石灰石―石膏湿法脱硫系统喷淋层优化分析.docx

石灰石―石膏湿法脱硫系统喷淋层优化分析【摘要】利用大型结构分析有限元软件对吸收塔内径为9500mm的平顶山电厂烟气脱硫系统喷淋层结构进行刚度和强度计算进而对其进行结构优化。结果表明有限元分析方法有助于脱硫系统喷淋层结构优化实现喷淋层无支撑钢梁运行对喷淋系统的精准设计具有一定的指导意义。【关键词】湿法脱硫；有限元；无支撑钢梁前言随着国家SO2排放标准的严格控制及国内脱硫市场的发展石灰石―石膏湿法喷淋脱硫作为一种脱硫效率较高、运行稳定可靠的脱硫技术得到了广泛的应用。在火电厂大型机组烟气脱硫装置中吸收塔是整个装置的关键部分喷淋塔是湿法脱硫吸收塔的主流塔形对作为该塔重要组成部分的喷淋管道进行结构安全分析及优化设计具有重要的应用价值[1][2]。石灰石湿法脱硫工艺的喷淋管道布置复杂周边环境恶劣如何保证喷淋塔在运行期间的安全是设计中要考虑的首要问题[3]。叶献国、赵书锋等[4]利用NASTRAN结构分析软件建立了烟气脱硫吸收塔的三维有限元分析模型计算了该结构的固有动力特性。侯庆伟钟毅等人也利用有限元数值分析软件对脱硫系统结构进行过分析与优化方向的尝试[5][6]。本文通过采用国际通用的大型结构分析有限元软件ABAQUS对吸收塔内径为9500mm的平顶山电厂2×200MW机组石灰石湿法脱硫喷淋系统进行刚度和强度校核进而对其进行结构优化提高喷淋系统的安全系数降低生产成本。2有限元模型的建立2.1几何模型与材料参数依据常规有支撑钢梁设计建立吸收塔内径为9500mm喷淋系统的几何模型如图1所示。在此基础上赋予各个构件的材料属性：管道为FRP材料支撑梁为Q235号钢用于支撑的支座为FRP材料。图1平顶山喷淋系统三维模型（含支撑钢梁）2.2连接、边界条件与载荷根据喷淋系统工作的环境：设定喷淋管道内侧浆液的温度60℃管道外侧烟气温度180℃浆液的传热系数（近似成水）为15000W/m2℃烟气侧传热系数86为W/m2℃。温度的选取为系统运行时周围环境的最高温度传热系数为类似文献中的取值[7]。根据喷淋系统的在施工过程中的工艺性质（采用胶粘）在有限元模型中支撑梁与管道之间是采用绑定（tie）约束。喷淋系统的位移边界条件按如下方式定义：在管道或者梁与吸收塔内壁连接处采用固定所有方向的位移在对称面上施加对称结构的约束。施加的主要载荷有：1）结构重力（包括喷嘴重力）2）浆液重力3）管道浆液压力。施加在管道内部压力0.1MPa。由于管道中充满了浆液不能忽略故将浆液的重力等效成压力载荷施加在圆形管道下半部分的内表面管壁内各点的压力符合以下关系：。其中ylocal表示在局部坐标系沿着重力方向的坐标值。为浆液的密度g为重力加速度。3平顶山喷淋系统的有限元优化结果与讨论3.1平顶山喷淋系统无支撑梁分析图2为吸收塔内径9500mm喷淋系统（无支撑）位移分布云图最大位移值为20.28mm大于规范计算得到的最大允许位移19mm结构刚度不符合标准。图3中管道里应力的最低安全系数为4.867与由规范[8]得到的安全系数值8.5相比偏小不符合强度设计要求。图2平顶山喷淋系统（无支撑）的位移场（变形放大50倍）（单位：mm）图3平顶山喷淋系统（无支撑）的安全系数根据上述的计算得到的变形图可以看出喷淋层在取消支撑钢梁后整个系统的薄弱部位在主管道直径较小的一端结构的整体刚度也较小。3.2平顶山喷淋系统无支撑钢梁方案设计为取消系统支撑钢梁必须增加系统薄弱部分的刚度因此增大细小端的管径将主管道两端使用相同直径的管且整个结构是关于中心支管对称建立有限元模型如图4所示。图4优化设计后的平顶山喷淋系统（无支撑）模型3.3优化后的平顶山无支撑喷淋系统分析对上述结构进行有限元分析得到其在自身重力作用下产生的位移及应力安全系数云图如图5～6所示。图5优化后的平顶山无支撑喷淋系统位移云图（变形放大50倍）（单位：mm）图6优化后的平顶山无支撑喷淋系统应力安全系数云图通过计算可以发现最大位移为10.78mm将屈服接近度换算成安全系数得最低的安全系数约为8.5与规范[8]基本相同结构的刚度、强度均符合规范要求。4结论采用有限元分析软件ABAQUS对平顶山电厂2×200MW机组石灰石湿法脱硫喷淋系统进行了结构分析综合考虑温度及重力的影响通过数值计算得到如下结论：基于ABAQUS软件的有限元分析方法有利于脱硫塔喷淋层结构的精准设计。采用该方