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摘 要：为适应燃煤电厂二氧化硫超低排放标准，大唐环境产业集团股份有限公司自主研发了用于湿法脱硫提效的节能型湍流管栅高效脱硫技术。该文采用ANSYS有限元分析软件对湍流管栅提效装置模块进行应力分析，通过研究不同形式单元模块在不同工况下的载荷情况及应力分布，对模块设计方案进行可行性验证。
关键词：燃煤电厂 脱硫 超低排放 有限元分析 湍流管栅装置
中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（b）-0080-04
燃煤电厂超低排放标准的提出，使得目前应用最为广泛的石灰石—石膏濕法脱硫技术面临改进升级的需要[1-2]，在此背景下，大唐环境产业集团股份有限公司自主研发了一种可满足超低排放要求的节能型湍流管栅脱硫除尘协同控制技术，该技术的核心设备为湍流管栅装置，具有增强塔内气液传质效率、提高脱硫效率的优点。为便于安装及检修维护，湍流管栅装置采用模块化标准设计，为保证模块设计的整体稳定性，该文利用ANSYS有限元分析软件对湍流管栅装置模块进行应力分析，研究单元模块在不同工况下的载荷情况及应力分布，并对模块材料使用量进行优化。
1 分析方法及工具
1.1 有限元分析
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。由于有限元计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段[4-5]。
其中，静态分析是指利用有限元分析方法主要用于求解外部载荷引起的位移、应力和力，适用于求解惯性及阻尼的时间相关作用对结构响应的影响不显著的问题。在该研究中使用静态分析方法研究不同工况下湍流装置模块的应力分布、应变以及支点荷载情况。
1.2 ANSYS软件
该次分析采用通用有限元计算软件ANSYS，ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析（FEA）软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天等诸多领域有着广泛应用[6]。ANSYS功能强大、操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件。目前，中国100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。
2 湍流管栅装置模块有限元分析
2.1 几何模型构建
湍流管栅装置模块由活动管、固定管、支撑板及加强板构成，根据实际结构尺寸构建几何模型如图1所示。固定管件及活动管件分上下2层，错位排列。钢管外径65 mm，端板、支撑板及加强板厚5 mm，装置两端的支撑板架在支撑梁上，用压板固定，搭接宽度40 mm。模块材料选用Q235b，材料属性如表1所示。
2.2 有限元分析
该次分析采用单元SHELL181对湍流管栅装置模块的各个部件进行网格划分，对钢管及端板等分别设置不同的实常数，生成有限元模型如图2所示。
根据模块实际支撑结构有限元计算模型进行约束设置，分别在两侧支撑板40 mm的边缘区域的平面设置Z向约束，模块一端支撑板的边线设置Y向约束，分别在两侧支撑板中心位置设置X向约束如图3所示。
湍流管栅装置模块所受载荷包括重力荷载、温度载荷、差压载荷、活荷载及检修荷载。为便于计算，假设重力加速度恒定为g=9.8 m/s2，设计温度80 ℃，装置模块运行时下部压力比上部高800 Pa，装置运行时全部管道承受650 kg/m2的均布荷载，装置检修时上层管道承受400 kg/m2的检修载荷。
根据模块的实际运行情况，对下面3种工况进行分析：在冷态安装工况下，模块仅承受重力荷载；在热态运行工况下，模块承受重力、温度、压力及活荷载；在检修工况下，模块承受重力及检修荷载。
2.3 分析结果
按照工程常用管件规格，该文分别研究了钢管壁厚2 .0 mm、2.5 mm时模块的应力分布情况，
2.3.1 冷态安装工况
如图4所示，壁厚2.5 mm时，总体应力基本在4 MPa以下，最大应力9.35 MPa，满足强度的要求；壁厚2.0 mm时，总体应力基本在3.5 MPa以下，最大应力7.78 MPa，满足强度的要求。壁厚2.5 mm及2.0 mm时模块Z向最大位移分别为0.108 mm和0.105 mm，均位于下层管件的中间部位，如图5所示。
因模块质量的减少，壁厚2.0 mm时模块的应力水平及整体挠度都有所下降。
2.3.2 热态运行工况
壁厚2.5 mm时，总体应力基本在80 MPa以下，最大应力为178 MPa；壁厚2.0 mm时，总体应力基本在82 MPa以下，最大应力为183 MPa。如图6所示，两种情况下最大应力均位于支撑板与端板连接的不连续处，其成分主要是峰值应力，按3倍的许用应力评价，均满足强度的要求。如图7所示，壁厚2.5 mm及2.0 mm时模块的Z向最大位移分别为2.122 mm和2.554 mm，均位于下层管件的中间部位，整体挠度水平均满足要求。
壁厚2.0 mm时，模块的整体应力水平及挠度较壁厚2.5 mm时均有所上升。
2.3.3 检修工况
壁厚2.5 mm，总体应力基本在117 MPa以下，最大应力为263 MPa；壁厚2.0 mm，总体应力基本在121 MPa以下，最大应力为272 MPa。如图8所示，两种情况下最大应力均位于支撑板与端板连接的不连续处，其成分主要是峰值应力，按3倍许用应力评价均满足强度要求。如图9所示，壁厚2.5 mm及2.0 mm时模块的Z向最大位移分别为3.303 mm和3.902 mm，均位于下层管件的中间部位，整体挠度水平均满足要求。
壁厚2.0 mm时，模块的整体应力水平及挠度较壁厚2.5 mm时均有所上升。
3 结语
比较管件壁厚为2.0 mm及管件壁厚为2.5 mm两种情况下标准模块的分析结果，可以得出模块在管件壁厚为2.5 mm及管件壁厚为2.0 mm时的应力水平及挠度均满足要求，故实际设计可按壁厚2.0 mm进行，以节省材料费用及减少支座反力。
参考文献
[1] 徐宝东.烟气脱硫工艺手册[M].北京：化学工业出版社，2012.
[2] 滕斌，段成杰，杨凤岭，等.燃煤电厂湿法烟气脱硫装置的腐蚀及防腐问题[J].中国电机工程学报，2005，25（25）：319-323.
[3] 大唐科技产业集团公司自主开发环保新技术通过鉴定[J].中国电业：技术版，2015（4）：32.
[4] 王瑞，陈海霞，王广峰.ANSYS有限元网格划分浅析[J].天津工业大学学报，2002，21（4）：8-11.
[5] 刘力，李明万，贾粮棉.基于ANSYS的有限元分析在工程中的应用[J].黄石理工学院学报，2007，23（5）：31-35.
[6] 蓝宇，张连杰.大型有限元分析软件ANSYS[J].应用科技，2000，27（6）：11-15.
关键词：燃煤电厂 脱硫 超低排放 有限元分析 湍流管栅装置
中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（b）-0080-04
燃煤电厂超低排放标准的提出，使得目前应用最为广泛的石灰石—石膏濕法脱硫技术面临改进升级的需要[1-2]，在此背景下，大唐环境产业集团股份有限公司自主研发了一种可满足超低排放要求的节能型湍流管栅脱硫除尘协同控制技术，该技术的核心设备为湍流管栅装置，具有增强塔内气液传质效率、提高脱硫效率的优点。为便于安装及检修维护，湍流管栅装置采用模块化标准设计，为保证模块设计的整体稳定性，该文利用ANSYS有限元分析软件对湍流管栅装置模块进行应力分析，研究单元模块在不同工况下的载荷情况及应力分布，并对模块材料使用量进行优化。
1 分析方法及工具
1.1 有限元分析
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。由于有限元计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段[4-5]。
其中，静态分析是指利用有限元分析方法主要用于求解外部载荷引起的位移、应力和力，适用于求解惯性及阻尼的时间相关作用对结构响应的影响不显著的问题。在该研究中使用静态分析方法研究不同工况下湍流装置模块的应力分布、应变以及支点荷载情况。
1.2 ANSYS软件
该次分析采用通用有限元计算软件ANSYS，ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析（FEA）软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天等诸多领域有着广泛应用[6]。ANSYS功能强大、操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件。目前，中国100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。
2 湍流管栅装置模块有限元分析
2.1 几何模型构建
湍流管栅装置模块由活动管、固定管、支撑板及加强板构成，根据实际结构尺寸构建几何模型如图1所示。固定管件及活动管件分上下2层，错位排列。钢管外径65 mm，端板、支撑板及加强板厚5 mm，装置两端的支撑板架在支撑梁上，用压板固定，搭接宽度40 mm。模块材料选用Q235b，材料属性如表1所示。
2.2 有限元分析
该次分析采用单元SHELL181对湍流管栅装置模块的各个部件进行网格划分，对钢管及端板等分别设置不同的实常数，生成有限元模型如图2所示。
根据模块实际支撑结构有限元计算模型进行约束设置，分别在两侧支撑板40 mm的边缘区域的平面设置Z向约束，模块一端支撑板的边线设置Y向约束，分别在两侧支撑板中心位置设置X向约束如图3所示。
湍流管栅装置模块所受载荷包括重力荷载、温度载荷、差压载荷、活荷载及检修荷载。为便于计算，假设重力加速度恒定为g=9.8 m/s2，设计温度80 ℃，装置模块运行时下部压力比上部高800 Pa，装置运行时全部管道承受650 kg/m2的均布荷载，装置检修时上层管道承受400 kg/m2的检修载荷。
根据模块的实际运行情况，对下面3种工况进行分析：在冷态安装工况下，模块仅承受重力荷载；在热态运行工况下，模块承受重力、温度、压力及活荷载；在检修工况下，模块承受重力及检修荷载。
2.3 分析结果
按照工程常用管件规格，该文分别研究了钢管壁厚2 .0 mm、2.5 mm时模块的应力分布情况，
2.3.1 冷态安装工况
如图4所示，壁厚2.5 mm时，总体应力基本在4 MPa以下，最大应力9.35 MPa，满足强度的要求；壁厚2.0 mm时，总体应力基本在3.5 MPa以下，最大应力7.78 MPa，满足强度的要求。壁厚2.5 mm及2.0 mm时模块Z向最大位移分别为0.108 mm和0.105 mm，均位于下层管件的中间部位，如图5所示。
因模块质量的减少，壁厚2.0 mm时模块的应力水平及整体挠度都有所下降。
2.3.2 热态运行工况
壁厚2.5 mm时，总体应力基本在80 MPa以下，最大应力为178 MPa；壁厚2.0 mm时，总体应力基本在82 MPa以下，最大应力为183 MPa。如图6所示，两种情况下最大应力均位于支撑板与端板连接的不连续处，其成分主要是峰值应力，按3倍的许用应力评价，均满足强度的要求。如图7所示，壁厚2.5 mm及2.0 mm时模块的Z向最大位移分别为2.122 mm和2.554 mm，均位于下层管件的中间部位，整体挠度水平均满足要求。
壁厚2.0 mm时，模块的整体应力水平及挠度较壁厚2.5 mm时均有所上升。
2.3.3 检修工况
壁厚2.5 mm，总体应力基本在117 MPa以下，最大应力为263 MPa；壁厚2.0 mm，总体应力基本在121 MPa以下，最大应力为272 MPa。如图8所示，两种情况下最大应力均位于支撑板与端板连接的不连续处，其成分主要是峰值应力，按3倍许用应力评价均满足强度要求。如图9所示，壁厚2.5 mm及2.0 mm时模块的Z向最大位移分别为3.303 mm和3.902 mm，均位于下层管件的中间部位，整体挠度水平均满足要求。
壁厚2.0 mm时，模块的整体应力水平及挠度较壁厚2.5 mm时均有所上升。
3 结语
比较管件壁厚为2.0 mm及管件壁厚为2.5 mm两种情况下标准模块的分析结果，可以得出模块在管件壁厚为2.5 mm及管件壁厚为2.0 mm时的应力水平及挠度均满足要求，故实际设计可按壁厚2.0 mm进行，以节省材料费用及减少支座反力。
参考文献
[1] 徐宝东.烟气脱硫工艺手册[M].北京：化学工业出版社，2012.
[2] 滕斌，段成杰，杨凤岭，等.燃煤电厂湿法烟气脱硫装置的腐蚀及防腐问题[J].中国电机工程学报，2005，25（25）：319-323.
[3] 大唐科技产业集团公司自主开发环保新技术通过鉴定[J].中国电业：技术版，2015（4）：32.
[4] 王瑞，陈海霞，王广峰.ANSYS有限元网格划分浅析[J].天津工业大学学报，2002，21（4）：8-11.
[5] 刘力，李明万，贾粮棉.基于ANSYS的有限元分析在工程中的应用[J].黄石理工学院学报，2007，23（5）：31-35.
[6] 蓝宇，张连杰.大型有限元分析软件ANSYS[J].应用科技，2000，27（6）：11-15.