【摘要】：本文探讨火力发电厂主烟道的设计，并对其思路和方法进行了研究，为今后与此类似工程的主烟道设计提供了参考。
【关键词】：火力发电厂,主烟道,设计
1、前言
随着火力发电厂的快速发展，600MW 机组已经逐渐被1000MW 机组所取代，成为国内火力发电厂的主力机型。火力发电厂随着烟气流量加大和机组容量的加大，烟道是通风系统中的一个重要部分，但是烟道在设计方面水平参差不齐，存在着不少的缺陷，情况不容乐观。本文以下内容将对火力发电厂主烟道的设计进行简要的探讨，以供大家参考学习之用。
2、烟道设计的改进
目前火力发电厂的主烟道采用的竖向烟道自然通风的作用力主要依靠室内外空气温差形成的热压，室外气温越低热压越大。但在室内气温低于室外气温的夏季，这种烟道就不能形成自然通风所需的作用力，因此在设计烟道时需留有安装排气机械的位置和条件。烟道的烟气温度是很高的，一般是(500～700) ℃，不管是选用热壁式还是冷壁式烟道，其管道都将产生一定的热膨胀变形，并对支撑结构及烟机等设备产生巨大的推力，常常会影响设备及装置的安全稳定的运行。因此，在进行烟道设计时，要正确地选用各种支吊架、导向支架、弹簧支架以及滑动支座等设施，合理地分配烟道重量和布置烟道的走向。
3、主要设计思路
在火力发电厂工程设计中，以前主烟道一般由工艺专业负责，在工艺规程中，要充分的考虑了烟道顶底面、侧面受烟气压力、风载、雪载等的影响，风载等水平荷载对烟道整体的影响往往不加以考虑。现在用的的《煤粉管道规程》是2001 年1 月1 日开始实施的，到今天已经有十几年的时间了，在此期间火力发电厂的规模、容量、机组参数等均有了很大的改变，随着烟道截面的加大，按现行工艺规程应进行验证烟道设计是否安全可靠。
4、主烟道设计要点
4、1固定支架
在火力发电厂主烟道的设计中，为了减小温差引起的变形，通常在管系中设置膨胀节。管段的形状决定着膨胀节的选用。管道固定支架的作用就在于限制和控制设置位移量，此位移量是固定支架之间的膨胀节所吸收的，管系被固定支架分割成若干管段，然后根据管段的构形和尺寸及单个膨胀节所能调节的膨胀量等来确定膨胀节的选型。在一般的情况下，固定支架包括烟机、反应器等设备。另外，除了这些设备所提供的固定点外，常常需要在阀门、管道转向处、管道盲端和主要支管的连接处设置固定支架。要求管道固定支架及其附件，和与之相连的结构必须能够承受对它们的内压推力、摩擦力以及膨胀节的变形反力等作用力。
4、2 导向支架
火力发电厂相邻主管道的同轴性，对于膨胀节功能的发挥是很重要的。为了保证位移能够正确地施加到膨胀节上，并防止管道失稳，在主烟道设计中必须使用导向支架。对于直管段膨胀节和导向支架的设置，往往是要遵守以下规则：使膨胀节靠近一个固定支架，第一个导向支架与膨胀节波纹管端面的间距要小于管径的4倍。第二个导向支架与第一个导向支架的间距要小于管径的14倍。
4、3 吊架及弹簧的设计
吊架设计通常是对于竖直管段或者要求管段由于热位移而产生的摩擦力很小的时候才采用，而且与弹簧经常组合使用。吊架的设置原则是：①采用吊架，而不采用滑动支座的时候是对水平力要求非常严格的烟道。②冷态下安装调试好的支承，在热态下吊点的承重值不应有大的变化，此时要同时考虑冷、热态下的支承;③不能阻止膨胀节按设计的补偿方案变形;④管段重心最好通过吊点的位置，这是为了避免因偏心而产生附加弯矩。对于入口烟道，由于烟机的壳体与转子之间和转子与定子之间的间隙不是很大，它们之间一旦有微小的移动，就会让烟机转动导致烟机异常及和损坏。所以，通常的设计是保证烟机入口推力和力矩小于某一特定值。为了减小水平力，要设置一组吊架，将烟道上的高温闸阀、蝶阀的重量以及与它们紧邻的管段重量吊起来，减少作用在中心滚动支座上的重量，从而减小摩擦力对烟机的作用。对于出口烟道来说，为了减少作用在烟机上的垂直作用力，设置两组弹簧吊架。经过这样的设计，直接作用在烟机垂直方向的重力很小，有效地保证了烟机的稳定运行。
4、4 弹簧设计
弹簧包括可变弹簧和恒力弹簧两种。载荷随弹簧位移量的变化而变化，大多设置在水平烟道和离烟机比较远的地方就是可变弹簧。承重载荷不随烟道位移而变化就是恒力弹簧，但在烟道设计中很少采用恒力弹簧，因其荷载的准确性不高和对安装调试技术要求高，因此。可变弹簧支吊架的设计应保证弹簧荷载变化率小于25%，小于25%的时候，要采取措施，比如弹簧的结构尺寸改变，弹簧刚度减少，弹簧的型号改变、串联弹簧支吊架等方法，以满足设计要求。
4、5 膨胀节的选型
膨胀节的选型一般分为以下两步：第一步是根据烟道的布置及走向定管段的构形，然后选择膨胀节型式;第二步是计算管段因热变形而产生的位移量，再估计安装误差量，据此确定膨胀节的结构参数。这两步中要强调的是第一步最关键的。
4、5.1 烟机出口膨胀节
在烟机出口至固定支架之间的管道中，通常选用弯管压力平衡膨胀节。另外一个关键设计是烟道内压推力靠压力平衡膨胀节的大拉杆来平衡。所以说，大拉杆的强度和结构设计对膨胀节的安全稳定的使用也很重要的。膨胀节的失效一般有设计、制造、安装原因等。由于设计的原因而造成的膨胀节失效主要表现在：应力腐蚀开裂，大多是由于介质中硫化铁和水蒸气形成硫酸，同时又由于氯离子的存在，造成膨胀节发生腐蚀开裂。设计时应尽量选用耐蚀性好的材料。此外，合理地设计和选择膨胀节，使其在较低的应力状态下工作，同时尽量避免腐蚀性介质的产生，都是有效的设计预防措施。
4、6 主烟道加固肋设计
烟道的形状一般有圆形和矩形两种, 虽然圆形烟道有很大的优势，但由于受布置场地的限制, 国内对圆形烟道加固肋设计的规程及其配套计算方法不健全等因素的影响, 所以圆形管道在国内大容量机组中很少采用, 特别是圆形烟道中的积灰荷载对圆形道体产生了偏心荷载,极易引起圆形烟道的失稳变形, 而解决圆形烟道的失稳变形则是圆形烟道设计中的最大难点。一般在火电厂主烟道的设计中采用有限单元模型法对圆形烟道加固肋进行设计计算, 解决了此难题。有限单元模型法主要是通过荷载施加及组合、有限元模型建立、道体的强度验算、加固肋和内撑杆的强度及稳定性的计算、道体结构自振频率的计算和振动控制等五大步骤对加固肋进行设计。关键就是将烟道及其加固肋、支点型式等建立有限单元模型, 然后将不同的荷载对应赋予不同的有限单元上。然后再进行道体强度、加固肋强度和稳定验算, 就能很好地解决不均匀荷载可能带来的影响, 可以选择出合理的烟道的厚度和加固肋的大小。
4、7 主烟道的焊接要求
由于主烟道防腐需要对主烟道进行内衬, 按照内衬的需要, 对主烟道内部焊接提出了以下要求: ( l) 在内衬施工之前各种焊接都要进行,内衬施工后不允许焊接。(2) 采用焊接连接的主烟道，内表面要采用连续焊接。当焊接使用材料厚度不一样的时候, 在其结合处应保证其水平对齐。焊接完成后, 应去除所有焊接飞溅物, 并对焊缝做喷砂和磨平处理, 使之光滑, 符合防腐内衬的施工要求。(3) 烟道内侧拐角处、内撑杆焊接衬板处内贴角钢与面板结合处等有角度连接处, 焊缝应保持一定的弧度和光滑度。(4) 烟道拼板时, 应对钢板进行坡口处理, 烟道内壁与焊缝应保持平整。(5) 烟道内撑杆与连接板之间的焊接, 应注意内撑杆端部用相同孔径的封头将其封堵, 以防止腐蚀气体或液体流入内撑杆内部，从而将其腐蚀。
5、结尾
在火力发电厂主烟道的设计中，因为场地和空间的限制，烟道形式和走向是各种各样的，相应的设计方法和思路也是千变万化的。但是无论如何，也要遵守合理的设计原则，这样才能够保证烟道和设备的安全稳定运行，从而最大限度地节约成本。
【参考文献】
[1]《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》钱成绪等，中国电力出版社
[2] 《空气动力学基础》徐华舫等，北京航空学院出版社
[3] 《工程气固多相流动的理论及计》岑可法等，浙江大学出版社
