三管自立式鋼煙囪結構設計簡介

張江霖，范振中，國茂華，張 欣

(1.中國電力工程顧問集團科技開發有限公司，北京 100120；2.中南電力設計院，湖北 武漢 430071 ；3.國核電力規劃設計研究院，北京 100094)

1 概述

當前國內新建火力發電廠都要求進行煙氣脫硫處理，煙囪運行條件惡劣，促使煙囪不斷向更高、多筒及多管方向發展,因此從將煙囪視為設備來考慮的革新設計思路出發,我們創新性地提出了一種全新的多管自立式煙囪結構——三管自立式鋼煙囪結構，可以有效地實現了大型火力發電廠兩臺機組不停機下的鋼排煙筒防腐檢修維護，對火力發電廠整個機組的連續和可靠運行具有非常重要意義。

2 三管自立式鋼煙囪設計特點

當火力發電廠兩臺600MW或1000MW機組煙囪采用三管自立式鋼煙囪時，三個鋼筒按正三邊形布置并通過合理的鋼內筒間距和豎向布置的鋼桁架有效連接成為一個整體空間塔架結構來共同抵抗地震荷載、風荷載以及其它荷載作用，最終實現對常規套筒煙囪的取消鋼筋混凝土外筒、縮減基礎工程量、降低工程造價、以及廠區優化的創新設計。三管自立式鋼煙囪立面和平面布置見圖1和圖2。

圖1 三管自立式鋼煙囪立面示意圖

圖2 三管自立式鋼煙囪平面布置圖

三管自立式鋼煙囪同常規多管自立式鋼煙囪結構一樣，取消了原套筒煙囪的鋼筋混凝土外筒，保留的鋼內筒既是排煙筒，又是受力構件，因此與常規鋼筋混凝土套筒煙囪相比，此新型煙囪有如下主要特點：

(1)在煙囪設計中革命性地提出了“2運1備”理念，即在機組正常運行時，兩臺機組的煙氣分別將接入兩個鋼排煙筒；當煙囪進行檢修維護時，將需要檢修機組的煙氣通過煙道直接接入第3個鋼排煙筒，很好地解決火力發電廠機組在連續運行(不停機)狀態下的鋼排煙筒防腐檢修維護難題；

(2)三個鋼筒按正三邊形布置，整個煙囪結構平面和立面形體規則，各方向受力均勻、合理；同時整個鋼煙囪造型簡潔、美觀，全面融入了現代氣息和建筑美學的設計理念，充分體現了現代火力發電廠的景觀設計和創意設計的理念。

(3)對于常規2×1000MW火電廠工程的雙鋼內筒套筒煙囪(鋼筋混凝土外筒)底部外直徑一般在35m左右，三管自立式鋼煙囪優化后可以控制其底部寬度在24m左右，從而為爐后工藝布置預留更加充裕的空間，為爐后工藝系統的優化創造條件；同時可以避免煙囪基礎對周邊設備基礎的影響；

(4)通過優化鋼筒的中心距可滿足運煤通道在各鋼筒之間順利通過要求，使得采用側煤倉爐后上煤方案在發電廠中成為現實，為煤場到煤倉間之間輸煤通道的系統最大優化創造條件，大力提高輸煤效率的同時有效地節省輸煤系統工程投資；

當前國內大跨、超高鋼結構大量涌現,因此國內鋼結構施工技術水平是完全能夠保證火力發電廠中三管自立式鋼煙囪的應用，同時此種新型煙囪的應用可在一定程度上縮短煙囪總體施工周期，但也應看到它在施工方面的技術要求和投入會相應提高，以及由于鋼筒直接外露后的防腐要求較高，會導致鋼筒的維護工作量和費用會有所增加。

3 風荷載計算

根據《煙囪設計規范》(GB50051-2002)及《建筑結構荷載規范》(GB50009-2001)可知，自立式煙囪結構設計關鍵點的風荷載計算首先應確定風荷載體型系數、風振系數。隨著現代計算機技術和計算流體技術的飛速發展，利用計算流體力學(Computational Fluid Dynamic，CFD)方法在計算機上模擬結構周圍風場的變化并求解結構表面風荷載的“數值風洞”技術已經廣泛應用到結構風工程研究，考慮到規范未明確給出三管自立式鋼煙囪的風荷載體型系數，因此在缺少物理模型試驗結論時可以采用數值風洞方法來揭示風壓分布與繞流結構的內在聯系，研究鋼筒的直徑、間距、以及風向角的變化對結構風載體型系數影響，并得到結構的風載體型系數取值，為結構優化設計提供依據。典型三管自立式鋼煙囪數模計算模型見圖3，此時三個鋼筒位于正三邊形的三個頂點，高度均為240m，各鋼筒間的中心間距為24m；數值模擬分析計算中采用的矩形區域取流向迎風面邊界取在距離模型中心為1200m，而左右及上邊界距離模型中心為1200m，同時為了更好模擬模型尾流的發展，下游出口邊界距離模型中心為2400m。根據數值模擬計算得到的三管自立式鋼煙囪風載體型系數取值見表1。

圖3 三管自立式煙囪的數模分析計算模型

表1 三管自立式鋼煙囪風載體型系數

對于三管自立式鋼煙囪風振系數取值，應用大型有限元計算程序ABAQUS計算研究三管自立式鋼煙囪在風荷載作用下的動態響應，并計算分析后得到煙囪一階、二階的自振頻率、自振周期和振型，然后根據《建筑結構荷載規范》公式7.4.2計算可確定風振系數取值，對于不同間距的風振系數計算結果見表2。

表2 240m高直徑7.3m的三管自立式鋼煙囪風振系數(間距20m/24m/28m)

4 技術經濟分析

為便于三管自立式鋼煙囪與常規套筒煙囪進行技術經濟分析，對于最低溫度為0℃以上地區的某常規2×1000MW級燃煤機組工程的240m三管自立式鋼煙囪應用大型有限元計算程序ABAQUS進行整體計算分析，研究在各種荷載作用下煙囪的應力分布情況，為實際工程應用提供參考。相關工程設計參數如下：百年一遇基本風壓值為0.5kN/m2；地面粗糙度類別為B類；抗震設防烈度為7度，地震動峰值加速度為0.1g；設計地震分組為第一組；建筑場地類別為Ⅱ類；特征周期為0.35s；鋼煙囪阻尼比為0.01；機組不設計GGH，無煙氣旁路，脫硫后進煙囪濕煙氣溫度為50℃左右；考慮鋼的導熱性能比較好，溫度荷載計算時不考慮日照溫差影響，只考慮三個鋼筒中僅有一個鋼筒正常運行的特殊工況，取鋼管溫升為50℃。

有限元計算模型的三根鋼筒外徑為7.3m，管壁厚為20mm，軸心間距為24m，均采用JNS耐硫酸腐蝕結構鋼(強度及穩定應力計算按Q345-B考慮)，鋼筒間連接鋼桁架采用Q345型鋼。三管自立式鋼煙囪整體有限元計算模型見圖4，計算中H型鋼采用開口橫截面翹曲理論的B31OS梁單元，鋼管采用S4R殼單元模擬；計算中直接對煙囪底部施加固端約束來約束底部節點的所有自由度。

圖4 三管自立式鋼煙囪有限元模型

為簡化計算，整體結構計算分析中只考慮自重、風荷載、溫度荷載，重點計算三種荷載單獨作用下的內力情況；同時根據現行《煙囪設計規范》進行了承載力極限狀態和正常使用極限狀態兩種極限狀態設計下的內力計算，其中溫度作用1、溫度作用2分別對應于1#鋼管、2#鋼管正常運行兩種運行方式。四種典型荷載組合工況如下：

工況1：1.1×[自重(1.0)+風(1.(4)](承載能力極限狀態驗算)；

工況2：1.1×[自重(1.3(5)+風(1.(4)](承載能力極限狀態驗算)；

工況3：自重(1.0)+溫度作用1(1.0)+風(1.0)(正常使用極限狀態驗算)；

工況4：自重(1.0)+溫度作用1(1.0)+風(1.0)(正常使用極限狀態驗算)。

單種荷載作用和組合工況荷載作用下的內力計算結果見表3。從表3不難看出，對于單工況作用時，風荷載作用引起的最大Mises應力比其它荷載大，溫度荷載次之，自重荷載引起的Mises應力最小；對比組合工況1和工況2結果可知，自重荷載在降低鋼筒受拉側拉應力時也加大了受壓側壓應力，綜合來看自重荷載過大對整體結構設計是不利的；對比組合工況3、工況4結果可知工況3為最不利荷載組合工況。

表3 三管自立式鋼煙囪單荷載工況計算內力

結合上述典型2×1000MW級燃煤機組工程算例采用三管自立式鋼煙囪的計算分析，并與常規套筒煙囪(鋼筋混凝土外筒+自立式雙鋼內筒方案)針對煙囪本體進行初步技術與經濟分析見表4。

從表4可以看出，當基礎采用天然基礎時，對于2×1000MW級燃煤機組采用三管自立式鋼煙囪時其工程造價則同雙管套筒煙囪傳統方案略高10%，主要原因是考慮備用的第三個排煙筒直接導致耐酸鋼用量和內側貼賓高德玻璃磚用量(材料單價均較高)增加而促使煙囪造價上升較多。當采用樁基礎等特殊地基處理方法，三管自立式鋼煙囪的結構自重輕很多(約為雙鋼內筒套筒煙囪的10%)使得相應的基礎地基處理費用更低，同時綜合考慮鋼結構的回收重復利用和鋼筒內側貼國產玻化磚防腐時，三管自立式鋼煙囪與雙管套筒煙囪兩個方案的經濟性基本持平。值得說明的是，從廠區平面優化占地、輸煤系統上煤通道的整體優化和煙囪檢修期間整個機組不停機連續運行的發電效益等方面來綜合考慮，三管自立式鋼煙囪的經濟性將更加凸顯。

表4 2×1000MW級燃煤機組不同煙囪結構方案經濟性分析

5 結論

三管自立式鋼煙囪已經成功獲得國家實用新型專利證書，對于大力倡導創新設計和低碳環保的今天，大型火力發電廠機組采用此新型煙囪在設計、施工方面技術上是完全可行的，可取得較好的經濟效益和社會效益：

(1)三管自立式鋼煙囪方案是國內首次將煙囪作為設備考慮的革命性設計創新，此方案通過“2運1備”的全新設計理念實現在保證兩臺機組不停機情況下對鋼排煙筒的防腐進行檢修維護，建議在工程實際中大力應用推廣。

(2)三管自立式鋼煙囪鋼結構溫度荷載計算時溫度荷載按照±50℃考慮，鋼管外壁未考慮采取保溫隔熱措施，因此從經濟性考慮，當鋼筒內壁未采用具有保溫功能的防腐措施(如賓高德玻璃磚、發泡玻化磚)時，對于北方嚴寒地區火電廠采用三管自立式鋼煙囪是不適合的；同時對于未采用濕法脫硫系統，且煙囪入口溫度超過100℃的火電廠，采用三管自立式鋼煙囪也是不適合的。

(3)通過煙囪本體的初步技術與經濟比較后可知，對于1000MW級燃煤電廠采用三管自立式鋼煙囪同傳統的雙鋼內筒套筒煙囪相比工程造價高出10%左右，因此不斷降低煙囪防腐材料(耐酸鋼和防腐玻璃磚)價格是降低三管自立式鋼煙囪工程造價的有效途徑之一；對于軟弱地基條件上大型項目積極進行整個輸煤系統輸煤提到的優化，并統籌考慮煙囪檢修期間整個機組不停機連續運行的發電效益等方面綜合因素，三管自立式鋼煙囪的推廣應用可取得良好的經濟效益和社會效益。

[1]GB50009-2001，建筑結構荷載規范[S].

[2]GB50051-2002，煙囪設計規范[S].

[3]張相庭.工程抗風設計計算手冊[K].北京：中國建筑工業出版社，1998.

[4]中國電力工程顧問集團公司.科研四管自立式鋼煙囪結構方案研究[R].2008.