水泥厂余热电站热风管道设计初探

1、水泥厂余热电站热风管道设计大连易世达新能源开展股份 何荣贵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，降低企业生产本钱，实现能源综合利用，已成为水泥生产开展的必然出 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当各 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

2、使用温度在 300370 C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，及在管道内外表加设耐磨层等措施，对于弯头部份的耐磨防护更要注意。壁厚取值S =235D/500f式中S 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

3、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6090mm板厚610mm加强圈间距15003000mm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，原那么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

4、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

5、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、风管自重GG=1.2 X 0.785 X n X DX SG - 风管自重 KN1.2 - 考虑风管加强圈等附件重量。20.785 1m厚度为1mm的钢板重 KN/ mD - 风管直径 mS -风管钢板厚度 mm、保温层重G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 =5X 0.785 XnX D、管内积灰重 G管内积灰与管道与水平的夹角0相关，与管内风速相关，由于水泥生产线工

6、况变化，所以30%积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 灰计。G= (nX R')X 30%X y X COS9式中丫 - 积灰容重丫 =90KN/m3、风管上连接的设备重 GG 4=1.2 X (阀门等设备自重 )、风管所受风荷载G 5=3 X D式中3 - 风荷载设计值、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 350C，就会产生蠕变行为，烟风管道内废气温度一般均在此

7、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。ft= y Sfft -钢材及焊缝在温度作用下强度设计值丫 S-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 c温度作用下强度设计值本文中采用?烟囱设计标准?(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100C150C200 C250 C300 C350C400CY S10.920.880.830.780.720.652.3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，按以下荷载效应根本组合中最不利值 确定：丫 gSgk+ 丫 qiSqik+ 书 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 -永久荷载分项系数3-1式中取为1.2 , 3-2式中取为1.35Y G1 -第一个可变荷载分项系数取为1.4p ci -可变荷载组合系数取为0.7Sgk-永久荷载标准值Sqik -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风管允许应力计算式中：ft-高温下风管的设计许用应力W-风管的抗弯截面模量3 -风管的刚度折减系数 取0.73. 热风管道强度计算举例例一：设计条件：如以下图示，一热风简支管道外径D=

9、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。I = I解:1、 壁厚计算S =235D/500f=235 X 3000/500 X 235=6mm2、求风管均布载荷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、荷载组合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、风管截面模量W!= n R4( R3) 4/4 X RX COSB=n 150 4 ( 150 0.6 ) 4/4 X 150X COS453=84298cm0.55、简支风管最大支撑间距l ma)= (8Wn X 0.7 X ff / q)=(8X 84298000 X 0.7 X 154/226.3)0.

11、5=17.9m相应管道斜长 L= l ma)/COS45D=25.3m0.56、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= (2WnX 0.7 X ft / q)0 5=(2 X 84298000 X 0.7 X 154/226.3) . =8.96m相应管道斜长 L= l ma>/COS45)=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s =235D/500f=235 X 4000/500 X 235=8mm2、求风管均布载荷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、荷载组合 :q=1.35(G 计 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 、风管截面模量WA= n R4( RS) 4/4 X RX COSb=n 200 4 ( 200 0.8 ) 4/4 X 200 X