F503C-J01-56烟风煤粉系统设计优化专题报告

神华江西国华九江煤炭储备（中转）发电一体化工程（图号：F503C－J01－56）初步设计第四卷热机部分烟风煤粉系统设计优化专题报告二Ｏ一三年七月神华江西国华九江煤炭储备（中转）发电一体化工程（图号：F503C－J01－56）初步设计第四卷热机部分烟风煤粉系统设计优化专题报告批准：审核：校核：编写：目录1烟风煤粉管道设计优化，降低管道材料耗量1.1优化选择烟风道加固肋和内撑杆1.2采用圆形截面优化烟风道2优化除尘器入口、出口烟道布置，改善烟道系统流场分布2.1常规除尘器入口烟道布置存在问题及分析2.2除尘器入口、出口烟道布置优化2.3除尘器进、出口烟道布置方案结论及建议3烟囱选型及选型设计优化3.1烟囱型式选择3.2烟囱出口流速的选择计算原则3.3烟囱出口流速的选择计算3.4本工程烟囱选型结论1【内容摘要】本报告对1000MW机组烟风煤粉系统的烟风管道结构、烟道布置和烟囱选型三方面进行了设计分析和优化，主要内容分别如下：（1）通过对大截面烟风道加固肋和内撑杆的设计计算进行分析，比较了圆形和矩形烟风道在钢材耗量上的差异，提出了优化烟风道设计、降低钢材耗量的方案。根据计算，大截面圆形烟风道在节省烟风道材料量上有比较明显的优势，但由于过大圆形截面烟风道还存在加工制作困难和布置等方面原因，我们建议本工程在电除尘器入口烟道、一次冷风和一次热风道等烟风道采用圆形截面。结论为：本工程通过采取对烟风道壁厚、加固肋型钢种类和加固肋间距、内撑杆设计进行最佳组合，以及设计中大量采用大截面圆形烟风道等优化措施，两台机组可节省钢材耗量约300吨，节省初投资约260万元。（2）国内1000MW机组烟道布置的通常方案为了减小电除尘器每个室流量偏差，在烟道内加装导流或阻流板。导致一方面是增加了烟道烟气阻力，导致引风机电耗增加，另一方面过多的导流或阻流板会使烟道存在死角，造成局部积灰。通过对国内1000MW机组锅炉配二台三室电除尘器的连接烟道在布置上存在的问题进行分析，并通过计算机数学模型模拟计算进行了烟道系统流场分析、比较，同时在考虑减少烟道长度，控制烟道占地面积，减少电厂的初投资的基础上，提出了本工程烟道的设计优化布置方案。结论是：本工程空预器出口直接分成三个独立的烟道进入电除尘器、引风机采用出口相对的纵向布置方案，通过对烟道布置及部分异形件结构进行优化设计，保证整个烟道系统流场均匀和除尘器各通道烟气流量分配均匀，同时可减少烟道金属耗材，降低投资。（3）本工程同步装备脱硫装置，且不设GGH，按烟囱分类标准，2烟囱为湿烟气运行，排放的为强腐蚀性烟气。为避免出现烟雨下洗和因出现雾滴下落而污染环境的情况，单台锅炉THA工况下烟囱出口烟气流速不低于烟囱出口处平均风速的1.5倍，不宜在5～8m/s以下运行，且在BRL工况下宜不超过18m/s～20m/s。根据《火力发电厂设计技术规程》、《火力发电厂土建结构设计技术规定》、《烟囱设计规范》和《火力发电厂烟囱设计导则》等规程要求，结合本工程情况，通过对国内1000MW机组烟囱型式的选择分析，经过对烟囱出口流速的选择计算，推荐本工程两台机组采用一座双管套筒烟囱，烟囱出口内径8.5米。1烟风煤粉管道设计优化，降低管道材料耗量随着锅炉容量的增大，1000MW机组各种烟风道截面面积明显加大，烟风道壁厚、加固肋和内撑杆的规格也随之增加。对于大截面烟风管道来说，加固肋和内撑杆的金属耗量占整个烟风道的重量的比例比较大，根据《火电工程限额设计参考造价指标》（2012年水平），2×1000MW机组烟风煤粉管道共约6000吨，仅材料费用就接近6000万元，如果能够合理优化设计烟风煤粉管道，将有利于减少烟风煤粉管道金属用量，因此对于本工程如何合理优化设计烟风煤粉管道，降低电厂初投资是我们设计中应研究的一个重点。1.1优化选择烟风道加固肋和内撑杆1.1.1烟风道加固肋内撑杆计算选择概述目前国内设计院都是根据《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程配套设计计算方法》选择计算烟风道的加固肋和内撑杆。矩形烟风道道体面板按四周固定的薄板大挠度变形理论计算，其相对挠度控制在道体计算面板宽度的1/120；横向加固肋按刚接或铰接两套计算方法，其相对挠度控制在道体计算跨度的1/400。道体面板和加固肋各3自满足强度、刚度和防振（频率）要求，以强度和频率条件作为控制依据、刚度条件作为校核依据。烟风道体每个面板及加固肋均需按强度、刚度和防振要求进行计算，烟风煤粉管道及其异形件必须具有足够的强度、刚度和整体稳定性，避免运行时产生强烈振动。道体面板厚度、加固肋和内撑杆规格之间的组合是多种的，对同一截面尺寸的烟风道的多种规格的壁厚、加固肋和内撑杆组合只要满足《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程配套设计计算方法》中计算要求，都是安全的。不同的组合方式对应不同的烟风道金属耗量，例如增加道体壁厚会增加道体面板的钢材耗量，但可以使得加固肋的间距增加从而减少加固肋和内撑杆钢材耗量；加大内撑杆规格会增加内撑杆的钢材耗量，但可以使得加固肋的规格减少从而减少加固肋的钢材耗量。所以有必要通过对道体壁厚、加固肋和内撑杆进行优化计算得出经济的组合，减少烟风道总的金属耗量。本工程烟风道施工图设计当中，将贯彻我院“精细化设计”设计理念，对烟风道壁厚、加固肋和内撑杆规格的组合方面进行优化选择，得出最优方案，目的是要使得烟风道设计既满足机组安全运行又要最大程度上降低初投资。1.1.2湿烟道加固肋和内撑杆优选下面以某1000MW机组湿烟道优化设计为例来说明。目前湿烟道壁厚及加固肋计算方法是，为满足烟道强度、刚度和振动的要求，采用《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程配套设计计算方法》中提供的型钢种类及其规格来设计。为防止内撑杆交叉焊接处鳞片树脂的脱落，烟道仅采用外部加固肋，内部不设置内撑杆或仅设置单侧内撑杆。其结果是加固肋数量多，型号大，肋/板比高，对于大的湿烟道设计尤其突出，如某工程湿烟道截面达到410.0×6.0m，肋/板比甚至高达1.5以上，即加固肋的重量是面板重150％以上。由此造成的问题主要有：加固肋的型号规格过大，消耗大量钢材，但道体刚度没有得到多大增加。由于加固肋型号较大，远远超过所需保温层的厚度。按照相关规定，此时需重新计算保温厚度，并采用“留置空气层的保温结构”，由此大量增加保温主材和辅材的使用。上述原因导致烟道占用空间增加，不利于FGD布置。整个烟道钢材消耗将远大于原投标估算值。因此有必要对烟风道的加固肋和内撑杆进行优化设计。1.1.2.1烟风道加固肋和内撑杆优化计算的依据根据《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程配套设计计算方法》，将其中“T3－烟风道加固肋及内撑杆选择”的相关计算公式重新整理如下：a、加固肋中心间距S计算公式强度条件：[]5055max+=∑qStsdmm刚度条件：50823max+=∑qESdmm振动条件：501164max+•=ESdmm荷载q以及材料和使用温度一定时，上式可以分别简写为：)(maxdfS=和)(5.0maxdfS=由上述公式可以知道：加固肋间距和板厚或板厚的0.5次方成正比，刚接加固肋决定了各面都有相同的S值，由振动条件最终决定S的取值。虽然S值降低，但烟道使用较厚钢板时，其强度和刚度的储备得以增加，尤其对后者。刚度的大幅提高，对净烟道的防腐处理有5非常积极的意义。b、加固肋跨度L的计算公式强度条件：50)(][3464max++⋅=∑SqqZLdlotbsmm刚度条件：5015663max+⋅=∑SqEILmm在荷载、材料和使用温度决定后，上式可以分别简写为：)(5.0maxZfL=和)(31maxIfL=振动条件：505424max+⋅=GEIL在荷载、材料和使用温度决定后，上式可以分别简写为：])[(25.0maxGIfL=其中Z为道体计算面板上横向加固肋组合截面的断面系数；I为道体计算面板上加固肋截面的断面惯性矩；G为加固肋单位长度理论质量。Z，I和G均与加固肋选用的型钢型号和规格相关。1.1.2.2烟风道加固肋和内撑杆优化设计的范围和内容从以上的分析可以得知，在材料不变的前提下，增加板厚的同时也提高了加固肋的Z和I值，同时合理选择型钢结构来降低G值，达到降低金属耗量、提高道体刚度的加固肋结构优化目的。遵循以上原理，对不同烟道尺寸，壁厚及其加固肋型钢结构进行计算和分析。计算的基准如下：烟道壁厚6mm和8mm两种规格；设计压力为4kPa；积灰高度均为道体高度的1/6；经过计算得知，当不设内撑杆时，在烟道道体高度6m时，干灰烟道壁厚6mm时加固肋间距S为1m，而壁厚8mm时为1.25m。壁6厚提高到8mm后，肋/板比大幅下降，提高钢材使用的合理性，同时型钢高度也略有降低。型钢必须有高的I值，同时重量G要轻。对可能使用的型钢，如槽钢、工字钢、H型钢、矩形箱型钢，以及T型钢等均进行了试算和比对。结果发现，T型钢在I增加的同时，G值增加的速度更快，且Z值下降幅度巨大；矩形箱型钢的I值随尺寸增大时的增幅较小。因此，决定舍弃T型钢和矩形箱型钢。结果还表明，H型钢是较好的选择。为了达到优化的目的，H型钢要尽量选择腹壁和翼缘厚度均较小的规格。大尺寸烟道截面加固肋的选型均受振动条件和频率控制的限制，同时受到型钢规格的限制，一般要求不大于H400，在不设内撑杆条件下，要大幅度降低金属耗量是困难的。因此建议，凡可以使用内撑杆的场合，当加固肋高度超过250mm时应尽量采用内撑杆。对于净烟气烟道，推荐采用不锈钢内撑杆，达到大幅度降低金属耗量，提高道体整体刚度的目的。当然这种净烟道内设置内撑杆方式要求电厂在运行中加强对道体内腐蚀监督措施，保证烟道安全运行。例如道体高度8m，不设内撑杆时的型钢为I36a，加一根内撑杆后就可以降低到[20，每圈加固肋即可节约金属约500～600kg（由此节约的保温、防腐、土建结构材料及其制作安装费用等均未计算在内）。1.1.3烟风道加固肋内撑杆优化结论通过对烟道壁厚及其加固肋采用的型钢种类、尺寸、肋间距等进行了优化分析，可以看出增加壁厚可加大烟道刚度和加固肋间距，若采用H型钢加固肋，效果更为明显，这样可以大量节省钢材耗量和布置空间；同时，尽量采用内撑杆可大幅降低加固肋的高度和钢材消耗。因此，在设计不同的烟风道的时候，通过试算不同的壁厚、内撑7杆和加固肋组合型式，选择出最佳的组合型式，这对于降低1000MW机组大截面烟风道钢材耗量是非常有利的。1.2采用圆形截面优化烟风道1.2.1圆形截面烟风道和矩形截面烟风道比较管道内部介质的流速的选择决定烟风煤粉管道截面大小，介质流速选择应考虑介质特性、设备条件以及合理节省运行费用和基建投资等因素，对于煤粉管道和烟道，主要考虑防止堵粉、积灰和磨损等因素。当烟风道截面积通过计算确定之后，选择适当的截面型式有利于减少烟风道金属耗量。火电厂中烟风道截面一般为矩形或圆形。矩形管道适应面广，其截面积可以做得很大，另外矩形截面的烟风道可以通过调整宽高比来适应复杂的锅炉构架和其它管道的布置。在以往工程中圆形截面管道多用在制粉系统和密封风系统等小截面管道上，大截面圆形管道由于布置适应性差、制作上比矩形管道困难而往往应用较少。通过烟风道截面特性分析，相同截面积圆形管道的加固肋和内撑杆尺寸比矩形管道小很多，因此设计当中合理的选用圆形截面烟风道也能降低电厂烟风道的钢材耗量。1.2.2除尘器前烟道采用圆形截面和矩形截面经济性比较下面以本工程1000MW机组除尘器入口烟道为例来进行说明。设计的基准如下：（根据锅炉厂初步资料，暂定以下参数）：烟道设计壁厚5mm；设计压力：－6.50kPa；设计温度：125℃；积灰高度为道体高度的2/5。除尘器入口烟道布置方案一采用圆形截面烟道，方案二采用矩形8截面烟道，分别见图1.2.2－1和1.2.2－2：900080001200014500650014000x320011456800086007000162101621010780?4320x5图1.2.2－1方案一圆形截面烟道－除尘器入口烟道布置9900080001200014500650014000x3200114568000