沈荣胜
山东神华山大能源环境有限公司 山东 济南 250013
摘 要：针对半干法脱硫塔大直径、大出口、大偏心、高耸结构等特性，采用传统的薄壁圆筒强度计算方法很难准确计算结构的受力状态，更无法计算塔体的变形量。本文以某工程半干法脱硫塔为背景，建立脱硫塔整体结构有限元模型，模拟实际受力状态，分析整体结构的强度及刚度，根据结果查找薄弱处并优化调整，为结构优化设计提供依据。
关键词：脱硫塔；大出口；大偏心；有限元
1 引言
脱硫塔是燃煤发电厂、钢铁行业有效去除烟气中所含 SO2等有害气体的关键设备，结构形式较多，多为大型薄壁壳体钢结构[1]。从结构形式上说，脱硫塔属于高耸圆筒薄壁壳结构，但大出口又决定与高耸圆筒结构存在差异[2]。半干法脱硫塔主要由钢支架、筒体、进出口烟道、内部件（气流分布板、文丘里）等组成，总高度约60～70m，出口为大开口、大偏心结构，对于结构整体的影响非常严重[3]，采用传统的薄壁圆筒强度计算方法很难准确计算结构的受力状态，且无具体的标准规范可循。本文主要借助有限元软件对半干法脱硫塔整体进行计算，模拟实际受力状态，分析整体结构的强度及刚度，根据结果查找薄弱处并调整模型，为结构优化设计提供依据。
2 工程概况
本文以某工程半干法脱硫塔为背景，脱硫塔直径为φ12.3m，总高度70m，脱硫塔整体由钢支架支撑，支座底标高为+38.3m，支座以下依次为2.6m高直筒段、锥形段、文丘里段、返料段、方圆节等，在文丘里段内布置多根文丘里管；支座以上依次为29m高直筒段、穹形塔帽、出口烟道。直筒段设环向加强筋；为了提高塔帽的强度和刚度，其设计为穹顶形式；出口烟道为方形烟道，外部加强筋设置：环向为H型钢，纵向为角钢，内部设置管撑。出口烟道与脱硫塔直筒段连接处断面尺寸为10m×10m，大开孔率。出口烟道中心标高63.5m，其中心距离脱硫塔中心11.75m，本文介绍的脱硫塔属于大直径、大出口、大偏心、高耸结构。塔体主要设计参数：烟气设计压力为-8.7kPa，设计温度为160℃，基本风压为0.55N/㎡，基本雪压为0.25N/㎡，地震设防烈度为7度，场地土类型为Ⅱ类，脱硫塔筒体及加强筋材料为Q235-B。
3 建立有限元模型
结构分析模型是由节点、单元及边界条件三要素所构成的。其中，节点是用来确定构件的位置；单元是用分析模型数据表达结构构件的元素，它是由连续的结构构件按有限元法划分而成的；边界条件是用来表达所研究的对象结构与相邻的结构之间的连接方式。
3.1 模型的建立
根据脱硫塔实际运行环境，在满足工程设计要求条件下，为了便于模拟计算，对该结构做了简化：脱硫塔壳体用板单元、加强筋用梁单元建模。脱硫塔文丘里管、锥体、出口段壁板及其内部管撑为Q345-B材质。脱硫塔整体结构（出口段由塔体支撑）有限元模型如图1所示。
模拟包含设计工况下脱硫塔结构模型建立、边界条件设定和施加荷载的模拟结果；通过对研究结果详细地对比分析，优化脱硫塔结构，指导项目设计。
图1 脱硫塔整体结构有限元简化模型
3.2 设定边界条件
根据设计条件，对脱硫塔整体结构建模分析，脱硫塔支座与钢支架用高强螺栓连接，边界条件为限定脱硫塔支座移动、旋转自由度。根据设计条件施加自重、内压、保温、风荷载、雪荷载、地震荷载等，活荷载分项系数取1.4，恒载分项系数取1.2。
4 数值分析
对脱硫塔整体结构进行受力分析，然后组合载荷，整体结构板、梁单元应力分析结果分别如图2、图3所示，板单元最大应力位置为脱硫塔直筒段与支座连接处，最大应力值为139.9MPa；梁单元最大应力位置为脱硫塔出口段与直筒段连接处底部，最大应力值为177.1MPa。板单元最大应力值小于设计温度（150℃）下钢板许用应力值（GB150.2表2 147MPa）；梁单元最大应力值小于钢结构规范规定的抗拉、抗压、抗弯强度设计值215MPa，结构整体强度均满足要求。在实际设计时，出口段与直筒段连接处采取了补强措施，增大承载力，使结构具有更高的安全性[4]。
图2 整体结构板单元应力分布图 图3 整体结构梁单元应力分布图
对脱硫塔整体结构进行应变分析，+38.3m层支座以下塔体变形小，可忽略不计，+38.3m层支座以上塔体变形如图4所示，最大变形量为21.4mm，+38.3m层支座以上塔体高度为31.3m，变形量小于塔体高度的1/1000，塔体刚度满足许用要求。
图4 +38.3m层支座以上塔体应变分布图
5 结语
本文基于有限元分析方法，对大直径、大开口、大偏心、高耸薄壁壳结构进行数值模拟，分析整体及大出口结构的强度及刚度，根据结果查找薄弱处并优化调整结构，使其强度、刚度满足许用要求，解决了采用传统薄壁圆筒强度计算方法很难准确计算结构强度及刚度等难题，为大出口、大偏心、高耸薄壁半干法脱硫塔结构优化设计提供依据，其结构受力研究为大型半干法脱硫塔在燃煤锅炉烟气脱硫技术中广泛应用具有深远意义。
参考文献：
[1]陈庭芳. 大型脱硫塔结构大开口高耸薄壁圆筒结构动力特性与性能设计方法研究[D] .北京科技大学土木与环境工程学院,2010.
[2] 盛朝晖. 大开口高耸薄壁圆筒结构动力特性与性能设计方法研究[D] .北京科技大学土木与环境工程学院,2010.
[3] 贾琦. 带大开口脱硫塔的有限元静、动力特性分析[D] .兰州交通大学,2016.
[4] 李妙,赵建昌. 某脱硫塔双大出口烟箱部分有限元分析[J].洛阳理工学院学报（自然科学版）,2016.