黃福安，李博，侯亞委

(華電重工股份有限公司，北京100070)

溫度效應(yīng)對脫硝反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與保溫的影響

Tem perature effect on the SCR structure and thermal insulation

黃福安，李博，侯亞委

(華電重工股份有限公司，北京100070)

脫硝反應(yīng)器正常運(yùn)行溫度在400℃左右，其鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直以來沿用適當(dāng)外部保溫足以保證結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差可忽略不計(jì)的假定。對某電廠的現(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)，脫硝反應(yīng)器柱的內(nèi)外翼緣溫差平均可達(dá)到177℃，而不適當(dāng)?shù)谋卮胧┖褪┕ろ樞驎鸱磻?yīng)器結(jié)構(gòu)更大的溫度應(yīng)力，甚至造成構(gòu)件與結(jié)構(gòu)破壞。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果和分析計(jì)算，提出脫硝反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與保溫設(shè)計(jì)需改進(jìn)和注意的關(guān)鍵點(diǎn)，指出施工、運(yùn)行必須滿足的保溫要求。

脫硝反應(yīng)器；溫度效應(yīng)；保溫措施；設(shè)計(jì)改進(jìn)

1 概述

我國是燃煤發(fā)電大國，截止2013年底全國火電裝機(jī)已經(jīng)達(dá)到8.6億kW，火電發(fā)電量39 108億kWh。但是作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的負(fù)面效應(yīng)，能源消耗帶來的環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重。其中，大氣煙塵、酸雨、溫室效應(yīng)和臭氧層的破壞已成為危害人類生存的四大殺手?；痣姀S燃煤發(fā)電過程中產(chǎn)生的煙塵，SO2，NOx等有害物質(zhì)是造成大氣污染、酸雨和溫室效應(yīng)的主要原因之一。目前在燃煤電廠，我國通過開展大規(guī)模的煙氣脫硫項(xiàng)目，使SO2排放得到有效遏制，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著，但燃煤煙氣脫硝改造相對滯后。研究資料表明，如果仍不加強(qiáng)對煙氣中NOx的治理，NOx的總量和在大氣污染物中的比重都將上升，并有可能取代SO2成為大氣中的主要污染物。因此火電廠進(jìn)行脫硝改造勢在必行。

但對正在運(yùn)行的火電廠進(jìn)行脫硝改造涉及許多技術(shù)問題，其中脫硝反應(yīng)器、支架、煙道等設(shè)計(jì)中溫度控制就是比較突出的問題。如果不能較好地處理這些問題，將會給發(fā)電機(jī)組帶來安全隱患，影響脫硝改造工程的正常進(jìn)行。

2 脫硝改造中溫度控制問題

脫硝反應(yīng)器一般在400℃左右的高溫狀態(tài)下工作，反應(yīng)器保溫設(shè)計(jì)采用火電燃煤鍋爐煙道和本體保溫設(shè)計(jì)的假定〔4〕:適當(dāng)外部保溫足以保證結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差可忽略不計(jì)，結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮高溫狀態(tài)下屈服強(qiáng)度的折減。鍋爐的保溫設(shè)計(jì)見圖1。

測量結(jié)果表明，脫硝反應(yīng)器柱、梁、加緊肋等內(nèi)外翼緣溫差較大，與設(shè)計(jì)規(guī)程提出的 “適當(dāng)外部保溫足以保證結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差可忽略不計(jì)的假定”不符，可見現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)程有關(guān)保溫措施的處理方式存在一定的誤區(qū)。

3 溫度應(yīng)力產(chǎn)生原因分析與對策

3.1 溫度應(yīng)力產(chǎn)生原因理論分析

當(dāng)彈性體在非正常工作溫度場中工作時(shí)，彈性體各部分因膨脹或收縮改變其形狀或尺寸。由于溫度場的不均勻變化，這種膨脹或收縮變形受到外部約束或內(nèi)部的變形協(xié)調(diào)要求而不能自由發(fā)生時(shí)，物體內(nèi)部所產(chǎn)生的附加應(yīng)力，即所謂的變溫應(yīng)力，也稱為溫度應(yīng)力。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度的變化導(dǎo)致各部位膨脹、收縮，主要有3種形式:軸向變形、彎曲變形和截面不均勻變形。在靜定結(jié)構(gòu)中，如果各構(gòu)件溫度沿截面高度呈線性變化，則結(jié)構(gòu)只產(chǎn)生變形，無溫度自應(yīng)力 (在截面上能自相平衡的應(yīng)力)的產(chǎn)生，如果各個(gè)構(gòu)件溫度沿截面高度呈非線性變化，則構(gòu)件截面上會產(chǎn)生溫度應(yīng)力.在超靜定結(jié)構(gòu)中，無論溫度沿構(gòu)件截面高度呈非線性變化還是線性變化，它都會引起結(jié)構(gòu)的位移，而且由于多余約束的存在，都會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生溫度應(yīng)力。脫硝反應(yīng)器支撐結(jié)構(gòu)梁與柱采用剛性連接，是全焊接的超靜定結(jié)構(gòu)，若整個(gè)結(jié)構(gòu)不是處在一個(gè)相同的溫度場中，就會由于多余約束的存在及變形協(xié)調(diào)的要求，在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力。

3.2 溫度應(yīng)力效應(yīng)有限元分析

為了分析反應(yīng)器支撐柱、垂撐裂紋產(chǎn)生的原因，采用國際通用有限元軟件STAAD.Pro建立反應(yīng)器的三維模型，分別按照無保溫和有保溫 (依據(jù)適當(dāng)外部保溫足以保證結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差可忽略不計(jì)的假定)2種工況分析溫度效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算分析表明:有保溫工況，假定反應(yīng)器處在同一溫度場，400℃均勻受熱，則不存在明顯的溫度差影響，溫度作用工況主軸彎矩如圖3所示；無保溫工況，當(dāng)柱翼緣內(nèi)外溫差達(dá)到300℃時(shí) (無保溫措施)，反應(yīng)器爐前中心柱、垂撐溫度荷載作用下的柱彎矩、軸力增加非常大，溫度作用產(chǎn)生的柱主軸彎矩如圖4所示。在2種情況下，溫度對柱、撐的作用內(nèi)力見表2，3。

通過有限元計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，無保溫狀態(tài)下運(yùn)行反應(yīng)器，溫度效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)力較大，甚至超過恒荷載、活荷載對結(jié)構(gòu)的影響，足以引起構(gòu)件焊縫、連接點(diǎn)開裂，對機(jī)組安全運(yùn)行形成巨大安全隱患。

3.3 反應(yīng)器外部保溫處理方法

式中:w ij(t)是輸入層到隱藏層經(jīng)t次調(diào)整的權(quán)值;I jq是在第q組樣本輸入時(shí)節(jié)點(diǎn)i的第j個(gè)輸入。

脫硝反應(yīng)器外部保溫設(shè)計(jì)主要依據(jù)參考文獻(xiàn)〔4〕，該標(biāo)準(zhǔn)適用于火力發(fā)電廠的設(shè)備、管道和附屬鋼結(jié)構(gòu)的保溫設(shè)計(jì)，不適用于汽輪機(jī)、鍋爐本體的保溫，也不適用于電氣、土建專業(yè)的有關(guān)保溫設(shè)計(jì)。

STAAD軟件的分析結(jié)果也表明:170℃以上溫差，仍足以在反應(yīng)器的柱、垂撐等構(gòu)件上引起較大的溫度內(nèi)力 (見表4—6)，甚至可能影響結(jié)構(gòu)的安全，不應(yīng)忽略不計(jì)。因此，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)考慮溫度效應(yīng)的影響。

保溫的目的是減少散熱損失或降低其外表面溫度，并維持被保溫結(jié)構(gòu)的整體溫度平衡，避免因溫差過大而產(chǎn)生附件溫度應(yīng)力。具體實(shí)施過程中，可按下述計(jì)算方法獲得保溫材料的相關(guān)尺寸。一般來說，1層50 mm的硅酸鋁耐火纖維材料，2層75 mm的巖棉材料，就可以滿足保溫的基本要求。計(jì)算分析過程如下:

1)計(jì)算保溫結(jié)構(gòu)外表面導(dǎo)熱系數(shù)

式中 ts為保溫結(jié)構(gòu)表面溫度，取50℃；ta為環(huán)境溫度，取27℃；ε為保護(hù)層材料黑度，取0.27；B為沿風(fēng)速方向的平壁寬度，取17.87m；w為室外風(fēng)速，取3.2m/s；αn:輻射傳熱系數(shù) (w/(m2·k))；αc為流傳熱系數(shù) (w/(m2·k))。2)計(jì)算保溫厚度δ1，δ2

式中 t為介質(zhì)溫度，取376℃；tb為復(fù)合保溫內(nèi)外層界面處溫度，取340℃；[q]為保溫結(jié)構(gòu)外表面允許散熱損失，取195 w/m2；λ1為內(nèi)保溫硅酸鋁材料導(dǎo)熱系數(shù)，取0.114 w/(m·k)；λ2為外保溫巖棉材料導(dǎo)熱系數(shù)，取0.067 4 w/(m·k)。

3)驗(yàn)算復(fù)合內(nèi)外層界面處溫度tb

通過以上計(jì)算分析，進(jìn)行脫硝改造工程時(shí)，反應(yīng)器保溫處理應(yīng)該根據(jù)上述計(jì)算方法，獲得保溫材料的實(shí)際尺寸，并嚴(yán)格按照保溫設(shè)計(jì)施工步驟工作，可以確保脫硝反應(yīng)器正常工作。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，由于溫度梯度、施工措施、散熱損失及構(gòu)件截面形式的影響，按照現(xiàn)行規(guī)程采用保溫厚度并不能保證 “適當(dāng)外部保溫足以保證結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差可忽略不計(jì)”的假定成立，反應(yīng)器工字型支撐柱內(nèi)外翼緣平均溫差達(dá)到170℃以上，其溫差足以使脫硝反應(yīng)器產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力，影響發(fā)電機(jī)組正常發(fā)電。

4 脫硝改造設(shè)計(jì)需注意的關(guān)鍵點(diǎn)

1)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)未進(jìn)行保溫處理的情況下，嚴(yán)禁通煙氣運(yùn)行。

2)目前設(shè)計(jì)規(guī)程采用的保溫設(shè)計(jì)方法，不適合反應(yīng)器改造，即 “適當(dāng)外部保溫足以保證結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差可忽略不計(jì)”的假定不能成立，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)計(jì)算必須考慮溫度效應(yīng)的影響。

3)保溫設(shè)計(jì)要經(jīng)過嚴(yán)格、系統(tǒng)的計(jì)算，對反應(yīng)器局部突出部分，如筋和反應(yīng)器柱等部分，要考慮給予足夠的保溫措施，防止局部保溫過薄，導(dǎo)致熱損失過大或者超溫。

4)反應(yīng)器本體外部支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置應(yīng)盡量靠近封閉殼體，支柱設(shè)計(jì)盡可能采用直柱、箱型柱的方案，減少熱傳導(dǎo)距離，避免構(gòu)件內(nèi)外溫差較大，降低溫度效應(yīng)。

5)慎重考慮在反應(yīng)器外設(shè)立垂撐，如果垂撐無法避免，保溫措施要盡可能保證撐和反應(yīng)器本體在一個(gè)區(qū)域內(nèi)共同受熱，并考慮溫度效應(yīng)。

〔1〕龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué) 〔M〕.北京:高等教育出版社，2000.

〔2〕中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 〔S〕.北京:中國計(jì)劃出版社，2003.

〔3〕中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 〔S〕.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

〔4〕中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T5072—2007火力發(fā)電廠保溫油漆設(shè)計(jì)規(guī)程 〔S〕.北京:中國電力出版社，2007.

〔5〕中華人民共和國能源部.DL T5121—2000火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程 〔S〕.北京:中國電力出版社，2000.

〔6〕國家能源局.DLT776—2012火力發(fā)電廠絕熱材料 〔S〕.北京:中國電力出版社，2012.

〔7〕國家能源局.DLT777—2012火力發(fā)電廠鍋爐耐火材料 〔S〕.北京:中國電力出版社，2012.

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1008-0198(2014)06-0057-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.017

2013-05-18 改回日期:2014-11-26