脫硝改造工程中鍋爐尾部鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

曲 樂

(上海電氣斯必克工程技術(shù)有限公司，上海 200090)

脫硝改造工程中鍋爐尾部鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

曲 樂

(上海電氣斯必克工程技術(shù)有限公司，上海 200090)

在脫硝改造工程中，需將SCR反應(yīng)器設(shè)置在鍋爐尾部煙道內(nèi)，以降低氮氧化合物的排放濃度。在某型機(jī)組的脫硝改造項(xiàng)目中，為反應(yīng)裝置設(shè)計(jì)了支撐鋼結(jié)構(gòu)，以滿足結(jié)構(gòu)承載的需要。通過實(shí)例，闡明了鍋爐尾部鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路。

鍋爐； 脫硝； 反應(yīng)器； 鋼結(jié)構(gòu)； 加固； 設(shè)計(jì)； 改造

0 概 述

華能福州電廠二期機(jī)組有2臺國外公司設(shè)計(jì)的350 MW鍋爐。脫硝改造工程的主要目的，是在鍋爐尾部設(shè)置SCR反應(yīng)器，以降低氮氧化合物的排放濃度，進(jìn)而達(dá)到氣體排放的環(huán)保要求。通過實(shí)例，從結(jié)構(gòu)布置方案和加固原有結(jié)構(gòu)等方面，闡述在脫硝改造工程中，對鍋爐尾部鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路。

1 結(jié)構(gòu)布置方案

改造前的鍋爐尾部側(cè)視圖，如圖1所示。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查和技術(shù)分析，并進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評估。優(yōu)化后布置方案， 是在空氣預(yù)熱器與電除塵器之間， 設(shè)置SCR反應(yīng)器。此種SCR布置方案，要求脫硝鋼結(jié)構(gòu)也要相應(yīng)布置在空氣預(yù)熱器與電除塵器之間的區(qū)域。但根據(jù)現(xiàn)場勘查測量，鍋爐最后一排柱子，即圖1中的M排柱子與電除塵器最前面一排柱子之間的間距很小，約為7 m，而SCR反應(yīng)器催化劑模塊的排列方式，如圖2所示。安裝工藝要求的空間深度為6.4 m，致使煙道尾部的改造空間很狹小，且空氣預(yù)熱器至電除塵器之間的煙道內(nèi)，并沒有獨(dú)立的支撐鋼結(jié)構(gòu)。

圖1 改造前側(cè)面視圖

圖2 催化劑模塊示意圖

基于這些原因，新的反應(yīng)器支撐鋼結(jié)構(gòu)，不得不統(tǒng)一考慮對鍋爐尾部鋼結(jié)構(gòu)以及電除塵器入口煙道的支撐鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。較為可行的方案，是利用原鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的最后一排柱子，即M排柱子，并在電除塵器前排柱子前，新設(shè)置一排柱子(共3根)，然后通過核算鍋爐尾部鋼結(jié)構(gòu)的承載力，得出鍋爐尾部鋼結(jié)構(gòu)的改造方案。改造后的鍋爐尾部側(cè)視圖，如圖3所示。由于擁有較為完整的煙道資料，因此，改造方案將立足于新老鋼結(jié)構(gòu)的整體改造和組合設(shè)計(jì)。

圖3 改造后側(cè)面視圖

根據(jù)二期鍋爐尾部的布置方案，將SCR反應(yīng)器入口煙道部分布置在空氣預(yù)熱器的上方，原二次風(fēng)道的連接煙道部分整體向上移動。因此，空預(yù)器上方的原煙道支吊架、導(dǎo)向裝置、吊架梁，以及尾部鋼結(jié)構(gòu)上方的輕型屋頂均需拆除，僅保留主立面即L排立面的柱子、梁及垂直支撐架，為新增設(shè)備留出布置空間。在構(gòu)件拆除之前，對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了核算，分析了構(gòu)件拆除后對保留結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。必要時(shí)，給出臨時(shí)加固方案。在保留部分原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)新增設(shè)備及結(jié)構(gòu)改造的需要,增加新的構(gòu)件，并對保留結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。確定結(jié)構(gòu)方案后，對新增鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算，并對原鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度核算，確保鋼結(jié)構(gòu)在改造后的安全有效。

鋼結(jié)構(gòu)改造的重點(diǎn)區(qū)域是M排立面，如圖4、圖5所示。標(biāo)高零米至30.445 m的鋼結(jié)構(gòu)，是原有的鋼結(jié)構(gòu)。標(biāo)高30.445 m至46.5 m的結(jié)構(gòu)，是新增鋼結(jié)構(gòu)。由于布置SCR反應(yīng)器出口煙道的需要，需將原結(jié)構(gòu)在標(biāo)高21.5 m至30.445 m之間的斜支撐構(gòu)件全部拆除，這樣就改變了鋼結(jié)構(gòu)原來的受力?？尚械慕鉀Q方案，是在標(biāo)高10.5 m至30.445 m局部區(qū)域內(nèi)，增加立柱和斜撐，既保證了結(jié)構(gòu)傳遞垂直荷載和水平荷載的連續(xù)性，也增加了最外側(cè)2根柱子的剛度。改造后，21.5 m鋼梁作為SCR出口煙道及旁路的支撐梁，30.445 m鋼梁作為SCR反應(yīng)器支撐梁。上部新增結(jié)構(gòu)的主要功用，是提供反應(yīng)器設(shè)備的操作平臺。

圖4 改造前M排立面圖

圖5 改造后M排立面圖

在改造工程中，由于鍋爐尾部空氣預(yù)熱器至電除塵器之間的空間狹窄，限制了SCR反應(yīng)器支撐鋼結(jié)構(gòu)的布置空間，成為改造工程中的技術(shù)瓶頸。為了節(jié)約空間，在二期工程的整體規(guī)劃中，將空氣預(yù)熱器的位置向爐后方向延伸一跨距離，并將M排鋼架作為空氣預(yù)熱器與電除塵器入口煙道的共同支撐結(jié)構(gòu)。這樣的設(shè)計(jì)思路既節(jié)省空間，又節(jié)約材料，還充分考慮了將來的環(huán)保改造空間。

2 對原有結(jié)構(gòu)的加固

確定鋼結(jié)構(gòu)的改造方案后，需要校核原鍋爐鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。對于不能滿足新增設(shè)備荷載要求的原構(gòu)件，必須對其進(jìn)行加固，以提高其承載力。通過對技術(shù)資料的分析，對原鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造加固后，可滿足新增荷載的需求。在M排立面結(jié)構(gòu)中，21.5 m鋼梁作為SCR出口煙道及旁路支撐梁，30.445 m鋼梁作為SCR反應(yīng)器支撐梁，故該兩處標(biāo)高的鋼梁需要加固。在標(biāo)高30.445 m至46.5 m處，新增了設(shè)備及立面結(jié)構(gòu)，故在原鋼結(jié)構(gòu)中，所有的立柱均需加固。

根據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、構(gòu)造及施工條件，并考慮原有的連接方法，本改造工程選擇加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和連接強(qiáng)度的加固方法，施工狀態(tài)為負(fù)荷加固，加固件的連接采用焊接連接，在有特殊要求的連接處，采用焊接和高強(qiáng)度螺栓共同受力的混合連接。施工前需要對原結(jié)構(gòu)增加臨時(shí)支撐。

2.1 構(gòu)件的截面加固形式

對于受彎構(gòu)件，可增大鋼梁的截面，采用圖6中的截面形式。對于壓彎構(gòu)件，增加了柱子的截面，采用圖7中的截面形式。

1-原截面；2-增加截面

圖6 受彎構(gòu)件的截面加固形式

1-原截面；2-增加截面

圖7 受壓構(gòu)件的截面加固形式

2.2 原鋼結(jié)構(gòu)與加固件的連接

在原鋼結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件的連接主要采用高強(qiáng)度螺栓連接。在改造方案中，首選的加固方式，為焊縫連接+螺栓連接。以焊縫承受全部作用力。設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)連接，不考慮焊縫與原有連接件的連接關(guān)系，原有結(jié)構(gòu)的連接件不予拆除。當(dāng)原有結(jié)構(gòu)的個(gè)別連接點(diǎn)不具備焊接加固條件時(shí)，可采用合適直徑的螺栓，對原有螺栓進(jìn)行更換。在這種情況下，施工時(shí)會遇到拆除原結(jié)構(gòu)中的受力螺栓、擴(kuò)大原有螺栓孔徑，因此，除了計(jì)算原有加固連接件的承載力外，還必須校核板件的凈截面面積的強(qiáng)度。

加固件與被加固結(jié)構(gòu)間的連接，應(yīng)根據(jù)受力要求，經(jīng)過計(jì)算，并考慮構(gòu)造和施工條件后確定。加固件的焊縫、高強(qiáng)度螺栓的連接計(jì)算，按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003)的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，但對于焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以0.85，其它強(qiáng)度設(shè)計(jì)值或承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以0.95的折減系數(shù)。

2.3 受彎構(gòu)件的加固

在主平面內(nèi)受彎構(gòu)件的加固，按照公式(1)，計(jì)算抗彎強(qiáng)度：

(1)

式(1)中，Mx、My—繞加固后截面形心x軸和y軸的加固前彎矩與加固后增加的彎矩之和；Wnx、Wny—對加固后截面x軸和y軸的凈截面抵抗矩；γx、γy—截面塑性發(fā)展系數(shù)，根據(jù)截面形狀按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003)，受彎構(gòu)件加固強(qiáng)度折減系數(shù)ηm取0.9；f—抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。受彎構(gòu)件截面的抗剪強(qiáng)度τ，按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算腹板的抗剪強(qiáng)度。計(jì)算時(shí)，鋼材強(qiáng)度值取計(jì)算部位的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。組合截面梁的翼緣和腹板按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003)第4.2和4.3條進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，其寬厚比應(yīng)符合9.1.4條的規(guī)定。

2.4 軸心受力和壓彎構(gòu)件的加固

對于軸心受力構(gòu)件，采用對稱截面的加固形式，其軸向力的計(jì)算：

(2)

式(2)中，An—加固后構(gòu)件凈截面積；f—構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ηn—軸心受力加固構(gòu)件強(qiáng)度折減系數(shù)。ηn=0.85-0.23σ/fy，其中：σ為構(gòu)件未加固時(shí)的名義應(yīng)力。當(dāng)無初彎曲和損失時(shí)，其整體穩(wěn)定性按照公式(3)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式(3)中，N—加固時(shí)和加固后構(gòu)件所受的總軸向力；φA—軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)。

壓彎加固構(gòu)件的截面強(qiáng)度計(jì)算：

(4)

式(4)中，N、Mx、My—分別為構(gòu)件承受的總軸心力，繞x軸和y軸的總彎矩；An，Wnx，Wny—分別為計(jì)算截面凈截面面積，對x軸和y軸的凈截面抵抗矩；ωtx、ωty—構(gòu)件對x軸和y軸的總撓度，ηem—壓彎加固構(gòu)件的強(qiáng)度折減系數(shù)，當(dāng)N/An≥0.55fy時(shí)，取ηem=ηn，其它取0.9?？紤]彎矩作用在對稱平面內(nèi)，其穩(wěn)定性按照公式(5)、(6)進(jìn)行計(jì)算：

(5)

(6)

式(5)、式(6)中，φx、φy—對強(qiáng)軸和弱軸的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；φox，φoy—均勻彎曲的受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)，箱型截面取φox=φoy=1.4，工字形截面取φoy=1.0，φox按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003)附錄一計(jì)算；Mx，My—所計(jì)算構(gòu)件對強(qiáng)軸和弱軸的最大彎矩；Nex，Ney—構(gòu)件對x軸和y軸的歐拉臨界力；ωx、ωy—構(gòu)件對x軸和y軸的初始撓度與焊接殘余撓度的和；W1x、W1y—對強(qiáng)軸和弱軸的毛截面抵抗矩；βmx、βmy—等效彎矩系數(shù)，按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003)第5.2.2條第一款選用；βtx、βty—等效彎矩系數(shù)，按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003)第5.2.2條第二款選用。

3 結(jié)構(gòu)焊接與施工要求

根據(jù)負(fù)荷對鋼結(jié)構(gòu)加固時(shí)，應(yīng)按照加固工藝，盡可能減小因焊接加熱，擴(kuò)孔等引起的影響。為此，必須制定詳細(xì)的加固施工工藝和技術(shù)條件，并據(jù)此，對隱蔽工程進(jìn)行施工驗(yàn)收。

在改造工程中，采用了焊接加固和加大截面法。當(dāng)結(jié)構(gòu)原有的最大名義應(yīng)力|σ|≥0.3fy，可將加固件與被加固件沿全長互相壓緊，采用20～30mm間斷焊定位(間隔300～500mm)，再由加固件端向內(nèi)分區(qū)段施焊(每段不大于70mm)，依次施焊，在區(qū)段內(nèi)的焊縫完成后，應(yīng)間歇2～5min再焊接。對于有對稱截面的連接焊縫，應(yīng)平行施焊。有多條焊縫時(shí)，應(yīng)交錯(cuò)順序施焊。對于兩面有加固件的截面，應(yīng)先施焊受拉側(cè)的加固件，然后，施焊受壓側(cè)的加固件。對一端為嵌固的受壓構(gòu)件，應(yīng)從嵌固端向另一端施焊。若為受拉桿，則應(yīng)從另一端向嵌固端施焊。

4 結(jié) 語

在改造工程中，施工順序?yàn)橄燃庸毯蟛鸪纱_保加固件與被加固件的連接性能，同時(shí)，還防止了鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，維持了構(gòu)件的穩(wěn)定性。

[1]GB50017-2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]CECS77-1996.鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范[S].

The Design Scheme of the Boiler Tail Steel Structure in the Denitration Reform Project

QU Le

(Shanghai SPX Engineering Technology Co., Ltd. SEPG, Shanghai 200090, China)

The SCR reactor should be installed in the boiler tail flue to reduce the emission concentration of nitrogen oxides in the denitration reform project. In the denitration reform project of a type of unit, the supporting steel structure is designed for the reaction device to meet the need of structural load. Through an example, the design of the boiler tail steel structure is explained.

boiler; denitration; reactor; steel structure; reinforce; design;reform

1672-0210(2017)01-0035-04

2016-06-13

曲樂(1981-)，男，學(xué)士，工程師，畢業(yè)于天津大學(xué)，從事火力發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)計(jì)算及設(shè)計(jì)工作。

TK225

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