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水泥厂余热电站热风管道设计

　　随着世界能源日趋紧张，国家节能减排政策的不断加强，对于水泥企业来讲，利用干法预分解窑余热进行发电，降低企业生产成本，实现能源综合利用，已成为水泥生产发展的必然出路。

　　水泥厂余热发电是将水泥生产线窑尾悬浮预热器和窑头篦冷机排出的高温废气，利用热风管道输送至余热锅炉中制取一定压力的蒸汽，供汽轮机做功发电，换热后的低温废气再利用风管送入水泥生产系统的除尘器中。因此，热风管道设计是否合理，是否具有足够的强度承担各种作用，在余热电站中就显得十分重要。

　　本文就热风管道强度计算及管壁厚度选取等一些经验，进行分析探讨，本文中所指热风管道是指长期使用温度在300～370℃之间输送含尘的热空气园管道。

　　1.热风管道的在构造上的要求

      1.1热风管道厚选取

      管道应有合理的厚度，管壁过薄刚度差，难以保证管道应有的圆形断面，在负压状态下极易变形造成破坏。管道过厚即增加了管道自重，又增加了投资。对于窑头余热锅炉取风管道应适当加厚，及在管道内表面加设耐磨层等措施，对于弯头部份的耐磨防护更要注意。

　　壁厚取值   δ=235D/500f

　　式中  δ—热风管道壁厚
　　　　　D—热风管道外径
　　　　　f—热风管道所用钢材牌号

　　考虑到热风管道的耐久性等因素，热风管道壁厚不应小于5mm，对于大直径管道，钢材宜取Q345、Q390等牌号。

　　1.2热风管道加强圈的选取

      热风管道加强圈可保证管道在工作状态下的刚度，并保证强度实现起着极其重要的作用。

　　热风管道加强圈的选取要综合考虑管壁厚度、材质、管道直径、工作温度等几方面情况，一般加强圈宽60～90mm，板厚6～10mm，加强圈间距1500～3000mm。加强圈应与管道交错断续焊接，在荷载较大的支座两侧应设置加强圈以保证管道的刚度，活动支座附近的加强圈不应妨碍管道的轴向膨胀。

　　1.3热风管道支座的选取

      支座是为支承风管用的，因为支承支座的结构可能存在不均匀沉降，为保证在支座沉降时支座荷载变化不大，热风管应利用膨胀节进行分段，原则上每段成为简支梁或单段悬臂梁。

　　以膨胀节隔断的每一个管段上只允许设一个固定支座，其余支座均为活动支座。在设计图上固定支座处应标注与管道现场焊接的符号，活动支座的活动面应注明“此处不得焊接”，以免现场施工错误造成事故。

　　因为在高温作用下，普通碳素钢的磨擦系数将大幅度增大，为减小活动支座的水平荷载，可将活动支座的磨擦面设置在保温层外侧，或在支座和管道接触面设置耐热钢板。

　　1.4风管倾斜角度（与水平）选择

      因窑尾及窑头废气中含粉尘量较大，为防止粉尘在管道中沉降堆集，风管要倾斜布置，使粉尘在重力作用下滑，以减小风管荷载，节省管道支架费用。

　　根据水泥生产线的设计经验，窑头热风管道，当气流向上时风管与水平面的夹角宜大于45°，当气流向下时风管与水平面的夹角宜大于30°；窑尾热风管道，当气流向上时风管与水平面的夹角宜大于55°，当气流向下时风管与水平面的夹角宜大于35°。

　　2.热风管道的强度计算

      2.1管道设计荷载
　　⑴风管自重G₁

　　G₁=1.2×0.785×π×D×δ

　　G₁ --- 风管自重  KN
　　1.2 --- 考虑风管加强圈等附件重量。
　　0.785—1m²厚度为1mm的钢板重  KN/ m²D --- 风管直径  m
　　δ --- 风管钢板厚度  mm

　　⑵保温层重G_２包括保温层及固定保温所用的小角钢、铁丝等附材重，及保护层的镀锌钢板等重量，为简化计算，其重统一按折算为5mm厚风管重量计算。

　　G_２=5×0.785×π×D

　　⑶管内积灰重G₃管内积灰与管道与水平的夹角θ相关，与管内风速相关，由于水泥生产线工况变化，所以风管的截面风速是变化的，在风速降低是时风管内易产生积灰，此荷载按风管内截面积30%积灰计。

 G₃=（π×R²）×30%×γ×COSθ

　　式中γ --- 积灰容重γ=90KN/m³

　　⑷风管上连接的设备重G₄G₄=1.2×(阀门等设备自重)

　　⑸风管所受风荷载
　　G₅=ω×D₁

式中ω --- 风荷载设计值

　　⑹、膨胀节反力
　　当管道上设置金属膨胀节时，在热、冷变化时膨胀节将对管道产生反力，此反力通常与管道轴向一致，仅对管道支架产生作用，对管不产生作用，故膨胀节反力不参加管道设计的荷载组合。

　　2.2设计许用应力

      通常，碳素钢超过350℃，就会产生蠕变行为，烟风管道内废气温度一般均在此温度上下，所以烟风管道强度设计应采用蠕变设计方法，对钢材的设计强度需要进行折减。

　　f_t=γsf

　　f_t ---钢材及焊缝在温度作用下强度设计值
　　γs---钢材及焊缝在温度作用下强度折减系数
　　f---钢材及焊缝在小于100℃温度作用下强度设计值

　　本文中采用《烟囱设计规范》（GB50051-2002）钢材及焊缝在温度作用下强度折减系数如下表示：

温度

100℃

150℃

200℃

250℃

300℃

350℃

400℃

γs

1

0.92

0.88

0.83

0.78

0.72

0.65

　　2.3荷载的组合

      烟道承载能力极限状态设计应为活荷载控制的组合，按下列荷载效应基本组合中最不利值确定：

      γ_GS_GK+γ_Q1S_Q1K+ψ_ci(γ_Q2S_Q1K+γ_Q2S_Q2K+…)≤R(*)      3-1
　　γ_GS_GK +ψ_ci(γ_Q2S_Q1K+γ_Q2S_Q2K+…)≤R(*)            3-2

　　式中：
　　γ_G --- 永久荷载分项系数  3-1式中取为1.2，3-2式中取为1.35
　　γ_G1 --- 第一个可变荷载分项系数 取为1.4
　　ψ_ci --- 可变荷载组合系数 取为0.7
　　S_GK --- 永久荷载标准值
　　S_Q1K --- 第一个可变荷载标准值
　　R(*)--- 由设计计算公式确定构件的抗力函数

　　2.4风管允许应力计算

      f_t≤βM/W_n

式中：f_t --- 高温下风管的设计许用应力
　　　　W_n --- 风管的抗弯截面模量
　　　　β --- 风管的刚度折减系数  取0.7

　　3.热风管道强度计算举例

      例一:设计条件：如下图示，已知一热风简支管道外径D=3m，管壁材质Q235，保温采用岩棉200厚，保护层为0.6厚镀锌钢板，风管与地面成45°，使用温度为350°，计算允许最大跨度。

　　解：
　　1、壁厚计算   δ=235D/500f=235×3000/500×235=6mm

　　2、求风管均布载荷
　　G₁=1.2×0.785×π×D×δ=1.2×0.785×π×3×6=53.2KN/m
　　G_２=5×0.785×π×D=5×0.785×π×3=37.0 KN/m
　　G₃=（π×R²）×30%×γ×COSθ=（π×1.5²）×30%×9×COS45⁰=13.5 KN/m
　　G₅=ω×D₁=75×3.4=25.5 KN/m

　　3、荷载组合:
　　q=[1.2(G₁+ G_２)+1.4 G₃+1.4×0.7×G₅]/ COS45⁰=[1.35(53.2+ 37)+1.4×0.7 (13.5+25.5)]/0.707=226.3 KN/m

　　4、风管截面模量
　　W_n=π[R⁴－（R－δ）⁴]/4×R×COS²θ=π[150⁴－（150－0.6）⁴]/4×150×COS²45=84298cm³

　　5、简支风管最大支撑间距
　　l_max= (8W_n×0.7×[σ]^t/ q) ^0.5= (8×84298000×0.7×154/226.3)^0.5=17.9m

　　相应管道斜长L= l_max/COS45⁰=25.3m

　　6、如上述条件改为悬臂形式，其它条件不变相应管道最大悬挑长度为：
　　l_max= (2W_n×0.7×f_t / q) ^0.5=(2×84298000×0.7×154/226.3)^0.5=8.96m

　　相应管道斜长L= l_max/COS45⁰=12.6m

　　例二: 设计条件：同上例仅管径变为4m，计算允许最大悬臂长度。

　　解：
　　1、壁厚计算   δ=235D/500f=235×4000/500×235=8mm
　　2、求风管均布载荷
　　G₁=1.2×0.785×π×D×δ=1.2×0.785×π×4×8=94.65KN/m
　　G_２=5×0.785×π×D=5×0.785×π×4=49.2 KN/m
　　G₃=（π×R²）×30%×γ×COSθ=（π×2.0²）×30%×9×COS45⁰=23.98 KN/m
　　G₅=ω×D₁=75×4.4=33.0 KN/m

　　3、荷载组合:
　　q=[1.35(G₁+ G_２)+1.4×0.7( G₃+G₅)]/ COS45⁰=[1.35(94.65+ 49.2)+1.4×0.7 (23.98+33)]/0.707=353.7 KN/m

 　　4、风管截面模量
　　W_n=π[R⁴－（R－δ）⁴]/4×R×COS²θ=π[200⁴－（200－0.8）⁴]/4×200×COS²45=199757cm³

  5、风管最大悬臂长度
　　l_max= (2W_n×0.7×f_t / q) ^0.5= (2×199757000×0.7×154/353.7)^0.5=11.0m       

 　　相应管道斜长L= l_max/COS45⁰=15.6m

参考文献：[一]刘启元水泥工厂热风管道设计，水泥工程  2004年第2—6期

　　　　　[二]烟囱设计规范 （GB50051-2002）