资源描述：
《大型火电厂烟道结构设计运用CAE技术的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
第2卷第4期南京工程学院学报(自然科学版)Vol.2,No.42004年12月JournalofNanjingInstituteofTechnology(NaturalScienceEdition)Dec.,2004文章编号:1672-2558(2004)04-0056-07大型火电厂烟道结构设计运用CAE技术的研究12李明惠沈涛(1.金陵科技学院,江苏南京,210001;2.江苏省电力设计院,江苏南京,210024)摘要:大型火电厂烟道结构设计中如何使其既节省材料又满足使用要求一直是设计人员关注的问题,本文对大型火电厂烟道结构设计中应用CAE(计算机辅助工程分析)技术,从而实现精准设计进行了研究,并介绍了该技术在扬州电厂200MW机组烟气脱硫装置烟道设计中的运用.关键词:大型火电厂;烟道结构设计;烟气脱硫;精准设计;CAE;有限元法中图分类号:TM621:TB115文献标识码:ATheApplicationofCAETechnologyinFlueStructureDesignofLargeThermalPowerPlants12LIMinghuiSHENTao(1.JinlingInstituteofTechnology,Nanjing210001,China;2.JiangsuElectricPowerDesignInstitute,Nanjing210024,China)Abstract:Oneconcernofthefluestructuredesignersinlargethermalpowerplantsishowtomakethestructurebotheconomicalinmaterialandpracticalinuse.ThepaperproposestoapplyCAEtechnologyinfluestructuredesignoflargethermalpowerplantsinordertoachieveprecisedesign.Takingthe200MWgeneratingsetsofYangzhouPowerPlantasanexample,italsogivesanintroductiontotheapplicationofthetechnologyinthefluestructuredesignofthesets'fluegasdesulfurizationdevice.Keywords:largethermalpowerplant;fluestructuredesign;fluegasdesulfurization;precisedesign;CAE;finiteelementmethod1引言随着火电厂锅炉的日益大型化,作为其烟气的排放通道烟道的容量也要求越来越大、形式越来越复杂.因为烟气的排量大,因此要求烟道的内部容量大;另外烟道的形式复杂多样,有圆形、矩形、单个连通型、多个连通型等;再者,由于烟道里的积灰荷载大,导致烟道产生一定的挠度;或由于烟道的内外压差较大,也容易引起烟道的变形;特别是对于锅炉烟气脱硫装置烟道还由于烟气中有害物质多,易对烟道收稿日期:2004-09-09作者简介:李明惠(1960-),女,学士,副教授,主要从事建筑结构的研究.E-mail:lmh@jit.edu.cn
1第2卷第4期李明惠等:大型火电厂烟道结构设计运用CAE技术的研究57内壁产生腐蚀,故常采用玻璃磷片树脂做内衬,但此种材料脆性大,不允许烟道有过量变形,否则它极易[1]开裂脱落.目前烟道的结构材料大多采用钢结构,如何确定烟道的壁厚,既节省材料,减轻自重,又使烟道不产生较大的挠度是本文研究的目的.本文对大型火电厂烟道结构设计中应用了CAE(计算机辅助工程分析)技术,实现了精准设计,并介绍了该技术在扬州电厂200MW机组烟气脱硫装置烟道设计中的运用.[2]2复杂烟道结构采用CAE设计计算机辅助工程分析(CAE)采用合并有限元法及数值分析法.有限元原理的推演及理论发展已非常[3]完善,已经成为研究、设计人员不可缺少的工具之一,它能降低研究、设计成本,缩短设计时间.采用有限元软件对烟气脱硫工程中大型超大型烟道结构的形式、安全性进行分析,可以及早发现设计缺陷提高安全性;优化结构设计提高经济性;我们根据扬州工况,采用通用有限元分析软件ANSYS针对数个典型的烟道结构问题进行了研究.扬州电厂烟气系统采用将#5机组燃煤烟气送进脱硫系统脱硫,然后进入烟囱与#4号机组烟气混[4,5]合,再由电厂210m高的烟囱排入大气.[6]本文以脱硫装置烟气管道结构中较为典型的2.0m2.0m断面的烟道结构进行有限元计算分[7]析.2.1单元的选择选择正确的单元类型是有限元分析的重要步骤,直接关系到有限元模型是否能够真实地反映实际结构及受力状态.脱硫工程中的烟道为薄壁钢结构,设有环向型钢加固肋约束,且内部对应加固肋设有内撑杆,烟道壁钢板厚度根据工艺变形要求确定,本文中为4mm.对不同构件应选用正确的单元进行模拟.2.1.1烟道壁单元选择烟道壁承受的荷载主要为自重和内壁压力,其受力较为复杂,同时承受弯矩、剪力、轴力的复合作用,通常应采用壳单元进行模拟.壳单元具有以下特点:(1)单元具有X,Y,Z方向的位移和转动能力,每结点有6个自由度;(2)单元有传递弯矩、剪力、轴力的能力;(3)可以考虑大变形和应力强化因素.2.1.2加固肋单元的选择由于加固肋与烟道壁为焊接,因此它们共同承担内壁传来的荷载及自重,其承受荷载类型为弯矩、轴力、剪力;通常应采用梁单元进行模拟.梁单元具有以下特点:(1)单元具有X,Y,Z方向的位移和转动能力,每结点有6个自由度,与壳单元相连,需保证两者的有效连接;
258南京工程学院学报(自然科学版)2004年12月(2)单元有传递弯矩、剪力、轴力的能力;(3)单元包含截面信息,用户可根据实际结构的不同形式定义相应的截面形式.2.1.3内撑杆单元的选择内撑杆仅受轴力作用,因此应采用杆单元进行模拟,见表1.杆单元具有以下特点:(1)单元具有X,Y,Z方向的位移,每结点有3个自由度;(2)单元仅能传递轴力.表1分析中采用单元列表单元类型单元自由度个数对应实际构件单元最小尺寸梁1886型钢(槽钢,角钢等)0.01/m2壳636薄钢板0.0001/m杆43内支撑0.01/m2.2单元的连接方式确定2.2.1不同类型单元连接的处理在结构分析中,必然会遇到单元与单元之间的连接问题,本次分析中的基本连接为壳单元与梁单元的连接.在连接不同单元时,各单元对应节点应具有相同自由度以保证单元间协调.例如,它们必须有相同数目和类型的位移自由度及相同数目和类型的旋转自由度.尽管每个三维梁单元与三维壳单元都有六个自由度,可是,壳单元的自由度是与平面内旋转刚度相联系的,这是一个虚构的刚度,因此对三维梁单元仅有一个节点与三维壳单元相连,导致梁单元的旋转自由度与壳单元的自由度对应是不协调的,分析中应避免此方式连接出现.2.2.2关于梁单元的必要分析梁是分析软件中较高级的梁单元,它适合分析梁结构,并能考虑剪切变形,因此常应用于梁在受弯、受剪状态下的静力分析.梁是三维线性单元,其每个节点上有六个自由度,即X,Y,Z方向的平移和转动.用户可为其定义任何横截面,并考虑弹塑性效应.当只采用梁单元进行结构分析时,通常只需为线实体定义截面和方向关键点后即可划分网格;而当分析中出现梁单元与壳单元连接时,就不得不考虑如何确定连接点处于梁横截面的位置,不同的连接位置将使组合结构截面产生不同的惯性矩,从而得到不同的承载力计算值.根据实际工程,近似选取连接点在焊缝的形心轴上(见图1).2.2.3边界条件为更加直接地反映出烟道结构应力应变的变化规律,本文中所涉及的有限元模型均设计成简支于地面的形式,以保证模型在不同工况下自由变形.
3第2卷第4期李明惠等:大型火电厂烟道结构设计运用CAE技术的研究59图1型钢与钢板连接点示意图2.3典型烟道部件的分析2.3.1一般烟道结构分析有限元模型图见图2和图3.模型中每个模拟加固肋的梁单元的两个节点均与模拟烟道壁的壳单元一边的两个节点相连接,边界协调.图2烟道壁有限元模型图3钢板等效内力图烟道结构有限元分析结果显示,烟道板面中心线上挠度较大,而烟道截面边角处应力明显集中.尽管结构各部分应力均小于钢材强度设计值,但仍应根据结构形式特点布置内撑杆,以减小过大变形和应力集中对结构的不利影响.2.3.2烟道三通结构分析有限元模型见图4.从烟道壁钢板等效应力图(见图5)可知,整个部件的应力分布较均匀,且应力值低于钢材的强度设计值;但图示浅色区域表示部件的应力集中位置,且应力值大于钢材的强度设计值,在设计时应予以加强,建议将喇叭口加大至烟道边缘.本分析结果体现计算机有限元分析的优越性,即在保证精度的前提下,不仅避免了重复而繁重的计算过程,而且强大的后处理功能能够较全面地展示计算分析的结果,从而发现通常设计中不易察觉的漏
460南京工程学院学报(自然科学版)2004年12月图4烟道壁有限元模型图5烟道壁钢板等效应力图洞,并在以后的设计中予以避免.2.4内支撑杆形式分析本文对三种不同形式的烟道内支撑杆进行分析(见图6),以获取内支撑杆对烟道壁及加固肋应力影响的具体信息,为采用最合理的内支撑杆形式提供依据.图6内撑杆形式图对配置不同形式内支撑杆的烟道在内压力同为4kPa且未考虑自重情况下进行有限元分析,结果列于表2.从分析结果可知,设置内撑杆对结构的有利影响十分明显,结构应力大幅下降;对比设置不同形式内撑杆的烟道各项应力值,当采用形式三的内支撑杆时,烟道壁钢板等效应力值和加固肋外缘应力值均最小,且材料使用量接近于形式一,小于形式二,因此形式三是比较合理的内支撑杆形式.表2有限元分析应力表钢板中间段钢板加固肋中间段加固肋内支撑杆最大等效应力最大等效应力最大弯曲应力最大弯曲应力形式2222/N/m/N/m/N/m/N/m形式一3.86E+073.26E+071.55E+088.37E+06形式二3.87E+073.26E+071.53E+081.01E+07形式三3.64E+073.24E+071.08E+074.50E+06未配置6.71E+076.65E+075.29E+075.26E+07注:烟道的中间段应力分布基本相同,但烟道的入风口附近应力分布较烟道中间段略有差别,故表中同时列出了烟道构件的最大应力值和烟道中间段的应力值.2.5烟道内压力影响分析烟道内的气体压力是烟道结构所承受的主要荷载之一,实际工程中可能产生一定幅度的变化,因此有必要分析烟道内压力变化对结构产生的影响,考察烟道对内压力的承受能力.
5第2卷第4期李明惠等:大型火电厂烟道结构设计运用CAE技术的研究61从表3及图7、图8中可见,结构应力与内压力呈线形相关;在烟道设计压力(4kPa)附近压力值的波动不会对烟道的安全性产生明显影响.表3不同内压作用下烟道应力表内壁钢板中间段钢板加固肋中间段加固肋压力最大等效应力最大等效应力最大弯曲应力最大弯曲应力2222/N/N/m/N/m/N/m/N/m20001.93E+071.63E+077.73E+065.23E+0640003.86E+073.26E+071.55E+071.05E+0780007.73E+076.52E+073.09E+072.09E+07100009.66E+078.15E+073.87E+072.61E+07200001.93E+081.63E+087.73E+075.23E+07300002.90E+082.45E+081.16E+087.84E+07400003.86E+083.26E+081.55E+081.05E+08600005.80E+084.89E+082.32E+081.57E+09图7钢板等效应力与内压力的关系图8加固肋弯曲应力与内压力的关系2.6自重对结构应力的影响烟道结构自重是其承受主要荷载之一,当自重与内壁压力共同作用时可能产生不利影响,以下对水平布置及垂直布置的一段烟道进行了有限元分析对比.结果表明,烟道横向布置时,其自重对结构承载力有不利影响,主要体现于对加固肋弯曲应力的影响,但其不利影响值仅为钢材设计强度的3%;当烟道竖
662南京工程学院学报(自然科学版)2004年12月向布置时,其自重对结构各部分应力几乎没有影响,设计时可不作考虑,详见表4.表4考虑自重影响的应力对比表钢板单位长度内钢板影响加固肋单位长度内加固肋影响内支撑杆最大等效应力最大等效应力程度最大弯曲应力最大弯曲应力程度形式2222/N/m/N/m/%/N/m/N/m/%未考虑自重3.86E+073.26E+07-1.55E+071.05E+07-考虑自重14.19E+073.63E+07约102.52E+071.84E+07约70考虑自重23.82E+073.26E+07<11.62E+081.02E+07<5注:自重1为烟道水平搁置,自重2为烟道垂直搁置.2.7烟道壁内外温差对结构的影响由于烟道内外存在较大温差,因此有必要对烟道的热应力的分布和影响程度进行分析.通过分析可知,烟道壁内外温差的确会产生一定程度的应力集中,但应力集中程度较低,且应力值较小,仅为钢材设计强度的13.7%,只要实际工程中做好保温工作,降低温差,可减少热应力对结构的不利影响.3结论采用计算机有限元分析软件对扬州电厂烟气脱硫工程中烟道进行了综合分析,获得以下结论:(1)采用有限元法对烟道结构进行分析时,需正确选择单元,本文认为应分别采用壳(SHELL)单元、梁(BEAM)单元、杆(LINK)单元模拟烟道钢板、加固肋、内撑杆;(2)烟道三通构件存在应力集中现象,对应力集中部位应予以加强,或调整接口过度形式;(3)设置内撑杆可大幅度降低烟道结构各项应力,有十分明显的有利影响,建议在实际工程中采用;(4)烟道内压力值在设计压力附近的波动对烟道的安全性影响不明显;(5)烟道竖向布置时产生的应力较水平布置时小得多,设计时可忽略;(6)热应力对结构会造成一定程度的不利影响,在实际工程中应做好保温工作,降低温差.参考文献:[1]杨扬.关于烟气脱硫工程设计的思考[J].电力环境保护,2000,16(2):40-45.[2]马力,程云弛,陈国君.带内撑件的尾部烟道降阻试验研究[J].东北电力技术,1998,6:35-38.[3]付敏,邹继斌,孔祥春等.水轮发电机转子三维温度场德有限元计算[J].电机与控制学报,2001,5(3):137-139.[4]孙克勤.扬州电厂200MW机组烟气脱硫石灰石制粉系统[J].电力环境保护,2003,19(2):17-18.[5]江苏省电力设计院.扬州发电有限公司200MW烟气脱硫可行性研究报告.2001.[6]钟秦.燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例[M].北京:化学工业出版社,2002.[7]监凯维奇.有限元法[M].北京:科学出版社,1985.[责任编校:胡可乐]
