浅析火力发电厂全悬挂式双钢内筒烟囱的结构设计

浅析火力发电厂全悬挂式双钢内筒烟囱的结构设计
作者：陈世强何文俊
来源：《建筑建材装饰》2014年第12期
摘要：结合自身工作经验，对大中型火力发电厂建（构）筑物的结构形式进行了分析，从经济技术角度进行方案，重点介绍了大中型火力发电厂主厂房全悬挂式双钢内筒烟囱的结构设计等，以期指导实践。

关键词：全悬吊；双钢内筒烟囱；构造措施
前言
烟囱是工业与民用建筑中不可缺少的特种构筑物结构，是电厂的一项重要的标志性构筑物。

根据使用材料的不同，烟囱可以分为砖烟囱，钢筋混凝土烟囱和钢烟囱等；根据构造形式的不同，还可以分为有内衬的单筒式烟囱，内置一个排烟筒（以下简称钢内筒）的套筒式烟囱和内置多个钢内筒的多筒式烟囱。

单筒式烟囱具有结构简单，施工方便和造价低的特点，是中小型烟囱广泛采用的一种结构形式，由于烟气湿法脱硫处理后烟气的腐蚀性及渗透性增强，属于强腐蚀性等级，会增加设备腐蚀的风险，甚至对结构安全形成重大威胁，要保证烟囱安全运行，首先必须保证结构的安全性，在过去，烟囱主要被看做是高耸特种结构设计，除此之外，做好烟囱的结构选型，排烟筒的防腐以及防腐隔热材料的选择，从投入运行后的钢内筒检查，维护和修补条件方面考虑，大型火电厂多采用内置一个或多个钢内筒的套筒式烟囱或多管式烟囱。

1烟囱设计标准
国家和电力行业烟囱的现行设计标准 GB50051—2002《烟囱设计规范》和 DL5022—93《火力发电厂土建结构设计技术规定》中，均未对进行脱硫处理的烟囱防腐设计做出具体规定，只是从烟气的腐蚀性等级对烟囱的防腐设计进行了要求。

国际工业烟囱协会发布的《钢烟囱标准规程区Model Code For Steel Chimneys》（1991年第1版）中对脱硫后的烟气腐蚀性能（烟气腐蚀性能对其它类型烟囱同样适用）有这样的说明：（1）气冷凝物中氯化物或氟化物的存在将很大地提高腐蚀程度（2）处于烟气脱硫系统下游的浓缩或饱和烟气条件通常被视为高腐蚀等级（3）确定含有硫磺氧化物的烟气腐蚀等级是按SO2的含量值为依据。

（4）烟气中的氯离子遇水蒸气形成氯酸，它的化合温度约为六十摄氏度，低于氯酸露点温度时，就会产生严重的腐蚀，即使是化合中很少量的氯化物也会造成严重腐蚀。

2排烟筒的设计重点
受烟气脱硫设施和机组运行状况变化的影响，烟气的温度和湿度随之发生变化，即烟气干—湿、高—低、温状态转换难以避免。

因此，烟囱的防腐蚀设计很难做到完全适应这些频繁变化的运行条件。

从防腐蚀设计的角度考虑，选择的材料优劣与烟囱的使用寿命成正比，优质的材料使用寿命长，但造价高。

所以对于烟囱的防腐蚀设计，需要根据不同时期的各项条件统筹控制好烟囱安全可靠性与经济性的平衡点。

一般情况下，当考虑经济因素“降低本期工程直接投资”选用常规防腐蚀设计方案时，还应考虑运行后出现腐蚀状况需检修维护或加固所需的投资费用，即烟囱投资应是烟囱使用寿命全周期内的投资费用，它包括初期的直接投资和正常运行期间由于腐蚀危及安全带来的检修维护及加固费用。

3烟囱的钢内筒设计分析
3.1内外筒的整体模型数值分析
全悬挂钢内筒烟囱进行数值分析时，一般可以建立两种整体数值分析模型：实体单元模型和杆单元模型根据已有的研究分析，在风荷载起控制作用的情况下，外筒和内筒的反应均可采用单独模型计算在水平地震起控制作用的情况下，外筒的地震反应可以采用单独模型计算，内筒的地震反应由于采用单独模型计算结果误差较大，建议采用整体模型进行计算悬挂式钢内筒烟囱单独杆单元模型中，钢筋混凝土外筒为悬臂柱，忽略内筒的刚度贡献，仅考虑内筒在悬挂点处的附加质量钢内筒连续梁，悬挂点设置为固定支座，止晃点设置为滑动支座在悬挂点处，内筒和外筒的位移和转角相等，在止晃点处，内筒和外筒的水平位移相等。

由于钢内筒筒身钢板处于拉弯状态，因此验算筒身自重和支座位移引起的应力即可。

除自重影响外，外筒在风载，地震作用，基础倾斜，日照温差等作用下会产生侧向位移，由于内筒横向刚度相对于钢筋混凝土外筒来说小得多，内筒在各层平台的联系下将随着外筒发生侧移，对整体悬挂式钢内筒，内筒计算模型为超静定结构，在内筒结构中将产生内力。

3.2悬挂点及止晃点设计
整体悬挂式钢内筒烟囱，悬挂点和止晃点是钢内筒荷载向外筒传递的主要路径，悬挂点位置决定钢内筒竖向拉压力分布区域，止晃点刚度决定了钢内筒的支座约束能力，因此；需要对悬挂点位置，止晃点刚度对钢内筒内力的影响进行分析，以内筒应力及变形综合目标为最优确定其布置原则。

运用ANSYS结构分析软件，对钢内筒进行分析。

牛腿及加劲环处应力集中比较明显，钢筒上端的边界效应明显，为变形最大区域，因此牛腿处环梁应适当加大。

筒口处应设加强环，加强环可简化为轴向受力的环形钢梁计算根据有关研究报告，吊点数量对内筒的局部应力和变形影响较大，从不同吊点数量的烟囱内外筒耦合模型计算结果来看4个吊点比8个吊点的局部应力和变形大幅增大，最大应力增大一倍左右。

为发挥钢材的抗拉性能，悬吊点设计时一般都尽量靠近筒体顶部，但吊点集中力使得筒口变形加大，而降低悬吊平台使得自重荷载作用下内筒结构局部压应力增大。

不利于内筒局部稳定，通过对以往工程悬吊点的计算比对，降低悬挂平台使得自重荷载作用下的内筒结构局部压
应力增大。

不利于内筒局部稳定，吊点设置在内筒顶部时，吊点集中力使得筒口变形加大，悬吊点位置一般在烟囱结构总高度的以上，综合考虑静力和动力作用影响，设计时宜适当提高悬挂点的布置高度，减小悬挂钢内筒在最不利截面（悬吊点处）的受力，吊点设在距内筒筒顶部1～3倍内筒直径之间，都属合理范围之内。

方便施工维修并具有合理的经济性能。

一定范围内改变止晃点弹簧约束对整体结构基频影响不显著，对结构整体位移影响不大，改变止晃点弹簧约束能有效控制内筒底部位，调节减小止晃点约束刚度能减小内筒局部应力。

但同时增大内筒底部位移，改变弹簧刚度时，在部分工况下，结构会表现出显著的共振效应。

3.3悬吊平台标高对结构受力与变形的影响
吊点数量改变对内筒静力设计有较大的影响，不同吊点位置对筒壁的影响也要考虑，钢内筒在吊点以上自立部分受压，以下悬吊部分受拉，由于钢内筒为薄壁壳体结构。

其在吊点以上部分的轴向容许压应力由局部屈曲控制，其大小远小于轴向拉应力，从静力分析的角度来看，吊点处于最优位置时，内筒自立部分和悬吊部分分别同时达到局部屈曲容许应力和轴向容许拉应力，但钢内筒进行动力分析时，吊点位置对内筒内力影响显著，静力分析吊点最优位置与地震动力分析吊点最优位置并不一致，因此，应综合考虑静力动力影响确定吊点最优位置布置原则。

3.4悬吊平台的设计
在双钢内筒烟囱中，悬吊平台大都采用主次钢梁体系布置，难以做到刚度均匀，次梁与主梁叠加的挠度过大，往往会导致吊点承载力不均匀，因而造成内筒吊点处局部应力增大，且在以往工程施工时，发生过因吊装时承重梁的挠度过大引起内筒筒体严重倾斜的事例，因而悬吊平台应注意调整支承内筒钢梁的刚度，尽量减少不同吊点处钢梁的挠度差异，避免内筒吊点处支承牛腿受力不均，对结构不利。

4结语
悬挂式套筒烟囱是大型火力发电厂的发展方向，合理的结构布置方案和节点措施对此类烟囱的设计尤为重要，与此同时，我们也将不断积累经验和总结教训，为进一步完善双钢内筒烟囱设计规范打下基础。

参考文献：
[1]刘付浩，田树桐，杨小兵，马申.火力发电厂悬吊式钢内筒烟囱的结构设计[J].武汉大学学报：工学版，2007（01）
[2]GB50051-2013烟囱设计规范[S]
[3]GB50017-2003钢结构设计规范[S]。