電廠改造中鍋爐鋼結構加固的設計應用

張茂園

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 成都 611731）

隨著技術的更迭以及各方面要求的提高，火力發電廠需要進行必要的改造，而鍋爐鋼結構作為支撐結構，也勢必進行相應的改造，以確保結構安全，并使得經濟指標滿足改造需求。

1 火電廠鍋爐鋼結構改造的常見形式

（1）增加脫硝設備進行的改造。我國能源消費以煤為主，約有90%二氧化硫、67%氮氧化物、70%煙塵排放量來自煤的燃燒，其中燃煤鍋爐等煙氣排放污染最為突出。煤燃燒生成的NOx以NO為主（90%以上），其次為NO2，容易造成酸雨等危害，對人的健康也有很大影響，因此必須進行脫硝處理。治理措施主要分為燃燒過程控制和燃燒后煙氣脫硝技術，增加脫硝設備就屬于后者，鋼結構改造主要是針對后者進行最后一排結構體系增加脫硝荷載的加固。

（2）燃燒器改造。由于煤種變化或燃燒效果不理想等問題，為提高鍋爐燃燒性能，有針對性的對燃燒器進行改造，主要是對燃燒器進行風量的調節。此類改造往往是通過微調的手段，改造量不大，對鋼結構的影響主要是周圍平臺的通行問題。

（3）旁路煙道改造。對煙氣流量的調節以及循環利用，也是提高熱效率的常用方法。由于旁路煙道的尺寸較大，在原有的結構中難以完整的避開，這就需要改變原有結構以適應新增加的煙道。

2 鍋爐鋼結構改造的主要設計步驟

（1）電廠相關資料收集。電廠改造一般是運行幾年以后進行，因此常作為一個獨立的項目進行招標。如果不是原設計單位中標，就涉及收資的問題。通常是由主要的專業負責人到電廠進行實地考察，拍回相關圖紙以及實物的照片，這些內容越詳細，對后期設計越有利。

（2）確定改造方案。電廠鍋爐房中的設備及管道眾多，常常牽一發而動全身，這就需要在改動前各專業詳細配合。收資完成后，由需要改造的專業提出一個大致的改造方案，各專業負責人根據收集到的資料情況配合該方案并提出意見，經過多次配合確定一個具體的方案。

（3）具體設計。方案確定以后，按照方案及其他專業提資對原結構進行校核，確定其承載能力，并根據校核結果進行詳細設計，出具相應的施工圖紙。

3 鋼結構的加固原則

鋼結構加固要考慮的因素很多，應從施工方便、不影響生產、經濟合理、效果好等方面來選擇，主要有以下幾方面原則。

（1）加固時應盡量按不停產或少停產設計，因為停產一天就會給電廠造成很大的經濟損失，往往是加固費用的幾倍或幾十倍。

（2）加固方案要便于制造、施工以及檢查。

（3）結構件的制造組裝要盡量在廠內完成，盡量減少現場工作量。

（4）連接加固采用焊接時，實際荷載產生的原有桿件應力最好在鋼材設計強度60%以下，極限不得超過80%，否則應采取相應的措施才能施焊。

4 鍋爐鋼結構改造的具體加固設計

鋼結構設計主要基于《建筑結構荷載規范》、《鋼結構設計規范》、《建筑抗震設計規范》、《鍋爐鋼結構設計規范》、《鍋爐鋼結構設計的規范》及《火力發電廠土建結構設計技術規程》等作為設計及結構布置基本特點，以H型截面為對象進行詳細介紹。

（1）原結構的承載能力校核。在加固設計之前，先進行對原結構進行承載能力校核，以確定需要加固的具體桿件。若是原設計預留了荷載的，則要判斷預留荷載是否能夠滿足新增的荷載。校核一般是由原設計單位進行的，只需要將原有的計算模型進行調整，即可得出計算文件。

（2）具體的加固方法。

①柱的加固。當原柱子截面承載力不夠時，需要對柱進行加固，主要從穩定性和強度兩個方面入手。柱的穩定性分為平面內穩定和平面外穩定，其計算公式為N/ψA≤f，ψ為整體穩定系數，與桿件長細比λ和鋼材屈服強度有關。在同截面同材質的情況下，長細比越大，整體穩定系數越小，桿件承載能力越小。由此可見，長細比是控制穩定性的一個重要因素，其計算公式為λ=μl/i，在桿件截面不變的情況下，減小柱的計算長度l是一個立竿見影的方法。通過在兩個主層之間做立面桁架，為柱子提供有效的側向支撐，能夠達到減小柱計算長度的目的。若柱子的自身強度不滿足，根據公式б=N/A可以看出，需要增加柱子的承載面積，常常考慮在柱子翼緣外側貼鋼板或型鋼的方法，如圖1。

圖1

當然，除了純交接的結構以外，柱子一般是作為壓彎構件，這種情況下還需要將彎矩和軸向壓力綜合計算考慮。

②梁的加固。梁作為主要的受彎構件，在增加設備荷載后，或原平面布置的側向支撐由于新增設備專業空間而取消的原因，可能導致其自身的強度及撓度不足需要加固，主要從強度、剛度、穩定性三方面考慮。常用的方法有以下幾種。

一是在滿足梁腹板高厚比的基礎上，增加梁的高度，以增加梁的慣性矩和抗彎截面模量，從而提高梁的承載能力并減小變形。常采用的方法有在梁的下翼緣部分或通長焊接T型鋼、鋼板。如圖2。

二是在梁的側面增加鋼板，將梁的截面做成類似箱型，以增加其弱軸方向的抗彎模量，增強其穩定性；

三是空間允許的條件下，在梁的一側增加有效的側向支撐，以減小梁的計算長度，增強其穩定性。

③節點的加固。電廠鍋爐房鋼結構的連接一般常用高強螺栓連接，當節點螺栓驗算不夠時，現場焊接是有效又簡便可行的加固方法。增加的焊縫需要按栓焊節點同時滿足來驗算，即螺栓和焊縫各自分別滿足承擔百分之七十的荷載，同時滿足共同承擔百分百的荷載。若原節點增加焊縫還不能滿足，則要考慮增加連接板等形式。

圖2

5 對現場施工的要求

（1）施工順序的要求。

①若需要對原有結構進行拆除，必須在新的結構加固完整以后再進行拆除，否則可能引起整個結構的失穩破壞。

②所有新的加載以及設備的安裝，必須在鋼結構加固完成后進行。

（2）焊接的要求。由于現場焊接具有施工簡便、成本相對較低的特點，鋼結構加固通常采用其作為連接方式。但是原結構基本已經受載，在此情況下，焊接時要采取相應的措施如熱處理等，來避免應力集中現象。

6 結語

縱觀近年來電廠鍋爐房鋼結構改造的發展與應用，樹立整體的結構觀念，確定合理的改造方案至關重要。它是電廠改造中鍋爐鋼結構的加固設計的基礎，也是實現降低改造成本、節約改造工期的根本途徑。負荷情況下對構件進行更換或加固有一定的施工困難，尋求經濟高效的鋼結構加固技術是土木工程領域亟待解決的技術問題。改造后的結構能夠在最大程度上利用原有結構，并且滿足最新的使用功能。