水泥廠余熱電站熱風(fēng)管道設(shè)計(jì)

　　隨著世界能源日趨緊張，國家節(jié)能減排政策的不斷加強(qiáng)，對(duì)于水泥企業(yè)來講，利用干法預(yù)分解窯余熱進(jìn)行發(fā)電，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)能源綜合利用，已成為水泥生產(chǎn)發(fā)展的必然出路。

　　水泥廠余熱發(fā)電是將水泥生產(chǎn)線窯尾懸浮預(yù)熱器和窯頭篦冷機(jī)排出的高溫廢氣，利用熱風(fēng)管道輸送至余熱鍋爐中制取一定壓力的蒸汽，供汽輪機(jī)做功發(fā)電，換熱后的低溫廢氣再利用風(fēng)管送入水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的除塵器中。因此，熱風(fēng)管道設(shè)計(jì)是否合理，是否具有足夠的強(qiáng)度承擔(dān)各種作用，在余熱電站中就顯得十分重要。

　　本文就熱風(fēng)管道強(qiáng)度計(jì)算及管壁厚度選取等一些經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行分析探討，本文中所指熱風(fēng)管道是指長期使用溫度在300～370℃之間輸送含塵的熱空氣園管道。

　　1.熱風(fēng)管道的在構(gòu)造上的要求

      1.1熱風(fēng)管道厚選取

      管道應(yīng)有合理的厚度，管壁過薄剛度差，難以保證管道應(yīng)有的圓形斷面，在負(fù)壓狀態(tài)下極易變形造成破壞。管道過厚即增加了管道自重，又增加了投資。對(duì)于窯頭余熱鍋爐取風(fēng)管道應(yīng)適當(dāng)加厚，及在管道內(nèi)表面加設(shè)耐磨層等措施，對(duì)于彎頭部份的耐磨防護(hù)更要注意。

　　壁厚取值   δ=235D/500f

　　式中  δ—熱風(fēng)管道壁厚
　　　　　D—熱風(fēng)管道外徑
　　　　　f—熱風(fēng)管道所用鋼材牌號(hào)

　　考慮到熱風(fēng)管道的耐久性等因素，熱風(fēng)管道壁厚不應(yīng)小于5mm，對(duì)于大直徑管道，鋼材宜取Q345、Q390等牌號(hào)。

　　1.2熱風(fēng)管道加強(qiáng)圈的選取

      熱風(fēng)管道加強(qiáng)圈可保證管道在工作狀態(tài)下的剛度，并保證強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)起著極其重要的作用。

　　熱風(fēng)管道加強(qiáng)圈的選取要綜合考慮管壁厚度、材質(zhì)、管道直徑、工作溫度等幾方面情況，一般加強(qiáng)圈寬60～90mm，板厚6～10mm，加強(qiáng)圈間距1500～3000mm。加強(qiáng)圈應(yīng)與管道交錯(cuò)斷續(xù)焊接，在荷載較大的支座兩側(cè)應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)圈以保證管道的剛度，活動(dòng)支座附近的加強(qiáng)圈不應(yīng)妨礙管道的軸向膨脹。

　　1.3熱風(fēng)管道支座的選取

      支座是為支承風(fēng)管用的，因?yàn)橹С兄ё慕Y(jié)構(gòu)可能存在不均勻沉降，為保證在支座沉降時(shí)支座荷載變化不大，熱風(fēng)管應(yīng)利用膨脹節(jié)進(jìn)行分段，原則上每段成為簡(jiǎn)支梁或單段懸臂梁。

　　以膨脹節(jié)隔斷的每一個(gè)管段上只允許設(shè)一個(gè)固定支座，其余支座均為活動(dòng)支座。在設(shè)計(jì)圖上固定支座處應(yīng)標(biāo)注與管道現(xiàn)場(chǎng)焊接的符號(hào)，活動(dòng)支座的活動(dòng)面應(yīng)注明“此處不得焊接”，以免現(xiàn)場(chǎng)施工錯(cuò)誤造成事故。

　　因?yàn)樵诟邷刈饔孟?，普通碳素鋼的磨擦系?shù)將大幅度增大，為減小活動(dòng)支座的水平荷載，可將活動(dòng)支座的磨擦面設(shè)置在保溫層外側(cè)，或在支座和管道接觸面設(shè)置耐熱鋼板。

　　1.4風(fēng)管傾斜角度（與水平）選擇

      因窯尾及窯頭廢氣中含粉塵量較大，為防止粉塵在管道中沉降堆集，風(fēng)管要傾斜布置，使粉塵在重力作用下滑，以減小風(fēng)管荷載，節(jié)省管道支架費(fèi)用。

　　根據(jù)水泥生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，窯頭熱風(fēng)管道，當(dāng)氣流向上時(shí)風(fēng)管與水平面的夾角宜大于45°，當(dāng)氣流向下時(shí)風(fēng)管與水平面的夾角宜大于30°；窯尾熱風(fēng)管道，當(dāng)氣流向上時(shí)風(fēng)管與水平面的夾角宜大于55°，當(dāng)氣流向下時(shí)風(fēng)管與水平面的夾角宜大于35°。

　　2.熱風(fēng)管道的強(qiáng)度計(jì)算

      2.1管道設(shè)計(jì)荷載
　　⑴風(fēng)管自重G₁

　　G₁=1.2×0.785×π×D×δ

　　G₁ --- 風(fēng)管自重  KN
　　1.2 --- 考慮風(fēng)管加強(qiáng)圈等附件重量。
　　0.785—1m²厚度為1mm的鋼板重  KN/ m²D --- 風(fēng)管直徑  m
　　δ --- 風(fēng)管鋼板厚度  mm

　?、票貙又谿_２包括保溫層及固定保溫所用的小角鋼、鐵絲等附材重，及保護(hù)層的鍍鋅鋼板等重量，為簡(jiǎn)化計(jì)算，其重統(tǒng)一按折算為5mm厚風(fēng)管重量計(jì)算。

　　G_２=5×0.785×π×D

　?、枪軆?nèi)積灰重G₃管內(nèi)積灰與管道與水平的夾角θ相關(guān)，與管內(nèi)風(fēng)速相關(guān)，由于水泥生產(chǎn)線工況變化，所以風(fēng)管的截面風(fēng)速是變化的，在風(fēng)速降低是時(shí)風(fēng)管內(nèi)易產(chǎn)生積灰，此荷載按風(fēng)管內(nèi)截面積30%積灰計(jì)。

 G₃=（π×R²）×30%×γ×COSθ

　　式中γ --- 積灰容重γ=90KN/m³

　　⑷風(fēng)管上連接的設(shè)備重G₄G₄=1.2×(閥門等設(shè)備自重)

　?、娠L(fēng)管所受風(fēng)荷載
　　G₅=ω×D₁

式中ω --- 風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值

　　⑹、膨脹節(jié)反力
　　當(dāng)管道上設(shè)置金屬膨脹節(jié)時(shí)，在熱、冷變化時(shí)膨脹節(jié)將對(duì)管道產(chǎn)生反力，此反力通常與管道軸向一致，僅對(duì)管道支架產(chǎn)生作用，對(duì)管不產(chǎn)生作用，故膨脹節(jié)反力不參加管道設(shè)計(jì)的荷載組合。

　　2.2設(shè)計(jì)許用應(yīng)力

      通常，碳素鋼超過350℃，就會(huì)產(chǎn)生蠕變行為，煙風(fēng)管道內(nèi)廢氣溫度一般均在此溫度上下，所以煙風(fēng)管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)采用蠕變?cè)O(shè)計(jì)方法，對(duì)鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度需要進(jìn)行折減。

　　f_t=γsf

　　f_t ---鋼材及焊縫在溫度作用下強(qiáng)度設(shè)計(jì)值
　　γs---鋼材及焊縫在溫度作用下強(qiáng)度折減系數(shù)
　　f---鋼材及焊縫在小于100℃溫度作用下強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

　　本文中采用《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50051-2002）鋼材及焊縫在溫度作用下強(qiáng)度折減系數(shù)如下表示：

　　2.3荷載的組合

      煙道承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)為活荷載控制的組合，按下列荷載效應(yīng)基本組合中最不利值確定：

      γ_GS_GK+γ_Q1S_Q1K+ψ_ci(γ_Q2S_Q1K+γ_Q2S_Q2K+…)≤R(*)      3-1
　　γ_GS_GK +ψ_ci(γ_Q2S_Q1K+γ_Q2S_Q2K+…)≤R(*)            3-2

　　式中：
　　γ_G --- 永久荷載分項(xiàng)系數(shù)  3-1式中取為1.2，3-2式中取為1.35
　　γ_G1 --- 第一個(gè)可變荷載分項(xiàng)系數(shù) 取為1.4
　　ψ_ci --- 可變荷載組合系數(shù) 取為0.7
　　S_GK --- 永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值
　　S_Q1K --- 第一個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值
　　R(*)--- 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式確定構(gòu)件的抗力函數(shù)

　　2.4風(fēng)管允許應(yīng)力計(jì)算

      f_t≤βM/W_n

式中：f_t --- 高溫下風(fēng)管的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力
　　　　W_n --- 風(fēng)管的抗彎截面模量
　　　　β --- 風(fēng)管的剛度折減系數(shù)  取0.7

　　3.熱風(fēng)管道強(qiáng)度計(jì)算舉例

      例一:設(shè)計(jì)條件：如下圖示，已知一熱風(fēng)簡(jiǎn)支管道外徑D=3m，管壁材質(zhì)Q235，保溫采用巖棉200厚，保護(hù)層為0.6厚鍍鋅鋼板，風(fēng)管與地面成45°，使用溫度為350°，計(jì)算允許最大跨度。

　　解：
　　1、壁厚計(jì)算   δ=235D/500f=235×3000/500×235=6mm

　　2、求風(fēng)管均布載荷
　　G₁=1.2×0.785×π×D×δ=1.2×0.785×π×3×6=53.2KN/m
　　G_２=5×0.785×π×D=5×0.785×π×3=37.0 KN/m
　　G₃=（π×R²）×30%×γ×COSθ=（π×1.5²）×30%×9×COS45⁰=13.5 KN/m
　　G₅=ω×D₁=75×3.4=25.5 KN/m

　　3、荷載組合:
　　q=[1.2(G₁+ G_２)+1.4 G₃+1.4×0.7×G₅]/ COS45⁰=[1.35(53.2+ 37)+1.4×0.7 (13.5+25.5)]/0.707=226.3 KN/m

　　4、風(fēng)管截面模量
　　W_n=π[R⁴－（R－δ）⁴]/4×R×COS²θ=π[150⁴－（150－0.6）⁴]/4×150×COS²45=84298cm³

　　5、簡(jiǎn)支風(fēng)管最大支撐間距
　　l_max= (8W_n×0.7×[σ]^t/ q) ^0.5= (8×84298000×0.7×154/226.3)^0.5=17.9m

　　相應(yīng)管道斜長L= l_max/COS45⁰=25.3m

　　6、如上述條件改為懸臂形式，其它條件不變相應(yīng)管道最大懸挑長度為：
　　l_max= (2W_n×0.7×f_t / q) ^0.5=(2×84298000×0.7×154/226.3)^0.5=8.96m

　　相應(yīng)管道斜長L= l_max/COS45⁰=12.6m

　　例二: 設(shè)計(jì)條件：同上例僅管徑變?yōu)?m，計(jì)算允許最大懸臂長度。

　　解：
　　1、壁厚計(jì)算   δ=235D/500f=235×4000/500×235=8mm
　　2、求風(fēng)管均布載荷
　　G₁=1.2×0.785×π×D×δ=1.2×0.785×π×4×8=94.65KN/m
　　G_２=5×0.785×π×D=5×0.785×π×4=49.2 KN/m
　　G₃=（π×R²）×30%×γ×COSθ=（π×2.0²）×30%×9×COS45⁰=23.98 KN/m
　　G₅=ω×D₁=75×4.4=33.0 KN/m

　　3、荷載組合:
　　q=[1.35(G₁+ G_２)+1.4×0.7( G₃+G₅)]/ COS45⁰=[1.35(94.65+ 49.2)+1.4×0.7 (23.98+33)]/0.707=353.7 KN/m

 　　4、風(fēng)管截面模量
　　W_n=π[R⁴－（R－δ）⁴]/4×R×COS²θ=π[200⁴－（200－0.8）⁴]/4×200×COS²45=199757cm³

  5、風(fēng)管最大懸臂長度
　　l_max= (2W_n×0.7×f_t / q) ^0.5= (2×199757000×0.7×154/353.7)^0.5=11.0m       

 　　相應(yīng)管道斜長L= l_max/COS45⁰=15.6m

參考文獻(xiàn)：[一]劉啟元水泥工廠熱風(fēng)管道設(shè)計(jì)，水泥工程  2004年第2—6期

　　　　　[二]煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范 （GB50051-2002）

                                                                          (來源：中國水泥網(wǎng)  轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處)