吸收塔循環(huán)噴淋系統(tǒng)安全性分析方法劉艷榮（中電投遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司，重慶401122）摘要：本文將大型結(jié)構(gòu)分析有限元軟件ABAQUS應(yīng)用于吸收塔噴淋系統(tǒng)進(jìn)行剛度和強(qiáng)度校核，為保證噴淋系統(tǒng)安全運(yùn)行和工程設(shè)計(jì)中降低建設(shè)成本提供參考。本文以吸收塔內(nèi)徑為9500mm的平頂山噴淋系統(tǒng)為例進(jìn)行有限元熱-力耦合分析，簡(jiǎn)述吸收塔循環(huán)噴淋系統(tǒng)安全性分析方法。關(guān)鍵詞：吸收塔有限元分析安全性優(yōu)化0前言隨著國(guó)家$02排放標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格控制及國(guó)內(nèi)脫硫市場(chǎng)的發(fā)展，石灰石-石膏濕法噴淋脫硫作為一種脫硫效率較高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的脫硫技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。在火電廠大型機(jī)組煙氣脫硫裝置中，吸收塔是整個(gè)裝置的關(guān)鍵部分，噴淋塔是濕法脫硫吸收塔的主流塔形，對(duì)作為該塔重要組成部分的噴淋管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。噴淋管道的布置復(fù)雜，周邊環(huán)境惡劣，在保證噴淋塔在運(yùn)行期間安全的同時(shí)降低成本是設(shè)計(jì)中要考慮的首要問(wèn)題。由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法難以準(zhǔn)確地對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析，有限元法是分析這一問(wèn)題有效方法。1有限元法原理有限單元法是目前工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中使用最多、分析能力最強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域最廣的一種數(shù)值分析方法。有限單元法將分析對(duì)象劃分為由有限個(gè)數(shù)的單元組成的集合體，單元與單元之間采用節(jié)點(diǎn)連結(jié)，單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等視具體問(wèn)題的特征、描述變形形態(tài)的需要和計(jì)算精度而定。若劃分單元數(shù)目足夠且使用的單元類型合理，可以獲得與實(shí)際相符合的結(jié)果。在形成結(jié)構(gòu)的總體平衡方程后，引入邊界條件，利用數(shù)值方法對(duì)方程進(jìn)行求解，可得到所有節(jié)點(diǎn)的位移。再利用單元節(jié)點(diǎn)位移與應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系，即可確定單元中任意點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變，從而為結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度分析提供數(shù)據(jù)U~5］。有限元模型的建立包括幾何模型、材料參數(shù)、邊界條件、載荷工況、各構(gòu)件之間的相互作用及連接關(guān)系的定義、單元的選擇、網(wǎng)格的劃分以及計(jì)算問(wèn)題類型的定義等。2平頂山噴淋系統(tǒng)的有限元模型2.1幾何模型與材料參數(shù)建立吸收塔內(nèi)徑為9500mm噴淋系統(tǒng)的幾何模型，在此基礎(chǔ)上賦予各個(gè)構(gòu)件的材料屬性。支撐梁的材料按照鋼型號(hào)為Q235B的材料參數(shù)定義，噴淋管道簡(jiǎn)化為各向同性體。根據(jù)施工的工藝，將用于連接支撐梁與噴淋管道的支撐近似成與管道相同的材料。2.2連接屬性、邊界條件以及載荷噴淋系統(tǒng)工作的環(huán)境：噴淋管道內(nèi)側(cè)漿液的溫度40?60°C，管道外側(cè)煙氣最高溫度180^。管道內(nèi)側(cè)漿液的溫度設(shè)為60C，漿液的傳熱系數(shù)（近似成水）15000W/m2C，管道外側(cè)溫度180C，煙氣側(cè)傳熱系數(shù)86W/m2C?；痦?xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助（2007BAC24B00）

由于管道和支撐梁的端部與吸收塔內(nèi)壁固定，且管道與吸收塔內(nèi)壁的支撐采用膠粘的工藝，故在所有與吸收塔內(nèi)壁連接的邊界上固定所有方向的位移自由度。由于在建模時(shí)考慮了結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，對(duì)于一半的結(jié)構(gòu)要在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束條件，才能得到與原結(jié)構(gòu)相同的結(jié)果。施加的主要載荷有結(jié)構(gòu)重力(包括噴嘴重力)、漿液重力、管道漿液壓力。施加在管道內(nèi)部壓力0.1MPa，如圖2。圖1圖1吸收塔噴淋系統(tǒng)的位移邊界條件圖2吸收塔噴淋系統(tǒng)管道中的壓力由于管道中充滿了漿液，其密度為1.105X103kg/m3，不能忽略，故將漿液的重力等效成壓力載荷施加在圓形管道下半部分的內(nèi)表面，管壁內(nèi)各點(diǎn)的壓力P(x>y>z)符合以下關(guān)系：P("=2p漿液gyiocai|(1)其中，yiocal表示在局部坐標(biāo)系沿著重力方向的坐標(biāo)值"漿液為漿液的密度，g為重力加速度。噴淋管的支管端部有幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的噴嘴，將其重力等效為施加在管端面上的表面均布力，除此之外，整體結(jié)構(gòu)還要考慮自身的重力。2.3網(wǎng)格劃分、分析步與單元的選擇噴淋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，采用六面體三維實(shí)體單元進(jìn)行離散，整體分析模型的網(wǎng)格劃分參見(jiàn)圖3所示。由于需要考慮溫度影響，采用熱力耦合的三維實(shí)體減縮積分單元進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱力耦合分析。圖3吸收塔噴淋系統(tǒng)網(wǎng)格劃分圖4吸收塔噴淋系統(tǒng)管道的溫度場(chǎng)分布3平頂山噴淋系統(tǒng)的有限元分析結(jié)果及討論3.1平頂山噴淋系統(tǒng)的溫度計(jì)算結(jié)果與討論圖3吸收塔噴淋系統(tǒng)網(wǎng)格劃分圖4吸收塔噴淋系統(tǒng)管道的溫度場(chǎng)分布圖4的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果表明，支撐梁上的溫度為180°C；雖然管道內(nèi)、外側(cè)各處的環(huán)境溫度相同，但是由于管壁的各處厚度不同導(dǎo)致管內(nèi)、外的溫度分布不同，較厚的外側(cè)表面溫度較高，最高為162C。且由圖4可知，由內(nèi)壁向外壁的溫度逐漸由低到高變化。3.2平頂山噴淋系統(tǒng)的位移計(jì)算結(jié)果與討論在給定的重力場(chǎng)與溫度場(chǎng)的作用下，系統(tǒng)在豎直方向上產(chǎn)生較大的位移，圖5、圖6分別為管道、支撐梁的位移分布情況。從圖5可以看出，位移最大點(diǎn)出現(xiàn)在內(nèi)徑為450mm的管道上。由于內(nèi)徑較大的管道上雖然有較大的載荷，但因其本身的截面積大，抗彎剛度大；而內(nèi)徑較小的管道上載荷小，也因其截面、厚度小，抗彎剛度小，綜合兩種因素最后得到在圖5的箭頭標(biāo)出的位置上出現(xiàn)較大的位移。參照受彎構(gòu)件允許撓度值取最安全的撓跨比L0/500作為標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)吸收塔內(nèi)徑為9500mm的允許撓度為19mm，根據(jù)圖5、圖6中所示的構(gòu)件的最大位移4.023mm，可知此系統(tǒng)的剛度完全符合安全性要求。圖5吸收塔噴淋系統(tǒng)管道的位移場(chǎng)（圖中變形放大50倍）圖6吸收塔噴淋系統(tǒng)支撐梁的位移場(chǎng)（圖中變形放大50倍）3.3平頂山噴淋系統(tǒng)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與討論系統(tǒng)自身重力在管道和支撐梁上產(chǎn)生的應(yīng)力如圖7圖5吸收塔噴淋系統(tǒng)管道的位移場(chǎng)（圖中變形放大50倍）圖6吸收塔噴淋系統(tǒng)支撐梁的位移場(chǎng)（圖中變形放大50倍）圖7吸收塔噴淋系統(tǒng)管道應(yīng)力場(chǎng)分布圖8吸收塔噴淋系統(tǒng)支撐梁應(yīng)力場(chǎng)分布由于FRP與鋼的材料的差異性，強(qiáng)度評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)也不同。對(duì)于鋼梁，其實(shí)際應(yīng)力值只需低于鋼的許用應(yīng)力（35MPa^全系數(shù)）即可；對(duì)于FRP管道，有相應(yīng)的強(qiáng)度安全系數(shù)規(guī)范。在此問(wèn)題中，根據(jù)中華人民共和國(guó)建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，取安全系數(shù)8.5作為標(biāo)準(zhǔn)。借用屈服接近度7作為衡量結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的指標(biāo)：TOC\o"1-5"\h\zY=1/F（2）所以如果安全系數(shù)F在8.5以上時(shí)，屈服接近度Y應(yīng)小于0.117647。由于在不同溫度下，F(xiàn)RP材料的屈服強(qiáng)度不同，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，大致服從以下關(guān)系："廣141.21-0.6737XT（3）式中，T為溫度，因此按照屈服接近度的定義，其表達(dá)式為：Y=q〃./ov=G./141.21-0.6737XT4）MisesYMises式中，“Mises為Mises等效應(yīng)力。根據(jù)上述的表達(dá)式，在ABAQUSCAE中做后處理，得到整個(gè)管道中的屈服接近度云圖如圖9：圖9吸收塔噴淋系統(tǒng)管道屈服接近度從圖9中可得，屈服接近度的最大值為1/10.9,小于先前討論得到的標(biāo)準(zhǔn)1/8.5。因此，可得此噴淋管道在自身重力的作用下產(chǎn)生的應(yīng)力符合強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于支撐梁，從圖8中可得其最大應(yīng)力為28.67MPa，此工程中所用的鋼材為Q235，在常溫下其屈服應(yīng)力高于235MPa，且在高溫下其屈服強(qiáng)度下降，在200°C時(shí)，屈服強(qiáng)度為常溫下的82.3%，考慮到材料的一般性，取材料屈服強(qiáng)度為235MPa，考慮安全系數(shù)(取1.5)及溫度的因素，取Q235鋼材的許用應(yīng)力129MPa(即235*82.3%/1.5)，鋼梁中應(yīng)力遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力，因此支撐梁亦符合強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。4結(jié)論本文介紹了吸收塔內(nèi)徑9500mm噴淋系統(tǒng)的有限元計(jì)算及討論，通過(guò)上述分析，得出如下結(jié)論：吸收塔內(nèi)徑9500mm噴淋系統(tǒng)在自身重力作用下，符合剛度、強(qiáng)度的安全性要求。吸收塔內(nèi)徑9500mm噴淋系統(tǒng)剛度、強(qiáng)度存在很大余量，尚存在很大優(yōu)化空間，可對(duì)該噴淋系統(tǒng)支撐梁布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少支撐梁數(shù)量，并應(yīng)用該分析方法進(jìn)行安全性分析，從而達(dá)到在噴淋系統(tǒng)安全運(yùn)行的同時(shí)，降低工程建設(shè)成本的目的。參考文獻(xiàn)[1]田君麗，霍紅瑤.煙氣脫硫工程吸收塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析[J].神華科技，第27卷.第1期.2009。55-58⑵劉錦，高炳軍，趙慧磊.脫硫塔的強(qiáng)度和穩(wěn)定性有限元分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),第27卷增刊,2008.104-106任濤，陳務(wù)軍，張麗梅等可門(mén)電廠煙氣脫硫吸收塔結(jié)構(gòu)計(jì)算分析[J].工業(yè)建筑.第36卷增刊.200