淺析火力發(fā)電廠煙囪的設(shè)計(jì)

龔節(jié)福(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610016)

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淺析火力發(fā)電廠煙囪的設(shè)計(jì)

龔節(jié)福
(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610016)

摘要：煙囪是火力發(fā)電廠中重要的構(gòu)筑物，對(duì)于煙囪設(shè)計(jì)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求較高。由于環(huán)保的要求越來越高，煙囪的高度不斷增加。單筒式鋼筋混凝土煙囪減少使用，套筒和多管式鋼筋混凝土煙囪為目前運(yùn)用最廣的煙囪型式。本文擬針對(duì)套筒和多管式鋼筋混凝土煙囪的設(shè)計(jì)方法和注意事項(xiàng)作簡(jiǎn)要的分析和論述。

關(guān)鍵詞：套筒和多管式鋼筋混凝土煙囪；防腐；概念設(shè)計(jì)；風(fēng)洞；開孔處理；計(jì)算模型簡(jiǎn)化。

1　概述

對(duì)于套筒和多管式鋼筋混凝土煙囪，煙囪的內(nèi)筒作用方式通常有自立式、整體懸掛、分段懸掛、分段支承以及綜合形式。自立式鋼內(nèi)筒受力明確，計(jì)算簡(jiǎn)單，但其屬于長(zhǎng)懸臂壓彎構(gòu)件，存在穩(wěn)定計(jì)算問題，一般管壁較厚，經(jīng)濟(jì)性較差。整體懸掛和分段懸掛以受拉為主，避免了局部失穩(wěn)，自重較自立式減小30%～50%左右，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好；但是結(jié)構(gòu)體系和荷載傳遞路徑較復(fù)雜，同時(shí)懸掛(承重)平臺(tái)、止晃平臺(tái)和膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜。分段懸掛或分段支承膨脹節(jié)的個(gè)數(shù)較多，防腐處理較困難，有一定的安全隱患。

2　煙囪防腐

對(duì)于套筒和多管式鋼筋混凝土煙囪，內(nèi)筒的防腐內(nèi)襯材料可用鈦板內(nèi)襯、耐酸鋼+防腐涂料、泡沫玻璃磚內(nèi)襯、泡沫玻化磚內(nèi)襯、鎳基合金內(nèi)襯、玻璃鋼內(nèi)襯等。其各自的特點(diǎn)如下：

2.1鈦鋼復(fù)合板

鈦鋼復(fù)合板技術(shù)成熟，有專門的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，防腐效果非常好，但焊接工藝較復(fù)雜，焊接質(zhì)量難以保證，且造價(jià)高。

2.2耐酸鋼+防腐涂料

鋼內(nèi)筒一般采用JN S耐硫酸露點(diǎn)防腐蝕鋼板，內(nèi)涂的防腐涂料包括RHF煙囪專用防腐涂料，聚脲等。JN S鋼內(nèi)涂RHF煙囪專用防腐涂料具有施工方便、施工質(zhì)量易于保證的優(yōu)點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)運(yùn)用于設(shè)置GGH的工程較多。在濕法脫硫不設(shè)置GGH煙囪中出現(xiàn)的問題很多，鋼內(nèi)筒的腐蝕也比較嚴(yán)重。

2.3內(nèi)襯玻璃磚或內(nèi)襯泡沫玻化磚

排煙筒使用Q235B或者JN S耐硫酸露點(diǎn)防腐蝕鋼板作鋼內(nèi)筒，內(nèi)部貼泡沫玻璃磚或者泡沫玻化磚。泡沫玻璃磚是以泡沫硼硅玻璃結(jié)合人造橡膠技術(shù)制成，在脫硫系統(tǒng)酸冷液環(huán)境中具有較強(qiáng)的抗腐蝕性能。泡沫玻化磚是一種集高強(qiáng)度、高效隔熱保溫、耐熱、耐熱沖擊(冷熱交替)、耐酸堿、防水抗?jié)B等多項(xiàng)性能于一體，并具有保溫、防腐、防水功能的新材料。泡沫玻化磚配合專用的防腐底漆及耐酸耐熱彈性密封專用膠，具有較好的耐酸、耐熱、耐老化、耐沖刷和密封性好的特點(diǎn)。

粘結(jié)料的防腐、耐久性是整個(gè)防腐性能質(zhì)量的關(guān)鍵。粘結(jié)料的老化、開裂會(huì)影響整個(gè)內(nèi)襯系統(tǒng)的防腐性能。施工時(shí)須保證磚縫及膠體的密實(shí)。溫度變化易造成防腐層開裂或脫落，須定期檢修養(yǎng)護(hù)。

2.4鎳基合金內(nèi)襯

鎳基合金是國(guó)際工業(yè)煙囪協(xié)會(huì)推薦的FGD系統(tǒng)不設(shè)GGH情況下的一種煙囪防腐內(nèi)襯。鎳合金是比鈦板防腐性能更好的材料。但由于造價(jià)太高目前國(guó)內(nèi)電廠還沒有采用鎳基合金作為煙囪防腐內(nèi)襯的先例。

2.5玻璃鋼防腐

玻璃鋼材料綜合了玻璃纖維和合成樹脂的特性，具備質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。尤其適合采用濕法脫硫且不加設(shè)GGH的煙囪。歐美運(yùn)用廣泛，國(guó)內(nèi)正在推廣使用，必將成為煙囪防腐的主流方式。

3　混凝土外筒設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)

3.1概念設(shè)計(jì)

(1)首先要判斷鋼筋混凝土外筒剛度是否合理。鋼筋混凝土外筒建模計(jì)算時(shí)，一般初算后查看其第一振型周期T'1。再根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009 - 2012(以下簡(jiǎn)稱《荷載規(guī)范》)附錄F的煙囪基本自振周期經(jīng)驗(yàn)公式手動(dòng)計(jì)算T1。如果T'1和T1相差太大，說明剛度不合理，需要通過調(diào)整煙囪的坡度和壁厚來進(jìn)行修正。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于一般的混凝土煙囪，200 m左右高的煙囪T'1一般控制在2.5～4 s，150 m左右高的煙囪T'1一般控制在1.5～2.5 s。當(dāng)然決定因素還有煙囪的筒首直徑和坡度以及壁厚。根據(jù)，增加質(zhì)量顯然不經(jīng)濟(jì)且不現(xiàn)實(shí)，只有改變剛度K，最有效的方式就是改變半徑(回轉(zhuǎn)半徑)，通過改變坡度得以實(shí)現(xiàn)。

(2)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)0.45、0.55、0.70左右的基本風(fēng)壓分別和7度、7度半、8度設(shè)防烈度大致對(duì)等，即該情況下順風(fēng)產(chǎn)生的最大彎矩和地震產(chǎn)生的最大彎矩大致相當(dāng)。如果可不考慮橫向風(fēng)振影響時(shí)，該情況下地震和風(fēng)都可能起控制作用，如果風(fēng)壓較之減少較大則地震控制，如果地震烈度較之減小則風(fēng)荷載控制。當(dāng)然只是概念設(shè)計(jì)時(shí)粗略判斷，影響因素甚多，需要具體計(jì)算為準(zhǔn)。如果橫向風(fēng)振影響不能忽略時(shí)，通常在對(duì)應(yīng)的情況下風(fēng)荷載起控制作用。

(3)對(duì)于鋼筋混凝土外筒，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，其含鋼量為：筒壁約100～150 kg/m3；基礎(chǔ)約60～100 kg/m3。

3.2有關(guān)風(fēng)荷載計(jì)算

(1)《荷載規(guī)范》第8.5.6條順風(fēng)和橫風(fēng)組合時(shí)，順風(fēng)的組合值系數(shù)為0.6，而《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50051 - 2013(以下簡(jiǎn)稱《煙囪規(guī)范》) 第5.2.6條順風(fēng)和橫風(fēng)組合時(shí)，順風(fēng)的組合值系數(shù)為1.0。兩者差別較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照《煙囪規(guī)范》計(jì)算。

(2)根據(jù)筆者所在單位總包的印度某已投運(yùn)的4×135 MW電廠煙囪的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到以下結(jié)論和建議：

① 《煙囪規(guī)范》規(guī)定整個(gè)高度的體型系數(shù)相同；但根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其體型系數(shù)從0.2～1.3不等，離散性較大。煙囪外形比較規(guī)則，體型系數(shù)應(yīng)該和曲率具備相關(guān)性。另外，主廠房建筑對(duì)煙囪形成的紊流也對(duì)體型系數(shù)有所影響。《煙囪規(guī)范》規(guī)定對(duì)于光滑表面煙囪體型系數(shù)取0.6，根據(jù)對(duì)比計(jì)算，較美國(guó)規(guī)范《鋼筋混凝土煙囪設(shè)計(jì)和構(gòu)造》(ACI307 - 98)和印度規(guī)范《鋼筋混凝土煙囪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(I S 4998(Part1):1992)的計(jì)算結(jié)果明顯偏小。建議《煙囪規(guī)范》修訂時(shí)重新考慮體型系數(shù)的取值問題。

② 根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)反推風(fēng)力相互干擾系數(shù)約為1.2，同時(shí)根據(jù)美國(guó)規(guī)范計(jì)算的該系數(shù)也約為1.2。國(guó)內(nèi)僅有《荷載規(guī)范》第8.3.2條說明可通過相關(guān)的風(fēng)洞試驗(yàn)資料或風(fēng)洞試驗(yàn)來確定。建議《煙囪規(guī)范》修訂時(shí)考慮風(fēng)力相互干擾系數(shù)的問題，并根據(jù)相關(guān)的試驗(yàn)資料或國(guó)際規(guī)范提出取值方法，便于設(shè)計(jì)人員操作的可行性。

(3)在設(shè)計(jì)的多個(gè)煙囪中，相當(dāng)部分煙囪在考慮橫風(fēng)效應(yīng)影響的最大彎矩可達(dá)到僅考慮順風(fēng)效應(yīng)影響的最大彎矩的3倍以上，最大橫風(fēng)向共振響應(yīng)等效風(fēng)荷載可達(dá)到順風(fēng)向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的3倍以上。通過試算，在其它條件不變的情況下，在某個(gè)周期點(diǎn)為風(fēng)荷載綜合效應(yīng)的最大峰值點(diǎn)。如果計(jì)算結(jié)果最大風(fēng)彎矩遠(yuǎn)大于地震作用彎矩，而第一振型周期接又近于風(fēng)荷載綜合效應(yīng)最大峰值對(duì)應(yīng)的周期，可考慮適當(dāng)增加剛度，減小周期。

3.3平臺(tái)鋼梁和筒壁的連接

內(nèi)筒平臺(tái)和外筒連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)問題較多。外筒和平臺(tái)連接方式最好采用滑動(dòng)支座，減少外筒受力，同時(shí)可避免混凝土和鋼梁連接時(shí)過多的螺栓。平臺(tái)鋼梁和混凝土筒壁的連接可采用暗榫、開孔、開孔加牛腿、牛腿、預(yù)埋鋼板等形式。其中開孔施工較麻煩，鋼梁吊裝也不易；附加牛腿增加了附加彎矩；預(yù)埋鋼板對(duì)焊接要求很高，施工難度較大。注意鋼梁連接處的筒壁開孔需要用幾何作圖驗(yàn)證吊裝鋼梁的可行性，一般可水平旋轉(zhuǎn)或上下旋轉(zhuǎn)，開孔的高度從預(yù)埋螺栓頂部開始測(cè)量，能夠旋轉(zhuǎn)鋼梁。

3.4筒壁開孔處理

筒壁開孔對(duì)結(jié)構(gòu)局部的影響較大。一般情況下，筒壁開孔除了用《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL 5022 - 2012)附錄G的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算以外，通常還用有限元軟件建模計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。比如用通用有限元軟件 staadPro進(jìn)行建模計(jì)算時(shí)，可以對(duì)煙道孔及以下部分采用板單元模擬，煙道孔以上部分采用桿單元模擬。桿單元和板單元的過渡可采用主從節(jié)點(diǎn)的方式。對(duì)于采用桿單元部分的模型，如果有其它的孔洞，可以對(duì)孔洞段的材料和截面進(jìn)行代換，滿足孔洞折減的要求；截面慣性矩I的折減系數(shù)賦予給彈性模量E，保證實(shí)際的EI總值不變。建模時(shí)假定I值不變，而通過改變E為E'來解決因開孔而產(chǎn)生的剛度變化問題，即：

式中：E'為混凝土等效彈性模量；E為混凝土彈性模量；I為毛截面慣性矩；I'為扣除開孔面積的凈截面慣性矩。

建模時(shí)可按板單元把煙囪基礎(chǔ)一并建在一個(gè)模型中，這樣可以驗(yàn)證根部開孔(人孔或安裝孔)對(duì)基礎(chǔ)的影響。開孔附近有應(yīng)力突變，應(yīng)特別注意該處的反向彎矩。

4　內(nèi)筒平臺(tái)的簡(jiǎn)化方法

4.1分段支承或分段懸掛平臺(tái)的計(jì)算模型簡(jiǎn)化

一般情況下可通過通用有限元軟件分別對(duì)各層平臺(tái)建模計(jì)算。由于支承平臺(tái)或懸掛平臺(tái)與制晃平臺(tái)之間僅有膨脹節(jié)分隔，從經(jīng)濟(jì)性考慮，可以把制晃平臺(tái)懸掛在支承平臺(tái)上或支承在懸掛平臺(tái)上。支承平臺(tái)或懸掛平臺(tái)與制晃平臺(tái)整體建模計(jì)算。手動(dòng)計(jì)算水平力，然后施加在模型構(gòu)件上。下面以重慶黔江某熱電機(jī)組的分段支承式多管煙囪為例，簡(jiǎn)述平臺(tái)水平力計(jì)算方法，過程如下：

(1)周期T1取煙囪外筒第一振型周期T1=2.5 s；

(2)時(shí)程函數(shù)項(xiàng)中的振幅計(jì)算(振幅即振動(dòng)加速度的幅值)：

式中：a為加速度幅值；ω為角速度，ω=2π/T1；x水平位移值，取外筒僅在風(fēng)荷載作用下計(jì)算點(diǎn)的位移，本工程x=30 m。

(3)運(yùn)用牛頓第二定律可求出制晃點(diǎn)的水平力(見圖1)。

圖1　制晃點(diǎn)水平力計(jì)算模型示例

m為鋼內(nèi)筒質(zhì)量。以175.5 m制晃計(jì)算為例，單根內(nèi)筒(47 m長(zhǎng))荷重為500 kN，在175.5 m支座處荷重為：

175.5m處水平力為：

平臺(tái)布置由3根成120°角的主梁加次梁組成，設(shè)計(jì)時(shí)考慮上述水平力由2點(diǎn)承受，每個(gè)點(diǎn)水平力為：23.3 kN。當(dāng)然要考慮該水平力可能沿任何方向，所以計(jì)算時(shí)要根據(jù)梁系布置考慮不同的典型的受力方向。同理，計(jì)算出139.15 m等支承平臺(tái)處的水平力后，施加于懸掛在支承平臺(tái)上的制晃平臺(tái)上。

4.2整體懸掛平臺(tái)的計(jì)算模型簡(jiǎn)化

對(duì)于整體懸掛式煙囪平臺(tái)水平力的計(jì)算，可把內(nèi)筒簡(jiǎn)化為一連續(xù)梁，懸掛平臺(tái)和制晃平臺(tái)處為鉸支座。通過輸入水平位移得到的支座反力即為各平臺(tái)的水平力。水平位移為對(duì)應(yīng)高度的外筒位移。簡(jiǎn)化模型見圖2。

5　考慮施工的設(shè)計(jì)建議

根據(jù)多個(gè)項(xiàng)目的施工現(xiàn)場(chǎng)反饋信息，考慮施工情況的設(shè)計(jì)建議如下：

(1)屋面落水管不用通長(zhǎng)設(shè)置，可以考慮直接在屋面下方3 m左右的位置，在煙囪外筒壁上預(yù)留2～3根排水鋼管。后期與屋面落水管連接從頂部排出屋面積水即可。

圖2　整體懸掛內(nèi)筒計(jì)算模型

(2)煙囪屋面的防水和保溫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)沒有必要達(dá)到常規(guī)建筑屋面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，保溫可不考慮，防水設(shè)計(jì)可盡量簡(jiǎn)單且易于施工。

(3)煙囪內(nèi)筒與各層鋼平臺(tái)鋼梁之間的間隙富裕度一定要充足，給施工誤差預(yù)留一定的空間。

(4)施工的提模標(biāo)準(zhǔn)模板一般由原來的1.25 m調(diào)整為現(xiàn)階段的1.50 m。煙囪外筒頂部航空色標(biāo)的高度盡量按照1.5 m的模數(shù)設(shè)計(jì)，這樣也便于在施工外筒提模的同時(shí)就完成色標(biāo)的涂刷。

(5)內(nèi)部爬梯的踏步板和中間休息平臺(tái)板為了使人上爬時(shí)減少恐懼感，盡量不采用鏤空的格柵踏步板和平臺(tái)板，最好用花紋鋼板。

參考文獻(xiàn)：

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[6]ACI 307-98，Design and Construction of Reinforced Concrete Chimneys(ACI 307-98)Reported by ACI Committee 307[S]．

Chimney Design for Fossil-fired Power Plants

GONG Jie-fu
(Sichuan Electric Power Design & Consulting Co., Ltd., Chengdu 610016, China)

Abstract:The chimney is an important structure in fossil-fired power plant; the technical and economic indicators of the chimney design are higher. As the environmental protection requirements are getting higher, the height of the chimney continues to increase. Single tube reinforced concrete chimney reduces application ,and the tube-in-tube and multi-flue reinforced concrete chimney is currently the most widely used chimney type. In this paper, a brief analysis and discussion on the design methods and precautions of the tube-in-tube and multi-flue reinforced concrete chimney is made.

Key words:tube-in-tube and multi-flue reinforced concrete chimney,preservation,conceptual design,wind tunnel,opening handling,calculation model simplification.

中圖分類號(hào)：TM621

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-9913(2016)01-0049-04

* 收稿日期：2015-09-15

作者簡(jiǎn)介：龔節(jié)福(1983- )，男，工程師，主要從事火力發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。