某脱硫脱硝装置烟道支架基础改造设计方案比选

刘立杰

摘 要：对某脱硫脱硝装置烟道支架基础改造方案进行比选。尝试采用一种既安全合理、又节省资金、缩短工期的设计方案，以保证烟道系统改造如期完成。

关键词：烟道支架；基础改造

随着我国国民经济的高速增长，对能源需求的增加，燃煤、燃油及炼油等过程形成的SO2排放量日益增加，酸雨和SO2污染逐年增加，严重危害居民健康，破环生态环境。因此环保部对“十二五”期间各污染物的排放做出了更严格的控制，对SO2、氮氧化物的排放限值要求更加严格。烟气除尘脱硫脱硝技术是减少烟气中粉尘、SO2和NOx排放的有效方法。减少烟尘污染，提高环境质量，国内已经建成的燃煤电厂、石油化工企业纷纷新增烟气除尘、脱硫脱硝装置。

由于烟气脱硫脱硝设施多为新增，场地条件狭小。一般炉后管道、管线、设备等布置都比较紧凑，土建设计时没有预留脱硫脱硝载荷量，且地下基础、管线众多，给烟道支架基础改造设计带来很大困难。现就某烟气脱硫脱硝装置烟道支架基础改造方案选择进行阐述和分析，以供类似工程设计参考。

1 工程概况

某石化企业220万吨/年催化裂化装置配套新建烟气除尘、脱硫脱硝设施。原催化裂化装置烟气系统烟道直径为3000mm，烟气由两台余热锅炉出口经烟道至烟囱直接排放，沿烟道共设六个钢烟道支架，均为框架支撑形式，顶标高为6.800m，平面尺寸分别为3.2m×4，3.2m×4.5。烟道沿马路布置，中心距馬路边平面距离为4.7m。

新建烟气除尘、脱硫脱硝装置的烟气自两台余热锅炉出口烟道引出，正常工况下经锅炉出口水封罐后汇合，进烟气脱硫水封罐后再进电除尘器除尘。当电除尘器或烟气脱硫脱硝系统故障时，烟气不进除尘脱硫脱硝系统，改经烟气排烟囱水封罐进烟囱直接排放。烟道直径由余热锅炉出口处3000mm经水封罐后变为3400mm，沿烟道需设五个烟道支架用以支撑四个水封罐和烟道，顶标高改为11.100m，平面尺寸为6m×6。其中两个烟道支架位于烟囱和除尘器之间的空地上（为新建），其余由余热锅炉至烟囱的三个烟道支架和原有支架位置重合。由于新的烟道顶标高较高又增加水封罐，故原有烟道支架不可用，需重新布置，设计的难点和重点是后三个烟道支架基础的设计。由于业主要求原催化裂化装置既定开车日期不变，由余热锅炉至烟囱的烟道系统改造工期只有短短三个月的时间。为避免影响整个催化裂化装置的开车运行，选择一种既安全合理、节省资金、又缩短工期的基础改造设计方案尤为重要。

原烟道支架基础采用水泥粉煤灰碎石桩复合地基（CFG桩复合地基），桩径400mm，1.35m正方形布桩，桩顶标高EL-2.900m，桩体混合料立方体抗压强度≥15N/mm2。基础持力层为第⑤层粉质粘土层，桩长约7米，进入持力层1.0米，单桩承载力特征值Ra≥230KN，复合地基承载力特征值fspk≥220KPa。地基采用整片处理方案，范围满足新增基础要求。所有烟道支架由六个6m×7的筏板基础构成，基础厚800mm，底标高EL-2.500，基底设300mm厚褥垫层，配双层18@150钢筋网。混凝土柱脚短柱1m×1，基础短柱顶标高EL0.100m。基础已施工完成，土方也已回填但上部钢结构还未安装。

2 工程地质及水文地质条件

2.1 工程地质

2.1.1 该装置场地

地貌单元属太行山山前冲洪积平原，地层上部为第四系冲洪积物，下部为第三系粘土岩和砂砾岩，详堪报告揭示场地土层自上而下分为8个分层：

（1）层粉质粘土：属黄土状土，压缩性较高且具有轻微湿陷性，不宜直接作为天然地基持力层，若必须采用时，应进行地基处理。fak=120（kPa），Es=5.5（MPa）。

（2）层粉土：土质较好，压缩性较高，可以作为天然地基持力层，但应进行软弱下卧层（③层粉质粘土）的强度与变形验算。fak=150（kPa），Es=6.6（MPa）。

（3）层粉质粘土：塑性较高，土质较软，是本场地相对较软弱的地基土层。fak=120（kPa），Es=5.5（MPa）。

（4）层粉质粘土：土质一般，承载力中等，压缩性相对较高，是本场地相对较好的地基土层。fak=160（kPa），Es=6.4（MPa）。

（5）层粉质粘土：土质较好，分布稳定，是相对较好的地基土层，可作为短桩的桩端持力层。fak=200（kPa），Es=8.9（MPa）。

（6）层粉质粘土：土质较好，是良好的地基土压缩层。fak=160（kPa），Es=6.4（MPa）。

（7）层粉土：密实状态，土质较好，分布稳定，承载力较高，可作为中长桩的桩端持力层。fak=210（kPa），Es=10（MPa）。

（8）层细中砂：密实状态，土质好，可作为中长桩的桩端持力层。fak=250（kPa），Es=25.4（MPa）。

2.1.2 CFG桩复合地基设计参数见下表：

2.2 地下水条件

地下水埋藏很深，地质勘察期间33.0米深度范围内未见地下水。

2.3 场地和地基地震效应评价

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）附录A，本场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第二组。地基土类型属中硬土，场地类别为Ⅱ类。建筑场地属对建筑抗震一般地段。

3 基础改造设计方案比选

新的钢烟道支架平面尺寸为6m×6，分两层。第一层标高6.200m，用来支撑直径4500mm的水封罐；第二层标高为11.100m，支撑水平布置的烟道。新支架与旧支架相比，由于烟道直径变大，柱距增加，顶标高由6.800m改为11.100m，又增加了水封罐荷载（充水重120t），自重及风荷载对基础的作用增加较多。通过对地下管网图纸的梳理后发现马路边有一根DN400的消防水管，中心标高EL-2.100m，距烟道中心4.2m。

烟道支架基础改造有三种方案：一是将既有基础拆除，根据新支架的要求重新进行基础设计；二是利用既有基础，采用加大基础底面积法对原基础加固改造；三是在既有基础顶面新增厚板，与原基础组成一个上大下小的不规则筏板基础。

经过现场调研后进行方案比选：方案一，拆除既有基础开挖较深，需大型破碎机械台班，拆除工作量和垃圾清运量大。基础下面的褥垫层需重新铺设。新基础设计、施工时需避开旁边的消防水管，造成施工周期长、造价高，不能保证工程进度。

方案二，要加大基础底面积，需在原基础四周植筋，开挖较深，需专业队伍施工，要求有一定的操作面。局部新增基础设计、施工时需避开旁边的消防水管。优点是只需拆除原基础短柱，拆除工作量小。缺点是植筋处与新柱脚短柱钢筋垂直交叉，混凝土浇筑难度大，不利于搅拌和振捣。施工周期较短，造价较高。

方案三，仅需拆除原基础短柱，不用植筋且开挖深度浅，施工时能避开消防水管。此方案需进行充分的论证与准确的计算，虽然设计工作量增加，但施工简单，周期短且造价最低。

综合以上因素显然方案三较为理想，但前提条件是既有基础及地基的承载力要满足新的荷载要求，需复核计算后才能确定此方案是否可行。

4 基础、地基承载力复核

钢支架设计时采用PKPM系列的STS钢结构计算程序建立三维空间计算模型进行分析，按新的荷载条件计算柱脚荷载，同时考虑工艺荷载、风荷载、地震荷载等不同工况的组合。现仅就其中离烟囱最近的一个烟道支架基础为例进行复核阐述。

4.1 CFG桩复合地基复核

4.1.1 单桩竖向承载力特征值复核

Ra=upqsili+αpqpAp

=3.14×0.4×（25×2.07+22×1.8+29×1.4+33×1）+1.0×（3.14×0.42/4）×400

=257.41kPa>230kPa.

4.1.2 复合地基承载力特征值复核

de=1.13×1.35=1.53m，m=d2/de2=0.42/1.532=0.068，fspk=λm + fsk

=0.8×0.068×230/0.1256+0.9×（1-0.068）×200

=267.4kPa>220kPa.

4.1.3 桩身强度复核

fcu≥4λRa/Ap=4×0.8×230×103/125600=5.86N/mm2

fcu≥4λRa/AP[1+γm（d-0.5）/fspa]=5.86×[1+18×（1.9-0.5）/220]=6.6<15 N/mm2.

通过以上复核计算，原复合地基承载力达到取值要求。

4.2 基础重心校核

由于新旧基础均对称于X轴，故只需校核X向基础重心。上部构件传至四个基础短柱的荷载标准值分别为：605KN、567KN、598KN、560KN。

经计算原基础自重G1=840KN，新增厚板自重G2=1686KN，基础重心X0=ΣGiXi/ΣGi=[840×4.6+1686×4.3+（598+560）×1+（605+ 567）×7]/（840+1686+598+560+605+567）=4.22m，所以X向基礎重心偏心距e=4.3-4.22=0.08m<0.1W/A=0.12m.满足要求。

4.3 基础验算

基底荷载内力标准组合值最不利为X向风荷载作用下数值为：FK=2330kN，

Vx=214kN，Vy=0kN，Vx=214kN，Mx=0kN·m，My=-40kN·m，H=2.6m。

基底压力：pk=（FK+GK）/A=4856/（6X7）=115.6kN/m2

pkmax=（FK+GK）/A+MX/WX+MY/WY=126.2<1.2fa=264kPa

pkmin=（FK+GK）/A-MX/WX-MY/WY=105kpa<1.2fa=264kPa

原基础承载力和配筋（配筋计算略）满足要求。

综合考虑各种因素并通过以上复核计算，最终确定采用方案三对原烟道支架基础进行改造设计。

5 结语

对既有基础进行改造设计，选择一种技术合理、易于操作、工期短、造价低的方案，不仅要考虑上部结构类型、荷载特点，分析地质勘察资料，还要结合工程场地实际情况。本装置采取在原基础顶部上覆厚板的设计方案，充分利用原有地基和基础的承载力，克服工期短和施工操作界面狭小的困难，以较低的造价解决了上部荷载增加较多的问题，并满足了业主对催化裂化装置如期开车的要求。经过几年的运行，烟道支架结构工作正常。

参考文献

[1] GB50007-2011.建筑地基基础设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2] GB50010-2010.混凝土结构设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] 吕宏俊，600MW机组脱硝改造基础加固方案分析[J].电力科技与环保，2012（12）.