節能型湍流管柵脫硫提效裝置的有限元分析

趙怡凡

摘 要：為適應燃煤電廠二氧化硫超低排放標準，大唐環境產業集團股份有限公司自主研發了用于濕法脫硫提效的節能型湍流管柵高效脫硫技術。該文采用ANSYS有限元分析軟件對湍流管柵提效裝置模塊進行應力分析，通過研究不同形式單元模塊在不同工況下的載荷情況及應力分布，對模塊設計方案進行可行性驗證。

關鍵詞：燃煤電廠 脫硫 超低排放 有限元分析 湍流管柵裝置

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（b）-0080-04

燃煤電廠超低排放標準的提出，使得目前應用最為廣泛的石灰石—石膏濕法脫硫技術面臨改進升級的需要[1-2]，在此背景下，大唐環境產業集團股份有限公司自主研發了一種可滿足超低排放要求的節能型湍流管柵脫硫除塵協同控制技術，該技術的核心設備為湍流管柵裝置，具有增強塔內氣液傳質效率、提高脫硫效率的優點。為便于安裝及檢修維護，湍流管柵裝置采用模塊化標準設計，為保證模塊設計的整體穩定性，該文利用ANSYS有限元分析軟件對湍流管柵裝置模塊進行應力分析，研究單元模塊在不同工況下的載荷情況及應力分布，并對模塊材料使用量進行優化。

1 分析方法及工具

1.1 有限元分析

有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件，從而得到問題的解。由于有限元計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段[4-5]。

其中，靜態分析是指利用有限元分析方法主要用于求解外部載荷引起的位移、應力和力，適用于求解慣性及阻尼的時間相關作用對結構響應的影響不顯著的問題。在該研究中使用靜態分析方法研究不同工況下湍流裝置模塊的應力分布、應變以及支點荷載情況。

1.2 ANSYS軟件

該次分析采用通用有限元計算軟件ANSYS，ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的集結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析（FEA）軟件。在核工業、鐵道、石油化工、航空航天等諸多領域有著廣泛應用[6]。ANSYS功能強大、操作簡單方便，現在已成為國際最流行的有限元分析軟件。目前，中國100多所理工院校采用ANSYS軟件進行有限元分析或者作為標準教學軟件。

2 湍流管柵裝置模塊有限元分析

2.1 幾何模型構建

湍流管柵裝置模塊由活動管、固定管、支撐板及加強板構成，根據實際結構尺寸構建幾何模型如圖1所示。固定管件及活動管件分上下2層，錯位排列。鋼管外徑65 mm，端板、支撐板及加強板厚5 mm，裝置兩端的支撐板架在支撐梁上，用壓板固定，搭接寬度40 mm。模塊材料選用Q235b，材料屬性如表1所示。

2.2 有限元分析

該次分析采用單元SHELL181對湍流管柵裝置模塊的各個部件進行網格劃分，對鋼管及端板等分別設置不同的實常數，生成有限元模型如圖2所示。

根據模塊實際支撐結構有限元計算模型進行約束設置，分別在兩側支撐板40 mm的邊緣區域的平面設置Z向約束，模塊一端支撐板的邊線設置Y向約束，分別在兩側支撐板中心位置設置X向約束如圖3所示。

湍流管柵裝置模塊所受載荷包括重力荷載、溫度載荷、差壓載荷、活荷載及檢修荷載。為便于計算，假設重力加速度恒定為g=9.8 m/s2，設計溫度80 ℃，裝置模塊運行時下部壓力比上部高800 Pa，裝置運行時全部管道承受650 kg/m2的均布荷載，裝置檢修時上層管道承受400 kg/m2的檢修載荷。

根據模塊的實際運行情況，對下面3種工況進行分析：在冷態安裝工況下，模塊僅承受重力荷載；在熱態運行工況下，模塊承受重力、溫度、壓力及活荷載；在檢修工況下，模塊承受重力及檢修荷載。

2.3 分析結果

按照工程常用管件規格，該文分別研究了鋼管壁厚2 .0 mm、2.5 mm時模塊的應力分布情況，

2.3.1 冷態安裝工況

如圖4所示，壁厚2.5 mm時，總體應力基本在4 MPa以下，最大應力9.35 MPa，滿足強度的要求；壁厚2.0 mm時，總體應力基本在3.5 MPa以下，最大應力7.78 MPa，滿足強度的要求。壁厚2.5 mm及2.0 mm時模塊Z向最大位移分別為0.108 mm和0.105 mm，均位于下層管件的中間部位，如圖5所示。

因模塊質量的減少，壁厚2.0 mm時模塊的應力水平及整體撓度都有所下降。

2.3.2 熱態運行工況

壁厚2.5 mm時，總體應力基本在80 MPa以下，最大應力為178 MPa；壁厚2.0 mm時，總體應力基本在82 MPa以下，最大應力為183 MPa。如圖6所示，兩種情況下最大應力均位于支撐板與端板連接的不連續處，其成分主要是峰值應力，按3倍的許用應力評價，均滿足強度的要求。如圖7所示，壁厚2.5 mm及2.0 mm時模塊的Z向最大位移分別為2.122 mm和2.554 mm，均位于下層管件的中間部位，整體撓度水平均滿足要求。

壁厚2.0 mm時，模塊的整體應力水平及撓度較壁厚2.5 mm時均有所上升。

2.3.3 檢修工況

壁厚2.5 mm，總體應力基本在117 MPa以下，最大應力為263 MPa；壁厚2.0 mm，總體應力基本在121 MPa以下，最大應力為272 MPa。如圖8所示，兩種情況下最大應力均位于支撐板與端板連接的不連續處，其成分主要是峰值應力，按3倍許用應力評價均滿足強度要求。如圖9所示，壁厚2.5 mm及2.0 mm時模塊的Z向最大位移分別為3.303 mm和3.902 mm，均位于下層管件的中間部位，整體撓度水平均滿足要求。

壁厚2.0 mm時，模塊的整體應力水平及撓度較壁厚2.5 mm時均有所上升。

3 結語

比較管件壁厚為2.0 mm及管件壁厚為2.5 mm兩種情況下標準模塊的分析結果，可以得出模塊在管件壁厚為2.5 mm及管件壁厚為2.0 mm時的應力水平及撓度均滿足要求，故實際設計可按壁厚2.0 mm進行，以節省材料費用及減少支座反力。

參考文獻

[1] 徐寶東.煙氣脫硫工藝手冊[M].北京：化學工業出版社，2012.

[2] 滕斌，段成杰，楊鳳嶺，等.燃煤電廠濕法煙氣脫硫裝置的腐蝕及防腐問題[J].中國電機工程學報，2005，25（25）：319-323.

[3] 大唐科技產業集團公司自主開發環保新技術通過鑒定[J].中國電業：技術版，2015（4）：32.

[4] 王瑞，陳海霞，王廣峰.ANSYS有限元網格劃分淺析[J].天津工業大學學報，2002，21（4）：8-11.

[5] 劉力，李明萬，賈糧棉.基于ANSYS的有限元分析在工程中的應用[J].黃石理工學院學報，2007，23（5）：31-35.

[6] 藍宇，張連杰.大型有限元分析軟件ANSYS[J].應用科技，2000，27（6）：11-15.