基于ANSYS 的SCR 脫硝反應器本體結構有限元分析

彭 偉

(大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097)

0 引言

燃煤鍋爐產生的大量氮氧化物是造成大氣污染的主要原因之一，根據2010年5月國務院發布的《關于推進大氣污染聯防聯控工作改善區域空氣質量的指導意見》要求，重點區域內的火電廠應在“十二五”期間全部安裝脫硝裝置。目前，環保行業主要采用選擇性催化還原法(SCR)、非選擇性催化還原法(NSCR)和選擇性非催化還原法(SNCR)三種方法來消除氮氧化物，其中選擇性催化還原法(SCR)效率最高，應用最為廣泛。

選擇性催化還原技術(SCR)是將氨氣噴入煙氣后通過催化器層與氮氧化物反應分解成氮氣和水。SCR 反應器根據煙氣相關數據計算催化劑模塊的尺寸和數量進行性能設計，并根據模塊的位置和布置方式確定反應器鋼結構形式。由于受催化劑模塊荷載、煙氣溫度和壓力、風荷載等因素影響，反應器結構布置和受力形式復雜、節點連接形式多樣。本文以某300 MW 機組脫硝工程為例，利用ANSYS 建立SCR 反應器三維有限元模型。在分別考慮自重、催化劑荷載、積灰荷載、煙氣壓力和風荷載等荷載及其組合工況下，計算反應器整體和局部應力和變形并進行分析，為實際工程設計和優化提供依據。

1 建立有限元模型

1.1 幾何模型

該300 MW 機組脫硝工程SCR 反應器長寬高尺寸為16.2 m×11.34 m×13 m，采用鋼框架結構形式，結構層數為四層，下部布置三層催化劑(兩用一備)，頂部安裝整流格柵和入口煙道。主要結構部件包括立柱、支撐梁、斜撐、壁板及加勁肋。立柱采用焊接箱形柱和H 型鋼柱，催化劑支撐梁采用H 型鋼，斜撐采用圓鋼，加勁肋采用角鋼。

1.2 單元類型與材料參數

反應器本體結構梁、柱和加勁肋采用Beam188 單元模擬，外壁板采用Shell63 單元模擬，斜撐采用Link8 單元模擬。本體材料全部采用Q345-B 鋼材，BMCR 工況下煙氣溫度375 ℃，運行工況煙氣壓力5.8 kPa，彈性模量為1.6×105MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

1.3 施加荷載和約束

反應器本體恒荷載主要包括結構自重、催化劑、保溫、整流格柵、入口煙道、出口煙道荷載。結構自重通過施加重力加速度自動計算，催化荷載、整流格柵、入口煙道和出口煙道荷載分別按照實際情況施加于各結構層的支撐梁上，保溫層荷載通過增加外壁板密度等效施加于外壁板上。活荷載主要包括積灰荷載和煙氣壓力荷載，積灰荷載按照40 kg/m2施加于催化劑模塊支撐梁上，煙氣壓力取最不利工況下的正壓5.8 kN/m2均布作用于外壁板面。風荷載按照《建筑結構荷載規范》［1］取值，并分別考慮兩個方向的風荷載作用。反應器四個立柱下部采用滑動支座，并在四個滑動支座中間分別設置四個水平限位支座。地震荷載按照規范要求設防烈度采用陣型分解反應譜法進行分析。根據文獻［3］研究成果，反應器在結構自重、5.8 kN/m2煙氣負壓、催化劑模塊、積灰荷載和風載共同作用下出現最不利工況，本文分別針對上述工況及組合工況進行計算分析。SCR 反應器整體結構有限元模型見圖1。

圖1 SCR 反應器有限元模型

2 有限元計算結果分析

2.1 催化劑模塊支撐梁計算結果分析

溫度變化對鋼材受力性能會產生嚴重影響，Q345-B 鋼材在高溫環境下的強度設計值還沒有明確規定。目前，反應器結構設計一般采用許用應力法。根據《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程》［2］規定，Q435 鋼材在375 ℃設計溫度下的許用應力為129.5 MPa。

根據計算結果顯示，三層催化劑模塊支撐梁的豎向變形分別為12.3 mm，9.2 mm 和10.1 mm(見圖2)，下層催化劑模塊支撐梁的周邊主梁由于連接反應器出口煙道，導致豎向變形較中間層和頂層支撐梁變形稍大，但均滿足1/750 的變形要求。在應力分布方面，支撐梁最大等效應力出現在橫向支撐梁跨中位置，應力值為118 MPa，支座位置存在較大負彎矩，導致該位置也出現較大應力，但均未超出許用應力要求(見圖3)。

圖2 催化劑模塊支撐梁變形圖

圖3 催化劑模塊支撐梁應力圖

2.2 反應器立柱計算結果分析

反應器立柱分為本體立柱和催化劑支撐立柱兩種類型，催化劑支撐梁立柱荷載通過下層主梁傳遞到本體立柱。根據分析結果，柱應力分布呈現向上和向兩側逐漸遞減趨勢，最大應力出現在位于中間位置的催化劑支撐立柱下端，應力值為127 MPa(見圖4)，滿足許用應力要求。最大豎向位移出現在中間位置催化劑支撐立柱頂部，位移值為6 mm(見圖5)，同結構受力狀況一致。

2.3 反應器外壁板計算結果分析

本工程反應器外壁板采用6 mm 厚Q345 鋼板，加固肋采用L75X8 角鋼。反應器內部煙氣壓力主要由角鋼加固肋承擔。在煙氣壓力和風壓共同作用下，由于靠近上層催化劑支撐梁的外壁板加固肋跨度最大，導致該處出現5.13 mm 的最大變形量(見圖6)，滿足規范1/250 的變形要求。壁板及加固肋最大等效應力為67 MPa(見圖7)，滿足規范要求。

圖4 反應器立柱應力云圖

圖5 反應器立柱變形云圖

圖6 反應器壁板變形云圖

圖7 反應器壁板應力云圖

3 結語

1)采用ANSYS 對SCR 反應器進行結構計算，可以有效分析反應器整體和局部的應力和變形分布情況，對于優化結構設計具有指導意義。同時，由于SCR 反應器在結構形式上具有一定的通用性，可以利用APDL 語言編寫反應器整體結構從建模到后處理分析程序，可極大提高計算和分析效率。

2)通過對SCR 反應器整體結構的計算分析可以看出，由于催化劑模塊下部設置了兩道縱向支撐梁，導致催化劑模塊橫向支撐梁的應力和變形出現中間梁向兩邊梁遞減的趨勢，催化劑模塊支撐立柱存在同樣應力和變形分布狀況，在設計中可以考慮適當地改變支撐梁和支撐立柱的截面規格，使得設計更加經濟合理。

3)由于煙氣對鋼結構具有一定的腐蝕，在實際設計中要預留一定的余量［4］。另由于反應器本體多使用焊接H 型鋼，ANSYS 靜力分析無法直接對梁柱的局部穩定和整體穩定進行分析，在實際工程設計中，需要按照《鋼結構設計規范》［5］要求進行核算。

［1］GB 50009—2006，建筑結構荷載規范［S］.

［2］DL/T 5121—2000，火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程［S］.

［3］宋 波，李春霞.考慮支架變形影響的大型脫硝反應器及煙道結構數值分析［J］.北京科技大學學報，2011，33(1):138-140.

［4］軒轅詩威，周成立.哈鍋SCR 反應器鋼結構設計簡介［A］.中國鋼結構協會鍋爐鋼結構分會論文集［C］.2009:151-152.

［5］GB 50017—2003，鋼結構設計規范［S］.