大型火电厂烟道结构设计运用CAE技术的研究.pdf

第 2 卷 第 4 期 2004 年 12月 南京工 程学院学 报 自然科 学版 Journal of Nanjing Institute of TechnologyNatural Science Edition Vol. 2, No. 4 Dec. , 2004 文章编号 1672- 25582004 04- 0056- 07 大型火电厂烟道结构设计 运用 CAE 技术的研究 收稿日期 2004- 09- 09 作者简介 李明惠 1960- , 女, 学士, 副教授, 主要从事建筑结构的研究. E- maillmh jit. edu. cn 李明惠1 沈 涛2 1. 金陵科技学院, 江苏 南京, 210001; 2. 江苏省电力设计院, 江苏 南京, 210024 摘 要 大型火电厂烟道结构设计中如何使其既节省材料又满足使用要求一直是设计人员关注的问题, 本文对大 型火电厂烟道结构设计中应用 CAE 计算机辅助工程分析 技术, 从而实现精准设计进行了研究, 并介绍了该技术 在扬州电厂 200MW 机组烟气脱硫装置烟道设计中的运用. 关键词 大型火电厂; 烟道结构设计; 烟气脱硫; 精准设计; CAE; 有限元法 中图分类号 TM621 TB115文献标识码 A The Application of CAE Technology in Flue Structure Design of Large Thermal Power Plants LI Minghui1SHEN Tao2 1. Jinling Institute of Technology, Nanjing 210001, China; 2. Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 210024, China Abstract One concern of the flue structure designers in large thermal power plants is how to make the structure both e conomical in material and practical in use. The paper proposes to apply CAE technology in flue structure design of large thermal power plants in order to achieve precise design. Taking the 200MW generating sets of Yangzhou Power Plant as an example, it also gives an introduction to the application of the technology in the flue structure design of the sets flue gas desulfurization device. Key words large thermal power plant; flue structure design; flue gas desulfurization; precise design; CAE; finite ele ment 1 引言 随着火电厂锅炉的日益大型化, 作为其烟气的排放通道烟道的容量也要求越来越大、 形式越来 越复杂. 因为烟气的排量大, 因此要求烟道的内部容量大; 另外烟道的形式复杂多样, 有圆形、 矩形、 单个 连通型、 多个连通型等; 再者, 由于烟道里的积灰荷载大, 导致烟道产生一定的挠度; 或由于烟道的内外压 差较大, 也容易引起烟道的变形; 特别是对于锅炉烟气脱硫装置烟道还由于烟气中有害物质多, 易对烟道 内壁产生腐蚀, 故常采用玻璃磷片树脂做内衬, 但此种材料脆性大, 不允许烟道有过量变形, 否则它极易 开裂脱落[ 1]. 目前烟道的结构材料大多采用钢结构, 如何确定烟道的壁厚, 既节省材料, 减轻自重, 又使烟 道不产生较大的挠度是本文研究的目的. 本文对大型火电厂烟道结构设计中应用了 CAE 计算机辅助工 程分析 技术, 实现了精准设计, 并介绍了该技术在扬州电厂 200MW 机组烟气脱硫装置烟道设计中的运 用. 2 复杂烟道结构采用 CAE 设计[ 2] 计算机辅助工程分析 CAE 采用合并有限元法及数值分析法. 有限元原理的推演及理论发展已非常 完善, 已经成为研究、 设计人员不可缺少的工具之一, 它能降低研究、 设计成本, 缩短设计时间[ 3]. 采用有 限元软件对烟气脱硫工程中大型超大型烟道结构的形式、 安全性进行分析, 可以及早发现设计缺陷提高 安全性; 优化结构设计提高经济性; 我们根据扬州工况, 采用通用有限元分析软件 ANSYS 针对数个典型 的烟道结构问题进行了研究. 扬州电厂烟气系统采用将 5 机组燃煤烟气送进脱硫系统脱硫, 然后进入烟囱与 4 号机组烟气混 合, 再由电厂 210m 高的烟囱排入大气[ 4, 5]. 本文以脱硫装置烟气管道[ 6]结构中较为典型的 2. 0m 2. 0m 断面的烟道结构进行有限元计算分 析[7]. 2. 1 单元的选择 选择正确的单元类型是有限元分析的重要步骤, 直接关系到有限元模型是否能够真实地反映实际结 构及受力状态. 脱硫工程中的烟道为薄壁钢结构, 设有环向型钢加固肋约束, 且内部对应加固肋设有内撑杆, 烟道壁 钢板厚度根据工艺变形要求确定, 本文中为 4mm. 对不同构件应选用正确的单元进行模拟. 2. 1. 1 烟道壁单元选择 烟道壁承受的荷载主要为自重和内壁压力, 其受力较为复杂, 同时承受弯矩、 剪力、 轴力的复合作用, 通常应采用壳单元进行模拟. 壳单元具有以下特点 1 单元具有 X , Y , Z 方向的位移和转动能力, 每结点有 6 个自由度; 2 单元有传递弯矩、 剪力、 轴力的能力; 3 可以考虑大变形和应力强化因素. 2. 1. 2 加固肋单元的选择 由于加固肋与烟道壁为焊接, 因此它们共同承担内壁传来的荷载及自重, 其承受荷载类型为弯矩、 轴 力、 剪力; 通常应采用梁单元进行模拟. 梁单元具有以下特点 1 单元具有 X, Y, Z 方向的位移和转动能力, 每结点有 6 个自由度, 与壳单元相连, 需保证两者的 有效连接; 57 第 2 卷第 4 期 李明惠等 大型火电厂烟道结构设计运用 CAE技术的研究 2 单元有传递弯矩、 剪力、 轴力的能力; 3 单元包含截面信息, 用户可根据实际结构的不同形式定义相应的截面形式. 2. 1. 3 内撑杆单元的选择 内撑杆仅受轴力作用, 因此应采用杆单元进行模拟, 见表 1. 杆单元具有以下特点 1 单元具有 X, Y, Z 方向的位移, 每结点有 3 个自由度; 2 单元仅能传递轴力. 表 1 分析中采用单元列表 单元类型单元自由度个数对应实际构件单元最小尺寸 梁 1886型钢 槽钢, 角钢等0. 01/m 壳 636薄钢板0. 0001/ m2 杆 43内支撑0. 01/m 2. 2 单元的连接方式确定 2. 2. 1 不同类型单元连接的处理 在结构分析中, 必然会遇到单元与单元之间的连接问题, 本次分析中的基本连接为壳单元与梁单元 的连接. 在连接不同单元时, 各单元对应节点应具有相同自由度以保证单元间协调. 例如, 它们必须有相同数 目和类型的位移自由度及相同数目和类型的旋转自由度. 尽管每个三维梁单元与三维壳单元都有六个自由度, 可是, 壳单元的自由度是与平面内旋转刚度相 联系的, 这是一个虚构的刚度, 因此对三维梁单元仅有一个节点与三维壳单元相连, 导致梁单元的旋转自 由度与壳单元的自由度对应是不协调的, 分析中应避免此方式连接出现. 2. 2. 2 关于梁单元的必要分析 梁是分析软件中较高级的梁单元, 它适合分析梁结构, 并能考虑剪切变形, 因此常应用于梁在受弯、 受剪状态下的静力分析. 梁是三维线性单元, 其每个节点上有六个自由度, 即 X, Y, Z 方向的平移和转动. 用户可为其定义任 何横截面, 并考虑弹塑性效应. 当只采用梁单元进行结构分析时, 通常只需为线实体定义截面和方向关键点后即可划分网格; 而当 分析中出现梁单元与壳单元连接时, 就不得不考虑如何确定连接点处于梁横截面的位置, 不同的连接位 置将使组合结构截面产生不同的惯性矩, 从而得到不同的承载力计算值. 根据实际工程, 近似选取连接点 在焊缝的形心轴上 见图 1 . 2. 2. 3 边界条件 为更加直接地反映出烟道结构应力应变的变化规律, 本文中所涉及的有限元模型均设计成简支于地 面的形式, 以保证模型在不同工况下自由变形. 58 南京工程学院学报自然科学版 2004 年 12 月 图 1 型钢与钢板连接点示意图 2. 3 典型烟道部件的分析 2. 3. 1 一般烟道结构分析 有限元模型图见图 2 和图 3. 模型中每个模拟加固肋的梁单元的两个节点均与模拟烟道壁的壳单元 一边的两个节点相连接, 边界协调. 图 2 烟道壁有限元模型 图 3 钢板等效内力图 烟道结构有限元分析结果显示, 烟道板面中心线上挠度较大, 而烟道截面边角处应力明显集中. 尽管 结构各部分应力均小于钢材强度设计值, 但仍应根据结构形式特点布置内撑杆, 以减小过大变形和应力 集中对结构的不利影响. 2. 3. 2 烟道三通结构分析 有限元模型见图 4. 从烟道壁钢板等效应力图 见图 5 可知, 整个部件的应力分布较均匀, 且应力值 低于钢材的强度设计值; 但图示浅色区域表示部件的应力集中位置, 且应力值大于钢材的强度设计值, 在 设计时应予以加强, 建议将喇叭口加大至烟道边缘. 本分析结果体现计算机有限元分析的优越性, 即在保证精度的前提下, 不仅避免了重复而繁重的计 算过程, 而且强大的后处理功能能够较全面地展示计算分析的结果, 从而发现通常设计中不易察觉的漏 59 第 2 卷第 4 期 李明惠等 大型火电厂烟道结构设计运用 CAE技术的研究 图 4 烟道壁有限元模型 图 5 烟道壁钢板等效应力图 洞, 并在以后的设计中予以避免. 2. 4 内支撑杆形式分析 本文对三种不同形式的烟道内支撑杆进行分析 见图 6 , 以获取内支撑杆对烟道壁及加固肋应力影 响的具体信息, 为采用最合理的内支撑杆形式提供依据. 图 6 内撑杆形式图 对配置不同形式内支撑杆的烟道在内压力同为 4kPa 且未考虑自重情况下进行有限元分析, 结果列 于表 2. 从分析结果可知, 设置内撑杆对结构的有利影响十分明显, 结构应力大幅下降; 对比设置不同形式 内撑杆的烟道各项应力值, 当采用形式三的内支撑杆时, 烟道壁钢板等效应力值和加固肋外缘应力值均 最小, 且材料使用量接近于形式一, 小于形式二, 因此形式三是比较合理的内支撑杆形式. 表 2 有限元分析应力表 内支撑杆 形式 钢板 最大等效应力 / N/ m2 中间段钢板 最大等效应力 /N/m2 加固肋 最大弯曲应力 / N/ m2 中间段加固肋 最大弯曲应力 /N/m2 形式一3. 86E 073. 26E 071. 55E 088. 37E 06 形式二3. 87E 073. 26E 071. 53E 081. 01E 07 形式三3. 64E 073. 24E 071. 08E 074. 50E 06 未配置6. 71E 076. 65E 075. 29E 075. 26E 07 注 烟道的中间段应力分布基本相同, 但烟道的入风口附近应力分布较烟道中间段略有差别, 故表中同时 列出了烟道构件的最大应力值和烟道中间段的应力值. 2. 5 烟道内压力影响分析 烟道内的气体压力是烟道结构所承受的主要荷载之一, 实际工程中可能产生一定幅度的变化, 因此 有必要分析烟道内压力变化对结构产生的影响, 考察烟道对内压力的承受能力. 60 南京工程学院学报自然科学版 2004 年 12 月 从表 3 及图 7、 图 8 中可见, 结构应力与内压力呈线形相关; 在烟道设计压力 4 kPa 附近压力值的波 动不会对烟道的安全性产生明显影响. 表 3 不同内压作用下烟道应力表 内壁 压力 / N 钢板 最大等效应力 / N/ m2 中间段钢板 最大等效应力 /N/m2 加固肋 最大弯曲应力 / N/ m2 中间段加固肋 最大弯曲应力 /N/m2 20001. 93E 071. 63E 077. 73E 065. 23E 06 40003. 86E 073. 26E 071. 55E 071. 05E 07 80007. 73E 076. 52E 073. 09E 072. 09E 07 100009. 66E 078. 15E 073. 87E 072. 61E 07 200001. 93E 081. 63E 087. 73E 075. 23E 07 300002. 90E 082. 45E 081. 16E 087. 84E 07 400003. 86E 083. 26E 081. 55E 081. 05E 08 600005. 80E 084. 89E 082. 32E 081. 57E 09 图 7 钢板等效应力与内压力的关系 图 8 加固肋弯曲应力与内压力的关系 2. 6 自重对结构应力的影响 烟道结构自重是其承受主要荷载之一, 当自重与内壁压力共同作用时可能产生不利影响, 以下对水 平布置及垂直布置的一段烟道进行了有限元分析对比. 结果表明, 烟道横向布置时, 其自重对结构承载力 有不利影响, 主要体现于对加固肋弯曲应力的影响, 但其不利影响值仅为钢材设计强度的 3 ; 当烟道竖 61 第 2 卷第 4 期 李明惠等 大型火电厂烟道结构设计运用 CAE技术的研究 向布置时, 其自重对结构各部分应力几乎没有影响, 设计时可不作考虑, 详见表 4. 表 4 考虑自重影响的应力对比表 内支撑杆 形式 钢板 最大等效应力 /N/m2 单位长度内钢板 最大等效应力 / N/ m2 影响 程度 / 加固肋 最大弯曲应力 / N/ m2 单位长度内加固肋 最大弯曲应力 / N/ m2 影响 程度 / 未考虑自重3. 86E 073. 26E 07-1. 55E 071. 05E 07- 考虑自重 14. 19E 073. 63E 07约 102. 52E 071. 84E 07约 70 考虑自重 23. 82E 073. 26E 07 11. 62E 081. 02E 07 5 注 自重 1 为烟道水平搁置, 自重 2 为烟道垂直搁置. 2. 7 烟道壁内外温差对结构的影响 由于烟道内外存在较大温差, 因此有必要对烟道的热应力的分布和影响程度进行分析. 通过分析可 知, 烟道壁内外温差的确会产生一定程度的应力集中, 但应力集中程度较低, 且应力值较小, 仅为钢材设 计强度的 13. 7 , 只要实际工程中做好保温工作, 降低温差, 可减少热应力对结构的不利影响. 3 结论 采用计算机有限元分析软件对扬州电厂烟气脱硫工程中烟道进行了综合分析, 获得以下结论 1 采用有限元法对烟道结构进行分析时, 需正确选择单元, 本文认为应分别采用壳 SHELL 单元、 梁 BEAM 单元、 杆 LINK 单元模拟烟道钢板、 加固肋、 内撑杆; 2 烟道三通构件存在应力集中现象, 对应力集中部位应予以加强, 或调整接口过度形式; 3 设置内撑杆可大幅度降低烟道结构各项应力, 有十分明显的有利影响, 建议在实际工程中采用; 4 烟道内压力值在设计压力附近的波动对烟道的安全性影响不明显; 5 烟道竖向布置时产生的应力较水平布置时小得多, 设计时可忽略; 6 热应力对结构会造成一定程度的不利影响, 在实际工程中应做好保温工作, 降低温差. 参考文献 [ 1] 杨扬. 关于烟气脱硫工程设计的思考[ J] . 电力环境保护, 2000, 16 2 40- 45. 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