电厂改造中锅炉钢结构加固的设计应用

张茂园

（东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 成都 611731）

随着技术的更迭以及各方面要求的提高，火力发电厂需要进行必要的改造，而锅炉钢结构作为支撑结构，也势必进行相应的改造，以确保结构安全，并使得经济指标满足改造需求。

1 火电厂锅炉钢结构改造的常见形式

（1）增加脱硝设备进行的改造。我国能源消费以煤为主，约有90%二氧化硫、67%氮氧化物、70%烟尘排放量来自煤的燃烧，其中燃煤锅炉等烟气排放污染最为突出。煤燃烧生成的NOx以NO为主（90%以上），其次为NO2，容易造成酸雨等危害，对人的健康也有很大影响，因此必须进行脱硝处理。治理措施主要分为燃烧过程控制和燃烧后烟气脱硝技术，增加脱硝设备就属于后者，钢结构改造主要是针对后者进行最后一排结构体系增加脱硝荷载的加固。

（2）燃烧器改造。由于煤种变化或燃烧效果不理想等问题，为提高锅炉燃烧性能，有针对性的对燃烧器进行改造，主要是对燃烧器进行风量的调节。此类改造往往是通过微调的手段，改造量不大，对钢结构的影响主要是周围平台的通行问题。

（3）旁路烟道改造。对烟气流量的调节以及循环利用，也是提高热效率的常用方法。由于旁路烟道的尺寸较大，在原有的结构中难以完整的避开，这就需要改变原有结构以适应新增加的烟道。

2 锅炉钢结构改造的主要设计步骤

（1）电厂相关资料收集。电厂改造一般是运行几年以后进行，因此常作为一个独立的项目进行招标。如果不是原设计单位中标，就涉及收资的问题。通常是由主要的专业负责人到电厂进行实地考察，拍回相关图纸以及实物的照片，这些内容越详细，对后期设计越有利。

（2）确定改造方案。电厂锅炉房中的设备及管道众多，常常牵一发而动全身，这就需要在改动前各专业详细配合。收资完成后，由需要改造的专业提出一个大致的改造方案，各专业负责人根据收集到的资料情况配合该方案并提出意见，经过多次配合确定一个具体的方案。

（3）具体设计。方案确定以后，按照方案及其他专业提资对原结构进行校核，确定其承载能力，并根据校核结果进行详细设计，出具相应的施工图纸。

3 钢结构的加固原则

钢结构加固要考虑的因素很多，应从施工方便、不影响生产、经济合理、效果好等方面来选择，主要有以下几方面原则。

（1）加固时应尽量按不停产或少停产设计，因为停产一天就会给电厂造成很大的经济损失，往往是加固费用的几倍或几十倍。

（2）加固方案要便于制造、施工以及检查。

（3）结构件的制造组装要尽量在厂内完成，尽量减少现场工作量。

（4）连接加固采用焊接时，实际荷载产生的原有杆件应力最好在钢材设计强度60%以下，极限不得超过80%，否则应采取相应的措施才能施焊。

4 锅炉钢结构改造的具体加固设计

钢结构设计主要基于《建筑结构荷载规范》、《钢结构设计规范》、《建筑抗震设计规范》、《锅炉钢结构设计规范》、《锅炉钢结构设计的规范》及《火力发电厂土建结构设计技术规程》等作为设计及结构布置基本特点，以H型截面为对象进行详细介绍。

（1）原结构的承载能力校核。在加固设计之前，先进行对原结构进行承载能力校核，以确定需要加固的具体杆件。若是原设计预留了荷载的，则要判断预留荷载是否能够满足新增的荷载。校核一般是由原设计单位进行的，只需要将原有的计算模型进行调整，即可得出计算文件。

（2）具体的加固方法。

①柱的加固。当原柱子截面承载力不够时，需要对柱进行加固，主要从稳定性和强度两个方面入手。柱的稳定性分为平面内稳定和平面外稳定，其计算公式为N/ψA≤f，ψ为整体稳定系数，与杆件长细比λ和钢材屈服强度有关。在同截面同材质的情况下，长细比越大，整体稳定系数越小，杆件承载能力越小。由此可见，长细比是控制稳定性的一个重要因素，其计算公式为λ=μl/i，在杆件截面不变的情况下，减小柱的计算长度l是一个立竿见影的方法。通过在两个主层之间做立面桁架，为柱子提供有效的侧向支撑，能够达到减小柱计算长度的目的。若柱子的自身强度不满足，根据公式б=N/A可以看出，需要增加柱子的承载面积，常常考虑在柱子翼缘外侧贴钢板或型钢的方法，如图1。

图1

当然，除了纯交接的结构以外，柱子一般是作为压弯构件，这种情况下还需要将弯矩和轴向压力综合计算考虑。

②梁的加固。梁作为主要的受弯构件，在增加设备荷载后，或原平面布置的侧向支撑由于新增设备专业空间而取消的原因，可能导致其自身的强度及挠度不足需要加固，主要从强度、刚度、稳定性三方面考虑。常用的方法有以下几种。

一是在满足梁腹板高厚比的基础上，增加梁的高度，以增加梁的惯性矩和抗弯截面模量，从而提高梁的承载能力并减小变形。常采用的方法有在梁的下翼缘部分或通长焊接T型钢、钢板。如图2。

二是在梁的侧面增加钢板，将梁的截面做成类似箱型，以增加其弱轴方向的抗弯模量，增强其稳定性；

三是空间允许的条件下，在梁的一侧增加有效的侧向支撑，以减小梁的计算长度，增强其稳定性。

③节点的加固。电厂锅炉房钢结构的连接一般常用高强螺栓连接，当节点螺栓验算不够时，现场焊接是有效又简便可行的加固方法。增加的焊缝需要按栓焊节点同时满足来验算，即螺栓和焊缝各自分别满足承担百分之七十的荷载，同时满足共同承担百分百的荷载。若原节点增加焊缝还不能满足，则要考虑增加连接板等形式。

图2

5 对现场施工的要求

（1）施工顺序的要求。

①若需要对原有结构进行拆除，必须在新的结构加固完整以后再进行拆除，否则可能引起整个结构的失稳破坏。

②所有新的加载以及设备的安装，必须在钢结构加固完成后进行。

（2）焊接的要求。由于现场焊接具有施工简便、成本相对较低的特点，钢结构加固通常采用其作为连接方式。但是原结构基本已经受载，在此情况下，焊接时要采取相应的措施如热处理等，来避免应力集中现象。

6 结语

纵观近年来电厂锅炉房钢结构改造的发展与应用，树立整体的结构观念，确定合理的改造方案至关重要。它是电厂改造中锅炉钢结构的加固设计的基础，也是实现降低改造成本、节约改造工期的根本途径。负荷情况下对构件进行更换或加固有一定的施工困难，寻求经济高效的钢结构加固技术是土木工程领域亟待解决的技术问题。改造后的结构能够在最大程度上利用原有结构，并且满足最新的使用功能。