浅谈烟气脱硝反应器钢结构设计

赵骥 杨俊

摘 要：本文结合笔者从事的两个火力发电厂脱硝项目的土建设计，脱硝项目中的主要设计工作有钢支架及基础设计、反应器设计、制氨区的设备基础的设计；针对这几项设计中钢支架比较高大、而且荷载比较大，一般高度在50米到80米，支撑在上面的荷载在3000吨以上，探讨这个脱硝反应器的钢结构设计思路。

关键词：烟气脱硝；钢结构；反应器设计；钢支架

引言

近年来国内一些新建大机组已与机组同期建设了脱硝装置，在脱硝装置项目中的主要设计工作有钢支架及基础设计、反应器设计、制氨区的设备基础的设计。在这几项工作中钢支架比较高大，一般高度在50米到80米；荷载多样而且又比较大，支撑在上面的荷载在3000吨以上。但结构受力较明确，就是一般的钢框架结构，设计起来较为方便；制氨区的设备基础也是比较常见的设计；但反应器是实现烟气脱硝工艺的主体结构，通常为大型薄壁壳体钢结构，其是一个荷载较大、温度较高、结构较为复杂又要通烟的一个容器，而且由于工艺原因同时还受有地震、温度荷载作用。目前对于脱硝反应器的结构设计并没有完善的设计理论，在生产制造时构件截面尺寸都具有较大的保守性和与盲目性，从而造成材料的很大浪费。现结合笔者参与两个火力发电厂脱硝项目的土建设计工作，探讨脱硝反应器的设计思路，为设计部门提供科学可靠的设计理论依据，具有非常重要的工程和实际意义。

脱硝反应器钢结构设计概况

脱硝装置进口是省煤气，出口是空预气，就是安装在省煤气和空预气间的一个反应装置。它是从省煤气出来的烟气进入到脱硝装置的前部分烟道，在该处喷入纯氨与烟气中的氮氧化物(硝)反应，再经过催化剂加快和促使其反应，将氮氧化物去掉后的洁净烟气进入空预气，这就完成了整个脱硝反应过程。装催化剂的容器行业内统称反应器。反应器的设计的位置一般在高约50米的钢支架上。一般一台100万机组需要两个反应器，每个反应器长约16米，宽约15米，高约27米，下部带成锥形的长方体，每个反应器竖向荷载有催化剂的重量约500吨，积灰荷载约200吨，自重约350吨，再加上壳体保温、吹灰器等其它荷载250吨，总竖向荷载约1300吨；水平力在反应器进出口与烟气流向相反的与进出口面积成正比的一个作用力，该作用力的大小为进出口面积×5.8kPa。其它水平力根据当地风荷载和地震确定，反应器内需承受烟气压力±5.8 kPa，烟气的温度在320°-427°，结构类型全部采用钢结构。

反应器壳体是包含催化剂的外部结构，主要由框架钢结构、钢板焊接而形成密闭的空间。为了防止烟气的散热，在反应器内外护板之间布置保温材料。同时，为了能有效地支撑催化剂，在每层催化剂的下面布置有支撑钢结构梁，将催化剂模块成排布置在支撑梁上。在反应器的入口设置气流均布装置，反应器内部易于磨损的部位设有防磨措施。内部各种加强板及支架均设计成不易积灰的型式，同时将考虑热膨胀的补偿措施。在反应器壳体上设置更换催化剂的门、人孔门和安装声波吹灰器的孔。

客户层：使用混合HTML / 动态HTML ( DHTML , ynamicHTML)/JavaScript 的方法构建客户层，用来显示数据，在该层用户可以输入和更新数据。

表示层：该层生成Web 页面和Web 页面中的动态内容，该动态内容由业务逻辑层产生，使用Servlet 和Java 服务器页面(JSP)来构建。

业务逻辑层：该层是系统中最重要的一部分，在该系统中采用EJB来实现业务逻辑，EJB容器提供了可以解决安全性、资源共享、持续运行、并行处理、事务完整性等复杂问题的服务。采用EJB来实现业务逻辑层，是一个安全的、可靠的和高性能系统的保证。

数据层：负责数据管理，该系统采用Oracle 数据库。

4SOA技术架构

电力企业经过十几年的信息化建设，生产管理业务已具规模，信息系统不仅覆盖了企业的日常业务管理和社会服务功能，而且在支撑业务方面也达到了较高的实用化水平。但由于这些系统是在不同时期构建的不同类型的业务系统，由此形成的一个个“信息孤岛”限制了业务之间的横向连接，造成了业务运营缺乏灵活性，很多新的业务开展不起来，工作流的贯通需要应用面向服务体系架构，以实现工作流的数据传递、实时共享。

有很多企业的IT得益于使用SOA实现的旧资产激活。在业务方面第一位的需要是从现有资产和系统创造新的价值，通常这需要利用新的业务过程和复合的应用程序（例如，门户应用程序）来实现。SOA可以帮助客户实时地访问先前的批处理事务，由此提高做出业务决定的速度和准确性。通过SOA来重复使用关键业务数据和应用程序有助于提供更好的客户服务，从而提高这些客户保持率。

SOA 通过清晰的定义和松散的耦合提高了灵活性。在SOA的技术中，所谓的服务是一种“自包含”(self-contained) 的实体，它能够完成独特的业务功能。服务根据 SOA 原则利用现有的中间件实现交互。其充分利用新的开放标准以及 XML 数据定义（Web Services-Web 服务），把两者结合到快速进入市场的解决方案中。

5信息支撑模型设计

5.1基于组件设计

组件结构是一个基于Java的，分布式计算框架，它将可再使用的面向对象的组件同一个健康可靠的实施环境结合起来，以提交多应用的协作。

5.2 工作流技术分析

现代企业管理通常围绕一个或多个业务流程展开企业的各种活动和各项日常工作。通过业务流程协调企业各种物质和人力资源，利用计算机以流程驱动的工作流技术应运而生。

工作流就是在一个业务处理过程中的信息流和控制流。信息流就是部门之间传递的各种文档、消息和数据。控制流决定了在哪些部门、那些人之间传递信息，以及传递的次序。工作流系统的任务就是高效地管理公司业务处理过程中的这种信息流和控制流。

5.3权限控制的方式设计

系统的权限控制方式分为两种：第一种是基于类级别的控制，也称功能权限控制，包括菜单功能和操作功能。第二种方式是基于对象级别的控制，也就是数据权限控制（只有指定的人才可以接触到指定的数据）。结合以上两种方式系统管理员可以通过设置用户、部门、角色、操作来定义用户的操作权限和数据权限，对系统中每一个操作的权限均可以进行设定。通过权限的设置，使信息系统在使用方便性和系统安全性上得以高度的统一。

6工作流管理实施方案

电子化作业表单采用信息化的手段实现对生产过程中“规范化管理、流程化运作”，对生产过程中可能存在的风险进行全程监控，实现对现场安全生产工作的监控，控制现场作业质量，彻底为班组减负，从而保证公司各项安全生产管理工作的良性循环和持续改进，提升公司安全生产的信息化管理水平，实现公司安全生产长效机制。

以生产计划为主线的生产业务流程中，在业务工作计划性管理基础上，实现作业风险评估，达到作业过程中的风险正确识别和及时预防。实现通过作业表单生成试验报告、检修结果等业务作业成果性输出文档，对设备状态评价的提供有力数据支撑，实现设备风险精确性评估，从而达到通过风险评估确定设备面临的和可能导致的风险，为输变电设备运行、维护、检修、试验、技改等生产工作的决策提供依据。实现生产业务PDCA闭环性管理。

工作流信息模型建设需要经历四个阶段：

第一阶段：电子化作业表单执行功能建设。实现表单绘制、上传、审核、修订以及系统运转功能，提供Web端与移动平台执行功能，并能够实时管理移动设备状态。

第二阶段：电子化作业表单信息数据实施同步建设。系统自动统计与相关的业务数据进行关联，并实现数据共享功能。系统通过3G网络、GPS等多种手段，收集作业过程中的地理信息，对班组填写作业表单的过程进行监控。

第三阶段：作业与风险评估信息的数据共享建設。系统根据工作流的任务与环境自动从作业风险及控制措施标准库获取对应的风险控制措施并填写到作业表单，达到对作业过程中的风险正确识别和及时预防。

第四阶段：实施设备状态评价对作业控制的支撑。系统通过电子化作业表单生成试验报告、检修结果、缺陷记录报表、巡视记录、运行日志、安全隐患记录等业务作业成果性输出文档，对设备状态评价的提供有力数据支撑，实现设备风险精确性评估。通过系统分析形成确定设备面临的和可能导致的风险，为输变电设备运行、维护、检修、试验、技改等生产工作的决策提供依据。

7结束语

将SOA技术架构应用到工作流的管控中，能够实现作业过程信息与其他业务系统交互的，构建了作业全过程状态监测系统。系统能够向电力企业可靠性管理、绩效管理、客户服务等提供数据源，并供相关系统的数据二次应用与开发。

参考文献：

[1]安全生产风险管理体系，中国南方电网有限责任公司编著，中国电力出版社

[2]基于SOA模式的企业级应用程序的架构设计，作者：朱明磊、黄磊

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

赵骥 杨俊

摘 要：本文结合笔者从事的两个火力发电厂脱硝项目的土建设计，脱硝项目中的主要设计工作有钢支架及基础设计、反应器设计、制氨区的设备基础的设计；针对这几项设计中钢支架比较高大、而且荷载比较大，一般高度在50米到80米，支撑在上面的荷载在3000吨以上，探讨这个脱硝反应器的钢结构设计思路。

关键词：烟气脱硝；钢结构；反应器设计；钢支架

引言

近年来国内一些新建大机组已与机组同期建设了脱硝装置，在脱硝装置项目中的主要设计工作有钢支架及基础设计、反应器设计、制氨区的设备基础的设计。在这几项工作中钢支架比较高大，一般高度在50米到80米；荷载多样而且又比较大，支撑在上面的荷载在3000吨以上。但结构受力较明确，就是一般的钢框架结构，设计起来较为方便；制氨区的设备基础也是比较常见的设计；但反应器是实现烟气脱硝工艺的主体结构，通常为大型薄壁壳体钢结构，其是一个荷载较大、温度较高、结构较为复杂又要通烟的一个容器，而且由于工艺原因同时还受有地震、温度荷载作用。目前对于脱硝反应器的结构设计并没有完善的设计理论，在生产制造时构件截面尺寸都具有较大的保守性和与盲目性，从而造成材料的很大浪费。现结合笔者参与两个火力发电厂脱硝项目的土建设计工作，探讨脱硝反应器的设计思路，为设计部门提供科学可靠的设计理论依据，具有非常重要的工程和实际意义。

脱硝反应器钢结构设计概况

脱硝装置进口是省煤气，出口是空预气，就是安装在省煤气和空预气间的一个反应装置。它是从省煤气出来的烟气进入到脱硝装置的前部分烟道，在该处喷入纯氨与烟气中的氮氧化物(硝)反应，再经过催化剂加快和促使其反应，将氮氧化物去掉后的洁净烟气进入空预气，这就完成了整个脱硝反应过程。装催化剂的容器行业内统称反應器。反应器的设计的位置一般在高约50米的钢支架上。一般一台100万机组需要两个反应器，每个反应器长约16米，宽约15米，高约27米，下部带成锥形的长方体，每个反应器竖向荷载有催化剂的重量约500吨，积灰荷载约200吨，自重约350吨，再加上壳体保温、吹灰器等其它荷载250吨，总竖向荷载约1300吨；水平力在反应器进出口与烟气流向相反的与进出口面积成正比的一个作用力，该作用力的大小为进出口面积×5.8kPa。其它水平力根据当地风荷载和地震确定，反应器内需承受烟气压力±5.8 kPa，烟气的温度在320°-427°，结构类型全部采用钢结构。

反应器壳体是包含催化剂的外部结构，主要由框架钢结构、钢板焊接而形成密闭的空间。为了防止烟气的散热，在反应器内外护板之间布置保温材料。同时，为了能有效地支撑催化剂，在每层催化剂的下面布置有支撑钢结构梁，将催化剂模块成排布置在支撑梁上。在反应器的入口设置气流均布装置，反应器内部易于磨损的部位设有防磨措施。内部各种加强板及支架均设计成不易积灰的型式，同时将考虑热膨胀的补偿措施。在反应器壳体上设置更换催化剂的门、人孔门和安装声波吹灰器的孔。

图1脱硝反应器结构示意图

脱硝反应器构件设计要求

由于反应器内温度较高， Q235钢材根本不能满足设计要求，只能选用材质更好的钢材，可供选择的有低合金钢和高合金钢，根据力学性能和经济性一般选用低合金钢中的16MnR，锰钢在高于425°C温度下长期使用时，要考虑钢中碳化物相的石墨化倾向，因此在采用16MnR（GB150-1998中所提）钢时，应选用在425°C下10万小时的σ的抗拉、抗压和抗弯强度140MPa，再将其换算成现在现在常用的Q345（GB50017-2003中）钢的抗拉、抗压和抗弯强度127 MPa，从以上可知钢材在高温下钢材的强度折减较多，稳定不太受影响，因此反应器的结构构件在计算时主要受强度控制。

脱硝反应器结构设计

脱硝反应器分四部分一是进口部分、二是飞灰震流器布置区、三是催化剂存储区、四是出口部分，因此分别就这四部分的设计要点进行探讨。

4.1反应器进出口部分结构设计

反应器进口一般是在方型容器的一个壁上开孔，长与反应器长（或宽）相同，高约4米高的孔洞，用膨胀节与脱硝装置前部分烟道（喷氨段）相连（该部分烟道不在本文说明范围内）；出口在反应器底部一个漏斗形状，出口孔洞与进口孔洞面积差不多。进出口上下，与竖向加劲肋和里面支撑催化剂大梁形成框架体系，另在横向设置间距不超过1米的角钢加劲肋。另外，在脱硝反应器设计中，由于进出口未覆盖钢板和加固肋，算是最薄弱的地方，在进出口处设置与进出口一样大小的水平内撑杆，在水平内撑杆的平面内设置双向桁架，以有效地确保在该平面受到外力时能可靠传递；在进口处设置三品竖向桁架，珩架的布置方向同催化剂大梁的布置方向，以满足顶部荷载（雪荷载和自重）能可靠地传递；在出口处中间设置七品竖向珩架将带成锥形的长方体吊于大梁上，两边就是壁与加固肋延伸至出口处。

4.2飞灰震流器布置区

飞灰震流器布置在反应器入口处水平布置，在催化剂顶层的上面，是用钢板做成约80mm×80mm的栅格，高一般在500mm左右，长宽与反应器相同。飞灰震流器的设置主要是将烟气中爆米花式的粉尘打碎，以避免较大的块状粉尘堵塞催化剂。

4.3催化剂存储区

催化剂一般分为三层布置，每层间层高一般在3.5米-4米，每层催化剂约重170吨，根据大部分催化剂的尺寸布置情况，每层一般采用约9根钢结构箱型梁支撑，上面两层每根梁两端与壁铰接，最下面一层每根箱型梁除支撑本层催化剂和积灰外，还要承受上部两层催化剂、积灰、上部和下部壳体重量及其它通过壁传下来的荷载，所有的荷载通过最下面一层9根大梁传于脱销框架上。另外，为了有效地保证搁置催化剂层在受到水平力的时侯，有足够的强度、刚度和稳定性，在每根大梁间按一定间距设置钢管支撑，并在大梁与支撑间的方格中用钢板设置水平剪刀撑；

4.4脱硝反应器结构设计要点

（1）反应器除进出口外均采用6mm厚的钢板覆盖，竖向设置HN300×150加劲肋，间距同支撑催化剂大梁间距，一般在2米（根据催化剂尺寸确定）左右；横向设置HN300×150加劲肋，间距同催化剂和飞灰震流器层高,

（2）在设计过程中可将飞灰震流器布置区和催化剂存储区及进口部分简化成一个单向受力的框架体系，四周的HN300×150竖向加固肋简化为框架柱,上面两层催化剂支支撑梁、飞灰震流器支撑梁和进口竖向珩架上下弦简化为框架梁,四周6mm厚壁板及角钢加劲肋,简化为柱间剪刀支撑,这样就将一个较为复杂的结构简化为一个受力明确,结构简单的框架体系。

（3）出口锥形部分四周壁及加固肋延伸至出口最底部，相当于这一段壁与加固肋吊在最底层催化剂支撑大梁的边梁上，中间用钢管吊于最底层催化剂支撑大梁的中间梁上。这样既可采用手算方式逐根梁、柱及其它杆件复核，也可采用计算机PKPM计算软件进行建模计算。

（4）考虑到反应器由于温度较高，膨胀量较大，每个方向均不能约束其膨胀，只能以铰接的方式支撑于脱销框架梁上。我们经以往类似工程的测量，支座处的温度已在100度以内，在支座处选择聚四氟乙烯板与聚四氟乙烯板的滑动摩擦能满足设计要求。另外，为了能有效地保证反应器在受到风荷载及地震力时不移位，在反应器四周中心线各设置一个限制左右位移的支座。

结语

本文结合笔者从事的两个火力发电厂脱硝项目的土建设计，脱硝项目中的主要设计工作有钢支架及基础设计、反应器设计、制氨区的设备基础的设计；针对这几项设计中钢支架比较高大、而且荷载比较大，一般高度在50米到80米，支撑在上面的荷载在3000吨以上，探讨这个脱硝反应器的钢结构设计思路，为设计部门提供科学可靠的设计理论依据。

参考文献：

[1] 周立．火力发电厂烟乞脱稍反应器合理针算模型探讨[J]．河南建材，2008，26(02)：26～28.

[2] GB 50017-2003．钢结构[S]．

[3] 许谋奎，马人乐．镇江电厂烟气脱硫吸收塔有限元分析[J]．特种结构，2005，22(02)：23～25.

[4] 赵卫星，肖艳云等．烟气脱峭技术研究进展[J]．广东化工，2007，34(05)：59-61.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。