1 工程概况
印度尼西亚INDRAMAYU(3 ×330MW) 燃煤电站位于西爪哇省Indramayu Regency 市Sukara 区Sumuradem 村,雅加达以东约180km。本项目由中国政府贷款, 印度尼西亚国家电力公司( 简称PLN) 投资建设,中国电工设备总公司总承包,设计分包方为华北电力设计院工程有限公司。IN2DRAMAYU(3 ×330MW) 燃煤电站三台机组公用一座单套筒烟囱。烟囱高度为215m ,出口内径为8760mm ,外筒为钢筋混凝土筒体结构,内筒为整体悬吊式钢内筒。整个烟囱上部结构由3 部分组成:外筒、内筒、内筒的悬吊及止晃平台。悬吊平台位于标高203100m 处,在标高42100m 和115100m设置2 层止晃平台。烟囱外型见图1。
为实现本工程项目“安全经济、技术进步”的目标,在烟囱设计过程中,对外筒内径及壁厚、内筒支承形式、内筒节点构造措施作为重点进行了优化,并在结构分析时,考虑内外筒共同作用,提出整体式悬吊内筒烟囱的耦合双梁计算模型。以上具体措施详见下文。
2 外筒设计优化
烟囱外筒设计优化的主要内容是确定其合理的内径及壁厚。应业主要求,烟囱设计采用了美
国标准Design andConstruction of Rein2forced Concrete Chim2neys (ACI 307298 ) 。确定外筒的合理截面尺寸时,应遵循规范规定的烟囱外筒最小几何尺寸,并综合考虑几何尺寸满足工艺设施布置及构造要求。具体来讲,有如下的考虑因素。
11 确定外筒筒
口内径时, 应充分考虑方便抵达烟囱顶部平台, 以及维护顶部平台处的设备和内筒部件的要求。与国内工程不同,本工程业主要求烟囱内部设置1 台直达烟囱顶部平台的升降机,因此,在内筒直径一定的情况下,确定外筒顶部内径时,必须留出安装升降机的足够净空。
21 遵循ACI 307298 中41113 条规定,外筒最小壁厚不应小于200mm ,在开孔处不应小于开孔高度的1/ 24。当外筒内壁直径大于815m 时,直径每增加1m ,最小壁厚增加1014mm[1 ] 。印尼某电厂整体悬吊式钢内筒烟囱的结构设计
31 外筒根部的内壁直径及壁厚应保证烟囱外筒顶部变形在正常使用极限状态的容许值之内。
41 烟囱的壁厚选择应考虑温度作用的影响,壁厚超出一定范围后,完全由温度应力起控制作用,壁厚越厚,温度作用越强,陷入恶性循环的怪圈。
51 从结构分析的角度来看,刚度大的断面将导致更强的地震作用,因此并不一定更安全。通过降低烟囱自重,减小截面刚度,使结构的自振周期延长,可以达到减小地震作用的目的,最终降低烟囱的造价。
综合以上因素,经过试算法最终确定了外筒的设计方案。烟囱外筒内径和壁厚取值见表1。
为简化计算,本工程烟囱结构分析时未考虑基础与上部结构的共同作用。实际上, 通过引入基础和地基的刚度系数,来考虑基础与上部结构的共同作用,在进行地震作用分析时,结构的自振周期还会进一步加长,从而使整个结构的地震作用进一步降低。
3 内筒构造设计
排烟内筒采用悬吊支承方式比自立支承方式具有很多优点。第一,充分发挥了钢材抗拉强度
高的特点,受力合理,结构材料可大幅度减少;第二,在高地震烈度地区,悬吊结构在强度、稳定、变形控制方面的构造设计会简单很多;第三,由于烟囱内筒的长期腐蚀无法根本杜绝,对于自立式薄壁钢筒,锈蚀部位处于压应力区,在强度和局部稳定方面直接构成严重隐患。而对于悬吊的内筒,局部的锈蚀,对抗拉承载能力损失是相当有限的。
内筒悬吊的形式可分为分段悬吊和整体悬吊, 分段悬吊接头多、构造相对复杂, 湿烟囱时渗漏点多、防渗难度大且成本高; 整体悬吊接头少,甚至没有接头,构造简单、防渗可靠性高且成本低。综合考虑上述因素,本工程烟囱内筒最终采用整体悬吊支承方式。
烟囱内筒整体悬吊在标高203m 的悬吊平台上,底部烟道呈倒“Y”型布置,两侧在距烟囱中心线15500mm 处通过膨胀节与水平烟道连接,上部在42m 止晃平台以下通过膨胀节与整体悬吊的内筒底部方圆节连接。底部烟道支承在外筒两侧的烟道开孔侧壁上,一侧2 个支点为固定支座,另一侧2 个支点为滑动支座,以保证底部烟道的稳定,并有效释放由于温度膨胀引起的水平位移。底部烟道布置见图2 ,固定支座和滑动支座见图3。图3 上图为支座布置立面图,下图为支座布置俯视图。合理确定钢内筒加工及吊装方案,可以有效控制烟囱的施工质量及周期,在技术和经济性方面意义重大。本工程的悬吊平台在施工期间作为起吊平台使用,在该平台上布置由液压千斤顶和高压油泵组成的液压提升系统。液压千斤顶共6 个,每个液压千斤顶的额定吊重为75t 。烟囱内筒分节吊装,每节长度约为6m。在钢内筒首节顶部设置6 个吊耳,以方便吊索与钢内筒连接及起吊。单节内筒在烟囱外部组装完毕后,采用带轨道小车推入烟囱外筒内部,通过小车下面的液压千斤顶调平后同上节内筒进行焊接组装。组装完毕后,由悬吊平台上的液压提升系统抬高6m ,以便下一节钢内筒就位及连接。在内筒分节连接部位周边,布置有环状悬吊施工平台,以便焊接组装工作。上述施工流程重复进行,直至内筒吊装完毕。内筒起吊示意图见图4。
钢内筒厚度为8mm。根据受力分析,在悬吊点下方一定范围内存在着拉应力集中的现象,因此,悬吊点上下6029mm 高度范围内的壁厚增至12mm。内筒在止晃点处承受止晃平台传来的外筒水平力, 也存在应力集中问题,标高115m 止晃点上下6029mm、标高42m 止晃点上下4526mm 高度范围内的璧厚同样增至12mm。
3. 1 悬吊节点设计
钢内筒设计的关键问题是确定合理的悬吊节点方式和合适的节点数量。以往工程设计中,悬吊节点方式有钢索悬吊方式(如绥中电厂悬吊式烟囱) 和三角撑支挂方式(如天津北疆电厂悬吊式烟囱) 。钢索悬吊方式顶部需额外设置止晃装置,并且存在检修不便的问题。三角撑支挂方式受力性能好、节点构造简单且检修维护方便,但采用全焊接,高空作业条件下现场施工难度较大。本工程对悬吊吊点方式作了进一步的改进,改用全螺栓连接的悬吊节点,进一步方便内筒的吊装。吊点的支撑结构是生根在烟囱外筒的三角形钢支架上,支架顶面设置环梁和水平支撑,保证支架结构的侧向稳定,并形成工作平台。其次,在以往设计的工程中,悬吊点数量多采用6 点或少于6 点。根据已有设计经验分析,合理设置悬吊点数量,保持各悬吊点受力均匀,可以有效地避免内筒顶部的应力集中问题。此外,在悬吊点处设置环向加劲肋,提高其刚度,也可起到分散应力集中的作用。本工程经过综合分析比较,最终在悬吊平台设置了12 个吊点,其中6 个为限位吊点,除承受吊点竖向荷载外,还约束内筒环向位移。另外6 个是普通吊点,仅承受吊点的竖向荷载。通过增加吊点数量,还可以有效减少
外筒筒壁的局部平面外弯矩和局部压力。内筒吊点见图5。
3. 2 止晃节点设计
以往工程设计时,止晃点结合处接触面较大,在止晃点结合处喷涂聚四氟乙烯或设置聚四氟乙烯板,以便限制内筒水平位移的同时, 也能保证竖向的自由位移。该节点存在四氟乙烯质量不好控制,或后期运行中可能脱落的缺点。本工程作了进一步的改进,取消聚四氟乙烯涂层或面板,采用了止晃钢梁两侧焊接半圆钢管的做法,使止晃点结合处的理论接触面积为零,在节点质量得到保证的前提下,充分
满足了内筒竖向的自由位移。止晃节点见图6。
3. 3 膨胀节设计本工程由于不采取脱硫措施, 烟气温度在酸露点以上,膨胀节处的防漏要求较之湿烟囱内筒相对要低, 主要是保证上下段内筒端头的自由膨胀位移,并使钢内筒在膨胀节处实际受力状况与计算模型一致。本工程膨胀节节点简单可靠,采用了耐高温、耐酸、延长性良好的氟化橡胶带, 具体构造见图7。对于采取湿法脱硫后的烟囱内筒,北京国电华北电力工程有限公司在天津某2 ×1000MW电厂采用的新型膨胀节点,在保证自由膨胀变形的同时,防腐防漏效果良好,可供类似工程参考[2 ] 。
