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燃煤电厂玻璃钢内筒套筒式烟囱设计 第六图书馆 为达到环保要求和节省成本,燃煤电厂常采用湿法脱硫不上GGH工艺.文章基于作者设计的国内首座大型玻璃钢内筒套筒式 烟囱180/Φ6.6 m,从结构总体布置、计算模型简化与计算、FRP内筒结构设计、铺层与材料设计、试验验证、连接构 造等方面系统的阐述了玻璃钢烟囱的设计方法,并对需要注意的问题进行了重点说明.可供有关工程技术人员参考.为达到 环保要求和节省成本,燃煤电厂常采用湿法脱硫不上GGH工艺.文章基于作者设计的国内首座大型玻璃钢内筒套筒式烟囱 180/Φ6.6 m,从结构总体布置、计算模型简化与计算、FRP内筒结构设计、铺层与材料设计、试验验证、连接构造等 方面系统的阐述了玻璃钢烟囱的设计方法,并对需要注意的问题进行了重点说明.可供有关工程技术人员参考.燃煤发电厂 湿烟囱 玻璃钢 防腐 结构设计武汉大学学报工学版杨小兵 田树桐 马申 张大厚北京国电华北电力工程有 限公司 中冶集团建筑研究总院 北京2007第六图书馆 第六图书馆 第40卷 增刊 2007年10月 武汉大学学报工学版 Engineering Jo urnal of Wuhan University Vol. 40 Sup. Oct. 2007 作者简介 杨小兵82,男,工程师,主要从事电力土建结构设计工作 文章编号1671288442007S120451204 燃 煤 电 厂 玻 璃 钢 内 筒 套 筒 式 烟 囱 设 计 杨小兵1,田树桐1,马 申1,张大厚2 1.北京国电华北电力工程有限公司,北京 100011 ; 2.中冶集团建筑研究总院,北京 100088 摘要为达到环保要求和节省成本,燃煤电厂常采用湿法脱硫不上GGH工艺.文章基于作者设计的国内首座 大型玻璃钢内筒套筒式烟囱180/Φ6. 6 m ,从结构总体布置、 计算模型简化与计算、FRP内筒结构设计、 铺层与 材料设计、 试验验证、 连接构造等方面系统的阐述了玻璃钢烟囱的设计方法,并对需要注意的问题进行了重点说 明.可供有关工程技术人员参考. 关键词燃煤发电厂;湿烟囱;玻璃钢;防腐;结构设计 中图分类号TU 233 文献标志码A Design of chimney with FRP Liners in coal2fired power plant YANG Xiaobing 1 , TIAN Shuto ng 1 , MA Sheng 1 , ZHANG Dahou 2 1. North China Power Engineering Beijing Co. Ltd. , BeiJing 100011 , China ; 2. Central Research Institute of Building and Construction , MCC , Beijing 100088 , China Abstract In order to protect environment and save cost , The wet desulfurization without GGH Process is always adopted in coal2fired power plant. Based on the first large chimney with FRP Liners 180/Φ 6. 6 m designed by the authors , the design of the fiberglass reinforced plasticsFRP chimney is systematically elaborated from the general structure layout , simplification and calculation of the mathe2 matical model , design of FRP liners , the design of ply and materials , test verification , connection con2 struction etc. Also , the p roblems needing attention are explained in detail . The design met ho d can be used for reference. Key words coal2fired power plant ; wet chimney ; FRP; structure design 当前普遍采用的湿法脱硫不加装烟气加热系 统工艺,使排入烟囱的烟气温度在50℃ 左右,湿烟 气在烟囱内结露形成冷凝酸液,对烟囱的腐蚀性大 大加强,给烟囱结构型式和内衬材料防腐性能提出 了更高要求.笔者在华能某电厂二期机组脱硫改造 工程中,进行了180/Φ6.6 m整体缠绕式玻璃钢内 筒套筒式烟囱的设计尝试. 1 烟囱结构总体布置 玻璃钢Fiberglass Reinforced Plastic ,玻璃纤 维增强塑料,缩写为FRP是由增强材料玻璃纤维 和基体树脂组成的复合材料,其特点是轻质、 纤维 方向强度高、 刚度小.玻璃钢的密度介于1 500～ 2 000 kg/ m 3 ,为普通碳钢的1/ 4～1/ 5 ,比普通混 凝土略低.玻璃钢的弹模较低,为3～30 GPa ,是一 般结构钢的1/ 100～1/ 10.包括玻璃钢在内的各种 复合材料被广泛用于结构加固、 组合结构、 大跨和 空间结构中 [ 1 ] . 玻璃钢内筒一般分节在现场缠绕加工,缠绕时 在环向或螺旋方向采用缠绕纱,轴向采用单向布增 强,安装时再将各节手糊连接,节点处轴向抗拉强 度往往难以保证,因此,结构布置时应尽量避免玻 璃钢内筒轴向承受较大的拉力.考虑到以上特点, 较高的玻璃钢内筒不宜采用整体自立式和整体悬 197. 第六图书馆 第六图书馆 武汉大学学报工学版2007 挂式.在本文实例工程中,玻璃钢内筒全高约160 m ,顶标高180. 00 m ,分4段支承于内外筒的钢结 构平台,底部不落地,各段高度依次为15、50、50和 45 m.各段每25m设1层止晃平台,各段之间设膨 胀节.烟囱结构布置见图1. 图1 烟囱布置图 玻璃钢内筒设计 目前,国内已有成熟的玻璃钢材料试验标准, 一些定型产品如压力容器、 水箱、 撑杆等也有相应 的技术标准,在结构设计方面,可以参考化工行业 的标准 玻璃钢化工设备设计规定HG/ T 206962 1999 [ 2] ,具体到燃煤电厂烟囱,则可以参考美国试 验与材料学会的标准ASTM D 5364293 [3 ] 或其他 国外标准. 2. 1 荷载导算及内筒结构计算 内筒恒载包括玻璃钢筒体、 外表面保温及加强 圈等附属构件,换算到玻璃钢筒体,其等效容重可 按23 kN/ m 3 考虑.除结构自重外,还应根据运行 条件,适当考虑内筒内表面积灰荷载.积灰荷载可 按整个内表面积灰7.0 kg/ m 2 考虑. 2. 2 内筒结构计算 玻璃钢内筒的内力计算与钢内筒相同,应考虑 温度、 环向压力、 自重、 水平烟道推力及外筒的影 响.外筒影响按变形协调计算外筒在风、 地震、 地基 倾斜、 日照温差等作用下平台节点处强制位移引起 内筒各截面的内力.计算及工况考虑可以按照相关 烟囱规范 [325 ]计算. 烟囱环向压力计算可参考文献 [5]第6. 3.4条. 玻璃钢内筒本身的计算包括如下几个方面 1振动控制. 玻璃钢内筒的自振频率应满足下列条件[3 ] f λ 2πr 0.007E b θg γ1-μ 2≥2 1 2筒身强度计算. FRP结构性能参数受产品配方、 成型工艺及 条件、 使用环境等众多因素影响,相关参数变异性 很大,国内对其强度计算一般根据经验取一个较大 的安全系数7～15,按允许应力法来验算. ASTM D 5364293 [ 3 ]基于美国规范 ,给出了基于概率极限 状态设计方法的分项系数设计表达式. 3筒身加强圈计算. 为保证FRP内筒的整体稳定及确保筒身出现 极限正/负压时内筒环向承载力,FRP内筒一般设 置等间距L环向加强圈.文献[3]规定L不大于 1. 5倍内筒直径和8 m中的较小值.文献[5 ]则对 钢内筒规定加强圈最大间距为1. 5倍内筒直径和 7. 5 m中的较小值.对一般电厂烟囱,加强圈间距 可取为4～6 m.加强圈的截面根据烟囱在负压时 稳定计算和正/负压时承载力计算确定.计算时注 意弹模也应视同材料抗力考虑折减系数 3 内筒铺层及材料设计 根据FR内筒承载力计算,提出FR应该满 254 2 . 2. PP 第六图书馆 第六图书馆 增刊杨小兵,等燃煤电厂玻璃钢内筒套筒式烟囱设计 足的结构性能参数,再根据目标参数进行FRP铺 层设计.铺层设计应充分考虑到材料性能和加工成 型条件. 内筒设计时,根据烟囱的运行条件,对国内外 主要树脂和玻璃纤维产品进行了综合比较,最后对 玻璃钢内筒主要构件的树脂采用ASHLAND公 司DERAKANE 470H T2400耐高温环氧乙烯基酯 树脂,增强材料则根据需要和成型工艺采用ECR 型玻璃纤维短切毡、 面毡、 单向布和缠绕纱.成型根 据构件形状采用现场缠绕或糊制.本文实例工程 FRP筒壁各层构成和要求如下详见图2. 图2 FRP筒壁铺层结构 1防腐蚀隔离层DERAKANE 470 HT2400 环氧乙烯基酯树脂,MCECR45021040型短切毡 3层糊制,总厚度不小于2. 5 mm.防腐隔离层内侧 应采用碳纤维毡和导静电剂设置不小于0. 25 mm 厚的静电释放层. 2结构层DERA KANE 470 HT2400环氧乙 烯基酯树脂,增强材料为DWECR4302630单向 布、ECR469L224002D缠绕纱,总厚度不小于16 mm.制作时采用轴向单向布和环向缠绕纱交替布 置的方式进行.结构层中玻璃纤维含量按重量计应 在55 ～70 之间. 3外保护层DERAKANE 470 HT2400环氧 乙烯基酯树脂,增强材料为MCECR45021040型 短切毡1层,厚度约0.3～0. 8 mm. FRP材料的导热系数约为0. 2～0. 4W/m K,保温性能比珍珠岩和玻璃棉等保温材料差很 多,但略优于轻骨料混凝土,可根据温度计算确定 是否需要设置外保温层. FR内筒连接设计 本文实例工程内筒采用分段自立式,在每段 FR内筒底部设置支承圈,通过钢结构平台上的 12个支点将荷载传至外筒上.设计时应通过计算 确保支承圈的刚度.在每段支承点的下侧设置膨胀 节,膨胀节既要密封,确保在极限正/负压下不至破 坏,又要能在竖向自由滑动,滑动行程根据温度计 算确定.玻璃钢热膨胀系数在0. 7～610 - 5 /℃, 最大可达混凝土和钢材的5倍.文献[6 ]对分段布 置的钢内筒烟囱,建议滑动行程在计算的基础上增 加30 的余量.膨胀节构造详见图3. 图3 膨胀节构造 3 需要注意的问题 1 FRP耐温耐老化性能. FRP在低温下有优异的耐腐性能和结构性 能,但随着温度的升高,其结构性能衰减很快.一般 玻璃钢不能在高温下长期使用,如聚酯玻璃钢在 40～50℃ 以上,环氧玻璃钢在60℃ 以上强度就开 始下降. ASTM规范适用的温度范围为正常运行 温度不高于93℃、 短时异常高温不高于121℃.文 献[2 ]对耐温性能较好的乙烯基酯不饱和聚酯玻璃 钢最高设计温度为120℃.在设计中,当环境温度 可能超出常规适用范围时,应选用耐高温的树脂材 料,并根据高温试验对FRP材料抗力作更多的折 减.由于FRP材料性能的变异性,每个工程只有在 成型后才有确定的参数,因此,应采用与FRP筒身 等条件下的试件进行高温性能测试,并据此对 FRP烟囱进行核算.采用DERA KANE 470 HT2 400环氧乙烯基酯树脂缠绕制作的FRP铺层典型 的高温性能曲线见图 一般FR材料在长期使用过程中会出现光泽 减退、 颜色变化、 树脂脱落、 纤维裸露、 分层等老化 354 2. 4P P 4. P 第六图书馆 第六图书馆 武汉大学学报工学版2007 图4 FRP温度性能曲线 现象,严重影响到FRP结构的耐腐性能和结构性 能.因此, FRP材料选用时,应选用有成熟使用案 例的品质好的树脂材料. 2FRP烟囱的施工质量控制. 烟囱的各项性能很大程度上取决于施工质量, 包括材料的贮存、 使用、 成型工艺、 固化等.因此,必 须在FRP烟囱整个加工安装过程建立全过程质量 保证体系,严密组织,认真实施. 4 结 语 通过这次尝试,笔者觉得还有较多问题有待解 决 1应探索包括结构设计、 材料选用、 工艺设 计 、 安装设计在内全过程设计和质量保证体系. FRP烟囱设计涉及到复合材料、 结构设计和施工 等各方面的问题,设计单位和FRP材料加工单位 相关各方应密切配合,互为依托,建立全过程设计 体系,确保FRP烟囱的安全性和耐久性. 2对FRP烟囱的理论研究和工程实践有待 加强. FRP复合材料作为一种新型的高性能材料, 和传统的建筑材料相比在某些方面有着独特的优 势,在电力行业的应用前景十分广阔,我们应加强 研究和尝试,不断开拓设计的新思路,探索更优的 设计产品. 参考文献 [1 ] 叶列平,冯 鹏. FRP在工程结构中的应用与发展. 土木工程学报,2006324236. [2 ] H G/ T 2069621999玻璃钢化工设备设计规定. [3 ] D 5364293 Reapproved 2002 . Standard Guide for Design , Fabrication , and Erectio n of Fiberglass Rein2 forced Plastic Chimney Liners with Coal2Fired Units. [4 ] GB 5005122002烟囱设计规范. [5 ] Q/D G 12T00122006多管式钢内筒烟囱设计导则. [6 ] prEN 1308426 1999 Free2standing industrial chim2 neys2Part 6 Steel liners2Design and cution. [7 ] 玻璃钢与玻璃钢制品新技术、 新标准及工程应用技术 实用手册.吉林银声音像出版社,2004. 454 第六图书馆 第六图书馆