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      節(jié)能型湍流管柵脫硫提效裝置的有限元分析

      2017-03-27 21:37:08趙怡凡
      科技資訊 2017年2期
      關(guān)鍵詞:超低排放脫硫燃煤電廠

      趙怡凡

      摘 要:為適應(yīng)燃煤電廠二氧化硫超低排放標(biāo)準(zhǔn),大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司自主研發(fā)了用于濕法脫硫提效的節(jié)能型湍流管柵高效脫硫技術(shù)。該文采用ANSYS有限元分析軟件對湍流管柵提效裝置模塊進(jìn)行應(yīng)力分析,通過研究不同形式單元模塊在不同工況下的載荷情況及應(yīng)力分布,對模塊設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可行性驗(yàn)證。

      關(guān)鍵詞:燃煤電廠 脫硫 超低排放 有限元分析 湍流管柵裝置

      中圖分類號:TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2017)01(b)-0080-04

      燃煤電廠超低排放標(biāo)準(zhǔn)的提出,使得目前應(yīng)用最為廣泛的石灰石—石膏濕法脫硫技術(shù)面臨改進(jìn)升級的需要[1-2],在此背景下,大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司自主研發(fā)了一種可滿足超低排放要求的節(jié)能型湍流管柵脫硫除塵協(xié)同控制技術(shù),該技術(shù)的核心設(shè)備為湍流管柵裝置,具有增強(qiáng)塔內(nèi)氣液傳質(zhì)效率、提高脫硫效率的優(yōu)點(diǎn)。為便于安裝及檢修維護(hù),湍流管柵裝置采用模塊化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),為保證模塊設(shè)計(jì)的整體穩(wěn)定性,該文利用ANSYS有限元分析軟件對湍流管柵裝置模塊進(jìn)行應(yīng)力分析,研究單元模塊在不同工況下的載荷情況及應(yīng)力分布,并對模塊材料使用量進(jìn)行優(yōu)化。

      1 分析方法及工具

      1.1 有限元分析

      有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成,對每一單元假定一個(gè)合適的近似解,然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件,從而得到問題的解。由于有限元計(jì)算精度高,而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀,因而成為行之有效的工程分析手段[4-5]。

      其中,靜態(tài)分析是指利用有限元分析方法主要用于求解外部載荷引起的位移、應(yīng)力和力,適用于求解慣性及阻尼的時(shí)間相關(guān)作用對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響不顯著的問題。在該研究中使用靜態(tài)分析方法研究不同工況下湍流裝置模塊的應(yīng)力分布、應(yīng)變以及支點(diǎn)荷載情況。

      1.2 ANSYS軟件

      該次分析采用通用有限元計(jì)算軟件ANSYS,ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的集結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析(FEA)軟件。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[6]。ANSYS功能強(qiáng)大、操作簡單方便,現(xiàn)在已成為國際最流行的有限元分析軟件。目前,中國100多所理工院校采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析或者作為標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)軟件。

      2 湍流管柵裝置模塊有限元分析

      2.1 幾何模型構(gòu)建

      湍流管柵裝置模塊由活動(dòng)管、固定管、支撐板及加強(qiáng)板構(gòu)成,根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸構(gòu)建幾何模型如圖1所示。固定管件及活動(dòng)管件分上下2層,錯(cuò)位排列。鋼管外徑65 mm,端板、支撐板及加強(qiáng)板厚5 mm,裝置兩端的支撐板架在支撐梁上,用壓板固定,搭接寬度40 mm。模塊材料選用Q235b,材料屬性如表1所示。

      2.2 有限元分析

      該次分析采用單元SHELL181對湍流管柵裝置模塊的各個(gè)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對鋼管及端板等分別設(shè)置不同的實(shí)常數(shù),生成有限元模型如圖2所示。

      根據(jù)模塊實(shí)際支撐結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型進(jìn)行約束設(shè)置,分別在兩側(cè)支撐板40 mm的邊緣區(qū)域的平面設(shè)置Z向約束,模塊一端支撐板的邊線設(shè)置Y向約束,分別在兩側(cè)支撐板中心位置設(shè)置X向約束如圖3所示。

      湍流管柵裝置模塊所受載荷包括重力荷載、溫度載荷、差壓載荷、活荷載及檢修荷載。為便于計(jì)算,假設(shè)重力加速度恒定為g=9.8 m/s2,設(shè)計(jì)溫度80 ℃,裝置模塊運(yùn)行時(shí)下部壓力比上部高800 Pa,裝置運(yùn)行時(shí)全部管道承受650 kg/m2的均布荷載,裝置檢修時(shí)上層管道承受400 kg/m2的檢修載荷。

      根據(jù)模塊的實(shí)際運(yùn)行情況,對下面3種工況進(jìn)行分析:在冷態(tài)安裝工況下,模塊僅承受重力荷載;在熱態(tài)運(yùn)行工況下,模塊承受重力、溫度、壓力及活荷載;在檢修工況下,模塊承受重力及檢修荷載。

      2.3 分析結(jié)果

      按照工程常用管件規(guī)格,該文分別研究了鋼管壁厚2 .0 mm、2.5 mm時(shí)模塊的應(yīng)力分布情況,

      2.3.1 冷態(tài)安裝工況

      如圖4所示,壁厚2.5 mm時(shí),總體應(yīng)力基本在4 MPa以下,最大應(yīng)力9.35 MPa,滿足強(qiáng)度的要求;壁厚2.0 mm時(shí),總體應(yīng)力基本在3.5 MPa以下,最大應(yīng)力7.78 MPa,滿足強(qiáng)度的要求。壁厚2.5 mm及2.0 mm時(shí)模塊Z向最大位移分別為0.108 mm和0.105 mm,均位于下層管件的中間部位,如圖5所示。

      因模塊質(zhì)量的減少,壁厚2.0 mm時(shí)模塊的應(yīng)力水平及整體撓度都有所下降。

      2.3.2 熱態(tài)運(yùn)行工況

      壁厚2.5 mm時(shí),總體應(yīng)力基本在80 MPa以下,最大應(yīng)力為178 MPa;壁厚2.0 mm時(shí),總體應(yīng)力基本在82 MPa以下,最大應(yīng)力為183 MPa。如圖6所示,兩種情況下最大應(yīng)力均位于支撐板與端板連接的不連續(xù)處,其成分主要是峰值應(yīng)力,按3倍的許用應(yīng)力評價(jià),均滿足強(qiáng)度的要求。如圖7所示,壁厚2.5 mm及2.0 mm時(shí)模塊的Z向最大位移分別為2.122 mm和2.554 mm,均位于下層管件的中間部位,整體撓度水平均滿足要求。

      壁厚2.0 mm時(shí),模塊的整體應(yīng)力水平及撓度較壁厚2.5 mm時(shí)均有所上升。

      2.3.3 檢修工況

      壁厚2.5 mm,總體應(yīng)力基本在117 MPa以下,最大應(yīng)力為263 MPa;壁厚2.0 mm,總體應(yīng)力基本在121 MPa以下,最大應(yīng)力為272 MPa。如圖8所示,兩種情況下最大應(yīng)力均位于支撐板與端板連接的不連續(xù)處,其成分主要是峰值應(yīng)力,按3倍許用應(yīng)力評價(jià)均滿足強(qiáng)度要求。如圖9所示,壁厚2.5 mm及2.0 mm時(shí)模塊的Z向最大位移分別為3.303 mm和3.902 mm,均位于下層管件的中間部位,整體撓度水平均滿足要求。

      壁厚2.0 mm時(shí),模塊的整體應(yīng)力水平及撓度較壁厚2.5 mm時(shí)均有所上升。

      3 結(jié)語

      比較管件壁厚為2.0 mm及管件壁厚為2.5 mm兩種情況下標(biāo)準(zhǔn)模塊的分析結(jié)果,可以得出模塊在管件壁厚為2.5 mm及管件壁厚為2.0 mm時(shí)的應(yīng)力水平及撓度均滿足要求,故實(shí)際設(shè)計(jì)可按壁厚2.0 mm進(jìn)行,以節(jié)省材料費(fèi)用及減少支座反力。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 徐寶東.煙氣脫硫工藝手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

      [2] 滕斌,段成杰,楊鳳嶺,等.燃煤電廠濕法煙氣脫硫裝置的腐蝕及防腐問題[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(25):319-323.

      [3] 大唐科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)公司自主開發(fā)環(huán)保新技術(shù)通過鑒定[J].中國電業(yè):技術(shù)版,2015(4):32.

      [4] 王瑞,陳海霞,王廣峰.ANSYS有限元網(wǎng)格劃分淺析[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,21(4):8-11.

      [5] 劉力,李明萬,賈糧棉.基于ANSYS的有限元分析在工程中的應(yīng)用[J].黃石理工學(xué)院學(xué)報(bào),2007,23(5):31-35.

      [6] 藍(lán)宇,張連杰.大型有限元分析軟件ANSYS[J].應(yīng)用科技,2000,27(6):11-15.

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