高負(fù)壓工況下SCR 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

俞 堯

（上海市上海泰欣環(huán)境工程有限公司，上海 200125）

0 引言

環(huán)保焚燒電廠的鍋爐出口煙氣，經(jīng)過了半干法脫硫→布袋除塵→濕法脫酸→SCR (Selective Catalytic Reduction）脫硝→引風(fēng)機(jī)→排放煙囪等系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)煙氣阻力較大，到達(dá)SCR 脫硝系統(tǒng)時(shí)設(shè)計(jì)壓力通常為-12000～-6000 Pa，煙氣溫度達(dá)180 ℃。各系統(tǒng)的運(yùn)行工況變化及受力均較復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度較大[1]。為避免設(shè)計(jì)時(shí)余量過大，系統(tǒng)布置和設(shè)計(jì)參數(shù)的選取不能采取統(tǒng)一的模式[2]。本文將以某煙氣凈化項(xiàng)目為例，從調(diào)整結(jié)構(gòu)體系和整體布置方式入手，按照實(shí)際情況進(jìn)行多個(gè)方案的比較，最終選取最優(yōu)方案。在保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的前提下，消除以往設(shè)計(jì)中存在的不足，從而降低SCR 系統(tǒng)的用鋼量，最終達(dá)到優(yōu)化的目的。

1 結(jié)構(gòu)及布置的優(yōu)化

1.1 原方案

某項(xiàng)目SCR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要參數(shù)。

主要荷載：

壓力荷載：-7000 Pa 溫度荷載：200 ℃

風(fēng)荷載：室內(nèi)布置不考慮 雪荷載：室內(nèi)布置不考慮

設(shè)備自重：1300 kN 地震烈度：7°（0.1g）

設(shè)備主要幾何參數(shù)：

平面尺寸：4.1 m × 4.0 m 高度：10 m（共3層催化劑托架層）

轉(zhuǎn)角處煙道截面：1.5 m × 4 m

結(jié)構(gòu)標(biāo)高：7.6 m

原SCR 系統(tǒng)是布置在整個(gè)反應(yīng)器支撐在鋼結(jié)構(gòu)框架之上，在底部設(shè)置了多組耳式支座，通過耳式支座將整個(gè)設(shè)備的上部重力載荷傳遞給鋼結(jié)構(gòu)框架梁，在設(shè)備頂部位置設(shè)置限位支座，用來(lái)抵抗設(shè)備傾覆力矩和水平位移。反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置三層催化劑托架梁，托架梁采用“井”型布置并與外部殼體剛性連接，在外部殼體上設(shè)置相應(yīng)的催化劑裝載門和檢修門，反應(yīng)器安裝檢修平臺(tái)及扶梯設(shè)置在鋼結(jié)構(gòu)框架上，由鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)一并考慮。

原設(shè)計(jì)存在以下問題：

（1）頂部設(shè)置限位組，需鋼框架整體抬高至限位標(biāo)高處，鋼框架利用率較低。

（2）設(shè)備運(yùn)行時(shí)，催化劑托架梁軸向變形較大。

（3）設(shè)備的立柱和加強(qiáng)勁的數(shù)量及規(guī)格計(jì)算偏于保守。

1.2 優(yōu)化方案

由于設(shè)計(jì)負(fù)壓值大，原有設(shè)計(jì)中，反應(yīng)器頂部X、Y方向在軸中心處各設(shè)一組限位支座，用來(lái)限制反應(yīng)器的水平位移和抵消頂部煙道轉(zhuǎn)角截面處形成的水平推力。鋼框架頂部受設(shè)備水平力影響，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性低、變形量大。因此，以往通過增大鋼框架立柱規(guī)格和增加斜撐，來(lái)提高整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。采取的優(yōu)化方案如下：

圖1 SCR 系統(tǒng)布置圖優(yōu)化前后對(duì)比

（1）取消SCR 反應(yīng)器頂部限位支座

優(yōu)化方案：取消限位支座和安裝檢修平臺(tái)扶梯，將鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)高降低至反應(yīng)器底部（標(biāo)高7.6 m），需要校核反應(yīng)器以下參數(shù)：

①高寬比。經(jīng)計(jì)算，X向：2.44；Y向：2.5。高寬比均較小，且設(shè)備為室內(nèi)布置，不考慮風(fēng)荷載的影響，滿足條件。

②傾覆力矩與抗傾覆力矩比較。地震作用下設(shè)備產(chǎn)生的水平力104 kN，頂部負(fù)壓產(chǎn)生的水平推力42 kN。最大傾覆力矩940 kN·m，抗傾覆力矩2665 kN·m。940 kN·m < 2665 kN·m，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。

③變形量。通過有限元軟件SAP2000 模擬結(jié)果得出，設(shè)備整體變形量約為5 mm，滿足變形量5/10000 <1/300，支座處未出現(xiàn)拉應(yīng)力。滿足條件。

（2）調(diào)整反應(yīng)器底部支座形式

原多組耳式支座存在以下問題：

①耳式支座的制作和安裝中，現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量較大，焊縫質(zhì)量很難得到保證。

②反應(yīng)器與鋼支架平面間距較大（≥1m）時(shí)，由于耳式支座的懸臂長(zhǎng)度限制，需要鋼結(jié)構(gòu)配合設(shè)備增加支撐鋼梁。

③耳式支座組數(shù)較多，或長(zhǎng)度過長(zhǎng)時(shí)，設(shè)備散熱量增加，系統(tǒng)末端溫度可能會(huì)低于設(shè)備預(yù)期，滿足不了工藝要求且容易在低溫處結(jié)露腐蝕設(shè)備。為防止熱橋產(chǎn)生，需要對(duì)支座也進(jìn)行保溫，現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量較大

④反應(yīng)器角柱、催化劑托架梁外框、支座交匯于設(shè)備四角處，導(dǎo)致局部應(yīng)力過大，為滿足設(shè)備強(qiáng)度符合規(guī)范要求，迫使角柱的規(guī)格選型較大。

⑤多組耳座會(huì)出現(xiàn)內(nèi)力重分配情況，鋼梁跨中變形較大，兩端較小，故中間的支座由于鋼梁變形較大且上部反應(yīng)器本體剛度較大，存在與鋼支撐梁脫開的情況，這樣內(nèi)力會(huì)向四角處支座分配導(dǎo)致支座受力較大。

優(yōu)化方案：取消原來(lái)的耳式支座形式，催化劑托架層與支座做成一體，將原有催化劑托架層延長(zhǎng)作為主梁，設(shè)備作用力通過壁板、邊柱整體傳遞給底層催化劑托架層，最后傳遞至鋼梁，如圖2 所示。這樣使底部支座與催化劑托架層橫梁部分作用力連貫。反應(yīng)器與鋼梁的接觸點(diǎn)降低為8 個(gè)，反應(yīng)器立柱原有的耳座形成的彎矩取消，沒有了局部應(yīng)力，規(guī)格降低。

（3）催化劑托架層的調(diào)整

原催化劑層托架是由規(guī)格為H200 × 100 × 5.5 ×8 的H 型鋼梁組成的井字形構(gòu)件組。由于設(shè)備水平方向的高負(fù)壓和催化劑的重力載荷作用，水平托架梁即受到較大的軸向壓力，同時(shí)又受到較大的彎矩作用，梁在壓彎狀態(tài)下容易失穩(wěn)，且托架梁的變形較大。當(dāng)催化劑采用底部密封形式時(shí)，由于下部的托架梁變形過大，會(huì)導(dǎo)致密封條因變形過大而漏風(fēng)，影響SCR 系統(tǒng)的脫硝效率。從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究，原設(shè)計(jì)外部框架使用H200 × 100 × 5.5 × 8（20 kg/m）、內(nèi)部框架使用H150 × 75 × 5 × 7（14.01 kg/m）的情況下，仍然有部分框架應(yīng)力比(大于1）超限，框架處于失穩(wěn)狀態(tài)，變形量大。為了防止這種情況，一般會(huì)增大型鋼規(guī)格來(lái)增加截面模量。但規(guī)格增大，翼緣也隨之增大，流通截面減小，使催化劑有效使用面積減小，影響了運(yùn)行效果。

優(yōu)化方案：在托架層梁中部位置增加水平斜撐組。斜撐組采用60 × 4 鋼管（5.5 kg/m），水平斜撐與立柱支座等傳力構(gòu)件的軸中心線對(duì)齊，利用水平支撐傳遞軸向力從而減小托架梁的軸向力，且整個(gè)托架層形成了剛度較大的平面桁架體系保證了整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度[3]。優(yōu)化后框架使用H200 × 100 × 5.5 × 8、內(nèi)部框架使用工字鋼10（11.2 kg/m），配合斜撐組，框架應(yīng)力比值均小于1，滿足設(shè)計(jì)條件，達(dá)到降低重量增大流通截面的目的，如圖3 所示。

圖3 催化劑托架層框架應(yīng)力比數(shù)值的對(duì)比圖

（4）立柱和加強(qiáng)勁的數(shù)量、規(guī)格及位置的調(diào)整

原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考《六道技規(guī)》關(guān)于煙道加強(qiáng)勁的設(shè)計(jì)方法[4]，采用橫向加強(qiáng)勁承受水平載荷的模式，分項(xiàng)考慮內(nèi)壓對(duì)反應(yīng)器橫向加強(qiáng)勁失穩(wěn)。延煙氣的縱向方向，耳式支座位置對(duì)應(yīng)的垂直方向，為防止連接處彎矩過大導(dǎo)致設(shè)備整體變形，設(shè)置多組立柱與支座位置對(duì)應(yīng)，主要考慮立柱傳力而忽略壁板對(duì)作用力的影響。實(shí)際上，每層催化劑托架層外框選用規(guī)格均為H200 × 100 × 5.5 × 8，即每隔一段距離設(shè)置較大橫向加強(qiáng)勁作為框架，設(shè)備剛度很大。原有加強(qiáng)勁選型數(shù)量過多過大。

優(yōu)化方案：采用手算與有限元軟件SAP2000 模擬結(jié)合的方法，考慮到橫向加強(qiáng)勁主要是用來(lái)抵抗水平力，因此將間距由1 m 調(diào)整為1.5 m，并取消部分環(huán)向加強(qiáng)勁。在高負(fù)壓工況下，受壓立柱與薄壁板連接，共同承擔(dān)水平力和軸向力，則需要校核板的臨界應(yīng)力，設(shè)置合理的縱向加強(qiáng)勁間距。參考四邊簡(jiǎn)支板單向受壓時(shí)的臨界應(yīng)力計(jì)算公式σcr= 4π2ED/tb2=4π2E/（12（1 - ν2））*（t/b）2，將壁板、環(huán)向加強(qiáng)勁和立柱作為整體進(jìn)行受力研究，由于支座形式優(yōu)化，將原有的立柱的幾個(gè)點(diǎn)的受力調(diào)整為縱向筋、壁板的均布受力的形式。除保留中軸線對(duì)應(yīng)位置處立柱型鋼H150 × 75 × 5 × 7（14.01 kg/m）的規(guī)格，其他立柱均采用工字鋼10（11.2 kg/m）。需要提出的是，立柱分段高度基本為3 ～4 m，因?yàn)槿∠糠謾M向加強(qiáng)勁，為防止立柱受壓失穩(wěn)，立柱腹板兩側(cè)沿柱的縱向間隔500 mm 需設(shè)置焊接加強(qiáng)板與壁板連接。

2 優(yōu)化前后對(duì)比

優(yōu)化方案主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)性能提高及系統(tǒng)總重量降低兩個(gè)方面，見表1 和表2。

表1 優(yōu)化前后性能對(duì)比

表2 優(yōu)化前后重量對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

與常規(guī)燃煤發(fā)電廠相比，常規(guī)燃煤發(fā)電廠SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力通常為-1500 Pa，環(huán)保焚燒電廠則是-6000 ～-12000 Pa。在這種高負(fù)壓工況下，則需要避免運(yùn)行狀態(tài)下設(shè)備出現(xiàn)變形大、失穩(wěn)等狀況。SCR反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，不僅要考慮上述的因數(shù)，在詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)還要綜合工藝、設(shè)備、結(jié)構(gòu)等各專業(yè)的建議，適時(shí)調(diào)整布置思路，通過結(jié)構(gòu)和設(shè)備的整體建模分析，改變?cè)O(shè)備的傳力方式、調(diào)整平臺(tái)的設(shè)置，力爭(zhēng)獲得最優(yōu)方案。由此可見，設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，不僅只在某一個(gè)專業(yè)，需要各專業(yè)的相互配合，這樣才能得到更優(yōu)的方案，為提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、減低成本提供有效的技術(shù)依據(jù)。