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贵州快3烟气脱硫塔计算分析

时间:2021-02-09 09:00

  烟气脱硫塔计算分析_能源/化工_工程科技_专业资料。第4 8卷第 6期 2 0 1 1年 1 2月 化工设备与管道 P R O C E S SE Q U I P M E N T&P I P I N G V o l ? 4 8 N o

  第4 8卷第 6期 2 0 1 1年 1 2月 化工设备与管道 P R O C E S SE Q U I P M E N T&P I P I N G V o l ? 4 8 N o ? 6 D e c ? 2 0 1 1 烟气脱硫塔计算分析 刘玉英, 高飞 ( 中国石化集团宁波工程有限公司,浙江 宁波3 1 5 1 0 3 ) 摘要:可以将塔器的研究成果应用于烟气脱硫塔的振动计算上, 用S W6 ? 9 8和 P VD e s k t o p 两计算软件进行计算。 但对于高振型变截面烟气脱硫塔, 两计算软件的临界风速、 横向风弯矩计算结果相差悬殊, 通过分析原因, 得出结 论并提出建议。 关键词:脱硫塔; 共振; 弯矩 中图分类号: T Q0 5 3 . 5 ;T H1 2 3 C a l c u l a t i o na n dA n a l y s i s o f F l u eG a s D e s u l f u r i z a t i o nT o w e r L I UY u ? y i n g G A OF e i ( S I N O P E CN i n g b oE n g i n e e r i n gC o . ,L t d ,N i n g b o 3 1 5 1 0 3 ,C h i n a ) 《化 文献标识码:A 文章编号: 1 0 0 9 ? 3 2 8 1 ( 2 0 1 1 ) 0 6 ? 0 0 2 1 ? 0 4 工设 A b s t r a c t : B yu s i n gs o f t w a r eS W6a n dP VD e s k t o p ,t h em e t h o do f t o w e r d e s i g nc a nb ea l s oa p p l i e di nt h ev i b r a t i o na n a l y s i s o f f l u e g a s d e s u l f u r i z a t i o nt o w e r .Wi t hr e s p e c t t ov a r y i n gs e c t i o n ? s i z ef l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o nt o w e r ,t h er e s u l t so f c r i t i c a l w i n dv e l o c i t ya n d t r a v e r s a l w i n dm o m e n t f r o mt w o s o f t w a r e h a v e g r e a t d i f f e r e n c e s .T h e c a u s e a n a l y s i s w a s c a r r i e do u t ,a n dt h e n ,t h e c o n c l u s i o nw a s o b ? t a i n e da n dt h ep r o p o s a l w a s p r e s e n t e d . 备与 大的声音。 K e y w o r d s : d e s u l f u r i z a t i o nt o w e r ; r e s o n a n c e ; m o m e n t 在烟气脱硫系统中, 烟气脱硫塔是核心装置。 烟气脱硫塔: 下半部直径较大, 主要用于脱硫; 上半 由于此 结 构 特 点, 烟气脱硫塔不仅承受压力( 很 部直径较小, 主要用作烟囱; 属于直立、 高耸结构。 小) 、 温度和重力载荷, 同时又承受风载荷与地震载 .tc 荷。而风载荷与地震载荷属于动力载荷, 动力载荷 的大小、 方向甚至作用点是随时间变化的; 动力载荷 使结构产生加速度, 引起结构的共振, 共振过程中结 1 ] 。 构的位移和内力随时间变化 [ ed. com 后补救。 管道 诱导振动, 并导致设备多处严重开裂; 2 0 0 9年, 一乙 烯塔, 在刮 5~ 6级风时, 发生大幅度摆动, 并伴随很 因此, 在设计阶段, 应重视烟气脱硫塔的诱导共 》 振, 完善设计计算, 做到以预防、 控制为主, 而不是事 1 烟气脱硫塔的设计 国内有关烟气脱硫塔的设计标准很少, 且没有 相应的计算软件。在 G B5 0 0 5 1 —2 0 0 2 《 烟囱设计规 [ 2 ] [ 3 ] 和G B5 0 0 0 9 —2 0 0 1 《 建筑结构载荷规范》 范》 随着装置的逐步大型化, 烟气脱硫塔的高径比 也越来越大。一般来说, 高度、 高径比越大, 受风载 荷的影响也越来越大, 在一定的条件下, 便容易发生 振动事故。如: 1 9 9 5年, 某维尼纶 厂 6 0m 的 钢 烟 囱, 在刮 5~ 6级北风时, 便沿与风垂直的方向剧烈 振动; 2 0 0 2年某烷基苯装置设计的高 8 0m 的钢烟 囱, 吊装完毕后的空烟囱在风力约 6级时发生剧烈 振动, 振动方向与风向垂直, 烟囱顶部的振幅最大时 达4 5 0m m ; 2 0 0 8年, 一脱甲烷塔尚未投产就发生了 中, 只有很少的章节介绍了钢烟囱的设计。 钢制烟气脱硫塔的外型与化工设备的塔设备很 [ 4 ] 与G B 相似, 且J B / T4 7 1 0 —2 0 0 5 《 钢制塔式容器》 收稿日期: 2 0 1 1 ? 0 5 ? 0 4 作者简介: 刘玉英( 1 9 7 9 —) , 女, 山东东阿人, 工程师。从事化工设 备设计及研究工作。 ·2 2 · 化工设备与管道 第4 8卷第 6期 5 0 0 0 9 —2 0 0 1 《 建筑结构载荷规范》 中的风压高度变 化系数、 脉动增大系数、 脉动影响系数、 振型系数的 取值是相同的; 临界风速、 塔顶风速、 雷诺数、 临界风 速起始点高度、 顺向风弯矩、 组合风弯矩等计算公式 是一致的; 对塔设备的振动研究已有一定的成果。 为此, 我们可以将塔器的研究成果应用于烟气脱硫 塔的振动计算上, 用S W6 ? 9 8和石油化工静设备计 算机辅助 设 计 P VD e s k t o p两 计 算 软 件 进 行 计 算。贵州快3 但对于高振型变截面烟气脱硫塔, 临界风速、 横向风 荷载、 横 向 风 弯 矩 的 计 算, G B5 0 0 0 9 —2 0 0 1 、 S W6 ? 9 8 、 P VD e s k t o p 的计算结果差异很大。 如某烟气脱硫塔, 设计参数见表 1 , 设计基础数 据见表 2 , 结构尺寸见图 1 , 结构分段见表 3 。 表1 烟气脱硫塔设计参数 设计压力 ( G ) / M P a 0 . 0 0 5 设计温度 /最高工作压 最高工作 ℃ 2 0 0 力( G ) / M P a 温度 / ℃ 0 . 0 0 35 6 0 《化 www 设计基本 地震加 速度 0 . 1 0 g 2 设计 地震 分组 工设 主体材料 Q 3 4 5 R+ S 3 1 6 0 3 场地土 类别 Ⅵ 地面 粗糙度 类别 A 3 4 表2 设计基础数据 基本风压值 ( 1 0米高度处) 7 0 0N/ m 2 抗震 设防 烈度 备与 5 七度 第一组 段号 结构尺寸 L / m m ?× 1 .tc 表3 烟气脱硫塔预分段 5 0 0 0 × 5 0 0 0 5 0 0 0 × 8 0 0 0? 5 0 0 0 × 1 7 0 0 0? 2 5 0 0 × 2 0 0 0 ? 2 5 0 0 × 5 0 0 0? 2 5 0 0 × 2 0 0 0 0 ? 2 5 0 0 × 2 0 0 0 0? 2 5 0 0 / 5 0 0 0 × 3 0 0 0? ? 1 . 1 按 G B5 0 0 0 9 —2 0 0 1进行计算 1 . 1 . 1 判断结构是否存在共振区域 1 . 0 4s ed. com 6 管道 6 图1 烟气脱硫塔结构 变径段 》 裙座 在该烟气脱硫塔 2 / 3高度处: 6 6 6 90 0 0V D 9 . 7 4× 1 0 > 3 . 5× 1 0 R e 2 / 3= 2 / 3 2 / 3= . 0 1 3 H =0 . 0 1 3×8 0= 基本 自 振 周 期: T 1 =0 由于该烟囱脱硫塔, 倾斜度不大于 0 . 0 2 , 可近 5 3 . 3m , 似取 2 / 3结构高度处的风速和直径, H 2 / 3= 2 . 5m 。 D 2 / 3= 临界风速: V D/ ( T S ) c r= 1× t = 2 . 5 / ( 1 . 0 4× 0 . 2 )= 1 2 . 0 2m/ s 0 . 5 ( 20 0 0 ) 顶部风速: V γ ρ H= Wμ HW 0/ = 5 9 . 7m/ s 根据 G B5 0 0 0 9 —2 0 0 1第 7 . 6 . 1条, 当R e > 3 . 5 V 时, 属跨临界的强风 × 1 0且结构顶部风速 V H > c r 共振, 应考虑横风向风载荷引起的荷载效应。 1 . 1 . 3 荷载计算 跨临界的强风共振引起在 Z高处振型 j 的等效 风荷载: 2 / / 1 28 0 0 w λ ? ζ V c j z= j Z j j c r 顺风向风载荷 WK = W μ μ β z S Z 0 此处由于手算仅计算了第一振型, 计算结果见 表4 。 1 . 1 . 4 荷载效应计算 该烟 气 脱 硫 塔 底 部 的 荷 载 效 应 计 算 结 果 见 表5 。 V 说明共振可能发生, 且发生频率较高, V H> c r 需验算横向共振。 1 . 1 . 2 计算雷诺数 R e , 判断共振性质 R e = 6 90 0 0 v D 2 0 1 1年 1 2月 刘玉英, 等. 烟气脱硫塔计算分析 表4 荷载计算结果 ·2 3 · 2 k N/ m 段号 Wc j 1 WK 1 0 . 0 8 0 . 7 7 2 0 . 3 7 1 . 1 1 3 0 . 4 8 1 . 2 4 0 . 6 1 . 3 1 5 1 . 2 1 1 . 7 7 6 1 . 7 6 2 . 1 8 变径段 0 . 4 3 1 . 1 7 裙座 0 . 0 4 0 . 6 表5 烟气脱硫塔底部的荷载效应计算结果 段号 M顺 V 顺 M横 V 横 1 2 7 7 . 2 3 0 . 8 2 8 . 8 3 . 2 2 20 2 5 . 5 9 4 . 2 6 7 6 . 2 3 1 . 4 5 3 2 0 4 . 3 6 . 0 8 1 . 6 2 . 4 4 6 1 2 . 5 1 6 . 3 2 8 1 . 3 7 . 5 5 44 3 3 8 8 . 7 30 2 5 6 0 . 5 6 76 3 6 1 0 9 . 1 61 6 0 8 8 变径段 4 2 0 1 3 . 1 1 5 4 . 9 4 . 8 4 裙座 3 7 . 2 1 7 . 9 2 . 5 1 求和 1 56 4 6 3 7 6 . 1 1 04 1 0 . 3 1 9 8 . 9 顺风与横风迭加: M ) = 1 87 9 2 . 9k N ·m M= ( M + V= ( V + V) = 4 2 5 . 5k N 1 . 2 参照塔器进行计算 2 顺 2 横 0 . 5 2 顺 气脱硫塔进行计算分析, 程序自行计算结果见表 6 。 从表 6可见, 两程序自行计算结果相差悬殊。 参照 P VD e s k t o p 软件的计算结果, 确定该烟气脱硫 塔各段厚度, 见表 7 。查找两计算软件计算结果差 用S W6 ? 9 8 和P VD e s k t o p 计算软件, 分别对该烟 《化 2 顺 0 . 5 计算软件 1 S W6 ? 9 8 P VD e s k t o p 2 2 3 0 2 2 0 2 8 工设 3 4 2 2 2 0 3 0 2 2 3 2 8+ 3 异所在。 δ 表6 程序自行计算结果 段号 名义厚度 δ m m n/ 按表 7数据, 分别按 S W6 ? 9 8和 P VD e s k t o p两 www 1 2 8+ 3 7 7 28 0 0 7 7 28 0 0 1 . 8 1 5× 1 0 1 . 9 7× 1 0 E 1 0 表7 烟气脱硫塔各段名义厚度 备与 5 6 1 8 1 4 1 8 1 4 4 2 0+ 3 5 1 6+ 3 变径段 2 2 3 0 裙座 2 4 3 2 螺栓规格 M 8 0 M 8 0 所需数量 4 4 8 8 计算程序进行计算。由于风载荷与地震载荷是该烟 气脱硫塔安全运行的主要载荷, 这些侧向载荷在塔 操作质量 m k g 0/ S W6 ? 9 8 P VD e s k t o p S W6 ? 9 8 P VD e s k t o p S W6 ? 9 8 P VD e s k t o p S W6 ? 9 8 P VD e s k t o p S W6 ? 9 8 P VD e s k t o p .tc 2 6+ 3 2 表8 底截面计算结果 9 7 . 4 1 5× 1 0 第一振型横风向弯矩 Mc ( / ( N ·m m ) Ⅰ) a 2 . 1 5× 1 0 1 0 风弯矩 MW / ( N ·m m ) 1 0 w ( / ( N ·m m ) 第一振型顺风向弯矩 Mc Ⅰ) 9 1 . 6 4 5× 1 0 ed. com 果见表 8 。 9 1 0 1 . 8 1 5× 1 0 1 1 壳和裙座壳截面中产生弯曲应力, 且底截面所受弯 曲应力最大, 以最危险的底截面进行分析, 其计算结 管道 6 1 2+ 3 变径段 2 8+ 3 裙座 3 2 》 第二振型横风向弯矩 Mc ( / ( N ·m m ) Ⅱ) a 9 7 . 7 6 6× 1 0 1 0 9 . 9 4× 1 0 第二振型顺风向弯矩 Mc ( / ( N ·m m ) Ⅱ) w 9 8 . 2 6 7× 1 0 1 0 1 . 6 6× 1 0 最大弯矩 Mma ( N ·m m ) x/ 1 0 1 . 8 1 5× 1 0 1 1 1 . 0 3× 1 0 第三振型自振周期 T s 3/ 地震弯矩 M / ( N ·m m ) 1 0 1 . 0 4 5× 1 0 4 . 2 7× 1 0 ( N ·m m ) 组合风弯矩 ME W/ 1 . 0 3× 1 0 第二振型自振周期 T s 2/ 0 . 4 2 0 . 4 4 9 - 1 第一振型共振时临界风速 V ( m ·s ) c 1/ 1 . 0 7× 1 0 自振周期 T s 1/ 1 . 1 9 1 . 1 6 7 - 1 设计风速 V / ( m ·s ) 1 0 0 . 1 7 0 . 1 7 6 - 1 第二振型共振时临界风速 V ( m ·s ) c 2/ 5 0 . 4 6 5 0 . 3 7 1 0 . 6 3 1 5 . 6 3 0 . 1 2 4 0 . 5 3 4 2 烟气脱硫塔的计算结果分析 通过上述计算结果可知: 临界风速、 横向风荷 载、 横向风弯矩相差悬殊。 在G B5 0 0 0 9 —2 0 0 1中: V D/ ( T ) c r= 1S t w / 1 28 0 0 λ ? ζ V/ c j z= j Z j j 在J B / T4 7 1 0 —2 0 0 5中: 2 c r ( 1 ) ( 2 ) ·2 4 · - 3 V D ( T )× 1 0 c i= a/ iS t 2 4 i c i 2 t 化工设备与管道 第4 8卷第 6期 ( 3 ) - 9 等参数的经验取值, 及按 总 高 度 H 计 算 塔 顶 振 幅 等, 已使计算结果偏于保守。为此, 共振计算中 D a 取塔顶外直径加 2倍保温层厚度是合理的。 烟气脱硫塔( 烟囱) 的设计, 筒体厚度主要受温 度、 重力载荷、 风载荷、 地震载荷等影响, 其中风载荷 和地震载荷起决定作用。烟气脱硫塔( 烟囱) 的横 向风共振计算时, 由于截面变化较大, 且脱硫部分筒 的取值对振动分析的影响很 体所占比 例 较 高, D a 取值为塔外径的加权平均值加 2倍保温层厚 大, D a 度, 比按顶部和 2 / 3高度处取值合理、 安全。 Y ( C D / ( 4 9 . 4 G EI )× 1 0 ( 4 ) V H λ) ζ T i= L aρ i Mc ( 2 T )Y h h ) ( h ) π/ ? ∑m a= i T i K( K? K i ( 5 ) 取值与 D成正比。将式 从式( 1 ) 可以看出, V c r 2 ( 1 ) 代入式( 2 ) 可以看出 w 与D 正比。从式( 3 ) 可 c j z 取值与 D 成正比。将 ( 3 ) 、 ( 4 ) 代入式 以看出, V c i a 3 ( 5 ) 可以看出 Mc 与D a a 成正比。 对于高振型变截面塔, G B5 0 0 0 9 —2 0 0 1中的 D 可近似取 2 / 3结构高度处的直径。 S W6 ? 9 8中的 D a 取塔顶外直径加 2倍保温层厚度。P VD e s k t o p中的 取塔外径的加权平均值加 2倍保温层厚度。 D a 3 事例说明 例如: 位置相近的脱硫塔 1 , 脱硫塔 2 , 脱硫塔 3 。 m m 。 脱硫塔 1 : 40 0 0m m× 8 00 0 0m m , H= 8 00 0 0 ? 脱硫塔 2 : 下半部 ? 4 0 0 0m m× 7 7 0 0 0m m , 上半 《化 www 4 结论 由于环境保护的要求, 烟气排放点位置较高, 现 在所设计的烟气脱硫塔高度 H 0m , 大多属于变 ≥6 截面高振型塔。对于烟气脱硫塔的设计: ( 1 )可以参照塔器进行计算分析; 按顶部截面的 ( 2 )判定是否应考虑共振时, D a 取值为塔外径的加权平均 ( 3 )共振计算中, D a 部? 20 0 0m m× 30 0 0m m , 总高度 H= 8 00 0 0m m 。 脱硫塔 3 : 下半部 ? 4 0 0 0m m× 4 0 0 0 0m m , 上半 工设 部? 20 0 0m m× 4 00 0 0m m , 总高度 H= 8 00 0 0m m 。 脱硫塔 1 、 脱硫塔 2和脱硫塔 3横向风引起的 共振计算时: 对脱硫塔 1的 计 算, G B5 0 0 0 9 —2 0 0 1 、 S W6 ? 9 8 取值相同。 和P VD e s k t o p , D a 对脱硫塔 2的计算, G B5 0 0 0 9 —2 0 0 1中 D 2 / 3= { ( 4 0 0 0+ 2 )× 而P VD e s k t o p 的计算软件中 D δ a= n 1 )× 30 0 0 } / 8 00 0 0 。D 取值不 7 70 0 0+ ( 20 0 0+ 2 δ n 2 a 同, 计算结果不同。 备与 直径取值; 值加 2倍保温层厚度。 5 建议 ; S W6 ? 9 8计算软件中 D 20 0 0+ 2 ; 40 0 0+ 2 δ δ n 1 a= n 2 .tc 诱导振动对烟气脱硫塔等直立设备的危害比顺 风向振动更大, 过大的摆动将对塔的操作性能带来 很大的影响, 甚至使塔器失效。由于风压高度系数 的测量、 设备自振周期的计算、 以及斯特罗哈数的取 值等不可避免存在误差, 且实际风力是动态变化的, 导致计算临界风速与实际塔顶风速也必然存在一些 偏差。且标准中只给出了振幅的计算公式, 没有振 幅的控制值, 使设计者很难把握控制的尺度。出于 安全的角度, 在烟气脱硫塔的设计中, 不论是否发生 共振, 最好在上 1 / 3高度的部分焊上轴向翘片或螺 旋条等扰流装置。 对脱硫塔 3的计算, G B5 0 0 0 9 —2 0 0 1中 D 2 / 3= { ( 4 0 0 0+ 2 )× 而P VD e s k t o p 的计算软件中 D δ a= n 1 )× 4 00 0 0 } / 8 00 0 0 。D 取值 4 00 0 0+ ( 20 0 0+ 2 δ n 2 a 不同, 计算结果不同。 笔者认为: 脱硫塔 1和脱硫塔 2的临界风速和 ; S W6 ? 9 8计算软件中 D 20 0 0+ 2 ; 20 0 0+ 2 δ δ n 2 a= n 2 ed. com 社, 2 0 0 5 . 管道 》 参考文献 [ 1 ] 李世玉.压力容器设计工程师培训教程[ M] .北京: 新华出版 [ 2 ] 中华人民共和国建设部. G B5 0 0 5 1- 2 0 0 2烟囱设计规范[ S ] . 北京: 计划出版社, 2 0 0 2 . [ 3 ] 中华人民共和国建设部. G B5 0 0 0 9- 2 0 0 1建筑结构荷载规范 [ S ] . 北京: 中国建筑工业出版社, 2 0 0 1 . [ 4 ] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会. J B / T 4 7 1 0- 2 0 0 5钢制 塔式容器[ S ] . 北京: 新华出版社, 2 0 0 7 . 0 0+ 2 。脱硫塔 3 横向风弯矩应是相近的, D ≈40 δ a n 的下半部筒体对横向风弯矩有一定的影响, 而在 G B 5 0 0 0 9 —2 0 0 1和 S W6 ? 9 8计算中只反映了一部分。 塔器设计, 筒体厚度受其所承受压力、 温度、 重 力载荷、 风载荷、 地震载荷等影响。一般情况下, 压 力和温度起主要作用。塔器横向风共振计算时, 由 于截面变化较小, 且斯特罗哈数、 风压高度变化系数