮協同作用，達到仿真的效果。

（3）由于該結構承受的是豎向荷載，但是中間部分的環梁沒有上部結構的支撐，所以在荷載作用下，位移和應力較大，可通過加大該部分梁的截面或者加適當支撐結構等措施改善結構情況。