大型火電廠玻璃鋼（FRP）排煙筒

摘 要：由于國(guó)內(nèi)脫硫煙囪防腐歷史較短，經(jīng)驗(yàn)也不多，煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范是基于未脫硫的干煙氣劃分的腐蝕等級(jí)，而對(duì)脫硫處理后的濕煙囪防腐設(shè)計(jì)尚無(wú)明確說(shuō)明。本文系統(tǒng)地討論和分析了玻璃鋼（FRP）排煙筒強(qiáng)度計(jì)算、安全性、耐久性、耐火能力和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。為濕煙囪脫硫防腐工程提供了一種新的可靠的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：大型 火電廠 玻璃鋼 煙囪

中圖分類號(hào)：Tu593文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（b）-0086-02

1 國(guó)內(nèi)火電廠濕煙囪防腐的現(xiàn)狀

由于煙囪防腐材料本身的質(zhì)量、施工過(guò)程控制、工程管理，以及運(yùn)行工況多變等原因，造成大量脫硫煙囪出現(xiàn)不同程度的損壞和滲漏現(xiàn)象。中國(guó)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院2009年通過(guò)對(duì)226個(gè)已經(jīng)脫硫改造的煙囪調(diào)研，包括六大類13種防腐方案。反映尤以聚脲、薩維真、OM涂料等薄膜類涂料和國(guó)產(chǎn)泡沫玻璃磚進(jìn)行防腐的煙囪出現(xiàn)開裂、沖刷或脫落現(xiàn)象最為嚴(yán)重。反饋的結(jié)果反映出國(guó)內(nèi)目前脫硫煙囪防腐工程出現(xiàn)的問(wèn)題較多，涉及面較廣，出現(xiàn)滲漏的比例較高。

2 濕煙囪防腐材料的發(fā)展趨勢(shì)

玻璃鋼在國(guó)外，廣泛應(yīng)用于化工、冶金、船舶和航天等防腐設(shè)備和工程中，國(guó)外玻璃鋼排煙筒在電力行業(yè)的應(yīng)用始于FGD開始應(yīng)用的20世紀(jì)70年代。

截止到2003年，F(xiàn)RP排煙筒在美國(guó)的電廠煙囪工程中已經(jīng)占到10%。2009年已經(jīng)上升到60%以上。在2004和2005年，只有8個(gè)煙囪的排煙筒里襯工程開工。2006年，有38個(gè)開工，2007年有49個(gè)，到2008年7月1日，為39個(gè)。在歐洲和日本也有同樣的發(fā)展趨勢(shì)。

英國(guó)Eggborough Power Station于2002年為其2臺(tái)500 MW機(jī)組加裝濕法FGD裝置，同時(shí)在混凝土煙囪內(nèi)安裝了兩個(gè)184 m的FRP內(nèi)筒。德國(guó)于2001年9月建成的Kraftwerk Simmering電站，采用高度200 m、直徑4.8 m的FRP煙囪。另外，德國(guó)還在全世界率先采用煙塔合一技術(shù)，使用FRP制造直徑達(dá)7～10 m排煙管道。捷克125 MW的Vresova電廠建于1967年，2000年7月簽約加裝濕法FGD時(shí)的方案，煙囪則為鋼結(jié)構(gòu)支撐的FRP煙囪。日本關(guān)西電力南港發(fā)電廠的800 MW機(jī)組采用3個(gè)FRP內(nèi)筒的煙囪，F(xiàn)RP內(nèi)筒直徑5.3 m，高度200 m。

國(guó)外多年的研究和工程應(yīng)用，已經(jīng)形成了FRP煙囪或管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和施工方面的標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)的ASTM D 5364、ASTM RTP-1和英國(guó)的BS 4994等。

目前，國(guó)內(nèi)研究和開發(fā)性能良好的FRP玻璃鋼（包括整體纏繞和預(yù)制玻璃鋼襯套） 作為“煙塔合一”和濕煙囪排煙筒防腐配套技術(shù)，已經(jīng)成為新的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。國(guó)內(nèi) “煙塔合一”的玻璃鋼煙道投運(yùn)、在建的工程案例，使得大批成熟的經(jīng)驗(yàn)可為本工程參考。

3 本工程玻璃鋼（FRP）排煙筒的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

本工程玻璃鋼排煙筒設(shè)計(jì)采用部分懸吊分段自立方案（分段自立）。FRP排煙筒頂部標(biāo)高210 m，在+103.75 m、+146.15 m、+188.55 m等處設(shè)有固定支撐（下面配置膨脹節(jié)），內(nèi)徑Di=7.0 mm，分為42.4 m、44.8 m、42.4 m、39.8 m四段計(jì)算。FRP煙囪內(nèi)襯壁厚t=19 mm，加強(qiáng)圈間距L≤5000 mm。

本工程所選用的材料為E-CR玻璃纖維+乙烯基酯阻燃樹脂。玻璃鋼排煙筒的厚度根據(jù)制作材料的測(cè)試結(jié)果和分析計(jì)算確定。膨脹節(jié)用于增加排煙筒柔性，降低熱應(yīng)力，膨脹節(jié)的設(shè)置根據(jù)計(jì)算確定。為保證玻璃鋼排煙囪環(huán)向的穩(wěn)定性，煙囪上設(shè)置有環(huán)向加勁肋。

3.1 本工程玻璃鋼排煙筒的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

在“煙塔合一”整體纏繞FRP煙道（6.0m—8.5m）設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參照煙囪ASTM D 5364-93（2008），燃煤電廠玻璃纖維增強(qiáng)塑料煙囪內(nèi)襯的設(shè)計(jì)、制造和安裝標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

玻璃鋼排煙筒的厚度根據(jù)制作材料的測(cè)試結(jié)果和分析計(jì)算確定。綜合安全系數(shù)K的選取根據(jù)各項(xiàng)影響因素進(jìn)行綜合考慮，見表1，其值控制K>4.0。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求排煙管設(shè)計(jì)壓力考慮±300 Pa，排煙筒進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算之后，進(jìn)行應(yīng)變校核，避免樹脂開裂。對(duì)于穩(wěn)定性計(jì)算，穩(wěn)定安全系數(shù)不小于5。風(fēng)壓、雪壓、地震作用在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中按設(shè)計(jì)條件考慮。設(shè)計(jì)中限制玻璃鋼垂直排煙筒在一定的荷載作用下的水平變形值（如表2）。對(duì)排煙筒壁厚為14 mm、16 mm、18 mm、19 mm的幾種情況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較：在不利載荷組合工況下進(jìn)行筒壁強(qiáng)度安全校核，計(jì)算結(jié)果見表3。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在短期載荷即風(fēng)載荷和地震載荷作用下，外筒對(duì)內(nèi)筒有比較強(qiáng)的作用。不考慮外筒影響在組合工況校核中1/S的數(shù)值應(yīng)<0.5，本工程FRP排煙筒壁厚度取19 mm，分為外保護(hù)層、結(jié)構(gòu)層、內(nèi)襯耐腐蝕層。玻璃鋼煙囪結(jié)構(gòu)層厚度一般可取t1=15.7 mm、內(nèi)襯耐腐蝕層厚度t2≥2.7 mm、外保護(hù)層厚度t3≥0.6 mm。

本工程還分別進(jìn)行了FRP筒身加強(qiáng)肋的強(qiáng)度校核，加筋殼體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)驗(yàn)算，熱補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償位移計(jì)算。FRP筒身由積灰、自重及地震引起的最大水平變形值為14.2 mm，?/L=14.2/50000=1/3521<[?/L]=1/500。

3.2 本工程玻璃鋼排煙筒的耐溫性

根據(jù)工程的實(shí)際情況和以往工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，煙管設(shè)計(jì)壓力考慮±500 Pa。濕煙囪在不設(shè)旁路的情況下排煙管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮煙溫40～65 ℃；

ASTM規(guī)范適用的溫度范圍為正常運(yùn)行溫度不高于93 ℃、短時(shí)異常高溫不高于121 ℃。設(shè)計(jì)中，可選用耐高溫的樹脂材料，如固化后的DERAKANE 470-300環(huán)氧乙烯基酯樹脂澆鑄體熱變形溫度HDT為150 ℃，而DERAKANE 470HT-400的HDT可以達(dá)到180 ℃。

3.3 本工程玻璃鋼排煙筒的耐久性

根據(jù)國(guó)外FRP煙囪設(shè)計(jì)和使用壽命以及國(guó)內(nèi)玻璃鋼煙管的設(shè)計(jì)使用壽命，通過(guò)合理的鋪層構(gòu)造和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，F(xiàn)RP長(zhǎng)期性能的折減參考BS 4994、ASTM D 5364等標(biāo)準(zhǔn)和廠家的試驗(yàn)資料，F(xiàn)RP性能隨時(shí)間衰減的折減系數(shù)可計(jì)算出FRP煙囪的使用壽命為25年。

3.4 本工程玻璃鋼排煙筒的耐火能力

國(guó)內(nèi)外多年的理論和實(shí)踐研究表明，氧指數(shù)表征屬于燃燒試驗(yàn)中的可燃性試驗(yàn)，氧指數(shù)是玻璃鋼材料燃燒性能的重要指標(biāo)。氧指數(shù)是指在規(guī)定條件下，固體材料在氧、氮混合氣流中，維持平穩(wěn)燃燒所需的最低氧含量。

氧指數(shù)高表示材料不易燃燒，氧指數(shù)低表示材料容易燃燒。材料的氧指數(shù)（LOI）與其阻燃性的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

（1）LOI < 23可燃

（2）LOI 24 - 28稍阻燃

（3）LOI 29 - 35阻燃

（4）LOI > 36高阻燃

本工程選擇了DERAKANE 510C-350樹脂，2011年12月在國(guó)家消防研究所（成都）進(jìn)行了材料燃燒性能試驗(yàn)，結(jié)果說(shuō)明E-CR纖維+DERAKANE MOMENTUM 510C-350c樹脂是一種良好的阻燃體系；材料的氧指數(shù)都在31-33之間，為難燃材料，且耐40%硫酸腐蝕和耐紫外性能良好。

3.5 煙囪FRP排煙筒的造價(jià)比較

本工程為套筒式雙內(nèi)筒煙囪，高度210 m，排煙筒出口直徑Ф7.0 m。采用FRP排煙筒煙囪的工程造價(jià)比原設(shè)計(jì)的鈦合金復(fù)合板內(nèi)襯排煙筒便宜25%--30%；以當(dāng)前濕煙囪常用的防腐方案來(lái)和FRP煙囪作個(gè)比較，本工程與自立式耐酸鋼內(nèi)筒加國(guó)產(chǎn)玻化陶瓷磚煙囪價(jià)錢相當(dāng)。如果鋼內(nèi)筒筒壁采用耐硫酸露點(diǎn)鋼加進(jìn)口玻化陶瓷磚，其造價(jià)比本工程FRP排煙筒煙囪要高的多。由于外筒和基礎(chǔ)均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，造價(jià)接近。當(dāng)內(nèi)筒為整體玻璃鋼排煙筒時(shí)自重輕，地基處理為樁基時(shí)，F(xiàn)RP排煙筒的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)會(huì)更好一些。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程選擇采用玻璃鋼排煙筒方案，雖然國(guó)內(nèi)暫無(wú)如此直徑、支撐方式的工程投產(chǎn)，但是通過(guò)調(diào)研和參考類似工程，經(jīng)過(guò)驗(yàn)算壁厚及各種特性試驗(yàn)，綜合分析FRP煙囪的技術(shù)、造價(jià)、防腐效果來(lái)看，目前FRP應(yīng)該是濕煙囪防腐工程的最佳解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1]王繼輝.玻璃鋼煙道與排煙筒的檢測(cè)與性能評(píng)價(jià)[M].武漢理工大學(xué).