淺談基于吸收塔的中美標準抗震設計對比

鄭浣琪，沈海濤，陳軼倫，王德智，張明濤

（1.浙江浙能邁領環境科技有限公司，浙江 杭州 311202；2.臺州職業技術學院，浙江 臺州 318000）

1 前言

自2011年我國修訂“大氣污染防治法”和“火電廠大氣污染物排放標準”（GB13223-2011）以來，不管是對于新建機組還是現役機組，都面對著實現煙氣污染物限值排放的壓力。在此基礎上，部分地區如天津、山東等地分別于2018、2019年進一步提高了地方排放限值，環保壓力日趨增大。石灰石-石膏濕法脫硫工藝是現今國內火電廠煙氣脫硫裝置的主流工藝。目前全國已建設脫硫設施的煤電機組約有6.8億千瓦，其中采用濕法脫硫裝置占燃煤機組比例超過92%。為實現煙氣的超低排放，吸收塔作為整個濕法脫硫裝置的核心設備，直接影響到整個脫硫裝置甚至整個工程的安全、穩定、優質運行。其設計質量十分重要，而吸收塔的強度設計作為整個吸收塔設計核心之一，其重要性不言而喻。

2 吸收塔結構荷載簡介

濕法脫硫吸收塔直徑較大，直徑厚度比D/t一般可到1000，屬于大型薄壁容器。吸收塔操作壓力為3000Pa左右，在系統安裝GGH的前提下，運行溫度一般在40～50℃，內壓及溫度載荷對塔體影響較小。

吸收塔結構較為復雜，大致可分為5個部分：

（1）底部漿池部分。該部分為吸收塔殼體厚度最大的區域，風載、地震載荷作用效果最明顯；因吸收塔的壁厚通常逐段減薄，該部分的厚度設計通常確定了整個塔的殼體厚度分布。（2）入口部分。吸收塔入口為一個大開口區域，開口削弱非常嚴重，需要通過設置必要的縱向以及環向加固肋，校核其強度及穩定性。（3）噴淋層部分。該部分為二氧化硫的反應區，設有多層的噴淋層及其支撐結構，塔壁受力較大，需要設置環向加固肋。（4）除霧器部分。脫除煙氣中的霧滴，設有多層的除霧器及其支撐結構。（5）出口部分。也是大開口區域，需要通過設置必要的縱向以及環向加固肋保證其強度及穩定性?？梢?，吸收的設計難點在于其自身結構載荷在風載、地震載荷作用下的強度及穩定性校核，而其中，地震載荷更是起著很重要的作用，尤其是在地震烈度較大的地區。

3 國內外設計標準

3.1 國內設計標準

吸收塔的結構型式最接近立式油罐，因此，國內主要參考標準為GB50341-2014《立式圓筒鋼制焊接油罐設計規范》，以及NB/T47041-2014《塔式容器》、NB/T47001-2009《鋼制焊接常壓容器》等。設防烈度取基本烈度，即50年內，一般場地條件下，可能遭遇的概率為10%的地震烈度值，相當于475年一遇的烈度值。設防目標是儲罐遭受地震影響時，損壞但經維修仍可繼續使用，類似“中震可修”的概念。

3.2 美國設計標準

美國的吸收塔抗震設計，主要是參考API650《鋼制焊接油罐》，如美國知名脫硫公司巴威。如美國知名脫硫公司巴威。API650關于抗震的計算部分，自2007版后有了很大的改版?，F行標準API650-2020納入了美國模型建構條例和ASCE7《美國建筑荷載規范》中使用的地震烈度的新定義?？紤]美國東西部地區地震危險性存在顯著差異，為使各地區抗震風險概率一致，采用地區50年內超過2%的概率，即時隔2475年復發一次的基本地震烈度作為設防烈度，設防目標為儲罐不倒塌。

4 抗震設計對比

4.1 國內標準計算

抗震計算目前有四種理論：靜力理論、動力理論、反應譜理論和時間歷程響應。目前，世界各國大多數抗震規范都采用反應譜理論。該理論將結構物視為一個彈性體，地震時結構物的反應大小不僅與其自振特性(周期、振型和阻尼)有關，且與場地土的類別有關。需求出地震期間的最大反應值作為載荷加在結構上進行計算。地震影響系數最大值按表1的多遇地震進行選取，如有必要，可按國家規定權限批準的設計地震動參數進行地震載荷計算。

表1 地震影響系數最大值

地震影響系數的曲線如圖1所示。

圖1 地震影響系數曲線

阻尼比應實測確定，無實測數據時，對塔式容器，一階振型阻尼比可取ζ=0.01～0.03。取阻尼比為0.03。根據GB50341-2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐》，油罐的罐液耦聯振動基本周期可按下式計算：

大量工程計算結果顯示，吸收塔本體的基本自振周期T1均在0.1～0.25s，吸收塔與漿液耦合振動的基本自振周期Tc均在0.1～0.15s。場地土特征周期根據標準GB50191-2012《構筑物抗震設計規范》選取，其最小值為0.25s，均大于T1與Tc。因此，地震影響系數α1=1.156αmax。

罐壁底部水平地震剪力應按下列公式計算：

引入Y1是考慮罐壁慣性力的影響，罐壁質量約為罐內儲液質量的1%～5%，平均為2.5%。試驗結果表明，罐壁頂部的反應加速度通常為地面加速度的8～10倍，使罐體慣性力可達到動液壓力的10%左右，因此，取Y1為1.10。

然而，對于吸收塔來說，只有底部漿液區才有漿液，入口上還有托盤、噴淋層、除霧器等附件及其支撐系統，吸收塔本體的碳鋼質量更大于其底部漿液的質量。因此，吸收塔抗震計算時，本體的慣性力不能通過系數來計算，需要將本體慣性力與漿液慣性力分開計算。

漿液部分慣性力為：

本體部分不需考慮動液系數，慣性力為：

總的慣性力為

漿液部分的地震彎矩：Mo=0.45QoHw

本體部分的地震彎矩：Mw=QtHt

總的地震彎矩：Me=Mo+Mw

4.2 美國標準計算

API650-2020《鋼制焊接油罐》的設計方法也是基于反應譜理論，并考慮了兩種儲罐的響應模式及其要求（脈沖和對流）。API650-2003版使用脈沖力和對流力直接求和的方法，該方法偏于保守。通常來說，脈沖和對流響應周期是截然分開的，脈沖周期比對流周期要短得多。且對流響應的建立可能比脈沖響應需要更長時間，脈沖部分很可能是逐漸衰減的，對流部分逐漸達到其峰值。因此，脈沖和對流響應組合時，可取單獨部分和的平方的平方根值。新版API650-2020采用的就是該方法。

API650中油罐的罐液耦聯振動基本周期可按下式計算：

Ks為晃動周期系數，可用下式計算，

脈沖設計反應譜加速度系數

對流頻譜加速度參數

TL為長周期過渡周期，通常大于耦合周期Tc(0.1～0.15s)，因此，采用第一個公式計算即可。

標準改變過去地震分區賦予相應地震系數的劃分方法，采用地震動參數描述地震強度大小。各區域最大設防地震強度可根據美國地質調查局（USGS）編制的短周期加速峰值Ss區劃圖和1s周期加速度峰值S1區劃圖獲得。在ASCE7定義的地區，通常采用Map方法，確定兩個阻尼參數進而得到脈沖反應譜加速度參數和對流反應譜加速度參數。在ASCE7未定義的地區，確定地面峰值加速度參數Sp后，脈沖反應譜加速度參數Ss和對流反應譜加速度參數S1分別為Sp的2.5倍和1.25倍。

API650同時考慮脈沖質量和晃動質量的影響。

當D/Hw≥1.333時，有效脈沖重量為

當D/Hw<1.333時，有效脈沖重量為

有效對流質量為

等效橫向抗震設計作用力

基礎抗震剪力為

當D/H≥1.333時，脈沖部分質心高度為

當D/H<1.333時，脈沖部分質心高度為

對流部分質心高度為

對于儲罐來說，其脈沖液體的質心與本體的質心可視為相同，但對于只有底部才有漿液的吸收塔來說，其質心必然不同，因此，計算彎矩時，需要將本體質量與脈沖液體質量分開。引入吸收塔質心高度Ht，則總的彎矩：

4.3 算例對比

以某3個電廠煙氣脫硫項目為例，進行計算對比，設計參數如表2所示。

表2

第一組參數的計算過程如下：

（1）國標計算：根據設計條件，動液系數Fr=0.763，按設防地震（50年，10%機率），地震影響系數最大值αmax=0.12。按上述方法進行計算，不同取值計算結果見表3。

（2）美標計算：將設計條件換算至美標中加速度值，脈沖反應譜加速度Ss=0.55g,對流反應譜加速度S1=0.11g,查表得Fa=1.1,Fv=1.5。按50年發生機率2%進行設計。按上述方法進行計算，計算結果見表3。結果表明，同樣采用50年發生概率2%進行設計時，國標與美標的設計計算結果大致接近，總慣性力偏差為18%，總彎矩偏差為19%。而按國標基本要求，即50年發生概率10%，抗震計算結果遠小于按API650基本要求（50年，2%）的計算結果。

表3 國標與美標的地震力計算結果

5 結語

濕法脫硫吸收塔的抗震設計，本文根據中美標準簡化后的不同計算方法，可有效應用于實際工程。

同時，通過實例計算的結果對比，國標在50年-10%發生概率下的計算值，與美標在50年-2%發生概率下的計算值接近，偏差在7%以內。說明因地形、地震分區等的差異，兩國標準采用了不同的地震發生機率，但實際計算結果接近。因此，實際進行吸收塔抗震設計時，應根據使用地的標準進行設計，切勿盲目生搬硬套，國內可采用國標簡化計算方法，國外可采用或借鑒美標簡化計算方法。

符號說明：αmax為水平地震影響系數最大值；Tg為場地土的特征周期；η1為調整系數；η2為阻尼調整系數；γ為衰減系數；Ti為自振周期；R為油罐內半徑，Hw為設計液位高度(m)；δ1/3為罐壁距底板1/3高度處的計算厚度(m)；Kc為耦聯振動周期系數，根據D/Hw查標準中表D.3.5；C2為綜合影響系數，取0.4；α1為地震影響系數；Y1為罐體影響系數，取1.10；m為產生地震作用的儲液等效質量(kg)；m1為油罐儲液總質量(kg)；Fr為動液系數，根據D/Hw查標準中表D.3.7；SDS為5%阻尼，T=0.2s的反應譜響應加速度參數(%g)；Rwt為脈沖模式許用應力設計方法的力換算系數，對于機械錨固式，取2.0；I為重要性系數，對于儲罐取1.0。SD1為5%阻尼，T=1s的反應譜響應加速度參數(%g)；Rwc為對流模式許用應力設計方法的力換算系數，對于機械錨固式，取4.0；K為調整阻尼反應譜加速系數，5%～0.5%為1.5，除非另有規定；Fa、Fv為場地系數，可根據API650-2020表E.1與E.2查得。Wp為儲罐內液體總質量；We為儲罐本體總重量。