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| 砖内筒双管式钢筋混凝土烟囱设计 |
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砖内筒双管式钢筋混凝土烟囱设计
摘要 用于陕西宝鸡第二发电厂1期工程的240m高砖内筒双管式钢筋混凝土烟囱是我国首座自行设计和施工的、适合我国国情和国际烟囱设计发展状况的新型结构烟囱,是一次烟囱设计技术革新的有益尝试。本文通过对比分析和论述,对砖内筒双管式烟囱在结构体系选择、结构设计特点和结构计算原则等方面作了深入细致的探讨,提出了建设性的意见。
关键词 烟囱 新结构 设计
引言
随着大容量火力发电机组的广泛应用和国家对环境保护的重视,以及环境保护要求的不断提高,烟囱,这一火力发电厂主要污染排放装置的设计优化和功能要求越来越受到重视。如何进行设计优化,如何满足环境保护和电厂运行的特殊需要,就成为烟囱设计必须考虑的重点内容,也为烟囱广泛应用新技术、新材料,采用新结构,开辟了新的思路,提供了难得的机会。陕西省宝鸡市第二发电厂1期工程的砖内筒双管式钢筋混凝土烟囱就是采用新思路设计的新型结构烟囱,它也成为我国首座自行设计和施工的砖内筒双管式新型结构烟囱。
一、工程概况
陕西省宝鸡市第二发电厂1期工程建设规模为4台30万千瓦机组容量,预留的扩建建设规模为2台60万千瓦机组容量,规划的电厂总装机容量为240万千瓦。电厂1期工程已于1996年7月开工建设,1998年12月第1台30万千瓦机组投入试运行,1期工程计划在2001年全部建成投产。
二、烟囱方案选型
烟囱方案选型根据环境保护要求,从结构设计分析和技术经济指标这2个方面综合考虑确定。
1•环境保护要求
初步设计阶段,环保设计人员结合工程的规划设计容量和环境保护要求的指标,对本工程烟囱方案选型进行了深入细致的专题研究工作。对烟囱座数与SO2污染浓度、关系及发电机组台数的合理配置都进行了详细分析和论证,并提出了相关建议。
(1)1期工程4台30万千瓦机组容量只建1座240m高烟囱时,SO2日均污染浓度最大值约为国家标准允许值的45•3%;扩建2台60万千瓦机组容量,再建1座240m高烟囱时,SO2日均污染浓度最大值约为国家标准允许值的89•3%,满足要求且不超标;当电厂达到规划的240万千瓦容量时,只要出现3座烟囱,SO2日均污染浓度即超标。
(2)由于电厂地处大型水库附近,环境要求高。根据烟囱所排污染物散落到地面的浓度大小与烟囱有效高度(即烟气抬升高度加烟囱自身高度)的平方成反比的原理,烟气应集中排放。也就是说,烟囱的座数越少越好,烟囱内排烟的管数越多越好,烟气抬升的高度越高越好。
(3)从上述环境保护要求的角度出发,电厂1期工程4台30万千瓦机组容量配置烟囱的理想方案是建1座240m高的双管或多管式结构烟囱。
2•结构设计分析
(1)考虑环境保护要求的建议意见,电厂1期工程4台30万千瓦机组容量配置1座烟囱的方案有:240/45•0m 4管式烟囱、240/27•0m双管式烟囱和240/10•0m单筒烟囱3种。
(2)从目前国内外烟囱设计动态看,双管或多管式烟囱内部用于排烟的内筒材料多为钢板和砖砌体2种。结合我国的国情及经济条件,本工程烟囱内筒将考虑采用砌体方案。
(3)从结构设计角度对这3种烟囱方案进行的技术性能分析见表1。240/27•0m双管烟囱是综合技术性能较好的烟囱方案。5•0m4管式烟囱240/27•0m双管式烟囱240/10•0m单筒烟囱结构体系:
•钢筋混凝土外筒壁内布置4根砖砌排烟筒,4台机组分别接入4根排烟筒内。
•排烟筒荷重分段由设置的楼板平台和中心柱支承,外筒与内筒结构分离。
结构体系:
•钢筋混凝土外筒壁内布置2根砖砌排烟筒,2台机组共同接入1根排烟筒内。
•排烟筒荷重分段由设置的楼板平台支承,外筒与内筒结构分离。结构体系:
•传统的烟囱结构模式。
•内衬砖砌体由紧邻的钢筋混凝土筒壁内侧挑出的环形悬挑支承,外筒与内筒结构不分离。优点:
•承重的钢筋混凝土外筒壁与砖砌排烟筒脱开布置,结构方案合理。排烟筒具有维护和检修的条件,安全耐久性好。
•钢筋混凝土外筒壁处于常温下工作,温度应力影响较小,且不会直接遭受烟气腐蚀。
•排烟筒可根据工艺设计的要求做成等直径段,使烟气在排烟筒内易保持负压运行,从而降低烟气对排烟筒的腐蚀等级。
•烟囱内的空间利用率高。各台机组烟气的排放互不干扰,烟气抬升高度高。
缺点:
•结构自重偏大,筒壁的抗震设计和基础设计难度高,工程量大。
•筒壁半径较大,楼板结构大梁跨度长,布置困难。烟囱中心需设置支撑柱。
•烟囱内部结构复杂,施工技术要求高,工期较长。优点:
•承重的钢筋混凝土外筒壁与砖砌排烟筒脱开布置,结构方案合理。排烟
筒具有维护和检修的条件,安全耐久性好。
•钢筋混凝土外筒壁处于常温下工作,温度应力影响较小,且不会直接遭受烟气腐蚀。
•排烟筒可根据工艺设计的要求做成等直径段,使烟气在排烟筒内易保持
负压运行,从而降低烟气对排烟筒的腐蚀等级。排放的烟气抬升高度较高。
•相对4管烟囱而言,筒壁半径较小,楼板平台结构布置简便,取消烟囱中心设置的支撑柱。
缺点:
•烟囱内的空间利用率不高。由于2台机组接入1根排烟筒内,烟气运行有一定的相互干扰。
•相对单筒烟囱而言,施工难度较大,工期较长。优点:
•结构简单,施工工艺成熟,工期短。
缺点:
•承重的钢筋混凝土筒壁与内衬砖砌体及隔热层紧贴,结构方案未考虑内衬砖砌体的维护和检修条件,安全耐久性差。
•钢筋混凝土筒壁易受到烟气温度应力的作用和烟气腐蚀的影响,筒壁易出现超标准的温度应力裂缝。
•无法按照工艺设计的要求做成等直径段,使烟气处于负压运行。并由于4台机组接入1座烟囱内,烟气运行的相互干扰较大。
•传统的结构型式,对大容量机组或多台机组共用的情况不适合,风险较大。
3•技术经济指标
技术经济比较综合考虑了烟囱、配套的烟道和地基处理这3部分。按照初步设计阶段的专研究成果,3种烟囱方案的技术经济比较见表2。
从表中可看出:单筒烟囱造价最低,双管式烟囱造价次之,4管式烟囱造价最高。综合比较上述条件,本项工程烟囱结构方案选择240/27•0m
双管式钢筋混凝土烟囱。
三、240/27•0m双管式钢筋混凝土烟囱
1•烟囱结构设计方案
(1)烟囱设计条件
基本风压:≈0•3kN/m2场地土类别:Ⅱ类烟气设计温度: 117°C烟气除尘方式:干式电除尘
岩土工程条件:湿陷性黄土和卵石抗震设防烈度: 7度抗震措施设防烈度: 8度室外极端最高气温: 40°C室内极端最低气温: -19°C地下水条件:地表下约26m
(2)烟囱地基处理和基础结构
①烟囱地基处理采用扩底灌注桩桩基,桩基持力层为湿陷性黄土层下的卵石层。扩底灌注桩桩身直径是800mm,底部扩大端直径是1200mm,有效桩长约18m,桩数160根。通过现场静载荷试验确定的扩底灌注桩单桩竖向承载力标准值是4000kN。
②由于烟囱筒身底部的钢筋混凝土外筒壁和砖砌排烟筒筒壁荷重均直接由基础承担,所以烟囱基础采用圆形整板结构。基础埋深5•0m,基础底板厚3•0m。基础底板配筋除按强度计算要求配置外,还配置了大体积混凝土自身要求的温度钢筋。
(3)烟囱筒身结构
240/27•0m双管式烟囱筒身是由钢筋混凝土承重外筒、砖砌排烟筒、钢筋混凝土楼板平台、积灰平台和内烟道组成。筒身结构方案示意见
结构方案
①钢筋混凝土承重外筒为一薄壁筒形结构,筒高235•1m。外筒顶部外直径是19•7m,壁厚0•3m,底部外直径是24•75m,壁厚0•65m。筒身沿高度方向布有通风采光及航空信号标志灯用途的窗孔和烟道接孔。
②楼板平台主要用于支承分段设置的排烟筒荷重和楼板自重,并通过楼板平台支承大梁将荷重传递给钢筋混凝土承重外筒。除此之外,它还兼有检修和维护排烟筒及其它设施的作用。楼板平台是采用钢梁和钢筋混凝土板组成的组合结构。楼板共设7层,自55•0m标高起,按30m的层高分别在85•0m、115•0m、145•0m、175•0m、205•0m和235•0m标高设置。
③排烟筒由200mm厚耐
酸胶泥砌筑的耐酸砖砌体和60mm厚超细玻璃棉毡隔热层组成,筒高240•0m。筒体上下等径,呈簿壁圆柱体状。55•0m标高以上筒体的分段接口均设在各楼板平台处,55•0m标高以下部分则直接座落在基础底板上。排烟筒的内直径为7•0m,2根排烟筒以烟囱中心线对称布置,中心线间距是8•9m。
④积灰平台为钢筋混凝土梁板式整体结构,仅设置在排烟筒内。内烟道是将钢筋混凝土承重外筒与排烟筒连接的烟气通道,内烟道底面与积灰平台表面处在同一标高,并连成整体。
⑤钢筋混凝土承重外筒壁不再设置外露的航空信号标志平台,航空信号标志灯装置均设置在
特定的楼板平台标高处的窗孔上。烟囱内的垂直交通是由钢筋混凝土承重外筒壁内侧布置的钢扶梯和休息平台承担,顶部平台出口及高出的排烟筒筒壁外侧设置用于检修和维护用的直爬钢体。
2•烟囱结构设计特点
(1)钢筋混凝土承重外筒
①在保证排烟筒合理布置及检修维护间隔的前题条件下,最大限度地优化筒身外形尺寸,减小筒壁半径和减薄筒壁壁厚,并将115•0m以上的混凝土筒壁做成直段,使筒壁的混凝土用量和配筋率达到理想组合。从而降低筒壁根部的组合荷载值,使基础和桩基的设计更加经济合理。
②为减弱楼板平台支承大梁梁端对筒壁传递荷载时的偏心作用影响,专门在筒壁内侧设置了
安放楼板平台支承大梁的洞槽,增设了环形加固刚性带,减少了附加钢筋的配置,提高了筒身设计的安全度,筒壁与楼板平台支承大梁的连接示意
(2)砖砌排烟筒及防腐蚀设计
①排烟筒按烟气负压运行的条件设计成等直径段,特别是在楼板平台连接处,通过采取构造措
施,加设了1个钢筋混凝土环形底座,将排烟筒设计成平接。使烟气流动在整个排烟筒内阻力减小,运行稳定,有利于提高烟气的抬升高度,降低地面的污染程度。排烟筒在楼板平台处的连接示。
②排烟筒的防腐蚀是整个烟囱筒身防腐蚀设计的重点。筒体除按常规设计选用耐酸防腐蚀材
料外,在一些重要的连接处,尤其是钢筋混凝土结构部位,均加强了防腐蚀构造措施。具体做法是:在混凝土表面先涂刷“MC”防腐隔离层,然后再做耐酸胶泥防护层,最后贴聚四氟乙烯耐磨密封面层。
③排烟筒隔热效果的好坏,是影响排烟筒砖砌体温度应力大小的关键,隔热材料采用导热系数低、重量轻的超细玻璃棉毡。为确保超细玻璃棉毡固定牢靠和不脱落,棉毡被穿透,并挂在砌体外表面设置的、用于抗温度应力作用的环形扁钢带上布置的螺钉上。上紧垫片和螺母后,棉毡外表面再外罩一道钢丝网进行封闭。
④为减轻荷重,使楼板平台的梁板设计更加经济合理和便利,排烟筒砖砌体选用了轻质耐酸砖,容重为1300kg/m3。考虑到烟道接孔对筒壁削弱和顶部露出段防腐蚀的需要,筒体下部25m高
度和顶部5m高度均加设了钢筋混凝土筒壁予以加强。
(3)楼板平台
①由于排烟筒荷重是通过楼板平台传递给钢筋混凝土承重外筒,而分段设置的排烟筒又对楼板平台变形非常敏感,因此,楼板平台结构选择了轻便耐用的钢梁和钢筋混凝土板组合结构。它不仅施工简便,而且充分发挥了钢梁的抗拉特性和混凝土良好的受压性能,加强了楼板平台的整体刚度,减少了楼板平台的变形。
②从减轻自重、降低造价的目的出发,楼板平台支承钢梁几乎都采用了焊接工字形钢梁。其中楼板平台支承大梁由于跨度较大(约18m长)被设计成变高度梁,最大梁高2•1m,最小梁高1•6m。楼板平台边部还设计了四处用于通风和钢扶梯进出的格栅带和梯孔。楼板平台的布置示意见图4。
(4)积灰平台和内烟道
结构上,内烟道底板与积灰平台及内烟道底板与钢筋混凝土承重外筒筒壁简支连接,内烟道侧壁钢筋混凝土板墙与排烟筒钢筋混凝土筒壁通过增设的构造柱连成一体。内烟道与积灰平台防腐蚀设计的重点是在钢筋混凝土结构面层上,除底面采用铺设耐酸砖面层外,内烟道侧壁及顶面均采用加强的防腐蚀构造措施。即在混凝土表面先涂刷“MC”防腐隔离层,然后再做耐酸胶泥防护层,最后贴聚四氟乙烯耐磨密封面层。
3•烟囱结构计算分析
(1)钢筋混凝土承重外筒
由于双管式烟囱结构体系与传统的烟囱结构方案差别较大,而现有的烟囱计算及绘图软件又
都是按照传统的烟囱结构方案编制的,因此,在进行双管式烟囱钢筋混凝土承重外筒计算时,对输入的计算参数要做必要的归类和整理。本工程中,楼板平台传递给钢筋混凝土承重外筒的排烟筒荷重和楼板平台自重是作为附加荷载作用在外筒的计算结点上。外筒与排烟筒间的夹层空间温度,根据其它工程测试的结果和设计经验按10°C取值。烟囱筒身主要计算成果见表3。
(2)楼板平台支承钢梁
楼板平台是按表4所示的工况条件进行计算的。楼板平台支承钢梁在进行强度和变形计算时,是按纯钢梁结构体系和钢梁钢筋混凝土楼板组合结构体系分别进行的,算出的楼板支承大梁
最大跨中弯矩设计值是9435kN•m,最大梁端剪力设计值是1966kN,最大跨中变形是19mm。
4•烟囱主要工程量
四、结束语
陕西宝鸡第二发电厂1期工程设计的240/27•0m砖内筒双管式钢筋混凝土结构烟囱是我
国首座自行设计和施工的新型结构烟囱,也是烟囱设计技术革新的首次尝试。它不仅能更好地满足工艺设计、特别是环境保护对烟气托升的抬高要求,而且能大大提高烟囱运行的安全可靠度,具有广阔的推广和应用前景。目前,另1座用于山西河津发电厂1期工程2台350000千瓦机组的240/25•0m砖内筒双管式钢筋混凝土烟囱已完成设计和施工,已竣工投入使用。
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江苏新大高空工程有限公司是中国工业防腐蚀协会的会员单位，是经江苏省建筑工程管理局审定的专业承包企业，具备国家防腐保温资质贰级、高空作业叁级、建筑防水叁级、安全生产许可证、壹级高空防腐施工资质、一级高处悬挂作业资格的专业化公司。公司组建于90年代初，1999年8月由原来的国有企业改制为股分有限公司，经过十多年的艰苦创业，现已发展成为领导班子过硬、技术力量雄厚，具有较强的经济实力和高素质的施工与管理队伍。 企业信誉和科技含量均在国内同行业中处 于领先地位，并率先通过了国际质量体系认证。
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