脫硫鍋爐鋼結構優(yōu)化分析

脫硫鍋爐鋼結構優(yōu)化分析

0wfgd煙道設計及審查應用目前，許多硫合機行業(yè)都采用了濕脫機（wfgd）壁厚、加固肋骨（加固筋）的設計方法，無論是300w還是600w，大多數(shù)都采用了6mm厚的煙霧脫軌香煙通道。對于內(nèi)壁制成的香煙，其強度完全取決于外壁上的加固肋。其加固肋隨煙道截面增加而數(shù)量增多、肋/板質(zhì)量比高,使得耗費大量鋼材。作者在做WFGD煙道設計及審查相關設計圖紙過程中,對煙道壁厚及其加固肋的優(yōu)化作了研究。對較多的應用數(shù)據(jù)和大量的試算數(shù)據(jù)進行了處理,經(jīng)過全面的優(yōu)化比較,得到有一定指導意義的結論,取得了一些階段性成果。希望引起脫硫工藝設計及造價估算同行們對煙道壁厚及其加固肋設計改進等方面研究的重視。1典型煙道結構材料的性能與缺陷按照脫硫招標書技術附件中的普遍要求:煙道鋼板壁厚度最小為6mm,外部要充分加固和支撐,以防止煙道整體振動(易抖落防腐鱗片襯里)。所有需防腐保護的煙道僅采用外部加強筋,不允許有內(nèi)部加強筋或支撐。煙道外部加強筋應統(tǒng)一間隔排列。加強筋使用統(tǒng)一的規(guī)格尺寸或盡量減少加強筋的規(guī)格尺寸,以便使敷設在加強筋上的保溫層易于安裝。目前脫硫煙道壁厚及加固肋設計方法采用的標準是《火電廠煙風煤粉管道設計技術規(guī)程》,具體根據(jù)“T3-煙風道加固肋及內(nèi)撐桿選擇”來計算。300MW和600MWFGD的煙道鋼板壁厚,均采用最小壁厚6mm。為滿足煙道強度、剛度和振動的整體要求,按典型煙道標準計算方法中提供的型鋼種類及其規(guī)格來設計加固肋,存在加固肋數(shù)量多、高度高、肋/板重量比高等問題,特別在大的濕煙道設計中尤為突出(對于600MWFGD,煙道截面達10×6m2),肋的重量竟是板重的150%以上。由此造成的問題主要有:(1)肋的型號規(guī)格過大,一般不超過I40a,肋高達400mm。需要消耗大量鋼材,但煙道體剛度并沒有得到顯著增加。(2)由于外壁加固肋的高度過高,遠遠超過所需保溫層的厚度。按照相關規(guī)定,此時需重新計算保溫厚度,并采用“留置空氣層的保溫結構”,由此使用了大量的保溫主材和輔材。在大多設計中,保溫材料清冊中還未計及由此產(chǎn)生相關材料的消耗,也未進行保溫厚度的重新計算。這些增加費用最終會追加到安裝耗材上去,上述問題必然導致煙道占用空間的大量增加。(3)整個FGD工程的鋼材消耗指標惡化,使煙道造價遠大于原投標估算值。據(jù)了解日本在FGD工程中的凈煙氣煙道的壁厚普遍采用8~10mm,揚州發(fā)電廠采用進口日本的濕法FGD系統(tǒng)運行兩年來,其內(nèi)襯玻璃鱗片完好如初;廣東臺山電廠FGD煙道從外觀看,其加固肋高度很小,雖然煙道壁厚為6mm,但采用了不銹鋼的內(nèi)撐桿。此外,從國外的一些資料圖片得到的信息,其加固肋的密度和大小,均小于我國目前WFGD煙道的設計狀況。因此對煙道壁厚及加固肋的型式進行分析、優(yōu)化和改進,對節(jié)約鋼材和節(jié)省管道空間有切實意義。2加固肋間距和剛度的計算公式(1)根據(jù)“火力發(fā)電廠煙風煤粉管道設計技術規(guī)程-配套設計計算方法”表T3.1-11-01加固肋中心間距S(面板)計算公式1)強度條件Smax=55δ[σ]tΣq+50(1)2)剛度條件Smax=82δEΣq3+50(2)3)振動條件Smax=116δ?E4+50(3)荷載q以及材料和使用溫度一定時,上式可以分別簡寫為Smax=f(δ)和Smax=f(δ0.5)(4)式中,Smax為加固肋最大中心間距,mm;[σ]t為許用應力,MPa;E為彈性模量,GPa;Σq為計算面板上的組合實際荷載,kPa;δ為面板厚度,mm。由上述公式可知:加固肋間距和板厚或板厚的0.5次方成正比,剛接加固肋決定了各面都有相同的S值,由此振動條件最終決定S的取值。雖然S值降低,但煙道使用較厚鋼板時,其強度和剛度的儲備得以增加,尤其可提高煙道的剛度。剛度的大幅提高,有宜于對凈煙道的防腐處理。(2)又根據(jù)表T3.1-11-02,加固肋跨度L(mm)的計算公式1)強度條件(固接-固支)。Lmax=3464?Ζ[σ]t(βq0+Σqdl)S+50(5)2)剛度條件(剛接-固支)。Lmax=1566?EΙΣqS3+50(6)在荷載、材料和使用溫度決定后,上式可以分別簡寫為Lmax=f(Z0.5)和Lmax=f(I1/3)(7)3)振動條件(剛接-固支)。Lmax=542?EΙG4+50(8)在荷載、材料和使用溫度決定后,上式簡寫為Lmax=f[(1/G)0.25](9)式中,β為與所計算面板相鄰的面板上加固肋的剛度影響系數(shù);q0為內(nèi)壓荷載即介質(zhì)實際壓力,kPa;Z為截面系數(shù),cm3;I為斷面慣性矩,cm4;G為單位長度理論質(zhì)量,kg/m。Z、I、G參數(shù)均為加固肋組合截面系數(shù),根據(jù)選用的加固肋型鋼號和規(guī)格查表得出。3型鋼加固肋結構的選擇以上分析可知,在材料不變的前提下,增加板厚的同時也提高了加固肋的Z和I值,同時合理選擇型鋼結構來降低G值,達到降低金屬耗量、提高管道體剛度,從而優(yōu)化加固肋結構的目的。遵循以上原理,對剛接加固肋計算程序進行必要擴充和修改,之后對不同煙道尺寸,壁厚及其加固肋型鋼結構進行計算和分析。3.1干、濕煙道高度按煙道壁厚6mm和8mm兩種規(guī)格,計算壓力均為4kPa,積灰高度均為道體高度的1/6,干灰容重為900kg/m3,濕灰容重為1500kg/m3,基本風壓為0.5kPa,基本雪壓為0.3kPa。不同壁厚的干、濕煙道高度與加固肋間距的關系曲線見圖1?？煽闯?在煙道道體高度6m時,干灰煙道壁厚6mm時加固肋間距S為1m,而壁厚8mm時為1.25m。3.2內(nèi)壓鋼t型鋼和矩形箱型鋼尺寸的影響型鋼必須有高的I值,同時質(zhì)量G要小。對可能使用的型鋼,如槽鋼、工字鋼、H型鋼、矩形箱型鋼,以及T型鋼等均進行了試算和對比。結果發(fā)現(xiàn),T型鋼在I增加的同時,G值增加的速度更快,且Z值下降幅度巨大;矩形箱型鋼的I值隨尺寸增大時的增幅較小。因此,決定舍棄T型鋼和矩形箱型鋼。結果還表明,H型鋼是較好的選擇。同時H型鋼的品種、系列及其規(guī)格比較豐富,制作方法也較多,軋制、工廠或現(xiàn)場焊制均可。為了達到優(yōu)化的目的,H型鋼要盡量選擇腹壁和翼緣厚度均較小的規(guī)格,大致在6~10mm的范圍。不同壁厚、加固肋型式的干煙道體重量的關系曲線見圖2。圖3、圖4分別為干、濕煙道不同壁厚時的“肋/板”質(zhì)量位置比。4優(yōu)化加固肋結構的方案建議(1)增加壁厚可以顯著提高煙道道體剛度。(2)增加壁厚可以加大并加固肋間距S,幅度大于25%。(3)增加壁厚的同時,采用H型鋼加固肋,其總重量和標準計算型鋼比較,金屬耗量從增加到降低的拐點大概出現(xiàn)在道體高度為6m處。因此,道體尺寸越大,采用H型鋼加固肋節(jié)約鋼材越多,最多約為17%,見圖2。(4)壁厚提高到8mm后,肋/板質(zhì)量比大幅下降(最大超過50%),提高鋼材使用的合理性,同時型鋼高度也略有降低。(5)由于目前掌握的H型鋼規(guī)格仍然不夠多,因此各項參數(shù)的間隔仍然較大,優(yōu)化的幅度受到較大局限。建議在完善H型鋼結構計算并提出系列之后,和大中型鋼結構公司,特別是提供脫硫煙道所需的不同規(guī)格焊接H型鋼的鋼鐵企業(yè),以保證鋼材使用的合理性,確保工程的質(zhì)量和進度。(6)由于受振動條件和頻率控制的限制,在不設內(nèi)撐桿條件下,要大幅度降低金屬耗量是困難的,或者是不可能的。大尺寸煙道截面加固肋的選型均受其限制,此時加固肋的尺寸巨大。在煙道高度9~10m時,可達I40a甚至H450。因此建議,凡可以使用內(nèi)撐桿的場合,當加固肋高度超過250mm時應盡量采用內(nèi)撐桿。對于目前不建議使用內(nèi)撐桿的凈煙氣煙道,應盡快開展內(nèi)撐桿及其材料、結構和防腐等方面的研究,達到大幅度降低金屬耗量,提高道體整體剛度的目的。舉例來說,道體高度為8m,不設內(nèi)撐桿時可選用的型鋼為I36a,加一根內(nèi)撐桿后就可以降低到[10(10號槽鋼),每圈加固肋即可節(jié)約金屬約600~700kg(取決于內(nèi)撐桿型式和材料,由此節(jié)約的保溫、防腐、土建結構材料及其制作安裝費用等均未計算在內(nèi))。全部工程節(jié)約的鋼材及其費用極為可觀。(7)由于STADD程序是結構計算程序,用來計算煙道加固肋結構尚有一些問題有待解決。作為進一步的優(yōu)化加固肋結構,將