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摘要：本文从工程实际出发，以湿式石灰石-石膏法（WFGD）烟气脱硫工艺中的核心设备吸收塔为研究对象，针对某电厂300MW机组吸收塔振动问题进行原因分析，通过对其塔体结构进行应力核算、ANSYS模态分析最终确定塔体加固方案。经工程验收，该解决方案效果良好。本文所述分析流程与方法可为吸收塔或其他大型设备的振动问题提供借鉴。
关键词：脱硫塔；振动；模态分析
引言
随着社会经济的发展，SO2排放所带来的环境问题日趋严重。在我国，大气污染SO2排放总量中约87%来自燃煤电厂，属SO2煤烟型污染。因此，国家陆续颁布了一系列政策法规，强制规定：所有新建燃煤机组都要配备烟气脱硫系统，所有老燃煤机组均要分批增建烟气脱硫系统。
目前，湿式石灰石-石膏法（WFGD）烟气脱硫工艺以其脱硫效率高、运行成本低等特点，成为世界上应用最广泛，技术最成熟的SO2脱除技术，市场占有率达90%以上[1]。其中，吸收塔是WFGD系统的核心设备，在塔内，烟气中的SO2与经喷嘴雾化的石灰石浆液逆流接触，生成亚硫酸钙（CaSO3），在氧化空气和搅拌作用下于塔底浆液池内生成石膏，实现烟气中SO2组分的去除，一般脱硫效率可以达到95%～99%。
吸收塔作为WFGD系统的核心设备，塔内进行的脱硫过程是极其复杂的物理化学反应过程，且WFGD脱硫装置具有体积庞大、结构复杂、维护困难等特点[2]。就结构而言，吸收塔既要足够的强度，承受塔25m～45m高的自身及附件荷载，又要有足够的刚度，保证系统运行时塔体的稳定性。因此，吸收塔从设计、施工到验收各个阶段，均视为质量管控的重中之重。即便如此，吸收塔振动、局部变形、腐蚀破坏等事故依然层出不断。本文针对华润集团某电厂300MW机组吸收塔振动的问题进行ANSYS分析并提出解决方案。
1 问题与核算
1.1 现场问题
该华润集团某电厂300MW机组于2014年由杭州某知名环保企业建成并投入使用，采用石灰石—石膏湿法烟气脱硫工艺，一炉一塔布置，运行过程中发现吸收塔振动严重，自塔高10m左右位置，能感觉到明显的晃动，随塔高增加，塔体晃动越加剧烈。现我司对其进行超低排放改造时，EPC技术协议中明确要求对吸收塔振动问题进行解决和处理。
1.2 塔体结构参数
该脱硫吸收塔采用逆流喷淋结构形式，塔体总高39.5m，浆液区塔体直径为15m，吸收区塔体直径为12.5m。烟气入口截面为3.7m（高）×8.85m（宽），标高15.5m；烟气出口截面为4.5m（高）×6.4m（宽），标高37.0m。其详细结构参数表1所示。
1.3 塔体应力核算
针对吸收塔振动问题先对其原有设计是否满足要求进行核算，该吸收塔浆液高度为12.5m，浆液密度取1200kg/m3，塔体材料Q235B，许用应力137MPa，并考虑塔内附件载荷。依据塔体结构参数表1以及标准NB/T 47041-2014 《塔式容器》进行应力核算[3]，其结果如表2所示。
从以上结果可知，吸收塔结构应力核算满足设计要求。但是，上述核算并未考虑烟气入口处对塔壁开孔对其结构的影響，塔壁开孔降低了吸收塔塔体本身强度的稳定性。吸收塔振动应增加塔体入口处的开孔补强。
2 ANSYS分析与解决方案
2.1 塔体烟气入口加固方案
虽然原有设计对塔体入口进行了局部补强，吸收塔在运行过程中振动表明塔体入口开孔偏大，补强并未达到使用要求，应当对其入口进行局部加固。图1和图2分别为塔体入口局部加固前和加固后3D示意图。
2.2 ANSYS模态分析
模态分析是基本的动力学分析[4]，可以确定结构的固有频率和振型，从而避免结构设计的共振及振动问题。ANSYS模态分析是结构振动特性的常用数值技术[5]。本文对加固前后吸收塔整体进行模态分析结果分别如图3和图4所示。
ANSYS模态分析结果显示吸收塔塔体加固后最大振动位置由入口处转移到了塔顶。塔体加固前后其模态频率由原来的3.5HZ降低到0.095HZ，降低36.8倍。吸收塔塔体加固前后详细计算结果对比如表3所示。
对比吸收塔塔体加固前后模态频率数值可以看出，加固后频率有数十倍甚至上百倍的降低，值得注意的是，其中一阶模态频率在加固后降低至0。表明该加固方式对塔体振动有良好的抑制作用。该工程经我司通过上述加固方式进行改造后，吸收塔塔体至今运行稳定，振动问题得到解决。
3结论
（1）本文针对实际工程中吸收塔振动问题进行分析，通过对其原有结构进行核算及ANSYS模态分析，最终确认加固方案。
（2）吸收塔筒体应力计算后要充分考虑大开孔补强，才能保证吸收塔塔体强度安全及运行稳定性。
（3）ANSYS模态分析可作为吸收塔或其他大型设备振动问题的数值技术分析方法，对其结构设计优化提供参考。
参考文献：
[1]燕中凯，刘媛，岳涛，等. 我国烟气脱硫工艺选择及技术发展展望[J]. 环境工程，2013，31（6）：58-61.
[2]乔宗良. 石灰石/石膏湿法烟气脱硫系统优化技术研究[D]. 东南大学，2015.
[3]NB/T 47041—2014 塔式容器[S].
[4]叶先磊，史亚杰. ANSYS工程分析软件应用实例[M]. 清华大学出版社，2003.
[5]郑运虎，李颖. 立式圆柱薄壳容器的振动特性研究[J]. 西华大学学报（自然科学版），2016，35（1）：24-28.
关键词：脱硫塔；振动；模态分析
引言
随着社会经济的发展，SO2排放所带来的环境问题日趋严重。在我国，大气污染SO2排放总量中约87%来自燃煤电厂，属SO2煤烟型污染。因此，国家陆续颁布了一系列政策法规，强制规定：所有新建燃煤机组都要配备烟气脱硫系统，所有老燃煤机组均要分批增建烟气脱硫系统。
目前，湿式石灰石-石膏法（WFGD）烟气脱硫工艺以其脱硫效率高、运行成本低等特点，成为世界上应用最广泛，技术最成熟的SO2脱除技术，市场占有率达90%以上[1]。其中，吸收塔是WFGD系统的核心设备，在塔内，烟气中的SO2与经喷嘴雾化的石灰石浆液逆流接触，生成亚硫酸钙（CaSO3），在氧化空气和搅拌作用下于塔底浆液池内生成石膏，实现烟气中SO2组分的去除，一般脱硫效率可以达到95%～99%。
吸收塔作为WFGD系统的核心设备，塔内进行的脱硫过程是极其复杂的物理化学反应过程，且WFGD脱硫装置具有体积庞大、结构复杂、维护困难等特点[2]。就结构而言，吸收塔既要足够的强度，承受塔25m～45m高的自身及附件荷载，又要有足够的刚度，保证系统运行时塔体的稳定性。因此，吸收塔从设计、施工到验收各个阶段，均视为质量管控的重中之重。即便如此，吸收塔振动、局部变形、腐蚀破坏等事故依然层出不断。本文针对华润集团某电厂300MW机组吸收塔振动的问题进行ANSYS分析并提出解决方案。
1 问题与核算
1.1 现场问题
该华润集团某电厂300MW机组于2014年由杭州某知名环保企业建成并投入使用，采用石灰石—石膏湿法烟气脱硫工艺，一炉一塔布置，运行过程中发现吸收塔振动严重，自塔高10m左右位置，能感觉到明显的晃动，随塔高增加，塔体晃动越加剧烈。现我司对其进行超低排放改造时，EPC技术协议中明确要求对吸收塔振动问题进行解决和处理。
1.2 塔体结构参数
该脱硫吸收塔采用逆流喷淋结构形式，塔体总高39.5m，浆液区塔体直径为15m，吸收区塔体直径为12.5m。烟气入口截面为3.7m（高）×8.85m（宽），标高15.5m；烟气出口截面为4.5m（高）×6.4m（宽），标高37.0m。其详细结构参数表1所示。
1.3 塔体应力核算
针对吸收塔振动问题先对其原有设计是否满足要求进行核算，该吸收塔浆液高度为12.5m，浆液密度取1200kg/m3，塔体材料Q235B，许用应力137MPa，并考虑塔内附件载荷。依据塔体结构参数表1以及标准NB/T 47041-2014 《塔式容器》进行应力核算[3]，其结果如表2所示。
从以上结果可知，吸收塔结构应力核算满足设计要求。但是，上述核算并未考虑烟气入口处对塔壁开孔对其结构的影響，塔壁开孔降低了吸收塔塔体本身强度的稳定性。吸收塔振动应增加塔体入口处的开孔补强。
2 ANSYS分析与解决方案
2.1 塔体烟气入口加固方案
虽然原有设计对塔体入口进行了局部补强，吸收塔在运行过程中振动表明塔体入口开孔偏大，补强并未达到使用要求，应当对其入口进行局部加固。图1和图2分别为塔体入口局部加固前和加固后3D示意图。
2.2 ANSYS模态分析
模态分析是基本的动力学分析[4]，可以确定结构的固有频率和振型，从而避免结构设计的共振及振动问题。ANSYS模态分析是结构振动特性的常用数值技术[5]。本文对加固前后吸收塔整体进行模态分析结果分别如图3和图4所示。
ANSYS模态分析结果显示吸收塔塔体加固后最大振动位置由入口处转移到了塔顶。塔体加固前后其模态频率由原来的3.5HZ降低到0.095HZ，降低36.8倍。吸收塔塔体加固前后详细计算结果对比如表3所示。
对比吸收塔塔体加固前后模态频率数值可以看出，加固后频率有数十倍甚至上百倍的降低，值得注意的是，其中一阶模态频率在加固后降低至0。表明该加固方式对塔体振动有良好的抑制作用。该工程经我司通过上述加固方式进行改造后，吸收塔塔体至今运行稳定，振动问题得到解决。
3结论
（1）本文针对实际工程中吸收塔振动问题进行分析，通过对其原有结构进行核算及ANSYS模态分析，最终确认加固方案。
（2）吸收塔筒体应力计算后要充分考虑大开孔补强，才能保证吸收塔塔体强度安全及运行稳定性。
（3）ANSYS模态分析可作为吸收塔或其他大型设备振动问题的数值技术分析方法，对其结构设计优化提供参考。
参考文献：
[1]燕中凯，刘媛，岳涛，等. 我国烟气脱硫工艺选择及技术发展展望[J]. 环境工程，2013，31（6）：58-61.
[2]乔宗良. 石灰石/石膏湿法烟气脱硫系统优化技术研究[D]. 东南大学，2015.
[3]NB/T 47041—2014 塔式容器[S].
[4]叶先磊，史亚杰. ANSYS工程分析软件应用实例[M]. 清华大学出版社，2003.
[5]郑运虎，李颖. 立式圆柱薄壳容器的振动特性研究[J]. 西华大学学报（自然科学版），2016，35（1）：24-28.