火電廠臨時窄基塔架鋼煙囪設計

李文峰（安徽省電力設計院，安徽 合肥 230601）

火電廠臨時窄基塔架鋼煙囪設計

李文峰（安徽省電力設計院，安徽 合肥 230601）

隨著環保越來越受到重視，國內很多電廠對煙氣采用了濕法脫硫處理，煙囪尾氣為具有強腐蝕性的濕煙氣，由于早期設計中沒有較多的經驗參考，造成很多煙囪出現腐蝕損壞甚至倒塌。部分電廠在原煙囪出現嚴重損壞后，綜合考慮，采用就近新建臨時塔架煙囪的改造方式，這種臨時煙囪具有塔基根開小、施工工期緊等特點。文章通過有限元整體計算方法，分析出煙囪的受力特點和構造注意事項，為今后相似類型煙囪的設計提供參考。

塔架；內筒；耦合；濕法脫硫

1 工程概況

合肥某熱電廠原設計為鋼筋砼單套筒煙囪，內筒為耐酸鋼內涂玻璃鱗片防腐，尾氣經過濕法脫硫，煙囪內煙氣為典型的濕煙氣，具有極強的腐蝕性。煙囪運行約3年后，出現排煙內筒內涂玻璃鱗片起皮脫落現象，運行6年后出現內筒耐酸鋼板大面積腐蝕穿孔問題，經過評估，原煙囪已經無法再滿足運行需要。綜合考慮，在原煙囪東側新建一座相同排煙直徑、高度的臨時運行煙囪。由于該熱電廠對片區供熱意義重大，建設方對工期要求嚴格，且擴建場地也十分有限，綜合考慮，最終選取塔架煙囪方案。

排煙筒高度120.00m，塔架高度116.00m，排煙筒出口直徑4.00m，基本風壓0.35kN/m2，地面粗糙度B類，抗震設防烈度為7度（0.10g），設計地震分組為第一組，場地類別Ⅱ類。

2 塔架煙囪模型及計算

2.1 結構布置

塔架煙囪一般分為三角形和方形結構，合理的根開跨度宜為總高度的1/8～1/4，常規設計中，根開一般選取總高的 1/6～1/4，但本工程由于受場地限制，最終方案選取塔架為方形結構形式，根開取為總高的1/8，即 15.00m。塔架頂部寬度 6.00m，塔架主材采用風載體型系數較小的無縫鋼管或螺旋焊管，最大尺寸為φ530×12，最小尺寸為φ180×8，材質為Q345B或Q235B。考慮本次新建煙囪為臨時用，綜合造價考慮，內筒仍采用耐酸鋼內襯玻璃鱗片，內筒材質力學性能同 Q235B鋼，壁厚自底向上由 14mm遞減為10mm。內筒自立支承于±0.000m，上部每隔一定距離在塔架上設置導向支撐。

綜合考慮結構和使用要求，塔架共分為23層，每層高度自下而上分別由 6m遞減為 3m（布置如圖1）。每隔2～3層設置一道橫隔（型式如圖2），以保證結構的抗扭剛度，并作為內筒的橫向支撐平臺和檢修平臺。四邊形塔架四面結構形式相同，底部兩層采用再分式人字撐，便于煙道接入，其余各層均采用普通人字撐，斜撐與塔柱間夾角保持在40°～50°之間。

圖1 塔架布置圖

圖2 橫隔布置圖

2.2 有限元模型

塔架煙囪常規的分析方式有兩種：一是分離式建模計算，即將塔架與內筒單獨分析，在塔架分析時，排煙內筒作為設備，將其所受風荷載作用于塔架上，在導向支撐處設置質量源，計算塔架的受力特征，后將塔架的位移荷載施加于內筒上，分析內筒受力；二是整體式建模計算，即將塔架與內筒整體分析，在導向支撐處，將塔架與內筒的水平位移自由度耦合。

兩種分析方式中，第二種更接近真實受力情況，第一種忽略了內筒對整體模型的剛度影響，進而影響結構風荷載和地震作用計算，且內筒自身的自振周期由于受邊界條件的影響也會有所不同，進而影響內筒對塔架的風荷載和地震作用的添加。有論文對兩種模型分析結果進行對比，結果顯示第一種模型更偏于保守，但由于選取的工程具有特定的結構周期和特征周期，其結論不具備通用性。

本文采用midas gen 有限元軟件對塔架煙囪采用整體建模分析，塔柱各拼接點考慮為剛性連接，橫梁及支撐端部考慮為鉸接點，內筒采用桿單元建模，在導向平臺處，將內筒節點與塔架節點耦合水平方向自由度。

圖3 塔架煙囪整體模型

2.3 荷載取值及加載

塔架煙囪主要受恒載、檢修活載、風載、地震作用等。其中恒載與檢修活載為常規荷載，按《煙囪設計規范》添加，值得提出的是，由于建模中，一般不考慮塔架節點板、內筒加勁肋等模型細節的輸入，為保證結構模型的真實有效性，采用增加材質密度的方式進行模擬。

對風載，需要考慮0°與45°兩個方向施加，風荷載計算時，需要考慮體形系數及順風向風振問題，根據《煙囪設計規范》規定，塔架式煙囪可分別計算塔架與內筒的風荷載。對風荷載體形系數，按《建筑結構荷載規范》進行計算選取，鋼管塔架需要根據各節的擋風系數分別計算各節的體形系數值，需要注意，在兩個方向風荷載添加時，應分別選取兩個方向的擋風系數進行計算，另外，還需要考慮節點連接板及爬梯等附加件對風荷載的影響；對風載順風向風振系數，需要根據計算模型的自振周期進行核算，在結構構件優化的過程中，風荷載均應進行相應調整。

地震作用采用地震分解反應譜法計算，分析中選取前15階陣型，其平動陣型參與質量比為91%，滿足結構設計要求，其前兩階單向平動模態和第一階扭轉模態如下圖所示。

圖4.1 第一階平動模態

圖4.2 第二階平動模態

圖4.3 第一階扭轉模態

圖4.4 第三階平動模態

3 塔架煙囪設計

3.1 結果分析及構件設計特點

從位移結果看，0°風載作用引起的塔頂最大位移為 312mm，45°風載作用引起的塔頂最大位移為383mm，單向地震作用引起的塔頂最大位移為22mm，從分析結果看，塔架的抗側剛度能夠滿足規范要求不大于塔高1/100的要求。

從內力結果看，塔架主要控制荷載為風荷載，對本工程而言，其引起的塔柱底部軸力約為地震荷載的10倍左右，因此，風荷載的輸入至關重要。對0°風載和45°風載進行比較，結果顯示45°風載引起的塔柱內力約為 0°風載的 2倍，對方形布置塔架，45°風載起控制內力作用，分析引起此現象的原因，主要是45°風向下，風荷載作用相對較大，且由0°風向的4根塔柱轉變為45°風向的2根塔柱來抵抗傾覆彎矩。

從構件內力來看，橫桿及斜腹桿內力較小，其截面主要為長細比控制；對塔柱桿件，其底部受力較大，為強度控制，頂部內力較小，為長細比控制。因此，對塔柱而言，底部強度控制區域宜采用屈服強度更高的Q345B鋼，而其余構件采用Q235B鋼。

3.2 細節構造設計

鑒于工期要求嚴格，為加快施工方施工進度，本工程未考慮采用相貫線連接，而采用節點板連接設計。塔架結構中，塔柱的計算長度取為橫桿間長度，為防止鋼管塔柱構件斜平面失穩，理論上應每層均設置橫隔，但試驗結構表明一般每隔2～3層設置一道橫隔可以保證結構安全。采用相貫線連接，其節點處抗彎剛度較好，進而能有效阻止塔柱在斜平面發生失穩問題，而采用節點板連接，其剛性較差，增加了鋼管塔柱斜平面失穩的風險，為解決這一問題，在設計時，同層橫梁間設置加勁肋，增強節點的剛度，從一定程度上保證了結構的安全裕度。

在設計中，還應注意塔架桿件防振措施，控制構件的臨界風速不小于15m/s，以降低微風風振的發生概率。

內筒在塔架橫隔處與橫隔桿件連接，其連接點需保證二者間的水平向隨動和垂直向獨立，還應注意內筒在溫度升高時的膨脹問題，另外在節點設計時，為減緩內筒應力集中，連接點處在內筒上設置剛性環，如圖5所示。

4 結 語

本工程目前已投運半年，使用性能良好，結構安全可靠，證明了采用有限元進行火電廠塔架煙囪整體分析的有效性。

對小型火力發電廠改造的臨時煙囪，采用塔架煙囪結構形式，造價適中，工期較短，對于場地有局限性的工程，采用窄基塔架也不會造成明顯的費用升高，其方案具有優勢。

塔架煙囪設計時，橫桿和斜桿受力較小，可以進行一定程度的優化。本工程考慮工期原因，塔架與排煙筒同時施工，內筒按照自立式設計，如工期寬松，可以考慮采用內筒吊裝在塔架上的懸吊式方式，這種設計會造成塔架工程量的增加，但可以較大的節省排煙筒工程量，在今后可以進行兩種方案的比選研究。

圖5 止晃點平面詳圖

［1］GB50051-2012，煙囪設計規范［S］.

［2］牛春良.煙囪設計手冊［M］.北京：中國計劃出版社，2014.

［3］王肇民，馬人樂.塔式結構［M］.北京：科學出版社，2004.

［4］馬濤，李瀟瀟，陳健，靳小虎.電廠煙囪防腐改造中臨時煙囪設計［J］.武漢大學學報（工學版），2012（S1）.

TU761.2

B

1007-7359（2016）02-0185-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.065

李文峰（1987-），男，安徽合肥人，畢業于武漢大學，碩士；工程師，主要從事電廠結構設計工作。