鍋爐煙風(fēng)管道設(shè)計(jì)優(yōu)化探析

王方明 王毅 張茂

摘 要：針對(duì)工程中多臺(tái)鍋爐共用的匯集煙道占地面積大，材料用量多，造價(jià)高的問題，優(yōu)化比選煙道道體及加固肋內(nèi)撐桿布置方案，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

關(guān)鍵詞：煙道壁厚；加固肋；內(nèi)撐桿；積灰載荷；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在火力發(fā)電廠鍋爐煙風(fēng)道設(shè)計(jì)是以《六道技規(guī)》做為指導(dǎo)規(guī)范，進(jìn)行壁厚選取到荷載計(jì)算直至確定加固肋和內(nèi)撐桿的規(guī)格。規(guī)范中推薦在1000t/h鍋爐及以下時(shí)采用圓形管道，在實(shí)際工程中是600MW及以上的大型火力發(fā)電廠考慮圓形煙氣管道的居多，1000t/h鍋爐及以下時(shí)采用的大部分是矩形管道。其原因是圓形煙風(fēng)道制作簡單，在大型機(jī)組煙道考慮防爆壓力時(shí)，圓形管道更容易實(shí)現(xiàn)，并在空氣動(dòng)力相同時(shí)，圓形煙道在金屬及保溫材料耗量上均小于矩形煙道。以2×600MW機(jī)組為例，使用圓形煙風(fēng)道機(jī)組比方形煙風(fēng)道節(jié)省鋼材量725t。

在小型火力發(fā)電廠鍋爐系統(tǒng)中，尤其是煤氣發(fā)電系統(tǒng)中，由于煙風(fēng)道要求低，鋼材重量在總投資中占比較少，很少引起重視，絕大部分是以矩形管道進(jìn)行設(shè)計(jì)。在東南亞的一些工程中，因?yàn)楫?dāng)?shù)氐幕炷羶r(jià)格高，所以多臺(tái)發(fā)電機(jī)組鍋爐的匯集煙道采用鋼制的居多，鍋爐總蒸發(fā)量達(dá)到或超過1000t/h鍋爐級(jí)以上，如果按照《六道技規(guī)》的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法，計(jì)算后的肋板重量比甚至超過1.5。另外，如果是脫硫后的煙氣管道或燃?xì)忮仩t煙氣管道，積灰高度按照附錄F取用也并不合理。計(jì)算出的結(jié)果，會(huì)產(chǎn)生加固肋用鋼型號(hào)過大，間距過小，有實(shí)際優(yōu)化的需要。針對(duì)以上大型截面煙風(fēng)道優(yōu)化，可以從3個(gè)方面考慮：管道壁厚與加固肋內(nèi)撐桿的綜合比較、優(yōu)化設(shè)置內(nèi)撐桿和優(yōu)化積灰荷載。

1 壁厚優(yōu)化

從壁厚的角度考慮，以增加管道壁厚來增加道體剛度和加固肋間距。由《配套計(jì)算方法》T3.1-4的加固肋間距計(jì)算公式可知，剛度條件和強(qiáng)度條件的加固肋的間距與道體厚度成正比，在振動(dòng)條件下加固肋間距與道體厚度的0.5次方成正比，所以道體壁厚增加會(huì)使得剛度值增加；另外，在增加壁厚的同時(shí)可以提高加固肋的最小斷面系數(shù)和斷面慣性矩，因此，可以合理地選擇道體壁厚可以有效降低加固肋規(guī)格。以某工程10.52m×7.7m煙道為例，以0.006m道體厚度和0.008m道體厚度對(duì)比強(qiáng)度校核計(jì)算：

Smax=55δ（[σ]t/∑q）0.5+50

剛度校核計(jì)算：

Smax=84δ（E/∑q）1/3+50

振動(dòng)校核計(jì)算：

Smax=116δ0.5E0.25+50

式中：

δ——道體厚度mm；

q——面板設(shè)計(jì)荷載kPa；

E——彈性模量GPa。

計(jì)算可知各壁厚對(duì)應(yīng)的加固肋見表1。

2 內(nèi)撐桿優(yōu)化

內(nèi)撐桿與加固肋配合可以進(jìn)一步有效地降低加固肋規(guī)格，做為減少加固肋跨度的有效手段，但內(nèi)撐桿的設(shè)置會(huì)增加煙風(fēng)道阻力，所以設(shè)置內(nèi)撐桿時(shí)既要降低煙風(fēng)道鋼材耗量，也要考慮道體阻力導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)電耗量。

由于圓形內(nèi)撐桿容易導(dǎo)致渦流產(chǎn)生，需要對(duì)內(nèi)撐桿進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化處理。在內(nèi)撐桿選擇上，如根據(jù)流場分析選用菱形或翼型內(nèi)撐桿時(shí)，內(nèi)撐桿對(duì)應(yīng)加固肋布置，煙風(fēng)在流經(jīng)此內(nèi)撐桿時(shí)不會(huì)產(chǎn)生渦流，由此也可以減少振動(dòng)降低噪聲，同時(shí)也會(huì)降低道體內(nèi)部流動(dòng)阻力，降低能源消耗。保持內(nèi)撐桿數(shù)量與圓形內(nèi)撐桿數(shù)量相同時(shí)，阻力可以降低40%。

在優(yōu)化阻力后，通過設(shè)置內(nèi)撐桿的形式，可進(jìn)一步減少加固肋跨距，降低加固肋截面，以10.52m×7.7m煙道道體為例，在內(nèi)部通過設(shè)置橫向鉸接內(nèi)撐桿，不需要如同十字內(nèi)撐桿一樣對(duì)每根內(nèi)撐桿都進(jìn)行連接，對(duì)降低內(nèi)撐桿的數(shù)量有明顯的作用。

按常規(guī)十字內(nèi)撐桿配合加固筋時(shí)本管件重量6.92t，按照橫向鉸接布置后，本管件重量為5.77t，降低了18.3%鋼材用量。

3 積灰荷載優(yōu)化

在煙道計(jì)算中荷載是其中的一個(gè)重要因素，主要由內(nèi)壓力、自重、保溫、積灰、雪載、風(fēng)載構(gòu)成，計(jì)算方法采用《六道技規(guī)》中的方法，其中積灰荷載屬于可優(yōu)化荷載，針對(duì)于附錄F的積灰荷載計(jì)算方法僅適合于燃煤鍋爐，并且隨著超低排放的實(shí)施，對(duì)脫硫塔前高效除塵器的要求日趨嚴(yán)格，煙氣高效除塵器后的含塵量已達(dá)到保證值20mg/Nm3，超低排放達(dá)到5 mg/Nm3。對(duì)于煤氣鍋爐出口煙氣含塵量極低基本處于5 mg/Nm3。根據(jù)20臺(tái)不同鋼廠實(shí)際使用10年以上的煤氣鍋爐的運(yùn)行情況來看，煙道最不利點(diǎn)積灰高度不足煙道高度的1/20；對(duì)10臺(tái)實(shí)際運(yùn)行使用5年的高效除塵器后燃煤鍋爐煙道進(jìn)行檢查，最不利點(diǎn)積灰高度不足煙道高度的1/10。

綜上所述，在煙道積灰荷載計(jì)算中，煤氣鍋爐煙道積灰高度按照1/20截面高度計(jì)算，燃煤鍋爐除塵器后的按照1/10截面高度計(jì)算是安全的。進(jìn)而通過降低積灰荷載可以減小加固肋的截面尺寸。同樣以工程中10.52m×7.7m脫硫前煙道為例，以1/6高度積灰荷載計(jì)算，積灰重量12.667kPa，根據(jù)強(qiáng)度條件：

Z=M/[σ]t

初選加固肋Z

對(duì)于現(xiàn)今采用超低排放標(biāo)準(zhǔn)的燃煤機(jī)組，在出口20mg/Nm3高效除塵器后的熱原煙道在計(jì)算積灰荷載時(shí)，可以按照積灰高度等于煙道1/10來考慮，在冷凈煙道或熱凈煙道上按照1/20高度計(jì)算灰荷載。

結(jié)語

綜上所述，在進(jìn)行大截面的煙風(fēng)道計(jì)算時(shí)，通過道體壁厚優(yōu)化、內(nèi)撐桿優(yōu)化、積灰荷載優(yōu)化后來計(jì)算道體的內(nèi)撐桿和加固肋，在保證了同樣安全的情況下，可以有效地降低道體鋼材用量，進(jìn)而節(jié)約安裝及土建成本。

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