有限元分析軟件在濕法脫硫技改項目上的應用

王銳

（湖南宏福環(huán)保股份有限公司，長沙 410205）

引言

有限元分析法是利用數學近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬，其將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件（如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段，在工程領域得到了越來越廣泛的應用。

目前應用較多的有限元分析軟件包括ANSYS、MARC、STAAD等，其中ANSYS在工程結構力學上運用最為廣泛。ANSYS有限元分析軟件是集結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件，具有多物理場耦合功能，允許在同一模型上進行多種的耦合計算。

針對火電廠濕法煙氣脫硫技改工程的項目特點，ANSYS有限元分析軟件對吸收塔臨時煙囪的模擬分析主要運用地震載荷、風載荷、雪載荷和吸收塔實際運行載荷進行載荷工況組合計算，在保留原吸收塔主體結構的前提下，通過加強和修改吸收塔部分結構，以保證吸收塔及其臨時煙囪的安全結構性能，同時盡量減少結構修改對吸收塔性能的負面影響。

華能長春熱電廠新建工程（2×350MW）煙氣脫硫系統(tǒng)工程，由于取消設置煙氣加熱設備（簡稱GGH）后，電廠的主煙囪和煙道需進行防腐改造施工，因此需在吸收塔上增設臨時煙囪來保證防腐改造施工期間電廠機組的正常運行；即電廠鍋爐煙氣經煙氣脫硫系統(tǒng)（簡稱FGD）進行脫硫處理后，凈煙氣經吸收塔頂部設置的臨時煙囪排入大氣，從而滿足環(huán)保要求。在保留原吸收塔主體結構不變的情況下，其頂部需進行改造和重新防腐處理，支撐臨時煙囪的斜向拉桿生根于出口煙道和吸收塔，凈煙氣壁上，吸收塔出口煙道和塔壁局部需增設加強筋，以滿足結構強度要求。

通過ANSYS有限元分析軟件將臨時煙囪和吸收塔結合成整體以建立數學模型，對其重力荷載、風載荷、雪載荷和地震載荷等多種載荷進行工況組合，從位移、應力、剪切等多方面對其進行模擬分析，對臨時煙囪及吸收塔的本體和支撐鋼結構按照相關鋼結構技術標準規(guī)范要求進行強度校核，從而保證臨時煙囪及吸收塔的結構穩(wěn)定性，同時達到優(yōu)化設計的目的。

1 臨時煙囪設計及吸收塔改造原則

設計考慮到該吸收塔為核心反應設備且屬大型構件建筑物，臨時煙囪的設置和拆除應不影響脫硫吸收塔的塔體結構安全，同時基于經濟成本和施工難度及工期考慮，當吸收塔的整體強度或穩(wěn)定性不足時，應采用局部增設加強筋的方法；臨時煙囪的設置應滿足場地實際情況和工藝系統(tǒng)布置及功能需要；臨時煙囪作為臨時過渡措施，要考慮對廠區(qū)周圍環(huán)境的影響；并需考慮臨時煙囪的使用壽命到期后的拆除方便及出口的封堵措施，盡可能減少對主機運行的影響。

2 臨時煙囪設計及吸收塔改造方案

2.1 脫硫吸收塔及臨時煙囪相關數據（見表1）

表1 FGD工藝設計參數

華能長春電廠位于長春市郊，屬波狀平原地帶，按照《建筑抗震設計規(guī)范》[1]，建筑場地類別為Ⅱ類；廠址場地地震動反應譜特征周期為0.35s；地震動峰值加速度為0.05g，對應地震基本烈度按6度考慮。

2.2 臨時煙囪設計方案

2.2.1 方案一

采用鋼筋斜拉索固定臨時煙囪，即將臨時煙囪分三段采用法蘭形式進行安裝，每段分別用4根鋼筋斜拉索進行固定，鋼筋斜拉索根據實際脫硫場地布置生根于地面或吸收塔周邊建筑物上。

優(yōu)點：可減少臨時煙囪對吸收塔結構的水平載荷影響；便于臨時煙囪和鋼筋斜拉索的拆卸，如要拆除臨時煙囪時，該部分拉索鋼結構可回收利用。

缺點：需對脫硫場地的布置進行多方面綜合考慮，將影響吸收塔及其周邊建筑物的土建結構。

2.2.2 方案二

在吸收塔頂部設置12根斜向拉桿以支撐臨時煙囪，其生根于吸收塔出口煙道和塔壁周邊處，使臨時煙囪所產生的動、靜荷載由加固的周邊塔壁承受；臨時煙囪分三段采用法蘭型式進行安裝。

優(yōu)點：只對吸收塔本體結構及其地基產生影響；減少了對脫硫場地布置的影響；便于臨時煙囪的安裝及拆卸。

缺點：由于吸收塔的載荷增加，吸收塔出口煙道及除霧器以上需局部增設加強筋，除霧器以上部分需重新做防腐處理；影響原吸收塔的土建結構，原吸收塔地基需進行加固處理；不便于斜向拉桿的拆卸，如要拆除臨時煙囪時，該部分鋼結構只可部分回收利用。

2.2.3 方案三

在距離吸收塔四周2.5～3m位置設置一個鋼支架框架，該鋼支架框架生根于吸收塔附近的地面上，將臨時煙囪分三段分別用鋼支架框架直接支撐。

優(yōu)點：可減少臨時煙囪對吸收塔結構的影響，不需考慮臨時煙囪的垂直荷載和水平荷載均由鋼支架框架承受；只對脫硫場地的布置產生局部影響，便于安裝和拆卸。

缺點：需要重新考慮吸收塔的土建支撐結構型式，對局部脫硫場地布置的多方面綜合考慮要求較高，將直接影響吸收塔及其周邊部分建筑物的土建結構。

綜合考慮現場實際情況及施工難度和工期問題，采用方案二較為合適，改造后的吸收塔外形見圖示。

臨時煙囪的脫硫吸收塔外形圖

2.3 臨時煙囪設計中需考慮的載荷及工況

2.3.1 結合ANSYS有限元分析軟件，吸收塔設計中需要考慮以下8種獨立的載荷

（1）溫差載荷：由于吸收塔本體一般設置了保溫層，塔內溫差變化不大，因此在設計中可不予考慮。

（2）塔內石灰石漿液的靜壓：即吸收塔實際運行過程中，塔內下部漿液池中石灰石漿液產生的靜壓載荷。

（3）塔內石灰石漿液表面上部的煙氣壓力：1）塔內石灰石漿液表面上部煙氣正壓：在實際運行過程中，塔內石灰石漿液表面上部的煙氣壓力為≤+4000Pa，計算載荷時按+4000Pa考慮；由于臨時煙囪頂端與大氣相連，即其壓力與大氣壓相同，所以臨時煙囪段不施加內壓。2）塔內石灰石漿液表面上部煙氣負壓：當吸收塔處于事故工況時，塔內石灰石漿液表面上部煙氣壓力為0～-2000Pa，計算載荷時按-2000Pa考慮；由于臨時煙囪頂端與大氣相連，即其壓力與大氣壓相同，所以臨時煙囪段不施加內壓。

（4）吸收塔鋼結構及其內構件的重力載荷：即吸收塔停運時的空塔重量。

（5）雪載荷：根據當地基本雪壓值計算出來的雪載荷[2]；其作用于吸收塔出入口煙道上表面及吸收塔錐頂，由于臨時煙囪頂端與大氣相連，所以臨時煙囪段不予計算。

（6）風載荷：根據當地基本風壓值計算出來的風載荷[2]；由于吸收塔在煙氣出、入口側面方向迎風面積較大，因此該方向施加的風載荷將使模型受到的風彎矩最大，而風彎矩在塔殼中引起的應力也最大，比較危險，所以煙氣出、入口的側面方向為迎風面計算即可。

（7）地震載荷：綜合參考《鋼制焊接常壓容器》和《鋼制塔式容器》的規(guī)定，需考慮水平地震力、垂直地震力和地震液晃載荷，水平地震力的作用方向與迎風面一致；由于吸收塔的高徑比較小，因此高階振型對吸收塔的影響可不予考慮。

2.3.2 吸收塔內壁主應力

在圓筒形塔壁中，理論上存在3個主應力，分別是周向應力、軸向應力和徑向應力；對于脫硫吸收塔這種低壓塔而言，其徑向應力很小，完全可以忽略不計；因此塔壁中的應力狀態(tài)可簡化為只受周向應力和軸向應力的兩向應力狀態(tài)，該兩向應力包括以下幾項：1）由內壓或外壓產生的塔壁軸向拉/壓應力；2）由結構自重、雪載荷、風載荷等產生的塔壁受應力；3）由最大彎矩（包括水平風力和地震力、偏心力）產生的塔壁軸向拉/壓應力；4）由垂直地震力產生的塔壁軸向拉/壓應力；5）由內壓或外壓產生的塔壁周向拉/壓應力。

2.3.3 綜合考慮吸收塔的實際運行情況，有限元分析共需校核以下3種組合工況的強度和穩(wěn)定性

（1）操作工況A：載荷（1）+（2）+（3-a）+（4）+（5）+（6）

（2）操作工況B：載荷（1）+（2）+（3-b）+（4）+（5）+0.25×（6）+（7）

（3）事故工況：載荷（1）+（2）+（3-b）+（4）+（5）+（6）

組合工況（1）和組合工況（2）中包括內壓，組合工況（3）中包括外壓，相對更容易發(fā)生失穩(wěn)，可見如果組合工況（3）的穩(wěn)定性復合要求，則組合工況（1）（2）的穩(wěn)定性也將符合要求，因此只需對組合工況（3）進行校核即可。

2.4 臨時煙囪的安全校核判據

一般而言，設備的安全判據有三類：強度判據、穩(wěn)定性判據和剛度判據。

2.4.1 強度判據

根據《鋼制焊接常壓容器》規(guī)定，吸收塔運行時的強度判據為：σ≤[σ]t

式中，σ為結構中的等效應力，[σ]t為材料在設計溫度下的許用應力。

2.4.2 穩(wěn)定性判據

設備的穩(wěn)定性安全判據是設備各處的最大薄膜軸向壓縮應力σt≤[σ]tc。

2.4.3 剛度判據

按一般低壓塔式容器進行強度校核即可。

吸收塔結構材料機械性能數據見表2。

表2 吸收塔結構材料機械性能數據

3 結論

（1）根據以往的工程經驗，吸收塔頂部錐段結構較為單薄，且附帶有開孔面積較大的煙氣出口，屬大應力區(qū)，增設臨時煙囪后容易發(fā)生失穩(wěn)；而吸收塔頂部錐段的底部是臨時煙囪斜向拉桿的生根處，容易出現局部應力過大的現象，因此需對這些部位采用加強筋進行局部增強。

（2）加固后的吸收塔頂部錐段應力和位移計算分析結果，其最大應力值為22.6MPa，最大位移值6mm，均滿足鋼結構的強度和穩(wěn)定性要求。

（3）由于增設臨時煙囪的脫硫吸收塔結構較為復雜，已超過了常規(guī)設計計算范圍；采用ANSYS有限元分析軟件可將多種載荷工況設置成多個載荷步，然后按實際運行情況進行最危險工況的組合，從而計算分析得出整個吸收塔結構的薄弱區(qū)域；通過應力強度評定，判斷吸收塔設備的強度是否滿足設計要求，并進行結構優(yōu)化處理。