磚煙囪內筒雙管式鋼筋混凝土煙囪設計

一、工程概況

陜西省寶雞市第二發電廠1期工程建設規模為4臺30萬千瓦機組容量,預留的擴建建設規模為2臺60萬千瓦機組容量,規劃的電廠總裝機容量為240萬千瓦。電廠1期工程已于1996年7月開工建設,1998年12月第1臺30萬千瓦機組投入試運行,1期工程計劃在2001年全部建成投產。

二、煙囪方案選型

煙囪方案選型根據環境保護要求,從結構設計分析和技術經濟指標這2個方面綜合考慮確定。

1?環境保護要求

初步設計階段,環保設計人員結合工程的規劃設計容量和環境保護要求的指標,對本工程煙囪方案選型進行了深入細致的專題研究工作。對煙囪座數與SO2污染濃度、關系及發電機組臺數的合理配置都進行了詳細分析和論證,并提出了相關建議。

(1)1期工程4臺30萬千瓦機組容量只建1座240m高煙囪時,SO2日均污染濃度最大值約為國家標準允許值的45?3%;擴建2臺60萬千瓦機組容量,再建1座240m高煙囪時,SO2日均污染濃度最大值約為國家標準允許值的89?3%,滿足要求且不超標;當電廠達到規劃的240萬千瓦容量時,只要出現3座煙囪,SO2日均污染濃度即超標。

(2)由于電廠地處大型水庫附近,環境要求高。根據煙囪所排污染物散落到地面的濃度大小與煙囪有效高度(即煙氣抬升高度加煙囪自身高度)的平方成反比的原理,煙氣應集中排放。也就是說,煙囪的座數越少越好,煙囪內排煙的管數越多越好,煙氣抬升的高度越高越好。

(3)從上述環境保護要求的角度出發,電廠1期工程4臺30萬千瓦機組容量配置煙囪的理想方案是建1座240m高的雙管或多管式結構煙囪。

2?結構設計分析

(1)考慮環境保護要求的建議意見,電廠1期工程4臺30萬千瓦機組容量配置1座煙囪的方案有:240/45?0m 4管式煙囪、240/27?0m雙管式煙囪和240/10?0m單筒煙囪3種。

(2)從目前國內外煙囪設計動態看,雙管或多管式煙囪內部用于排煙的內筒材料多為鋼板和磚砌體2種。結合我國的國情及經濟條件,本工程煙囪內筒將考慮采用砌體方案。

(3)從結構設計角度對這3種煙囪方案進行的技術性能分析見表1。240/27?0m雙管煙囪是綜合技術性能較好的煙囪方案。5?0m4管式煙囪240/27?0m雙管式煙囪240/10?0m單筒煙囪結構體系:

?鋼筋混凝土外筒壁內布置4根磚砌排煙筒,4臺機組分別接入4根排煙筒內。

?排煙筒荷重分段由設置的樓板平臺和中心柱支承,外筒與內筒結構分離。

結構體系:

?鋼筋混凝土外筒壁內布置2根磚砌排煙筒,2臺機組共同接入1根排煙筒內。

?排煙筒荷重分段由設置的樓板平臺支承,外筒與內筒結構分離。結構體系:

?傳統的煙囪結構模式。

?內襯磚砌體由緊鄰的鋼筋混凝土筒壁內側挑出的環形懸挑支承,外筒與內筒結構不分離。優點:

?承重的鋼筋混凝土外筒壁與磚砌排煙筒脫開布置,結構方案合理。排煙筒具有維護和檢修的條件,安全耐久性好。

?鋼筋混凝土外筒壁處于常溫下工作,溫度應力影響較小,且不會直接遭受煙氣腐蝕。

?排煙筒可根據工藝設計的要求做成等直徑段,使煙氣在排煙筒內易保持負壓運行,從而降低煙氣對排煙筒的腐蝕等級。

?煙囪內的空間利用率高。各臺機組煙氣的排放互不干擾,煙氣抬升高度高。

缺點:

?結構自重偏大,筒壁的抗震設計和基礎設計難度高,工程量大。

?筒壁半徑較大,樓板結構大梁跨度長,布置困難。煙囪中心需設置支撐柱。

?煙囪內部結構復雜,施工技術要求高,工期較長。優點:

?承重的鋼筋混凝土外筒壁與磚砌排煙筒脫開布置,結構方案合理。排煙

筒具有維護和檢修的條件,安全耐久性好。

?鋼筋混凝土外筒壁處于常溫下工作,溫度應力影響較小,且不會直接遭受煙氣腐蝕。

?排煙筒可根據工藝設計的要求做成等直徑段,使煙氣在排煙筒內易保持

負壓運行,從而降低煙氣對排煙筒的腐蝕等級。排放的煙氣抬升高度較高。

?相對4管煙囪而言,筒壁半徑較小,樓板平臺結構布置簡便,取消煙囪中心設置的支撐柱。

缺點:

?煙囪內的空間利用率不高。由于2臺機組接入1根排煙筒內,煙氣運行有一定的相互干擾。

?相對單筒煙囪而言,施工難度較大,工期較長。優點:

?結構簡單,施工工藝成熟,工期短。

缺點:

?承重的鋼筋混凝土筒壁與內襯磚砌體及隔熱層緊貼,結構方案未考慮內襯磚砌體的維護和檢修條件,安全耐久性差。

?鋼筋混凝土筒壁易受到煙氣溫度應力的作用和煙氣腐蝕的影響,筒壁易出現超標準的溫度應力裂縫。

?無法按照工藝設計的要求做成等直徑段,使煙氣處于負壓運行。并由于4臺機組接入1座煙囪內,煙氣運行的相互干擾較大。

?傳統的結構型式,對大容量機組或多臺機組共用的情況不適合,風險較大。

3?技術經濟指標

技術經濟比較綜合考慮了煙囪、配套的煙道和地基處理這3部分。按照初步設計階段的專研究成果,3種煙囪方案的技術經濟比較見表2。

　　從表中可看出:單筒煙囪造價最低,雙管式煙囪造價次之,4管式煙囪造價最高。綜合比較上述條件,本項工程煙囪結構方案選擇240/27?0m

雙管式鋼筋混凝土煙囪。

三、240/27?0m雙管式鋼筋混凝土煙囪

1?煙囪結構設計方案

(1)煙囪設計條件

基本風壓:≈0?3kN/m2場地土類別:Ⅱ類煙氣設計溫度: 117°C煙氣除塵方式:干式電除塵

巖土工程條件:濕陷性黃土和卵石抗震設防烈度: 7度抗震措施設防烈度: 8度室外極端最高氣溫: 40°C室內極端最低氣溫: -19°C地下水條件:地表下約26m

(2)煙囪地基處理和基礎結構

①煙囪地基處理采用擴底灌注樁樁基,樁基持力層為濕陷性黃土層下的卵石層。擴底灌注樁樁身直徑是800mm,底部擴大端直徑是1200mm,有效樁長約18m,樁數160根。通過現場靜載荷試驗確定的擴底灌注樁單樁豎向承載力標準值是4000kN。

②由于煙囪筒身底部的鋼筋混凝土外筒壁和磚砌排煙筒筒壁荷重均直接由基礎承擔,所以煙囪基礎采用圓形整板結構。基礎埋深5?0m,基礎底板厚3?0m。基礎底板配筋除按強度計算要求配置外,還配置了大體積混凝土自身要求的溫度鋼筋。

(3)煙囪筒身結構

240/27?0m雙管式煙囪筒身是由鋼筋混凝土承重外筒、磚砌排煙筒、鋼筋混凝土樓板平臺、積灰平臺和內煙道組成。筒身結構方案示意見

結構方案

①鋼筋混凝土承重外筒為一薄壁筒形結構,筒高235?1m。外筒頂部外直徑是19?7m,壁厚0?3m,底部外直徑是24?75m,壁厚0?65m。筒身沿高度方向布有通風采光及航空信號標志燈用途的窗孔和煙道接孔。

②樓板平臺主要用于支承分段設置的排煙筒荷重和樓板自重,并通過樓板平臺支承大梁將荷重傳遞給鋼筋混凝土承重外筒。除此之外,它還兼有檢修和維護排煙筒及其它設施的作用。樓板平臺是采用鋼梁和鋼筋混凝土板組成的組合結構。樓板共設7層,自55?0m標高起,按30m的層高分別在85?0m、115?0m、145?0m、175?0m、205?0m和235?0m標高設置。

③排煙筒由200mm厚耐

酸膠泥砌筑的耐酸磚砌體和60mm厚超細玻璃棉氈隔熱層組成,筒高240?0m。筒體上下等徑,呈簿壁圓柱體狀。55?0m標高以上筒體的分段接口均設在各樓板平臺處,55?0m標高以下部分則直接座落在基礎底板上。排煙筒的內直徑為7?0m,2根排煙筒以煙囪中心線對稱布置,中心線間距是8?9m。

④積灰平臺為鋼筋混凝土梁板式整體結構,僅設置在排煙筒內。內煙道是將鋼筋混凝土承重外筒與排煙筒連接的煙氣通道,內煙道底面與積灰平臺表面處在同一標高,并連成整體。

⑤鋼筋混凝土承重外筒壁不再設置外露的航空信號標志平臺,航空信號標志燈裝置均設置在

特定的樓板平臺標高處的窗孔上。煙囪內的垂直交通是由鋼筋混凝土承重外筒壁內側布置的鋼扶梯和休息平臺承擔,頂部平臺出口及高出的排煙筒筒壁外側設置用于檢修和維護用的直爬鋼體。

2?煙囪結構設計特點

(1)鋼筋混凝土承重外筒

①在保證排煙筒合理布置及檢修維護間隔的前題條件下,最大限度地優化筒身外形尺寸,減小筒壁半徑和減薄筒壁壁厚,并將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達到理想組合。從而降低筒壁根部的組合荷載值,使基礎和樁基的設計更加經濟合理。

②為減弱樓板平臺支承大梁梁端對筒壁傳遞荷載時的偏心作用影響,專門在筒壁內側設置了

安放樓板平臺支承大梁的洞槽,增設了環形加固剛性帶,減少了附加鋼筋的配置,提高了筒身設計的安全度,筒壁與樓板平臺支承大梁的連接示意

 (2)磚砌排煙筒及防腐蝕設計

①排煙筒按煙氣負壓運行的條件設計成等直徑段,特別是在樓板平臺連接處,通過采取構造措

施,加設了1個鋼筋混凝土環形底座,將排煙筒設計成平接。使煙氣流動在整個排煙筒內阻力減小,運行穩定,有利于提高煙氣的抬升高度,降低地面的污染程度。排煙筒在樓板平臺處的連接示。

②排煙筒的防腐蝕是整個煙囪筒身防腐蝕設計的重點。筒體除按常規設計選用耐酸防腐蝕材

料外,在一些重要的連接處,尤其是鋼筋混凝土結構部位,均加強了防腐蝕構造措施。具體做法是:在混凝土表面先涂刷“MC”防腐隔離層,然后再做耐酸膠泥防護層,最后貼聚四氟乙烯耐磨密封面層。

③排煙筒隔熱效果的好壞,是影響排煙筒磚砌體溫度應力大小的關鍵,隔熱材料采用導熱系數低、重量輕的超細玻璃棉氈。為確保超細玻璃棉氈固定牢靠和不脫落,棉氈被穿透,并掛在砌體外表面設置的、用于抗溫度應力作用的環形扁鋼帶上布置的螺釘上。上緊墊片和螺母后,棉氈外表面再外罩一道鋼絲網進行封閉。

④為減輕荷重,使樓板平臺的梁板設計更加經濟合理和便利,排煙筒磚砌體選用了輕質耐酸磚,容重為1300kg/m3。考慮到煙道接孔對筒壁削弱和頂部露出段防腐蝕的需要,筒體下部25m高

度和頂部5m高度均加設了鋼筋混凝土筒壁予以加強。

(3)樓板平臺

①由于排煙筒新建荷重是通過樓板平臺傳遞給鋼筋混凝土承重外筒,而分段設置的排煙筒又對樓板平臺變形非常敏感,因此,樓板平臺結構選擇了輕便耐用的鋼梁和鋼筋混凝土板組合結構。它不僅施工簡便,而且充分發揮了鋼梁的抗拉特性和混凝土良好的受壓性能,加強了樓板平臺的整體剛度,減少了樓板平臺的變形。

②從減輕自重、降低造價的目的出發,樓板平臺支承鋼梁幾乎都采用了焊接工字形鋼梁。其中樓板平臺支承大梁由于跨度較大(約18m長)被設計成變高度梁,最大梁高2?1m,最小梁高1?6m。樓板平臺邊部還設計了四處用于通風和鋼扶梯進出的格柵帶和梯孔。樓板平臺的布置示意見圖4。

(4)積灰平臺和內煙道

結構上,內煙道底板與積灰平臺及內煙道底板與鋼筋混凝土承重外筒筒壁簡支連接,內煙道側壁鋼筋混凝土板墻與排煙筒鋼筋混凝土筒壁通過增設的構造柱連成一體。內煙道與積灰平臺防腐蝕設計的重點是在鋼筋混凝土結構面層上,除底面采用鋪設耐酸磚面層外,內煙道側壁及頂面均采用加強的防腐蝕構造措施。即在混凝土表面先涂刷“MC”防腐隔離層,然后再做耐酸膠泥防護層,最后貼聚四氟乙烯耐磨密封面層。

3?煙囪結構計算分析

(1)鋼筋混凝土承重外筒

由于雙管式煙囪結構體系與傳統的煙囪結構方案差別較大,而現有的煙囪計算及繪圖軟件又

都是按照傳統的煙囪結構方案編制的,因此,在進行雙管式煙囪鋼筋混凝土承重外筒計算時,對輸入的計算參數要做必要的歸類和整理。本工程中,樓板平臺傳遞給鋼筋混凝土承重外筒的排煙筒荷重和樓板平臺自重是作為附加荷載作用在外筒的計算結點上。外筒與排煙筒間的夾層空間溫度,根據其它工程測試的結果和設計經驗按10°C取值。煙囪筒身主要計算成果見表3。

(2)樓板平臺支承鋼梁

樓板平臺是按表4所示的工況條件進行計算的。樓板平臺支承鋼梁在進行強度和變形計算時,是按純鋼梁結構體系和鋼梁鋼筋混凝土樓板組合結構體系分別進行的,算出的樓板支承大梁

最大跨中彎矩設計值是9435kN?m,最大梁端剪力設計值是1966kN,最大跨中變形是19mm。

　　4?煙囪新建主要工程量

　　四、結束語

陜西寶雞第二發電廠1期工程設計的240/27?0m磚內筒雙管式鋼筋混凝土結構煙囪是我

國首座自行設計和施工的新型結構煙囪,也是煙囪設計技術革新的首次嘗試。它不僅能更好地滿足工藝設計、特別是環境保護對煙氣托升的抬高要求,而且能大大提高煙囪運行的安全可靠度,具有廣闊的推廣和應用前景。目前,另1座用于山西河津發電廠1期工程2臺350000千瓦機組的240/25?0m磚內筒雙管式鋼筋混凝土煙囪已完成設計和施工,已竣工投入使用。