彭 偉

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京 100097)

0 引言

燃煤鍋爐產(chǎn)生的大量氮氧化物是造成大氣污染的主要原因之一，根據(jù)2010年5月國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作改善區(qū)域空氣質(zhì)量的指導(dǎo)意見》要求，重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的火電廠應(yīng)在“十二五”期間全部安裝脫硝裝置。目前，環(huán)保行業(yè)主要采用選擇性催化還原法(SCR)、非選擇性催化還原法(NSCR)和選擇性非催化還原法(SNCR)三種方法來消除氮氧化物，其中選擇性催化還原法(SCR)效率最高，應(yīng)用最為廣泛。

選擇性催化還原技術(shù)(SCR)是將氨氣噴入煙氣后通過催化器層與氮氧化物反應(yīng)分解成氮?dú)夂退?。SCR 反應(yīng)器根據(jù)煙氣相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算催化劑模塊的尺寸和數(shù)量進(jìn)行性能設(shè)計(jì)，并根據(jù)模塊的位置和布置方式確定反應(yīng)器鋼結(jié)構(gòu)形式。由于受催化劑模塊荷載、煙氣溫度和壓力、風(fēng)荷載等因素影響，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)布置和受力形式復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)連接形式多樣。本文以某300 MW 機(jī)組脫硝工程為例，利用ANSYS 建立SCR 反應(yīng)器三維有限元模型。在分別考慮自重、催化劑荷載、積灰荷載、煙氣壓力和風(fēng)荷載等荷載及其組合工況下，計(jì)算反應(yīng)器整體和局部應(yīng)力和變形并進(jìn)行分析，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 建立有限元模型

1.1 幾何模型

該300 MW 機(jī)組脫硝工程SCR 反應(yīng)器長寬高尺寸為16.2 m×11.34 m×13 m，采用鋼框架結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)層數(shù)為四層，下部布置三層催化劑(兩用一備)，頂部安裝整流格柵和入口煙道。主要結(jié)構(gòu)部件包括立柱、支撐梁、斜撐、壁板及加勁肋。立柱采用焊接箱形柱和H 型鋼柱，催化劑支撐梁采用H 型鋼，斜撐采用圓鋼，加勁肋采用角鋼。

1.2 單元類型與材料參數(shù)

反應(yīng)器本體結(jié)構(gòu)梁、柱和加勁肋采用Beam188 單元模擬，外壁板采用Shell63 單元模擬，斜撐采用Link8 單元模擬。本體材料全部采用Q345-B 鋼材，BMCR 工況下煙氣溫度375 ℃，運(yùn)行工況煙氣壓力5.8 kPa，彈性模量為1.6×105MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

1.3 施加荷載和約束

反應(yīng)器本體恒荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、催化劑、保溫、整流格柵、入口煙道、出口煙道荷載。結(jié)構(gòu)自重通過施加重力加速度自動(dòng)計(jì)算，催化荷載、整流格柵、入口煙道和出口煙道荷載分別按照實(shí)際情況施加于各結(jié)構(gòu)層的支撐梁上，保溫層荷載通過增加外壁板密度等效施加于外壁板上?；詈奢d主要包括積灰荷載和煙氣壓力荷載，積灰荷載按照40 kg/m2施加于催化劑模塊支撐梁上，煙氣壓力取最不利工況下的正壓5.8 kN/m2均布作用于外壁板面。風(fēng)荷載按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［1］取值，并分別考慮兩個(gè)方向的風(fēng)荷載作用。反應(yīng)器四個(gè)立柱下部采用滑動(dòng)支座，并在四個(gè)滑動(dòng)支座中間分別設(shè)置四個(gè)水平限位支座。地震荷載按照規(guī)范要求設(shè)防烈度采用陣型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行分析。根據(jù)文獻(xiàn)［3］研究成果，反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)自重、5.8 kN/m2煙氣負(fù)壓、催化劑模塊、積灰荷載和風(fēng)載共同作用下出現(xiàn)最不利工況，本文分別針對(duì)上述工況及組合工況進(jìn)行計(jì)算分析。SCR 反應(yīng)器整體結(jié)構(gòu)有限元模型見圖1。

圖1 SCR 反應(yīng)器有限元模型

2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

2.1 催化劑模塊支撐梁計(jì)算結(jié)果分析

溫度變化對(duì)鋼材受力性能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，Q345-B 鋼材在高溫環(huán)境下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值還沒有明確規(guī)定。目前，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般采用許用應(yīng)力法。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》［2］規(guī)定，Q435 鋼材在375 ℃設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力為129.5 MPa。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，三層催化劑模塊支撐梁的豎向變形分別為12.3 mm，9.2 mm 和10.1 mm(見圖2)，下層催化劑模塊支撐梁的周邊主梁由于連接反應(yīng)器出口煙道，導(dǎo)致豎向變形較中間層和頂層支撐梁變形稍大，但均滿足1/750 的變形要求。在應(yīng)力分布方面，支撐梁最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在橫向支撐梁跨中位置，應(yīng)力值為118 MPa，支座位置存在較大負(fù)彎矩，導(dǎo)致該位置也出現(xiàn)較大應(yīng)力，但均未超出許用應(yīng)力要求(見圖3)。

圖2 催化劑模塊支撐梁變形圖

圖3 催化劑模塊支撐梁應(yīng)力圖

2.2 反應(yīng)器立柱計(jì)算結(jié)果分析

反應(yīng)器立柱分為本體立柱和催化劑支撐立柱兩種類型，催化劑支撐梁立柱荷載通過下層主梁傳遞到本體立柱。根據(jù)分析結(jié)果，柱應(yīng)力分布呈現(xiàn)向上和向兩側(cè)逐漸遞減趨勢，最大應(yīng)力出現(xiàn)在位于中間位置的催化劑支撐立柱下端，應(yīng)力值為127 MPa(見圖4)，滿足許用應(yīng)力要求。最大豎向位移出現(xiàn)在中間位置催化劑支撐立柱頂部，位移值為6 mm(見圖5)，同結(jié)構(gòu)受力狀況一致。

2.3 反應(yīng)器外壁板計(jì)算結(jié)果分析

本工程反應(yīng)器外壁板采用6 mm 厚Q345 鋼板，加固肋采用L75X8 角鋼。反應(yīng)器內(nèi)部煙氣壓力主要由角鋼加固肋承擔(dān)。在煙氣壓力和風(fēng)壓共同作用下，由于靠近上層催化劑支撐梁的外壁板加固肋跨度最大，導(dǎo)致該處出現(xiàn)5.13 mm 的最大變形量(見圖6)，滿足規(guī)范1/250 的變形要求。壁板及加固肋最大等效應(yīng)力為67 MPa(見圖7)，滿足規(guī)范要求。

圖4 反應(yīng)器立柱應(yīng)力云圖

圖5 反應(yīng)器立柱變形云圖

圖6 反應(yīng)器壁板變形云圖

圖7 反應(yīng)器壁板應(yīng)力云圖

3 結(jié)語

1)采用ANSYS 對(duì)SCR 反應(yīng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，可以有效分析反應(yīng)器整體和局部的應(yīng)力和變形分布情況，對(duì)于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。同時(shí)，由于SCR 反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)形式上具有一定的通用性，可以利用APDL 語言編寫反應(yīng)器整體結(jié)構(gòu)從建模到后處理分析程序，可極大提高計(jì)算和分析效率。

2)通過對(duì)SCR 反應(yīng)器整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析可以看出，由于催化劑模塊下部設(shè)置了兩道縱向支撐梁，導(dǎo)致催化劑模塊橫向支撐梁的應(yīng)力和變形出現(xiàn)中間梁向兩邊梁遞減的趨勢，催化劑模塊支撐立柱存在同樣應(yīng)力和變形分布狀況，在設(shè)計(jì)中可以考慮適當(dāng)?shù)馗淖冎瘟汉椭瘟⒅慕孛嬉?guī)格，使得設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理。

3)由于煙氣對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有一定的腐蝕，在實(shí)際設(shè)計(jì)中要預(yù)留一定的余量［4］。另由于反應(yīng)器本體多使用焊接H 型鋼，ANSYS 靜力分析無法直接對(duì)梁柱的局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定進(jìn)行分析，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，需要按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］要求進(jìn)行核算。

［1］GB 50009—2006，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［2］DL/T 5121—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］.

［3］宋 波，李春霞.考慮支架變形影響的大型脫硝反應(yīng)器及煙道結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(1):138-140.

［4］軒轅詩威，周成立.哈鍋SCR 反應(yīng)器鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡介［A］.中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)鍋爐鋼結(jié)構(gòu)分會(huì)論文集［C］.2009:151-152.

［5］GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.