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(tuán)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(yīng)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(jìn)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(jìn)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(shè)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(shè)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(duì)抗震極為不利[1]。

本文利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行了脫硫塔和濕式電除塵器一體化建模，按照實(shí)際結(jié)構(gòu)布置和荷載組成進(jìn)行建模計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析、模態(tài)分析、時(shí)程分析和反應(yīng)譜分析[2-3]。通過大量的計(jì)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(diǎn)，并對(duì)此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一些改進(jìn)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(shí)際布置的錨栓數(shù)量，約束相應(yīng)數(shù)量節(jié)點(diǎn)各方向的自由度。

2 自振周期的確定及水平荷載計(jì)算

此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，首先需要計(jì)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(jì)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(duì)脫硫塔結(jié)構(gòu)的周期進(jìn)行了計(jì)算，得出T1=0.353 s，根據(jù)有限元模型的計(jì)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(gè)近似的計(jì)算公式，不能準(zhǔn)確地反映不規(guī)則結(jié)構(gòu)的周期特性，而有限元計(jì)算可以準(zhǔn)確地得到結(jié)構(gòu)的周期及與自振周期有關(guān)的風(fēng)荷載和地震荷載。

此類高聳結(jié)構(gòu)對(duì)水平荷載比較敏感，風(fēng)荷載和地震荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響很大?！端饺萜鳌方o出了風(fēng)荷載和地震荷載的計(jì)算公式，將結(jié)構(gòu)按高度范圍進(jìn)行分段，并利用規(guī)范給出的參數(shù)和表格進(jìn)行計(jì)算，可以得到每一段上風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值；將此標(biāo)準(zhǔn)值作為面荷載施加在有限元模型上進(jìn)行有限元分析；計(jì)算得到當(dāng)量直徑和自振周期之后，可以根據(jù)規(guī)范給出的公式計(jì)算臨界風(fēng)速，判斷是否發(fā)生共振。

在高烈度地震區(qū)，地震荷載對(duì)此類結(jié)構(gòu)的影響很大。根據(jù)分段情況，計(jì)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(gè)方向的，在給有限元模型施加地震力時(shí)，需要將地震力轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載施加到有限元模型上。

圖1 有限元模型

項(xiàng)目123456789最大變形/mm37.437.538.639.145.545.745.946.445.1最大應(yīng)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(yīng)力法進(jìn)行靜力分析，荷載采用標(biāo)準(zhǔn)組合，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值采用的材料的許用應(yīng)力。根據(jù)荷載作用的情況，進(jìn)行荷載的組合。本文的計(jì)算考慮了9種組合：(1)恒荷載+X向風(fēng)荷載；(2)恒荷載+Y向風(fēng)荷載；(3)恒荷載+0.25X向風(fēng)荷載+X向地震荷載；(4)恒荷載+0.25Y向風(fēng)荷載+Y向地震荷載；(5)恒荷載+活荷載+X向風(fēng)荷載；(6)恒荷載+活荷載+Y向風(fēng)荷載；(7)恒荷載+活荷載+X向地震荷載+0.25X向風(fēng)荷載；(8)恒荷載+活荷載+Y向地震荷載+0.25Y向風(fēng)荷載；(9)恒荷載+活荷載+煙氣負(fù)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(yīng)力。

計(jì)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(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需要在這些部位增設(shè)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(jì)算來看，各種荷載組合工況下，塔體結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)力分布都小于許用應(yīng)力113 MPa。應(yīng)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(yīng)力集中的部位的應(yīng)力并沒有超過許用應(yīng)力。所以塔體整體的強(qiáng)度滿足要求。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)應(yīng)力集中的部位采取構(gòu)造措施進(jìn)行加強(qiáng)，消除局部的應(yīng)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(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，通過構(gòu)造措施保證局部穩(wěn)定。另外，需要驗(yàn)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(dòng)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(dòng)力荷載設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。同時(shí)模態(tài)分析也是其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，如諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、譜分析等。

計(jì)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(yīng)力和變形

圖3 結(jié)構(gòu)典型模態(tài)

5 時(shí)程分析

時(shí)程分析法屬于瞬態(tài)分析，是用于確定承受任意隨時(shí)間變化的荷載的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的一種方法。載荷和時(shí)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(shí)程分析進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算的時(shí)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(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：“正確選擇輸入的地震加速度時(shí)程曲線，要滿足地震動(dòng)三要素的要求，即頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間要符合規(guī)定?！币?guī)范還規(guī)定，對(duì)結(jié)構(gòu)開展動(dòng)力響應(yīng)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(jí)、震中距、震源機(jī)制、局部場地條件應(yīng)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(shí)際記錄的地震波(如圖4所示)分別進(jìn)行了X向地震、Y向地震、X-Z向地震、XYZ三向地震的計(jì)算。針對(duì)地震波對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)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(jì)算分析的結(jié)果，應(yīng)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(gè)相反方向的節(jié)點(diǎn)14 785和17 300；在煙氣入口附近選取了節(jié)點(diǎn)44 577；在塔體頂部煙氣出口頂部中點(diǎn)位置選取了節(jié)點(diǎn)50 062。

圖4 時(shí)程分析選用的地震波

圖5 Taft Lincoln地震波作用下的時(shí)程分析

根據(jù)時(shí)程分析的結(jié)果，提取了這4個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力或位移數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了梳理分析，得出節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力位移隨著時(shí)間變化的荷載下的響應(yīng)。

經(jīng)過計(jì)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(diǎn)的內(nèi)力和位移都是最大的，如圖5所示。

6 振型分解反應(yīng)譜分析

反應(yīng)譜分析是一種將模態(tài)分析的結(jié)果與一個(gè)已知譜聯(lián)系起來計(jì)算結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力的分析技術(shù)。它主要用于時(shí)間-歷程分析，以便確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨機(jī)荷載，或隨時(shí)間變化荷載的動(dòng)力響應(yīng)情況(如地震，颶風(fēng)等)。

所謂譜，是指譜值與頻率之間的關(guān)系圖，它反映了時(shí)間-歷程載荷的強(qiáng)度和頻率。譜分析通常有以下3種形式：響應(yīng)譜、動(dòng)力設(shè)計(jì)分析方法、功率譜密度。本文采用的是單點(diǎn)響應(yīng)譜方法，對(duì)脫硫濕除一體化的塔體進(jìn)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(jì)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(dá)不到規(guī)范要求的90%。所以，計(jì)算的模態(tài)數(shù)量越多，反應(yīng)譜分析的結(jié)果顯示應(yīng)力和變形越大。計(jì)算結(jié)果顯示，與時(shí)程分析的結(jié)果和靜力分析的結(jié)果相比，反應(yīng)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(shè)計(jì)的參考依據(jù)。本次反應(yīng)譜計(jì)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(duì)水平荷載比較敏感，設(shè)計(jì)必須考慮水平荷載的組合。計(jì)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(jìn)而根據(jù)電算周期進(jìn)行風(fēng)荷載和地震荷載的計(jì)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(qiáng)度和剛度都能滿足設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。塔壁的開洞減弱了塔體的抗扭剛度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在一些工況下會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象， 需要進(jìn)行局部的加強(qiáng)。

塔壁屬于薄壁類構(gòu)件，對(duì)局部變形比較敏感，必須驗(yàn)算軸向穩(wěn)定應(yīng)力 。根據(jù)荷載的最不利組合工況下的最大應(yīng)力和變形，調(diào)整塔壁的厚度和內(nèi)部桿件的截面，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化，節(jié)省建造成本。