摘  要：本文采用大型有限元分析软件ANSYS对扬州电厂200MW发电机组烟气脱硫装置的烟道进行了强度计算，并对内撑杆形式，烟道内压，自重等因素对结构应力的影响进行了分析，为工程的优化设计提供了依据。

关键词：烟气脱硫；优化设计；烟道；ANSYS；有限元法

1  引  言

烟气脱硫(Flue Gas Desulphurization, FGD)装置是实现大型燃煤火力发电机组二氧化硫排污达标的唯一有效途径，目前国内已建成的大型FGD装置大都采用全套或技术及关键设备进口的方法进行建设，尽管这些装置的运行效果较好，但由于存在建设周期过长，投资及运行费用过高，不适应国内习惯等问题，不利于进一步推广。究其根本是因为FGD系统的投资及运行费用较高，同时又缺乏直接经济效益的驱动，故对经济性尤其敏感。因此必须通过精确定量地对设计参量进行精准优化设计，以最大限度地降低工程费用，此外几乎每一套FGD装置都需要度身定制，对一些特殊环节若不进行验证就很难保证系统的可靠性、经济性和一次投入成功率。然而由于FGD系统庞大，小规模的实验室试验很难解决实际工程问题，而大型的试验在财力和时间上均难以接受。采用以数值模拟、系统仿真为基础的现代设计技术则可很好地解决上述问题。本文采用大型有限元分析软件ANSYS对扬州电厂200MW发电机组烟气脱硫装置的烟道进行了强度计算，并对内撑杆形式，烟道内压，自重等因素对结构应力的影响进行了分析，为工程的优化设计提供了依据。

2  工程概述

扬州发电有限公司5号机组(200MW)烟气脱硫装置是国家经贸委资源节约和综合利用司与日本新能源产业开发机构(NEDO)共同实施的“采用商业化脱硫系统进行副产品利用研究”的合作项目，脱硫装置主要设备和技术由日本川崎重工株式会社提供，江苏省电力设计院负责工程设计，工程于2002年3月建成。其烟气成份数据如表1所示。

表1 烟气成份分析

烟道为薄壁钢结构，内外表面分别设有内撑杆和加固肋，其壳体厚度为5mm，截面尺寸为5.4m×5.4m×11m，内壁压力4kPa，加固肋截面尺寸为[12.6，每隔0.7m设置一道，内设十字形φ76×4内撑杆。弹性模量Ex=2.1×105MPa，泊松比μ=0.28，密度为7800kg/m3。

3  数值模拟方法

3.1单元的选择

烟气脱硫工程所用的烟道为薄壁钢结构，外表面设有环向型钢加固肋约束，内部对应加固肋的地方设有内撑杆。针对不同的承载构件应选用不同的单元类型进行模拟。烟道壁面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，宜采用SHELL63壳单元进行模拟；加固肋与烟道壁面为焊接结构，它们共同承担由内壁面传递的荷载及自重，其承受荷载类型为弯矩、轴力、剪力，因此可采用BEAM188梁单元进行模拟；内撑杆仅受轴力，因此采用LINK4杆单元进行模拟。

3.2单元的连接方式

在烟道的有限元分析时涉及到SHELL(壳)，BEAM(梁)，LINK(杆)等三种不同的单元，不同单元连接时，各单元对应节点应具有相同自由度以保证单元间协调，也即它们必须具有相同数目和类型的位移自由度及旋转自由度。在本文分析中，梁单元与壳单元的连接通过将梁单元的两个节点与壳单元一边的两个节点重合以形成公共节点来实现。烟道外部加固肋通常为槽钢，当梁单元与壳单元连接时，连接点在梁横截面位置的不同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，近似选取连接点于焊缝的形心轴上，如图1所示。

图1 加固肋与烟道壁面连接点示意图

4 结果与讨论

4.1一般烟道结构分析

图2和图3分别给出了烟道的有限元分析模型及等效应力分布云图，可见，烟道板面中心线上挠度较大，而烟道截面边角处存在明显的应力集中。尽管结构各部分的应力均小于钢板的许用应力，但由于烟道内表面玻璃鳞片防腐对扰度的要求，根据经验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。

图2 烟道的有限元模型	图3 烟道的等效应力云图

图4和图5分别给出了3种不同的内撑杆形式及其对应的等效应力分布情况，分析中各结构的载荷数据均一致。可见，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。

(a)形式一	(b) 形式二	(c) 形式三
图4 三种不同内撑杆形式

(a)形式一	(b) 形式二	(c) 形式三
图5 三种不同内撑杆结构烟道的等效应力分布

表2 不同内撑杆形式下烟道应力结果

烟道内的气体压力是烟道结构所承受的主要荷载之一，实际工程中可能会在一定幅度范围的变化，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。图6给出了不同内压情况下烟道的最大等效应力及加固肋弯曲应力值等的变化趋势。可见，结构应力与内压呈线性关系。在烟道设计压力(4kPa)附近压力值的波动不会对烟道的安全性产生明显影响。

图6 内压对应力的影响

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。

表3 自重对应力的影响分析

内支撑杆形式	钢板最大等效应力(MPa)	单位长度内钢板最大等效应力(MPa)	影响程度	加固肋最大弯曲应力(MPa)	单位长度内加固肋最大弯曲应力(MPa)	影响程度
未考虑自重	38.6	32.6	_	15.5	10.5	_
考虑自重 (水平烟道)	41.9	36.3	约10％	25.2	18.4	约70％
考虑自重 (垂直烟道)	38.2	32.6	<1%	16.2	10.2	<5%

5 结论

烟气脱硫工程用烟道虽然结构简单，但如何选择合理的结构形式以最大限度地降低工程造价是工程设计所追求的目标。本文采用大型有限元软件ANSYS对对扬州发电有限公司烟气脱硫工程中烟道进行了数值模拟，并对各种内撑杆形式、自重、内压等因素进行了综合分析，得出如下结论：

（1）分别采用SHELL63壳单元模拟烟道，BEAM188梁单元模拟加固肋，LINK4杆单元模拟内撑杆对烟气脱硫工程中所用的烟道进行有限元分析是可行的。

（2）设置内撑杆可大幅降低烟道结构各项应力，各种不同形式的内撑杆对应力的贡献各异，通过对造价的综合考虑，可得出最佳的结构形式。

（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较小。

（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。

参考文献

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[9] 监凯维奇. 有限元法[M]. 北京：科学出版社，1985

作者简介：孙克勤(1961- )，男，江苏南京人，高级工程师，主要从事火力发电厂烟气脱硫技术研究、工程设计和项目管理工作。

沈涛(1977- )男，江苏南京人，工程师，主要从事火力发电厂结构设计