Structural analysis and optimization of ash hopper design

Abstract

The purpose of this thesis is to research and develop the design and dimensioning of boiler ash hoppers by analyzing existing hoppers and applying relevant steel structure standards. The goal is also to optimize the mass and manufacturing costs of hoppers and harmonize the calculation.

Unlike for pressure parts of the boiler, there is no direct standard that would set explicit design requirements for ash hoppers. The design criteria of the hopper were set by applying Eurocode-standards and basic strength of materials. The requirements related to loads are obtained partly from standards and product-specifically from Valmet.

Ash hopper is a welded plate structure that is mainly subjected to out-of-plane pressure loads. The thesis presents the basic theory needed in the calculation of hopper structures including the dimensioning of stiffened plates, stiffeners, and welds. Considering the high temperatures is also an important aspect in the analysis of ash hoppers.

The structural analysis of ash hoppers was primarily done with FE-analysis. Simplified analytical calculations were additionally applied and results were verified by comparison. Different design constructions were compared by analyzing an example hopper. The structure could be generally enhanced by optimizing the placement of stiffeners, modifying design details, and reducing the amount of welding. Based on the results of this thesis, a dimensioning tool was developed for determining the basic design parameters for ash hoppers. Future development ideas and potential improvement areas are discussed at the end of the thesis.

Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia ja kehittää kattilalaitoksen tuhkasuppiloiden mitoitusta ja rakennetta perehtyen nykyisiin suppilorakenteisiin sekä soveltaen teräsrakennestandardeja. Tavoitteena on lisäksi suppiloiden valmistuskustannusten ja massan optimointi sekä laskennan yhtenäistäminen.

Toisin kuin kattilan painelaitteille, tuhkasuppiloille ei ole suoraa standardia, joka määräisi suppilon suunnittelua yksikäsitteisesti. Suppilon suunnittelukriteerit asetettiin soveltaen osaa Eurokoodi-standardeja sekä yleistä lujuusoppia. Kuormitukseen liittyvät vaatimukset tulevat osin standardeista sekä tuotekohtaisesti Valmetilta.

Tuhkasuppilo on hitsattu levyrakenne, jonka pääasiallisena kuormituksena on levyn normaalin suuntainen painekuorma. Työssä esitellään suppilorakenteiden laskentaan tarvittavaa perusteoriaa kuten jäykistettyjen levykenttien, jäykisteiden ja hitsien mitoitusta. Korkean lämpötilan huomioon ottaminen on myös oleellinen osa tuhkasuppiloiden tarkastelussa.

Suppilorakenteen lujuustarkastelu suoritettiin pääosin käyttäen FE-analyysiä. Lisäksi sovellettiin yksinkertaistettuja analyyttisiä laskentakaavoja, joiden soveltuvuus varmistettiin vertailulla. Erilaisia rakenneratkaisuja vertailtiin tutkien esimerkkisuppiloa. Rakennetta voitiin keventää yleisesti optimoimalla jäykisteiden paikoitusta, muokkaamalla rakenteen yksityiskohtia sekä vähentämällä hitsiliitoksia. Työn tuloksena laadittiin mitoitustyökalu tuhkasuppiloiden perusrakenteen määritykseen. Työn lopussa pohditaan lisäksi mahdollisia jatkokehityskohteita sekä potentiaalisia parannusehdotuksia.