脫硫塔頂部放置濕式電除塵器的ANSYS分析

夏懷鵬，汪洋，趙冰

(中國華電科工集團有限公司，北京 100160)

0 引言

濕式電除塵器是我公司近年來的研發(fā)成果之一，因其超低的排放量在燃煤電廠超低排放的煙氣治理改造工程中得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)的做法是將脫硫塔出來的煙氣通過煙道引入濕式電除塵器，經(jīng)過濕式電除塵器處理后再從煙囪排放。這種將脫硫塔和濕式電除塵器分開布置再加以煙道連接的做法，需要占用較大場地，給改造工程帶來了很大困難。若把濕式電除塵器布置在脫硫塔的頂部，脫硫處理后的煙氣可直接進入濕式電除塵器。該方法不但充分利用了高空的空間，解決了場地緊張的問題，而且節(jié)省了濕式電除塵器和連接煙道的支架和基礎(chǔ)，改善了煙氣的流場，進一步提高了脫硫效率。脫硫塔屬于薄壁類塔體結(jié)構(gòu)，塔壁上開設的煙氣出入口是塔體結(jié)構(gòu)的薄弱部位。在脫硫塔頂部加設濕式電除塵器形成了頭重腳輕的懸臂結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)主要受水平荷載的控制，屬于不規(guī)則結(jié)構(gòu)，對抗震極為不利[1]。

本文利用有限元軟件ANSYS進行了脫硫塔和濕式電除塵器一體化建模，按照實際結(jié)構(gòu)布置和荷載組成進行建模計算，對結(jié)構(gòu)進行了靜力分析、模態(tài)分析、時程分析和反應譜分析[2-3]。通過大量的計算，明確了該結(jié)構(gòu)在各種荷載組合工況下的受力性能和變形特點，并對此類結(jié)構(gòu)的設計提供了一些改進的建議。

1 有限元模型

本文利用ANSYS提供的shell181單元建立塔體的塔壁，利用beam188單元建立加勁肋和塔體內(nèi)部的噴淋主管、除霧器支撐梁、托盤支架以及塔體內(nèi)部的3層桁架等構(gòu)件。圖1是山東某電廠脫硫濕除一體化塔的有限元模型及內(nèi)部支撐構(gòu)件的放大圖，塔體底部根據(jù)實際布置的錨栓數(shù)量，約束相應數(shù)量節(jié)點各方向的自由度。

2 自振周期的確定及水平荷載計算

此類結(jié)構(gòu)的設計，首先需要計算結(jié)構(gòu)的自振周期。根據(jù)NB/T 47041—2014 《塔式容器》 采用分段法計算結(jié)構(gòu)的自振周期

T1=114.8×

(1)

式中：T1為結(jié)構(gòu)的第一自振周期， s；H是結(jié)構(gòu)總高度， mm；Hi為塔式容器頂部至第i段底截面的距離，mm；hi為第i段的高度，mm；mi為第i段的質(zhì)量，kg；Ei為第i段的彈性模量，MPa；n為塔高范圍內(nèi)的分段數(shù)。

根據(jù)式(1)對脫硫塔結(jié)構(gòu)的周期進行了計算，得出T1=0.353 s，根據(jù)有限元模型的計算結(jié)果，T1=0.686 s，兩者相差49%。這是由于規(guī)范給出的公式是一個近似的計算公式，不能準確地反映不規(guī)則結(jié)構(gòu)的周期特性，而有限元計算可以準確地得到結(jié)構(gòu)的周期及與自振周期有關(guān)的風荷載和地震荷載。

此類高聳結(jié)構(gòu)對水平荷載比較敏感，風荷載和地震荷載對結(jié)構(gòu)的受力影響很大。《塔式容器》給出了風荷載和地震荷載的計算公式，將結(jié)構(gòu)按高度范圍進行分段，并利用規(guī)范給出的參數(shù)和表格進行計算，可以得到每一段上風荷載的標準值；將此標準值作為面荷載施加在有限元模型上進行有限元分析；計算得到當量直徑和自振周期之后，可以根據(jù)規(guī)范給出的公式計算臨界風速，判斷是否發(fā)生共振。

在高烈度地震區(qū)，地震荷載對此類結(jié)構(gòu)的影響很大。根據(jù)分段情況，計算每一段的質(zhì)量和地震影響系數(shù)，按照規(guī)范中的公式可以得到每一段的地震力。由于地震力是沿同一個方向的，在給有限元模型施加地震力時，需要將地震力轉(zhuǎn)化為節(jié)點荷載施加到有限元模型上。

圖1 有限元模型

項目123456789最大變形/mm37.437.538.639.145.545.745.946.445.1最大應力/MPa55.058.962.068.270.169.370.670.557.3

3 結(jié)構(gòu)靜力分析

依據(jù)《塔式容器》，此類結(jié)構(gòu)采用的是容許應力法進行靜力分析，荷載采用標準組合，強度設計值采用的材料的許用應力。根據(jù)荷載作用的情況，進行荷載的組合。本文的計算考慮了9種組合：(1)恒荷載+X向風荷載；(2)恒荷載+Y向風荷載；(3)恒荷載+0.25X向風荷載+X向地震荷載；(4)恒荷載+0.25Y向風荷載+Y向地震荷載；(5)恒荷載+活荷載+X向風荷載；(6)恒荷載+活荷載+Y向風荷載；(7)恒荷載+活荷載+X向地震荷載+0.25X向風荷載；(8)恒荷載+活荷載+Y向地震荷載+0.25Y向風荷載；(9)恒荷載+活荷載+煙氣負壓。表1列出了9種荷載工況下結(jié)構(gòu)的最大變形和最大應力。

計算模型主要考慮塔體的整體受力，并未過多關(guān)注內(nèi)部支撐和出入口的構(gòu)造措施。因此，在各種荷載組合的情況下，最大的變形都出現(xiàn)在塔內(nèi)的桁架或噴淋管的部位(如圖2所示)。入口的壁板處也出現(xiàn)較大的變形，但這些變形在采取構(gòu)造措施后能得到有效的控制。

塔壁本身的整體變形大部分都在18 mm以下，變形很小，塔體的剛度滿足要求。但在塔壁和內(nèi)部桁架連接的地方出現(xiàn)了局部明顯的變形。實際設計時，需要在這些部位增設環(huán)梁，以消除局部變形。在垂直煙氣入口橫向荷載作用下，入口處存在扭轉(zhuǎn)的情況，此處結(jié)構(gòu)開口較大，結(jié)構(gòu)的剛度易發(fā)生突變，抗扭剛度不足，是該結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

從整體計算來看，各種荷載組合工況下，塔體結(jié)構(gòu)的主要應力分布都小于許用應力113 MPa。應力集中主要發(fā)生在塔體的變徑段的下部和煙氣入口的開口附近，但應力集中的部位的應力并沒有超過許用應力。所以塔體整體的強度滿足要求。實際設計時，需要對應力集中的部位采取構(gòu)造措施進行加強，消除局部的應力集中。

塔體在各種荷載組合下，整體是穩(wěn)定的，未出現(xiàn)局部失穩(wěn)的情況。實際設計時，通過構(gòu)造措施保證局部穩(wěn)定。另外，需要驗算一下塔體的軸向穩(wěn)定，確保滿足軸向穩(wěn)定的要求。

4 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是結(jié)構(gòu)承受動力荷載設計中的重要參數(shù)。同時模態(tài)分析也是其他動力學分析的基礎(chǔ)，如諧響應分析、瞬態(tài)動力學分析、譜分析等。

計算結(jié)構(gòu)的前20階模態(tài)(如圖3所示)：1階、6階為整體變形的模態(tài)；2～5階、7～19階是除霧器支撐梁、噴淋主管、托盤支撐梁、支撐梁和壁板一起變形的模態(tài)；20階模態(tài)是內(nèi)部3層桁架變形的模態(tài)。1階整體變形模態(tài)確定了結(jié)構(gòu)的基頻f1=1.458 75 Hz，由此可得周期T1=0.686 s。

圖2 工況7下應力和變形

圖3 結(jié)構(gòu)典型模態(tài)

5 時程分析

時程分析法屬于瞬態(tài)分析，是用于確定承受任意隨時間變化的荷載的結(jié)構(gòu)動力響應的一種方法。載荷和時間的相關(guān)性使得慣性力和阻尼作用比較顯著，因此使用時程分析進行計算。計算的時候需要提前確定加速度和阻尼比。GB 50011—2010《建筑結(jié)構(gòu)抗震設計規(guī)范》中規(guī)定：“正確選擇輸入的地震加速度時程曲線，要滿足地震動三要素的要求，即頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間要符合規(guī)定。”規(guī)范還規(guī)定，對結(jié)構(gòu)開展動力響應分析，至少要選擇3種地震波展開分析，且所選地震波的震級、震中距、震源機制、局部場地條件應與結(jié)構(gòu)所處的場地條件近似。因此，本節(jié)選取了3組實際記錄的地震波(如圖4所示)分別進行了X向地震、Y向地震、X-Z向地震、XYZ三向地震的計算。針對地震波對結(jié)構(gòu)的動力響應展開了分析，阻尼比參考了相關(guān)規(guī)范取為0.02[5-6]。

根據(jù)軟件計算分析的結(jié)果，應力集中的地方主要出現(xiàn)在塔體變徑的下段和煙氣入口附近。根據(jù)地震的不同來向，選取了兩個相反方向的節(jié)點14 785和17 300；在煙氣入口附近選取了節(jié)點44 577；在塔體頂部煙氣出口頂部中點位置選取了節(jié)點50 062。

圖4 時程分析選用的地震波

圖5 Taft Lincoln地震波作用下的時程分析

根據(jù)時程分析的結(jié)果，提取了這4個點的應力或位移數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行了梳理分析，得出節(jié)點的應力位移隨著時間變化的荷載下的響應。

經(jīng)過計算，得知在Taft Lincoln地震波作用下，考慮XYZ三向地震輸入，所選節(jié)點的內(nèi)力和位移都是最大的，如圖5所示。

6 振型分解反應譜分析

反應譜分析是一種將模態(tài)分析的結(jié)果與一個已知譜聯(lián)系起來計算結(jié)構(gòu)位移和應力的分析技術(shù)。它主要用于時間-歷程分析，以便確定結(jié)構(gòu)對隨機荷載，或隨時間變化荷載的動力響應情況(如地震，颶風等)。

所謂譜，是指譜值與頻率之間的關(guān)系圖，它反映了時間-歷程載荷的強度和頻率。譜分析通常有以下3種形式：響應譜、動力設計分析方法、功率譜密度。本文采用的是單點響應譜方法，對脫硫濕除一體化的塔體進行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)前20階的模態(tài)絕大多數(shù)都是局部變形的模態(tài)，整體變形的模態(tài)很少。在計算的模態(tài)數(shù)量較少的情況下，振型的質(zhì)量參與系數(shù)達不到規(guī)范要求的90%。所以，計算的模態(tài)數(shù)量越多，反應譜分析的結(jié)果顯示應力和變形越大。計算結(jié)果顯示，與時程分析的結(jié)果和靜力分析的結(jié)果相比，反應譜分析的結(jié)果普遍偏小。但是，幾種方法分析的結(jié)果都符合規(guī)范的要求，可以作為設計的參考依據(jù)。本次反應譜計算的云圖如圖6所示。

7 結(jié)論

由于懸臂結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)對水平荷載比較敏感，設計必須考慮水平荷載的組合。計算首先要確定結(jié)構(gòu)的自振周期(利用ANSYS電算的結(jié)果更為可靠)，進而根據(jù)電算周期進行風荷載和地震荷載的計算。

電算結(jié)果顯示塔體本身在壁厚選擇合理的情況下，整體的變形較小，強度和剛度都能滿足設計要求；最大的變形往往發(fā)生在塔體內(nèi)部的支撐梁上。需要根據(jù)規(guī)范的變形限值控制截面的設計。塔壁的開洞減弱了塔體的抗扭剛度，導致結(jié)構(gòu)在一些工況下會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象， 需要進行局部的加強。

塔壁屬于薄壁類構(gòu)件，對局部變形比較敏感，必須驗算軸向穩(wěn)定應力 。根據(jù)荷載的最不利組合工況下的最大應力和變形，調(diào)整塔壁的厚度和內(nèi)部桿件的截面，從而實現(xiàn)設計優(yōu)化，節(jié)省建造成本。