基于SAP2000 的SCR 脫硝反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算

范 孜

航天環(huán)境工程有限公司，天津 300301

1 緒論

近些年來(lái)，在我國(guó)電力發(fā)電裝機(jī)容量和發(fā)電量中，火電仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位，然而在燃煤發(fā)電過(guò)程中，煤的燃燒過(guò)程產(chǎn)生的大量氮氧化物會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，危害人類(lèi)的健康。目前，在國(guó)內(nèi)的環(huán)保行業(yè)對(duì)于脫硝，主要采用的有選擇性催化還原法（SCR）、選擇性非催化還原法（SNCR）以及兩種方法結(jié)合使用，其中由于選擇性催化還原法（SCR）的效率最高[1]，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)得到廣泛的應(yīng)用。

SCR 脫硝反應(yīng)器是煙氣脫硝工藝中的主體結(jié)構(gòu)，其通常為大型的薄壁殼體鋼結(jié)構(gòu)，主要根據(jù)催化劑尺寸、數(shù)量、布置方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且其在工作過(guò)程中受載比較復(fù)雜。本文以某2×150 MW 機(jī)組脫硝工程為例，利用SAP2000 建立SCR 脫硝反應(yīng)器三維有限元模型，在分別考慮各種工作荷載及其組合工況下，分別計(jì)算SCR 脫硝反應(yīng)器的應(yīng)力和變形并進(jìn)行分析，為實(shí)際的工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。

2 實(shí)體結(jié)構(gòu)

在本工程中，由于整體空間布局比較狹窄，SCR脫硝反應(yīng)器與鍋爐尾端距離較近，對(duì)設(shè)計(jì)造成了一定的困難，因此其對(duì)煙道的布置走向要求比較嚴(yán)格，經(jīng)過(guò)方案優(yōu)化對(duì)比，最終確定SCR 脫硝反應(yīng)器的相關(guān)尺寸為14.4 m×6.42 m×17 m（長(zhǎng)×寬×高），其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 SCR 脫硝反應(yīng)器主體結(jié)構(gòu)圖

圖2 SCR 脫硝反應(yīng)器柱腳布置圖

本工程中的SCR 脫硝反應(yīng)器主要由立柱、支撐梁、斜撐、型鋼加固肋、t=6 mm 的鋼板組成，材質(zhì)均為Q345B，其主要包括三層催化劑支撐梁和一層整流格柵支撐梁，整流格柵層位于反應(yīng)器的最上面，從上往下分別是第一、二、三層催化劑層。整個(gè)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)由12 根立柱支撐，反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中所受到的荷載通過(guò)壁板、加固肋和支撐梁傳給12 根立柱，最終由立柱傳至反應(yīng)器頂部的支撐鋼架。

由于SCR脫硝反應(yīng)器的工作溫度通常為300 ～400 ℃左右，當(dāng)煙氣通過(guò)反應(yīng)器時(shí)，反應(yīng)器的溫度急劇上升，會(huì)產(chǎn)生很大的熱膨脹量，若柱腳結(jié)構(gòu)形式和布置不合理，會(huì)在反應(yīng)器和鋼架上面產(chǎn)生巨大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，輕則破壞局部結(jié)構(gòu)，重則會(huì)有整體結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)，因此，柱腳設(shè)計(jì)是整個(gè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，如果在設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中一旦出現(xiàn)問(wèn)題，后果不堪設(shè)想。反應(yīng)器柱腳的布置圖和限位形式如圖2 所示。

3 有限元模型

本文利用SAP2000 對(duì)SCR 脫硝反應(yīng)器進(jìn)行建模，在SAP2000 中，主要有線單元、面單元、體單元、點(diǎn)單元。對(duì)SCR 脫硝反應(yīng)器中的立柱、支撐梁、型鋼加固肋等均采用框架單元FRAME 單元，而壁板部分采用薄殼單元SHELL 單元。在定義材料的時(shí)候，需要考慮溫度的影響，根據(jù)《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，Q345 鋼在350 ℃設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力為134 MPa[2]。

在SCR 脫硝反應(yīng)器工作過(guò)程中，催化劑支撐梁、整流格柵支撐梁會(huì)產(chǎn)生很大的熱膨脹量，在支撐梁與反應(yīng)器之間形成較大的應(yīng)力。為避免產(chǎn)生危險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要考慮支撐梁與反應(yīng)器側(cè)面的連接固定方式，通常的做法是在梁端部與反應(yīng)器側(cè)面之間留出足夠的膨脹空間，因此，在建立模型時(shí)，支撐梁端的彎矩應(yīng)進(jìn)行釋放。

另外，由于SCR 脫硝反應(yīng)器的入口煙道與反應(yīng)器剛性連接，其對(duì)反應(yīng)器產(chǎn)生的附加載荷較大，所以，在建模的時(shí)候應(yīng)充分考慮入口煙道的影響，將其與反應(yīng)器一起建模進(jìn)行計(jì)算分析。SCR 脫硝反應(yīng)器及入口煙道的有限元模型如圖3 所示。

圖3 SCR 脫硝反應(yīng)器整體有限元模型

4 載荷定義

在工作過(guò)程中，SCR 脫硝反應(yīng)器所受的荷載比較復(fù)雜，主要有結(jié)構(gòu)自重、催化劑載荷、煙氣溫度和壓力等，另外還有外部的風(fēng)載荷、地震載荷、積雪載荷作用。根據(jù)資料可知，風(fēng)壓值為0.45 KN/m2，雪壓值為0.3 KN/m2，地震烈度為7 度0.15 g，催化劑（含積灰）對(duì)支撐梁上的載荷值18.5 KN/m，工作壓力值取±8700 Pa。

考慮到工作時(shí)的復(fù)雜工況，分別定義各項(xiàng)載荷的載荷模式，其中自重、催化劑（含積灰）定義為靜載，風(fēng)載荷分為+X，-X，+Y，-Y，地震載荷分為QX，QY，QZ，定義各種工況，以及各種工況的組合，其組合系數(shù)參考相關(guān)規(guī)定進(jìn)行選取[3]，如表1 所示。

表1 各種工況組合系數(shù)

5 計(jì)算分析

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要校核驗(yàn)算其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

抗彎強(qiáng)度控制方程為：

式中Mx、My為同一截面處繞x、y 軸的彎矩；Wnx、Wny為對(duì)x 軸和y 軸的凈截面模量；γx、γy為截面塑性發(fā)展系數(shù)；f 為鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

整體穩(wěn)定性控制方程為：

式中Wx、Wy為接受壓纖維確定的對(duì)x 軸和對(duì)y軸毛截面模量；ψb為繞強(qiáng)軸彎曲所確定的梁整體穩(wěn)定系數(shù)。

初步確定催化劑支撐梁的尺寸，將梁的尺寸分別代入進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核結(jié)果，以及梁的撓度選取最優(yōu)方案。

5.1 方案一

當(dāng)催化劑支撐大梁采用200 mm×200 mm×10 mm的方鋼時(shí)，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，可知支撐梁受到的軸力N=0；主 彎 矩M22=158 647.8 Nmm，M33=107 508 450 Nmm；剪切力V2=17 840.1 N，V3=62 N，根據(jù)強(qiáng)度控制方程和整體穩(wěn)定性控制方程可得到應(yīng)力比值為1.07，另支撐梁的最大撓度值為70.1 mm，跨度比為70.1/6420=1/91 大于鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范1 /400 的規(guī)定，故200 mm×200 mm×10 mm的方鋼不滿足要求。

5.2 方案二

當(dāng)催化劑支撐大梁采用200 mm×300 mm×10 mm的方鋼時(shí)，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，可知支撐梁受到的軸力N=0；主彎矩M22=116 539.4 Nmm，M33=119 194 273.1 Nmm；剪切力V 2=332.3 N，V 3=21.2 N，根據(jù)強(qiáng)度控制方程和整體穩(wěn)定性控制方程可得到應(yīng)力比值為0.9，另支撐梁的最大撓度值為27.29 mm，跨度比為27.29/6420=1/235 大于鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范1 /400 的規(guī)定，故200 mm×300 mm×10 mm 的方鋼不滿足要求。

5.3 方案三

當(dāng)催化劑支撐大梁采用200 mm×400 mm×10 mm 的方鋼時(shí)，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，可知支撐梁受到的軸力N=0；主 彎 矩M22=332 914.1 Nmm，M33=120 164 919.4 Nmm；剪切力V2=332.3 N，V3=375 N，根據(jù)強(qiáng)度控制方程和整體穩(wěn)定性控制方程可得到應(yīng)力比值為0.602，另支撐梁的最大撓度值為13.98 mm，跨度比為13.98/6420=1/459 小于鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范1 /400 的規(guī)定，故200 mm×400 mm×10 mm 的方鋼滿足要求。

5.4 方案四

當(dāng)催化劑支撐大梁采用200 mm×500 mm×10 mm 的方鋼時(shí)，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，可知支撐梁受到的軸力N=0； 主 彎 矩M22=445 674.3 Nmm，M33=121 135 565.6 Nmm；剪切力V2=332.3 N，V3=412.4 N，根據(jù)強(qiáng)度控制方程和整體穩(wěn)定性控制方程可得到應(yīng)力比值為0.436，另支撐梁的最大撓度值為8.36 mm，跨度比為8.36/6420=1/767 小于鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范1 /400 的規(guī)定，故200 mm×500 mm×10 mm 的方鋼滿足要求。

5.5 總結(jié)

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算，SCR 脫硝反應(yīng)器中的催化劑支撐梁在不同尺寸下的受力分析情況如表2 所示。

在滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前提下，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，催化劑支撐梁的采用200 mm×400 mm×10 mm 的方鋼。在此條件下，SCR 脫硝反應(yīng)器的框架應(yīng)力比如圖4 所示。

表2 催化劑支撐梁尺寸不同的受力分析

此外，從圖中可以看出，受力較大的部位為下部立柱，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以將其下部立柱截面尺寸適當(dāng)增大，上部立柱截面尺寸適當(dāng)減小，從而降低成本。

且SCR 脫硝反應(yīng)器的柱腳設(shè)置有滑動(dòng)支座，故其可以抵消工作過(guò)程中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，考慮在極端條件下，反應(yīng)器內(nèi)部壓力達(dá)到最大，且有外部風(fēng)壓及地震的情況下，其殼體的應(yīng)力如圖5 所示，可以看出殼體最大應(yīng)力為 77 MPa，小于殼體許用應(yīng)力134 MPa，因此，殼體的強(qiáng)度也滿足使用要求。

圖4 CR 脫硝反應(yīng)器框架應(yīng)力比

圖5 SCR 脫硝反應(yīng)器殼體應(yīng)力云圖

6 結(jié)論和展望

本文通過(guò)采用SAP2000 對(duì)某一工程項(xiàng)目中的SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)行分析計(jì)算，分別對(duì)框架結(jié)構(gòu)（包含支撐梁、立柱、加固肋）和面板殼體進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，為后續(xù)的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。同時(shí)，本文對(duì)反應(yīng)器柱腳部分根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用了簡(jiǎn)化計(jì)算，釋放了柱腳處的彎矩和扭矩，限制了位移約束，未充分反映實(shí)際情況，這將在今后的設(shè)計(jì)中進(jìn)一步進(jìn)行分析。