脱硝改造工程中锅炉尾部钢结构的设计方案

曲 乐

(上海电气斯必克工程技术有限公司，上海 200090)

脱硝改造工程中锅炉尾部钢结构的设计方案

曲 乐

(上海电气斯必克工程技术有限公司，上海 200090)

在脱硝改造工程中，需将SCR反应器设置在锅炉尾部烟道内，以降低氮氧化合物的排放浓度。在某型机组的脱硝改造项目中，为反应装置设计了支撑钢结构，以满足结构承载的需要。通过实例，阐明了锅炉尾部钢结构的设计思路。

锅炉； 脱硝； 反应器； 钢结构； 加固； 设计； 改造

0 概 述

华能福州电厂二期机组有2台国外公司设计的350 MW锅炉。脱硝改造工程的主要目的，是在锅炉尾部设置SCR反应器，以降低氮氧化合物的排放浓度，进而达到气体排放的环保要求。通过实例，从结构布置方案和加固原有结构等方面，阐述在脱硝改造工程中，对锅炉尾部钢结构的设计思路。

1 结构布置方案

改造前的锅炉尾部侧视图，如图1所示。经过现场调查和技术分析，并进行了风险评估。优化后布置方案， 是在空气预热器与电除尘器之间， 设置SCR反应器。此种SCR布置方案，要求脱硝钢结构也要相应布置在空气预热器与电除尘器之间的区域。但根据现场勘查测量，锅炉最后一排柱子，即图1中的M排柱子与电除尘器最前面一排柱子之间的间距很小，约为7 m，而SCR反应器催化剂模块的排列方式，如图2所示。安装工艺要求的空间深度为6.4 m，致使烟道尾部的改造空间很狭小，且空气预热器至电除尘器之间的烟道内，并没有独立的支撑钢结构。

图1 改造前侧面视图

图2 催化剂模块示意图

基于这些原因，新的反应器支撑钢结构，不得不统一考虑对锅炉尾部钢结构以及电除尘器入口烟道的支撑钢结构进行改造。较为可行的方案，是利用原锅炉钢结构的最后一排柱子，即M排柱子，并在电除尘器前排柱子前，新设置一排柱子(共3根)，然后通过核算锅炉尾部钢结构的承载力，得出锅炉尾部钢结构的改造方案。改造后的锅炉尾部侧视图，如图3所示。由于拥有较为完整的烟道资料，因此，改造方案将立足于新老钢结构的整体改造和组合设计。

图3 改造后侧面视图

根据二期锅炉尾部的布置方案，将SCR反应器入口烟道部分布置在空气预热器的上方，原二次风道的连接烟道部分整体向上移动。因此，空预器上方的原烟道支吊架、导向装置、吊架梁，以及尾部钢结构上方的轻型屋顶均需拆除，仅保留主立面即L排立面的柱子、梁及垂直支撑架，为新增设备留出布置空间。在构件拆除之前，对原结构进行了核算，分析了构件拆除后对保留结构产生的影响。必要时，给出临时加固方案。在保留部分原结构的基础上，根据新增设备及结构改造的需要,增加新的构件，并对保留结构进行改造。确定结构方案后，对新增钢结构进行建模计算，并对原钢结构进行强度核算，确保钢结构在改造后的安全有效。

钢结构改造的重点区域是M排立面，如图4、图5所示。标高零米至30.445 m的钢结构，是原有的钢结构。标高30.445 m至46.5 m的结构，是新增钢结构。由于布置SCR反应器出口烟道的需要，需将原结构在标高21.5 m至30.445 m之间的斜支撑构件全部拆除，这样就改变了钢结构原来的受力。可行的解决方案，是在标高10.5 m至30.445 m局部区域内，增加立柱和斜撑，既保证了结构传递垂直荷载和水平荷载的连续性，也增加了最外侧2根柱子的刚度。改造后，21.5 m钢梁作为SCR出口烟道及旁路的支撑梁，30.445 m钢梁作为SCR反应器支撑梁。上部新增结构的主要功用，是提供反应器设备的操作平台。

图4 改造前M排立面图

图5 改造后M排立面图

在改造工程中，由于锅炉尾部空气预热器至电除尘器之间的空间狭窄，限制了SCR反应器支撑钢结构的布置空间，成为改造工程中的技术瓶颈。为了节约空间，在二期工程的整体规划中，将空气预热器的位置向炉后方向延伸一跨距离，并将M排钢架作为空气预热器与电除尘器入口烟道的共同支撑结构。这样的设计思路既节省空间，又节约材料，还充分考虑了将来的环保改造空间。

2 对原有结构的加固

确定钢结构的改造方案后，需要校核原锅炉钢结构的强度。对于不能满足新增设备荷载要求的原构件，必须对其进行加固，以提高其承载力。通过对技术资料的分析，对原钢结构进行改造加固后，可满足新增荷载的需求。在M排立面结构中，21.5 m钢梁作为SCR出口烟道及旁路支撑梁，30.445 m钢梁作为SCR反应器支撑梁，故该两处标高的钢梁需要加固。在标高30.445 m至46.5 m处，新增了设备及立面结构，故在原钢结构中，所有的立柱均需加固。

根据现场结构的受力状态、构造及施工条件，并考虑原有的连接方法，本改造工程选择加大原结构构件截面和连接强度的加固方法，施工状态为负荷加固，加固件的连接采用焊接连接，在有特殊要求的连接处，采用焊接和高强度螺栓共同受力的混合连接。施工前需要对原结构增加临时支撑。

2.1 构件的截面加固形式

对于受弯构件，可增大钢梁的截面，采用图6中的截面形式。对于压弯构件，增加了柱子的截面，采用图7中的截面形式。

1-原截面；2-增加截面

图6 受弯构件的截面加固形式

1-原截面；2-增加截面

图7 受压构件的截面加固形式

2.2 原钢结构与加固件的连接

在原钢结构中，构件的连接主要采用高强度螺栓连接。在改造方案中，首选的加固方式，为焊缝连接+螺栓连接。以焊缝承受全部作用力。设计的节点连接，不考虑焊缝与原有连接件的连接关系，原有结构的连接件不予拆除。当原有结构的个别连接点不具备焊接加固条件时，可采用合适直径的螺栓，对原有螺栓进行更换。在这种情况下，施工时会遇到拆除原结构中的受力螺栓、扩大原有螺栓孔径，因此，除了计算原有加固连接件的承载力外，还必须校核板件的净截面面积的强度。

加固件与被加固结构间的连接，应根据受力要求，经过计算，并考虑构造和施工条件后确定。加固件的焊缝、高强度螺栓的连接计算，按照钢结构设计规范(GB50017-2003)的规定进行计算，但对于焊缝强度设计值应乘以0.85，其它强度设计值或承载力设计值应乘以0.95的折减系数。

2.3 受弯构件的加固

在主平面内受弯构件的加固，按照公式(1)，计算抗弯强度：

(1)

式(1)中，Mx、My—绕加固后截面形心x轴和y轴的加固前弯矩与加固后增加的弯矩之和；Wnx、Wny—对加固后截面x轴和y轴的净截面抵抗矩；γx、γy—截面塑性发展系数，根据截面形状按钢结构设计规范(GB50017-2003)，受弯构件加固强度折减系数ηm取0.9；f—抗弯强度设计值。受弯构件截面的抗剪强度τ，按标准计算腹板的抗剪强度。计算时，钢材强度值取计算部位的强度设计值。组合截面梁的翼缘和腹板按照钢结构设计规范(GB50017-2003)第4.2和4.3条进行稳定计算，其宽厚比应符合9.1.4条的规定。

2.4 轴心受力和压弯构件的加固

对于轴心受力构件，采用对称截面的加固形式，其轴向力的计算：

(2)

式(2)中，An—加固后构件净截面积；f—构件强度设计值；ηn—轴心受力加固构件强度折减系数。ηn=0.85-0.23σ/fy，其中：σ为构件未加固时的名义应力。当无初弯曲和损失时，其整体稳定性按照公式(3)进行计算：

(3)

式(3)中，N—加固时和加固后构件所受的总轴向力；φA—轴心受压构件稳定系数。

压弯加固构件的截面强度计算：

(4)

式(4)中，N、Mx、My—分别为构件承受的总轴心力，绕x轴和y轴的总弯矩；An，Wnx，Wny—分别为计算截面净截面面积，对x轴和y轴的净截面抵抗矩；ωtx、ωty—构件对x轴和y轴的总挠度，ηem—压弯加固构件的强度折减系数，当N/An≥0.55fy时，取ηem=ηn，其它取0.9。考虑弯矩作用在对称平面内，其稳定性按照公式(5)、(6)进行计算：

(5)

(6)

式(5)、式(6)中，φx、φy—对强轴和弱轴的轴心受压构件稳定系数；φox，φoy—均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数，箱型截面取φox=φoy=1.4，工字形截面取φoy=1.0，φox按钢结构设计规范(GB50017-2003)附录一计算；Mx，My—所计算构件对强轴和弱轴的最大弯矩；Nex，Ney—构件对x轴和y轴的欧拉临界力；ωx、ωy—构件对x轴和y轴的初始挠度与焊接残余挠度的和；W1x、W1y—对强轴和弱轴的毛截面抵抗矩；βmx、βmy—等效弯矩系数，按照钢结构设计规范(GB50017-2003)第5.2.2条第一款选用；βtx、βty—等效弯矩系数，按钢结构设计规范(GB50017-2003)第5.2.2条第二款选用。

3 结构焊接与施工要求

根据负荷对钢结构加固时，应按照加固工艺，尽可能减小因焊接加热，扩孔等引起的影响。为此，必须制定详细的加固施工工艺和技术条件，并据此，对隐蔽工程进行施工验收。

在改造工程中，采用了焊接加固和加大截面法。当结构原有的最大名义应力|σ|≥0.3fy，可将加固件与被加固件沿全长互相压紧，采用20～30mm间断焊定位(间隔300～500mm)，再由加固件端向内分区段施焊(每段不大于70mm)，依次施焊，在区段内的焊缝完成后，应间歇2～5min再焊接。对于有对称截面的连接焊缝，应平行施焊。有多条焊缝时，应交错顺序施焊。对于两面有加固件的截面，应先施焊受拉侧的加固件，然后，施焊受压侧的加固件。对一端为嵌固的受压构件，应从嵌固端向另一端施焊。若为受拉杆，则应从另一端向嵌固端施焊。

4 结 语

在改造工程中，施工顺序为先加固后拆除，可确保加固件与被加固件的连接性能，同时，还防止了钢结构产生变形，维持了构件的稳定性。

[1]GB50017-2003.钢结构设计规范[S].

[2]CECS77-1996.钢结构加固技术规范[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

曲乐(1981-)，男，学士，工程师，毕业于天津大学，从事火力发电设备的结构计算及设计工作。

TK225

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