大型火电厂玻璃钢(FRP)排烟筒
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摘 要：由于国内脱硫烟囱防腐历史较短，经验也不多，烟囱设计规范是基于未脱硫的干烟气划分的腐蚀等级，而对脱硫处理后的湿烟囱防腐设计尚无明确说明。本文系统地讨论和分析了玻璃钢（FRP）排烟筒强度计算、安全性、耐久性、耐火能力和技术经济性。为湿烟囱脱硫防腐工程提供了一种新的可靠的经验。
中图分类号：Tu593 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（b）-0086-02
1 国内火电厂湿烟囱防腐的现状
由于烟囱防腐材料本身的质量、施工过程控制、工程管理，以及运行工况多变等原因，造成大量脱硫烟囱出现不同程度的损坏和渗漏现象。中国电力规划设计总院2009年通过对226个已经脱硫改造的烟囱调研，包括六大类13种防腐方案。反映尤以聚脲、萨维真、OM涂料等薄膜类涂料和国产泡沫玻璃砖进行防腐的烟囱出现开裂、冲刷或脱落现象最为严重。反馈的结果反映出国内目前脱硫烟囱防腐工程出现的问题较多，涉及面较广，出现渗漏的比例较高。
2 湿烟囱防腐材料的发展趋势
玻璃钢在国外，广泛应用于化工、冶金、船舶和航天等防腐设备和工程中，国外玻璃钢排烟筒在电力行业的应用始于FGD开始应用的20世纪70年代。
截止到2003年，frp排烟筒在美国的电厂烟囱工程中已经占到10%。2009年已经上升到60%以上。在2004和2005年，只有8个烟囱的排烟筒里衬工程开工。2006年，有38个开工，2007年有49个，到2008年7月1日，为39个。在欧洲和日本也有同样的发展趋势。
英国Eggborough Power Station于2002年为其2台500 MW机组加装湿法FGD装置，同时在混凝土烟囱内安装了两个184 m的FRP内筒。德国于2001年9月建成的Kraftwerk Simmering电站，采用高度200 m、直径4.8 m的FRP烟囱。另外，德国还在全世界率先采用烟塔合一技术，使用FRP制造直径达7～10 m排烟管道。捷克125 MW的Vresova电厂建于1967年，2000年7月签约加装湿法FGD时的方案，烟囱则为钢结构支撑的FRP烟囱。日本关西电力南港发电厂的800 MW机组采用3个FRP内筒的烟囱，FRP内筒直径5.3 m，高度200 m。
国外多年的研究和工程应用，已经形成了FRP烟囱或管道结构设计、制造和施工方面的标准，如美国的ASTM D 5364、ASTM RTP-1和英国的BS 4994等。
目前，国内研究和开发性能良好的FRP玻璃钢（包括整体缠绕和预制玻璃钢衬套） 作为“烟塔合一”和湿烟囱排烟筒防腐配套技术，已经成为新的技术创新点。国内 “烟塔合一”的玻璃钢烟道投运、在建的工程案例，使得大批成熟的经验可为本工程参考。
3 本工程玻璃钢（FRP）排烟筒的设计特点
本工程玻璃钢排烟筒设计采用部分悬吊分段自立方案（分段自立）。FRP排烟筒顶部标高210 m，在+103.75 m、+146.15 m、+188.55 m等处设有固定支撑（下面配置膨胀节），内径Di=7.0 mm，分为42.4 m、44.8 m、42.4 m、39.8 m四段计算。FRP烟囱内衬壁厚t=19 mm，加强圈间距L≤5000 mm。
本工程所选用的材料为E-CR玻璃纤维+乙烯基酯阻燃树脂。玻璃钢排烟筒的厚度根据制作材料的测试结果和分析计算确定。膨胀节用于增加排烟筒柔性，降低热应力，膨胀节的设置根据计算确定。为保证玻璃钢排烟囱环向的稳定性，烟囱上设置有环向加劲肋。
3.1 本工程玻璃钢排烟筒的强度设计
在“烟塔合一”整体缠绕FRP烟道（6.0m―8.5m）设计施工经验的基础上，参照烟囱ASTM D 5364-93（2008），燃煤电厂玻璃纤维增强塑料烟囱内衬的设计、制造和安装标准设计。
玻璃钢排烟筒的厚度根据制作材料的测试结果和分析计算确定。综合安全系数K的选取根据各项影响因素进行综合考虑，见表1，其值控制K>4.0。
根据设计要求排烟管设计压力考虑±300 Pa，排烟筒进行强度计算之后，进行应变校核，避免树脂开裂。对于稳定性计算，稳定安全系数不小于5。风压、雪压、地震作用在结构强度设计中按设计条件考虑。设计中限制玻璃钢垂直排烟筒在一定的荷载作用下的水平变形值（如表2）。对排烟筒壁厚为14 mm、16 mm、18 mm、19 mm的几种情况计算结果进行比较：在不利载荷组合工况下进行筒壁强度安全校核，计算结果见表3。
根据经验，在短期载荷即风载荷和地震载荷作用下，外筒对内筒有比较强的作用。不考虑外筒影响在组合工况校核中1/S的数值应
本工程还分别进行了FRP筒身加强肋的强度校核，加筋壳体结构的振动验算，热补偿结构的补偿位移计算。FRP筒身由积灰、自重及地震引起的最大水平变形值为14.2 mm，?/L=14.2/50000=1/3521
3.2 本工程玻璃钢排烟筒的耐温性
根据工程的实际情况和以往工程的实践经验，烟管设计压力考虑±500 Pa。湿烟囱在不设旁路的情况下排烟管结构设计中考虑烟温40～65 ℃；
ASTM规范适用的温度范围为正常运行温度不高于93 ℃、短时异常高温不高于121 ℃。设计中，可选用耐高温的树脂材料，如固化后的DERAKANE 470-300环氧乙烯基酯树脂浇铸体热变形温度HDT为150 ℃，而DERAKANE 470HT-400的HDT可以达到180 ℃。
3.3 本工程玻璃钢排烟筒的耐久性
根据国外FRP烟囱设计和使用寿命以及国内玻璃钢烟管的设计使用寿命，通过合理的铺层构造和结构设计，FRP长期性能的折减参考BS 4994、ASTM D 5364等标准和厂家的试验资料，FRP性能随时间衰减的折减系数可计算出FRP烟囱的使用寿命为25年。
3.4 本工程玻璃钢排烟筒的耐火能力
国内外多年的理论和实践研究表明，氧指数表征属于燃烧试验中的可燃性试验，氧指数是玻璃钢材料燃烧性能的重要指标。氧指数是指在规定条件下，固体材料在氧、氮混合气流中，维持平稳燃烧所需的最低氧含量。
氧指数高表示材料不易燃烧，氧指数低表示材料容易燃烧。材料的氧指数（LOI）与其阻燃性的对应关系如下：
（1）LOI < 23可燃
（2）LOI 24 - 28稍阻燃
（3）LOI 29 - 35阻燃
（4）LOI > 36高阻燃
本工程选择了DERAKANE 510C-350树脂，2011年12月在国家消防研究所（成都）进行了材料燃烧性能试验，结果说明E-CR纤维+DERAKANE MOMENTUM 510C-350c树脂是一种良好的阻燃体系；材料的氧指数都在31-33之间，为难燃材料，且耐40%硫酸腐蚀和耐紫外性能良好。
3.5 烟囱FRP排烟筒的造价比较
本工程为套筒式双内筒烟囱，高度210 m，排烟筒出口直径Ф7.0 m。采用FRP排烟筒烟囱的工程造价比原设计的钛合金复合板内衬排烟筒便宜25%--30%；以当前湿烟囱常用的防腐方案来和FRP烟囱作个比较，本工程与自立式耐酸钢内筒加国产玻化陶瓷砖烟囱价钱相当。如果钢内筒筒壁采用耐硫酸露点钢加进口玻化陶瓷砖，其造价比本工程FRP排烟筒烟囱要高的多。由于外筒和基础均为钢筋混凝土结构，造价接近。当内筒为整体玻璃钢排烟筒时自重轻，地基处理为桩基时，FRP排烟筒的技术经济指标会更好一些。
4 结语
本工程选择采用玻璃钢排烟筒方案，虽然国内暂无如此直径、支撑方式的工程投产，但是通过调研和参考类似工程，经过验算壁厚及各种特性试验，综合分析FRP烟囱的技术、造价、防腐效果来看，目前FRP应该是湿烟囱防腐工程的最佳解决方案。
参考文献
[1] 王继辉.玻璃钢烟道与排烟筒的检测与性能评价[M].武汉理工大学.