脫硝反應器設計風荷載的探討

趙夢圓 趙天一 金軍潔浙江天地環保科技有限公司

脫硝反應器設計風荷載的探討

趙夢圓 趙天一 金軍潔
浙江天地環保科技有限公司

依據對某電廠煙氣脫硝工程脫硝鋼支架結構進行的風洞試驗所得的數據，對脫硝反應器設計風荷載進行了研究，著重分析了在煙道遮擋的情況下，反應器各個立面的體形系數。

火電廠；脫硝反應器；風荷載；風洞試驗

脫硝反應器作為脫硝系統的主要部分，被越來越廣泛地應用到火力發電廠中。脫硝反應器具有體量大，高度高的特點，引起的風荷載對脫硝支架有很大的影響。因而，研究脫硝反應器風荷載對于合理優化脫硝支架，降低建造成本有重大意義。

1 設計風荷載的影響因素分析

根據GB50009-2012《建筑結構荷載規范》8.1.1條的規定，垂直作用于主要受力結構表面的風荷載標準值：wk=βzμsμzw0。其中βz為高度z處的風振系數，μs為風荷載體形系數，μz為風壓高度變化系數，w0為基本風壓（kN/m2）。目前規范中規定的風振系數僅針對以一階振型為主要振動的結構，對反應器而言可以不予考慮；而根據建筑結構荷載規范8.3.2條的規定，相鄰高層建筑相互間距較近時，宜考慮風荷載的相互遮擋效應。對于脫硝反應器這種布置在高位，且周邊分布有體量相近的煙道的設備，風荷載遮擋效應較為顯著，宜采用風洞試驗的方法來確定其風荷載體形系數。

2 風洞試驗

2.1 主要設計參數

針對某電廠煙氣脫硝工程脫硝鋼支架結構進行了風洞試驗。試驗相關參數和內容如下：

風洞試驗脫硝鋼支架結構模型的縮小比例為1:100。試驗原型脫硝鋼支架主體平面尺寸為58×30 m，高度達60 m，煙道平面尺寸40×12 m范圍，高度達53 m。支架模型材料為ABS工程塑料，模型總高度約為0.6 m，模型鋼支架平面長度L約為0.58 m、寬度B約為0.3 m。概貌見圖1。

按照建筑結構荷載規范規定，確定脫硝鋼支架所在地正常使用狀態（10 a一遇）基本風壓為0.35 kPa，對應平均風速23.7 m/s；承載力極限狀態（50 a一遇）基本風壓為0.75 kPa，對應平均風速34.6 m/s。

考慮脫硝鋼支架所在近海地區的地形地貌特征，按荷載規范規定，該結構物處于B類地貌特征。地貌粗糙度指數α=0.15；湍流度參照國家規范（GB50009-2012）取值。

試驗風壓系數和時程的參考點取轉盤中心離底面高0.6 m，對應實際高度60 m。

脫硝鋼支架及煙道和反應器風洞試驗，根據來流水平風向角的不同，測壓及測力試驗的分36個工況，測量對象為煙道及反應器結構外表面壓力。

圖1 脫硝鋼支架風洞試驗模型

對于脫硝鋼支架模型進行風洞動態時程測力試驗，可分為以下兩步。首先，為保證各個風向的數據信息都能得到充分采集，在360°范圍內每隔10°進行一次數據測量，共在36個風向角下對模型進行整體測力。

2.2 風場模擬

（1）風速剖面模擬

考慮本工程所在地及周邊地形地貌，依據荷載規范描述，綜合考慮確定該工程所在地地面粗糙度為B類，相應地面粗糙度指數0.15，縮尺比為1:100。用下式來描述離地高度與風速的關系：

式中：U0為離地面10 m高度處，考慮100 a重現期，10 min的平均風速；Uz為離地面高Z處的平均風速；α是地貌粗糙度指數。

風洞實驗對風速剖面的模擬主要通過調節風洞的多功能模擬裝置以及風洞底部、側壁的粗糙元來實現，風洞試驗前通過對設備的調整進行測試和校驗，測得風洞中不同。高度的風速變化曲線（如圖2所示）同按式（1）計算的理論曲線相比，兩者誤差符合試驗要求。

圖2 風速剖面試驗結果

（2）湍流度模擬

湍流度是用來表征大氣邊界空氣流動所產生渦流強度特性的參數，離地面高度越大湍流度越小，此外，影響湍流度的因素還有平均風速、時距以及地面粗糙度等。根據建筑結構荷載規范，采用以下理論公式描述湍流度與離地高度的關系：

式中：Z是離地面高度；I10為10 m高名義湍流度，對于A、B、C、D類地貌分別取0.12，0.14，0.23，0.39。本次風洞試驗的模擬湍流度（如圖3所示）與通過式（2）計算得到的理論值較為接近。對風洞流場的準確模擬保證了平均風壓、脈動風壓等參數測量的可靠性。

圖3 湍流度剖面試驗結果

（3）風速譜模擬

圖4為0.4 m高度（原型40 m高度）處歸一化風速譜與理論譜的對比結果，模擬風譜與常用經驗風速譜較為接近。

圖4 風洞0.4 m（原型40 m）高度處功率譜曲線測試

3 試驗數據分析

圖5為風洞試驗局部坐標系示意圖。

本次模型試驗中各測點風壓系數按下式計算：

式中：Cpi是建筑物表面測點i的風壓系數；Pi是測點i處的風壓值；P∞是參考點靜壓力值；V∞是參考點的風速。該計算方法為國內外結構工程計算風壓系數的慣用方法。根據相似原理可知，鋼支架模型中測量計算得到的無量綱參數即為實際鋼結構的無量綱參數，因此本次風洞試驗模型上各測點的風壓系數Cpi即為脫硝鋼支架對應點的風壓系數。

在不考慮風振系數影響的條件下，作用在結構表面某一點“i”的風壓計算公式為：

圖5 風洞試驗局部坐標系示意圖

式中：W0為基本風壓；sim為i點的風荷載體型系數；zim為i點的風壓高度變化系數。而風洞試驗采用的風壓計算公式為：

式中：Cpi為模型試驗所得的i點的風壓系數；Wr為試驗參考點所對應的實物上的壓力。又根據風壓與風速的換算關系及式（1）所示的風速計算方法，可得參考點對應的實際鋼結構風壓為：

式中：Zr為試驗時參考風速測試點對應的實物高度；W0a為地貌指數為α時的基本風壓；Z0=10 m；α為大氣邊界層地貌指數；a0為標準地貌指數，取a0=0.15（相當于B類地貌的地貌指數）；HT0為標準地貌情況下的大氣邊界層高度，取HT0=350 m；HTa為地貌指數為α時的大氣邊界層高度。而式（6）中，

恰好為參考點Zr處的風壓高度變化系數mzr，因此有將此代入式（5）中得：可得到風載體型系數sim與風壓系數Cpi的關系為

將風洞試驗測得測試點的風壓系數按式（7）轉換成相應的體型系數，該體型系數僅為結構各測點通過測量計算得到的局部體型系數，而并非平面的整體體型系數。

反應器立面的體型系數可由每個面的測點處的局部體形系數，根據下式（9）計算得到。

GB 50009-2012 《建筑結構荷載規范》 中對封閉式房屋和構筑物矩形平面體型系數的規定由圖6可知，考察煙道對反應器結構的局部遮擋效應，取風向角α=0°、90°、180°、270°，此時反應器四個立面的體型系數見下表1，這與規范取值（圖6）對比差異較為顯著。可知由于靠近鍋爐區域煙道的存在，SCR反應器在來流風作用下周圍風場改變，反應器四個立面均受到較大影響，煙道對反應器構成了一定程度的遮擋，風荷載局部遮擋效應顯著導致個別立面體型系數比孤立結構條件下略小，荷載規范取值由于沒有考慮遮擋效應而偏于保守。

表1 反應器四立面體型系數

圖6 規范中矩形平面體型系數示意圖

4 結語

根據風動試驗結果表明，煙道對反應器局部遮擋效應顯著。另外，部分風向角下立面的體型系數略小于建筑結構荷載規范中規定的值。如考慮風向角α=90°時，a立面為迎風面，體型系數為0.66，小于規范中的0.8；da立面為背風面，體型系數為-0.35，其絕對值也小于規范的-0.5。實際工程設計中，應適當考慮風荷載的局部遮擋效應。

Discussion on Wind Load Design of Denitrification Reactor

Zhao Mengyuan Zhao Tianyi Jin Junjie
Zhej iang Province Tiandi Environment Protection Scienti f ic Technology Limited

According to denitrification steel bracket structure wind tunnel test data from flue gasdenitrification engineering at some power plant, the author carries out research on wind load design ofdenitrification reactor and analyzes figure coefficient of each facade of reactor under the condition of flueblocking.

Power Plant, Denitrification Reator, Wind Load, Wind Tunnel Test

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.07.009

趙夢圓：土木工程專業，助理工程師，從事土木工程結構設計。

趙天一：土木工程專業，助理工程師，從事土木工程結構設計。

金軍潔：土木工程專業，助理工程師，從事土木工程結構設計。