水泥廠余熱電站熱風(fēng)管道設(shè)計(jì)初探

1、水泥廠余熱電站熱風(fēng)管道設(shè)計(jì)大連易世達(dá)新能源開(kāi)展股份 何榮貴隨著世界能源日趨緊張，國(guó)家節(jié)能減排政策的不斷加強(qiáng)，對(duì)于水泥企業(yè)來(lái)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)本錢，實(shí)現(xiàn)能源綜合利用，已成為水泥生產(chǎn)開(kāi)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)度承當(dāng)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(zhǎng)期

2、使用溫度在 300370 C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(guò)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(guò)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)外表加設(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S =235D/500f式中S 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

3、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6090mm板厚610mm加強(qiáng)圈間距15003000mm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，原那么上每段成為簡(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

4、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

5、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、風(fēng)管自重GG=1.2 X 0.785 X n X DX SG - 風(fēng)管自重 KN1.2 - 考慮風(fēng)管加強(qiáng)圈等附件重量。20.785 1m厚度為1mm的鋼板重 KN/ mD - 風(fēng)管直徑 mS -風(fēng)管鋼板厚度 mm、保溫層重G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 =5X 0.785 XnX D、管內(nèi)積灰重 G管內(nèi)積灰與管道與水平的夾角0相關(guān)，與管內(nèi)風(fēng)速相關(guān)，由于水泥生產(chǎn)線工

6、況變化，所以30%積風(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 灰計(jì)。G= (nX R')X 30%X y X COS9式中丫 - 積灰容重丫 =90KN/m3、風(fēng)管上連接的設(shè)備重 GG 4=1.2 X (閥門等設(shè)備自重 )、風(fēng)管所受風(fēng)荷載G 5=3 X D式中3 - 風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值、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(guò) 350C，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

7、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。ft= y Sfft -鋼材及焊縫在溫度作用下強(qiáng)度設(shè)計(jì)值丫 S-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 c溫度作用下強(qiáng)度設(shè)計(jì)值本文中采用?煙囪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?(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:溫度100C150C200 C250 C300 C350C400CY S10.920.880.830.780.720.652.3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，按以下荷載效應(yīng)根本組合中最不利值 確定：丫 gSgk+ 丫 qiSqik+ 書(shū) ci (

8、丫 q2Sqik+ 丫 q2Sq2k+)W R(*)3-1Y gSgK + Ip ci ( Y q2Sq1K+ Y Q2Sq2K+ )W R(*)3-2式中：Y 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1.35Y G1 -第一個(gè)可變荷載分項(xiàng)系數(shù)取為1.4p ci -可變荷載組合系數(shù)取為0.7Sgk-永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Sqik -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)算式中：ft-高溫下風(fēng)管的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力W-風(fēng)管的抗彎截面模量3 -風(fēng)管的剛度折減系數(shù) 取0.73. 熱風(fēng)管道強(qiáng)度計(jì)算舉例例一：設(shè)計(jì)條件：如以下圖示，一熱風(fēng)簡(jiǎn)支管道外徑D=

9、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。I = I解:1、 壁厚計(jì)算S =235D/500f=235 X 3000/500 X 235=6mm2、求風(fēng)管均布載荷G=1.2 X 0.785 X n X DX S =1.2 X 0.785 X n X 3X 6=53.2KN/mGe =5X 0.785 X n X D=5X 0.785 X n X 3=37.0 KN/mG= ( n X R2)X 30%< y X COS9 = ( n X 1.5 2)X 30%X 9X CO

10、S45=13.5 KN/mG=3 X D=75X 3.4=25.5 KN/m3、荷載組合q=1.2(G 1+ G 2 )+1.4 G 3+1.4 X 0.7 X G/ COS45=1.35(53.2+ 37)+1.4X 0.7 (13.5+25.5)/0.707=226.3 KN/m 4、風(fēng)管截面模量W!= n R4( R3) 4/4 X RX COSB=n 150 4 ( 150 0.6 ) 4/4 X 150X COS453=84298cm0.55、簡(jiǎn)支風(fēng)管最大支撐間距l(xiāng) ma)= (8Wn X 0.7 X ff / q)=(8X 84298000 X 0.7 X 154/226.3)0.

11、5=17.9m相應(yīng)管道斜長(zhǎng) L= l ma)/COS45D=25.3m0.56、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(zhǎng)度為:l maX= (2WnX 0.7 X ft / q)0 5=(2 X 84298000 X 0.7 X 154/226.3) . =8.96m相應(yīng)管道斜長(zhǎng) L= l ma>/COS45)=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(zhǎng)度。解：1、 壁厚計(jì)算s =235D/500f=235 X 4000/500 X 235=8mm2、求風(fēng)管均布載荷G=1.2 X 0.785 XnX DX s =1.2 X 0.785 X nX 4X

12、 8=94.65KN/mG =5X 0.785 XnX D=5X 0.785 XnX 4=49.2 KN/mG= (nX R2)X 30%< y X COS9 = (nX 2.0 2)X 30%X 9X COS45=23.98 KN/mG=®X D=75X 4.4=33.0 KN/m 3、荷載組合 :q=1.35(G 計(jì) G 2)+1.4 X 0.7( G 3+G)/ COS45 0=1.35(94.65+ 49.2)+1.4 X 0.7 (23.98+33)/0.707 =353.7 KN/m4 、風(fēng)管截面模量WA= n R4( RS) 4/4 X RX COSb=n 200 4 ( 200 0.8 ) 4/4 X 200 X