摘要： 对目前脱硫烟道设计中存在的问题和耗钢材及空间大的不经济性提出了优化的必要性。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。由优化计算结果曲线得出了结论：烟道壁厚增加可使其刚度和加固肋间距增加，若采用H型钢加固肋，效果更为明显，可节省大量钢材造价和布置空间。另外，对于需防腐的净烟道，若采用有防腐措施的内撑杆，可大幅降低加固肋的高度和钢材消耗。
关键词： 烟气脱硫；烟道壁厚；加固肋(加强筋)；设计优化
0 引言
就目前许多脱硫工程公司普遍应用的湿法脱硫（WFGD）烟道壁厚及加固肋（加强筋）的设计方法，无论是300MW还是600MW FGD烟气脱硫的烟道，绝大多数采用6mm壁厚的烟道；对于内壁做防腐的烟道，完全靠外壁加固肋来增加强度。其加固肋随烟道截面增加而数量增多、肋/板质量比高，使得耗费大量钢材。作者在做WFGD烟道设计及审查相关设计图纸过程中，对烟道壁厚及其加固肋的优化作了研究。对较多的应用数据和大量的试算数据进行了处理，经过全面的优化比较，得到有一定指导意义的结论，取得了一些阶段性成果。希望引起脱硫工艺设计及造价估算同行们对烟道壁厚及其加固肋设计改进等方面研究的重视。
1 脱硫烟道壁厚及加固肋设计方法存在的问题和优化的必要性
按照脱硫招标书技术附件中的普遍要求：烟道钢板壁厚度最小为6mm，外部要充分加固和支撑，以防止烟道整体振动（易抖落防腐鳞片衬里）。所有需防腐保护的烟道仅采用外部加强筋,
不允许有内部加强筋或支撑。烟道外部加强筋应统一间隔排列。加强筋使用统一的规格尺寸或尽量减少加强筋的规格尺寸，以便使敷设在加强筋上的保温层易于安装。
目前脱硫烟道壁厚及加固肋设计方法采用的标准是《火电厂烟风煤粉管道设计技术规程》，具体根据“T3-烟风道加固肋及内撑杆选择”来计算。300MW和600MW
FGD的烟道钢板壁厚，均采用最小壁厚6mm。为满足烟道强度、刚度和振动的整体要求，按典型烟道标准计算方法中提供的型钢种类及其规格来设计加固肋，存在加固肋数量多、高度高、肋/板重量比高等问题，特别在大的湿烟道设计中尤为突出（对于600MW
FGD，烟道截面达10×6m2），肋的重量竟是板重的150%以上。由此造成的问题主要有：
（1） 肋的型号规格过大，一般不超过I40a，肋高达400mm。需要消耗大量钢材，但烟道体刚度并没有得到显著增加。
（2） 由于外壁加固肋的高度过高，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”，由此使用了大量的保温主材和辅材。在大多设计中，保温材料清册中还未计及由此产生相关材料的消耗，也未进行保温厚度的重新计算。这些增加费用最终会追加到安装耗材上去，上述问题必然导致烟道占用空间的大量增加。
（3） 整个FGD工程的钢材消耗指标恶化，使烟道造价远大于原投标估算值。
据了解日本在FGD工程中的净烟气烟道的壁厚普遍采用8～10mm，扬州发电厂采用进口日本的湿法FGD系统运行两年来，其内衬玻璃鳞片完好如初；广东台山电厂FGD烟道从外观看，其加固肋高度很小，虽然烟道壁厚为6mm,但采用了不锈钢的内撑杆。此外，从国外的一些资料图片得到的信息，其加固肋的密度和大小，均小于我国目前WFGD烟道的设计状况。因此对烟道壁厚及加固肋的型式进行分析、优化和改进，对节约钢材和节省管道空间有切实意义。
2 优化计算的依据
（1） 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”表T3.1- 11- 01加固肋中心间距S（面板）计算公式
荷载q以及材料和使用温度一定时，上式可以分别简写为
式中，Smax为加固肋最大中心间距，mm；［σ］t为许用应力，MPa；E为弹性模量，GPa；Σq为计算面板上的组合实际荷载，kPa；δ为面板厚度，mm。
由上述公式可知：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，由此振动条件最终决定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，尤其可提高烟道的刚度。刚度的大幅提高，有宜于对净烟道的防腐处理。
（2) 又根据表T3.1-11-02，加固肋跨度L（mm）的计算公式
1） 强度条件（固接－固支）。
2） 刚度条件（刚接－固支）。
在荷载、材料和使用温度决定后，上式可以分别简写为
3） 振动条件（刚接－固支）。
在荷载、材料和使用温度决定后，上式简写为
式中，β为与所计算面板相邻的面板上加固肋的刚度影响系数；q0为内压荷载即介质实际压力,kPa；Z为截面系数，cm3；I为断面惯性矩,cm4；G为单位长度理论质量，kg/m。Z、I、G参数均为加固肋组合截面系数，根据选用的加固肋型钢号和规格查表得出。
3 主要优化的范围和内容
以上分析可知，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、提高管道体刚度，从而优化加固肋结构的目的。
遵循以上原理，对刚接加固肋计算程序进行必要扩充和修改，之后对不同烟道尺寸，壁厚及其加固肋型钢结构进行计算和分析。
3.1 计算的基准
按烟道壁厚6mm和8mm两种规格，计算压力均为4kPa，积灰高度均为道体高度的1/6，干灰容重为900kg/m3，湿灰容重为1500kg/m3，基本风压为0.5kPa，基本雪压为0.3kPa。
不同壁厚的干、湿烟道高度与加固肋间距的关系曲线见图1。可看出，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。
图1 不同壁厚的干、湿烟道高度与加固肋间距的关系曲线
3.2 型钢的选择
型钢必须有高的I值，同时质量G要小。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对比。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。同时H型钢的品种、系列及其规格比较丰富，制作方法也较多，轧制、工厂或现场焊制均可。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，大致在6～10mm的范围。
不同壁厚、加固肋型式的干烟道体重量的关系曲线见图2。图3、图4分别为干、湿烟道不同壁厚时的“肋/板”质量位置比。
图2 不同壁厚、加固肋型式的干烟道道体质量
图3 干烟道不同壁厚时的“肋/板”质量比
图4 湿烟道不同壁厚时的“肋/板”质量比
4 结论和问题
(1) 增加壁厚可以显著提高烟道道体刚度。
(2) 增加壁厚可以加大并加固肋间距S，幅度大于25%。
(3) 增加壁厚的同时，采用H型钢加固肋，其总重量和标准计算型钢比较，金属耗量从增加到降低的拐点大概出现在道体高度为6m处。因此，道体尺寸越大，采用H型钢加固肋节约钢材越多，最多约为17%，见图2。
(4) 壁厚提高到8mm后，肋/板质量比大幅下降(最大超过50%)，提高钢材使用的合理性，同时型钢高度也略有降低。
(5) 由于目前掌握的H型钢规格仍然不够多，因此各项参数的间隔仍然较大，优化的幅度受到较大局限。
建议在完善H型钢结构计算并提出系列之后，和大中型钢结构公司，特别是提供脱硫烟道所需的不同规格焊接H型钢的钢铁企业，以保证钢材使用的合理性，确保工程的质量和进度。
(6) 由于受振动条件和频率控制的限制，在不设内撑杆条件下，要大幅度降低金属耗量是困难的，或者是不可能的。大尺寸烟道截面加固肋的选型均受其限制，此时加固肋的尺寸巨大。在烟道高度9～10m时，可达I40a甚至H450。
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。
对于目前不建议使用内撑杆的净烟气烟道，应尽快开展内撑杆及其材料、结构和防腐等方面的研究，达到大幅度降低金属耗量，提高道体整体刚度的目的。
举例来说，道体高度为8m，不设内撑杆时可选用的型钢为I36a，加一根内撑杆后就可以降低到［10(10号槽钢），每圈加固肋即可节约金属约600～700kg(取决于内撑杆型式和材料，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)。全部工程节约的钢材及其费用极为可观。
(7) 由于STADD程序是结构计算程序，用来计算烟道加固肋结构尚有一些问题有待解决。作为进一步的优化加固肋结构，将会在下阶段考虑采用STADD、以及SolidWork等软件，同时对烟道应力、加固肋结构形式等进行分析，优化道体、型钢、异型件和弯头等结构。
(8) 进一步的优化还应包括烟道异型件流线的分析、模拟和优化。
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