脫硫塔載荷有限元分析與理論計(jì)算比較

李旭朋

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司 化工事業(yè)部， 北京 100038)

脫硫塔載荷有限元分析與理論計(jì)算比較

李旭朋

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司 化工事業(yè)部， 北京 100038)

應(yīng)用ANSYS有限元軟件和SW6軟件對脫硫吸收塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，在不同載荷作用下得到結(jié)果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)地震載荷以均勻的水平加速度施加的加載方式的有限元計(jì)算結(jié)果與常規(guī)計(jì)算相對誤差較大。

脫硫吸收塔； 有限元分析； 地震載荷

0 前言

二氧化硫是煤燃燒的直接產(chǎn)物，它的大量排放，導(dǎo)致降雨酸化，腐蝕植被、森林和建筑物，破壞人類的生存環(huán)境。控制燃煤電廠二氧化硫排放，減少酸雨發(fā)生，是環(huán)境保護(hù)的重要任務(wù)之一。煙氣脫硫是降低煤燃燒所產(chǎn)生主要污染物二氧化硫的重要措施。目前，我國的火力發(fā)電廠以濕法煙氣脫硫?yàn)橹?。吸收塔是濕法脫硫系統(tǒng)的核心設(shè)備，因此對其合理設(shè)計(jì)及優(yōu)化在工程中十分重要。

脫硫吸收塔為大型薄壁鋼制圓筒形結(jié)構(gòu)，煙氣的進(jìn)、出口煙道開孔率較大，內(nèi)部有多層的噴淋和除霧裝置且設(shè)有支撐梁，設(shè)備尺寸大，負(fù)荷范圍寬且種類多，防腐要求高，結(jié)構(gòu)形式特殊且復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)分析中存在很多值得研究的技術(shù)難題。對于該類脫硫吸收塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目前尚無現(xiàn)成完全適用的設(shè)計(jì)規(guī)范可循，在很大程度上依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，缺乏必要的理論分析和指導(dǎo)，這對設(shè)備結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)穩(wěn)定運(yùn)行以及經(jīng)濟(jì)性是不利的。

近年來，隨著有限元計(jì)算軟件的應(yīng)用越來越廣泛，許多工程應(yīng)用中的脫硫吸收塔設(shè)計(jì)都基于有限元計(jì)算。由于吸收塔結(jié)構(gòu)的上述的特殊性，在對吸收塔進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，需要用梁、殼單元相結(jié)合的方法進(jìn)行分析模擬。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，所考慮的載荷主要有內(nèi)壓，風(fēng)載荷和地震載荷。為了確定吸收塔有限元計(jì)算在工程實(shí)際應(yīng)用中的可靠性，本文對各種載荷加載方法的有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行研究。

1 有限元計(jì)算與常規(guī)計(jì)算對比研究

以下對簡化模型的不同加載方式的有限元計(jì)算結(jié)果與常規(guī)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比。對比分析模型的計(jì)算條件為：塔體內(nèi)徑：1000 mm，壁厚10 mm，筒體長度6000 mm；裙座內(nèi)徑1000 mm，壁厚10 mm，長度1000 mm；上下均為球形封頭，壁厚10 mm。材料密度按7850 kg/m3，彈性模量2×105MPa，泊松比0.3；內(nèi)壓0.1 MPa；基本風(fēng)壓500 Pa，地震烈度7度，場地土類型Ⅱ，場地土粗糙度類別B。有限元計(jì)算采用ANSYS軟件，選用殼單元shell63，根據(jù)載荷的對稱性建立圖1所示有限元計(jì)算模型。對塔底做全約束，對稱面施加對稱約束。網(wǎng)格剖分圖見圖2，共剖分5625個(gè)單元。

圖1 有限元計(jì)算模型

圖2 網(wǎng)格剖分圖

1.1 載荷處理

由于SW6- 1998考慮附件質(zhì)量計(jì)算系數(shù)為1.2，為此有限元計(jì)算中材料密度乘以1.2倍。

風(fēng)載荷：風(fēng)壓利用表面效應(yīng)單元施加，但乘以系數(shù)1.19(即體型系數(shù)K1=0.7，由于H<20 m，風(fēng)振系數(shù)K2取1.7，K1×K2=0.7×1.7=1.19)

地震載荷：阻尼比取為0.01，則阻尼調(diào)整系數(shù)為1.519。地震烈度為7度(0.1 g)，地震影響系數(shù)最大值為0.08，由于塔的一階自振周期為0.07 s，可算得地震影響系數(shù)為0.096，塔體從上到下，地震載荷按均勻的水平加速度0.096 g施加。

自重：施加豎直方向的重力加速度g。

各種載荷的加載如圖3所示。

圖3 各種載荷的加載

1.2 計(jì)算結(jié)果

1.2.1 內(nèi)壓

內(nèi)壓作用下計(jì)算結(jié)果如圖4所示，遠(yuǎn)離連接邊界區(qū)，塔體環(huán)向應(yīng)力為5 MPa，軸向應(yīng)力為2.5 MPa。

1.2.2 風(fēng)載荷

風(fēng)載荷作用下計(jì)算結(jié)果如圖5所示，由于塔體筒體與封頭連接區(qū)存在邊緣應(yīng)力，此處僅考察裙座底部的軸向壓應(yīng)力，為2.81 MPa。

1.2.3 地震載荷

地震載荷作用下的計(jì)算結(jié)果如圖6所示，僅考察裙座底部的軸向壓應(yīng)力，為1.60 MPa。

1.2.4 自重、內(nèi)壓、風(fēng)載荷共同作用

自重、內(nèi)壓、風(fēng)載荷共同作用下計(jì)算結(jié)果如圖7所示，軸向拉應(yīng)力筒體與下封頭連接區(qū)最大，為4.61 MPa。

1.2.5 自重、風(fēng)載荷共同作用

自重、風(fēng)載荷共同作用下計(jì)算結(jié)果如圖8所示，僅考察裙座底部的軸向壓應(yīng)力，為3.87 MPa。

1.3 結(jié)果比較

針對以上ANSYS分析的各個(gè)工況與SW6- 1998常規(guī)計(jì)算結(jié)果做對比，如表1所示。

圖4 內(nèi)壓作用下的應(yīng)力云圖

圖5 風(fēng)載荷作用下軸向應(yīng)力云圖

從表1中可以看出，內(nèi)壓和風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果誤差較小，適合工程實(shí)際應(yīng)用；地震載荷以均勻的水平加速度施加的加載方式的有限元計(jì)算結(jié)果與常規(guī)計(jì)算相對誤差較大，不適合工程實(shí)際應(yīng)用，地震載荷按分段加速度的方法施加所得結(jié)果比整體施加均勻加速度的方法結(jié)果相對誤差要小。

圖6 地震載荷作用下軸向應(yīng)力云圖

圖7 自重、內(nèi)壓、風(fēng)載荷共同作用軸向應(yīng)力云圖

圖8 自重、風(fēng)載荷共同作用軸向應(yīng)力云圖

表1 有限元計(jì)算結(jié)果與SW6- 1998的比較

注：由于SW6計(jì)算應(yīng)力時(shí)考慮了鋼板負(fù)偏差0.8 mm，即鋼板有效厚度為9.2 mm，而有限元計(jì)算壁厚為10 mm，故對有限元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了修正。

Applying Loads Compared Between Finite Element Analysis and Theoretic Calculation of FGD Absorbing Tower

LI Xu-peng

The structure of the flue gas desulfuration absorbing tower is analyzed by means of finite element method analysis software ANSYS and compared with results from SW6 software. It is found that finite element method calculation results with conventional seismic load loading applied in a uniform horizontal acceleration of the relative error is large.

flue gas desulfuration absorbing tower； finite element analysis； seismic loads

2015-01-02

李旭朋(1982-)，男，河北保定人，工程師，工學(xué)碩士，主要從事硫酸設(shè)備及脫硫設(shè)備的設(shè)計(jì)工作。

X701.3

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1003-8884(2015)02-0019-04