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【技术汇】带烟囱的高塔型脱硫吸收塔有限元分析

国际节能环保网  来源:《节能基础科学》  作者:赖志晖  日期:2019-02-12
   摘要:脱硫吸收塔是工业废气脱硫系统的主要设备,具有直径大、高度高、厚度小和大开孔率等特点。用MIDAS有限元软件作为结构分析工具,并结合相关理论,分析了带烟囱的高塔型烟气脱硫吸收塔塔体以及主要构件在各种荷载作用下的强度、变形以及稳定性,最后讨论了吸收塔设计构造等。
 
  关键词:吸收塔;有限元;强度;变形;稳定性
 
  引言
 
  烟气脱硫是降低煤燃烧所产生的主要污染物二氧化硫的重要措施。吸收塔是脱硫工艺中的主要结构,属于大型薄壁壳体钢结构,设备受到自重、浆液、风、地震及操作压力等荷载的影响,同时塔体的大开孔削弱了塔体强度,塔顶还自带高烟囱,使得塔体受力十分复杂,难以用经典解析方法弄清楚塔体的受力情况。文中以某自带烟囱的高塔型脱硫吸收塔为研究对象,用MIDAS有限元软件对吸收塔进行建模计算,分析出吸收塔在各工况下的强度及变形,并通过线性屈曲分析的方法分析了吸收塔结构的稳定性。
 
  1 工程概况
 
  本工程厂址区50年超越概率10%的地震峰值加速度为0.05g,地震基本烈度为6度,场地土类别为Ⅱ类,地面粗糙度为B类,50年一遇基本风压为0.4k/m2。吸收塔塔体、烟道烟囱及塔体加强筋的材料均为Q235B,材料屈服应力为235MPa,许用应力为113MPa。
 
  2 吸收塔的有限元模型
 
  2.1设计参数
 
  吸收塔塔顶标高60m,塔体直径为6.3m,塔壁厚度沿高度分段变化,从下到上依次为18、14、12、8mm。塔内件主要有2层整流层、3层喷淋装置、3层除雾器。单层整流层重量为3t;单层喷淋层本体重量为4.2t,浆液重量为4.2t;单层除雾器重量12t。烟气入口尺寸为:宽4.6m,高2.56m,顶部烟囱直径为3m,吸收塔内部正压为5000Pa。吸收塔具体结构布置如图1所示。
 
 
 
  图1塔内件荷载施加示意图
 
  2.2结构建模
 
  采用MIDAS GEN有限元软件,用梁单元模拟吸收塔加强筋,用板单元模拟吸收塔塔体及进口烟道进行建模。塔体沿高度方向均匀布置加强环筋,进出口烟道与塔体连接处均为大开口矩形孔,开孔部位较为薄弱,两侧用型钢进行加强;塔体和烟囱连接段为变截面,较为薄弱,用型钢进行加强。塔体底部受密度为1120kg/m3的石灰浆液静压力作用,石灰浆的液面高度为9.6m。
 
  2.3荷载施加及边界条件
 
  吸收塔主要承受自重、内压、风荷载、地震荷载、浆液荷载以及塔内件荷载作用。有限元模型中荷载的施加方式如下:
 
  自重:施加重力加速度g。
 
  吸收塔下部浆液荷载:Pg=ρgh,按流体压力荷载施加在塔内壁上。
 
  塔内件荷载:将塔内件荷载转化为节点垂直荷载施加到塔壁上(见图1)。
 
  内压:按压力面荷载施加到塔内壁上。
 
  地震荷载:按反应谱分析数据输入,地震作用角度按0°、90°两个方向施加,地震设防烈度为6度,场地类别Ⅱ类,阻尼比为0.05。
 
  风荷载:选取迎风面为矩形孔正面一侧,按压力荷载施加。风压为:
 
  其中,高度系数μz和风振系数的取值方法为:将吸收塔沿高度方向均匀分层计算,从而得出不同高度的风压值。
 
  约束条件:塔底采用了36个地脚螺栓与基础相连接,可视为固接。
 
  3 计算结果分析
 
  3.1强度分析
 
  分7种工况对脱硫塔进行强度分析:
 
  (1)塔自重(含塔内件)、浆液荷载、内压;
 
  (2)塔自重(含塔内件)、浆液荷载、风压;
 
  (3)塔自重(含塔内件)、浆液荷载、地震;
 
  (4)塔自重(含塔内件)、浆液荷载、地震、0.5倍风压;
 
  (5)塔自重(含塔内件)、浆液荷载、内压、风压;
 
  (6)塔自重(含塔内件)、浆液荷载、内压、地震;
 
  (7)塔自重(含塔内件)、浆液荷载、内压、地震、0.5倍风压。
 
  经有限元分析计算发现,由于浆液荷载的作用,塔体底部有较大的应力强度;由于开孔处应力集中的影响,进口烟道矩形孔与塔壁连接处也有较大的应力强度。各工况下塔体下部及矩形开孔处最大强度应力值如表1所示。
 
  表1各工况下强度应力最大值(MPa)
 
 
 
  可见,工况5为最不利组合,在工况5作用下,塔体底部最大应力为77MPa,进口烟道矩形孔与塔体连接处最大应力为121MPa,应力集中部位最大应力的校核条件按Smax<1.5[σ]考虑,对于工况5,Smax=121<1.5×113=170MPa,满足强度要求。
 
  3.2变形分析
 
  同样分7种工况进行变形分析。从分析结果得知,在工况5作用下,烟囱顶部存在最大变形,而其余无风荷载组合的工况下,烟囱顶部变形相对小很多。可见,风荷载在高塔型吸收塔结构的变形中起主控作用。塔顶烟囱水平位移量的控制,可参照《高耸结构设计规范》中相关规定,并结合实际,位移量控制在H/150即可。而从分析结果得知,烟囱顶部最大位移为144mm<60000mm/150=400mm,满足设计要求。
 
  3.3稳定性分析
 
  3.3.1基本方法
 
  稳定性分析分为屈曲分析和非屈曲分析2种,对吸收塔结构进行非线性屈曲分析过于复杂,意义不大,因此文中采用MIDAS有限元软件对吸收塔进行线性屈曲分析,考虑塔体自重(含塔内件),浆液荷载,风载和地震载的组合。
 
  3.3.2计算结果及分析
 
  由屈曲分析结果可知,第1模态临界荷载系数为20.1,发生失稳处为进口烟道底部与塔壁连接处,第2模态到第6模态临界荷载系数范围为22.1~25.5,发生失稳处均为烟道开孔部位附近。对屈曲分析结果进行分析,可知:
 
  (1)吸收塔结构在相应荷载组合作用下不会发生整体失稳,仅会发生局部失稳。
 
  (2)第1模态临界荷载系数为20.1,安全裕量较大。
 
  (3)局部失稳位置也主要在烟道开孔部位附近,说明烟道开孔部位是整个吸收塔结构最为薄弱的地方。
 
  (4)吸收塔稳定安全系数的取值可借用圆筒外压稳定性计算时的稳定安全系数,取其为3.0。而线性屈曲分析得出安全系数值为20.1,远大于3,故满足稳定性要求。
 
  4 结语
 
  (1)对于吸收塔这类的薄壁圆筒结构,采用有限元法进行强度及稳定的分析是一种行之有效的方法。
 
  (2)通过强度应力及稳定分析结果可知,塔体的开孔打断了塔体自身的连续性,大大地削弱了塔身的刚度和局部稳定性。
 
  (3)对于带烟囱的高塔型吸收塔,风荷载作用下顶部烟囱会产生较大位移,设计时注意把位移值设计在要求范围之内。
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