基于SAP2000 的SCR 脱硝反应器设计计算
2019-10-26范孜
范 孜
航天环境工程有限公司，天津 300301
1 绪论
近些年来，在我国电力发电装机容量和发电量中，火电仍然占据着主导地位，然而在燃煤发电过程中，煤的燃烧过程产生的大量氮氧化物会对环境造成污染，危害人类的健康。目前，在国内的环保行业对于脱硝，主要采用的有选择性催化还原法（SCR）、选择性非催化还原法（SNCR）以及两种方法结合使用，其中由于选择性催化还原法（SCR）的效率最高[1]，在国内市场得到广泛的应用。
SCR 脱硝反应器是烟气脱硝工艺中的主体结构，其通常为大型的薄壁壳体钢结构，主要根据催化剂尺寸、数量、布置方式进行结构设计，且其在工作过程中受载比较复杂。本文以某2×150 MW 机组脱硝工程为例，利用SAP2000 建立SCR 脱硝反应器三维有限元模型，在分别考虑各种工作荷载及其组合工况下，分别计算SCR 脱硝反应器的应力和变形并进行分析，为实际的工程设计和优化提供一定的理论依据。
2 实体结构
在本工程中，由于整体空间布局比较狭窄，SCR脱硝反应器与锅炉尾端距离较近，对设计造成了一定的困难，因此其对烟道的布置走向要求比较严格，经过方案优化对比，最终确定SCR 脱硝反应器的相关尺寸为14.4 m×6.42 m×17 m（长×宽×高），其结构如图1 所示。
图1 SCR 脱硝反应器主体结构图
图2 SCR 脱硝反应器柱脚布置图
本工程中的SCR 脱硝反应器主要由立柱、支撑梁、斜撑、型钢加固肋、t=6 mm 的钢板组成，材质均为Q345B，其主要包括三层催化剂支撑梁和一层整流格栅支撑梁，整流格栅层位于反应器的最上面，从上往下分别是第一、二、三层催化剂层。整个反应器结构由12 根立柱支撑，反应器运行过程中所受到的荷载通过壁板、加固肋和支撑梁传给12 根立柱，最终由立柱传至反应器顶部的支撑钢架。
由于SCR脱硝反应器的工作温度通常为300 ～400 ℃左右，当烟气通过反应器时，反应器的温度急剧上升，会产生很大的热膨胀量，若柱脚结构形式和布置不合理，会在反应器和钢架上面产生巨大的结构应力，轻则破坏局部结构，重则会有整体结构破坏的风险，因此，柱脚设计是整个反应器设计的重点，如果在设计和安装过程中一旦出现问题，后果不堪设想。反应器柱脚的布置图和限位形式如图2 所示。
3 有限元模型
本文利用SAP2000 对SCR 脱硝反应器进行建模，在SAP2000 中，主要有线单元、面单元、体单元、点单元。对SCR 脱硝反应器中的立柱、支撑梁、型钢加固肋等均采用框架单元FRAME 单元，而壁板部分采用薄壳单元SHELL 单元。在定义材料的时候，需要考虑温度的影响，根据《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》规定，Q345 钢在350 ℃设计温度下的许用应力为134 MPa[2]。
在SCR 脱硝反应器工作过程中，催化剂支撑梁、整流格栅支撑梁会产生很大的热膨胀量，在支撑梁与反应器之间形成较大的应力。为避免产生危险，在设计的时候，要考虑支撑梁与反应器侧面的连接固定方式，通常的做法是在梁端部与反应器侧面之间留出足够的膨胀空间，因此，在建立模型时，支撑梁端的弯矩应进行释放。
另外，由于SCR 脱硝反应器的入口烟道与反应器刚性连接，其对反应器产生的附加载荷较大，所以，在建模的时候应充分考虑入口烟道的影响，将其与反应器一起建模进行计算分析。SCR 脱硝反应器及入口烟道的有限元模型如图3 所示。
图3 SCR 脱硝反应器整体有限元模型
4 载荷定义
在工作过程中，SCR 脱硝反应器所受的荷载比较复杂，主要有结构自重、催化剂载荷、烟气温度和压力等，另外还有外部的风载荷、地震载荷、积雪载荷作用。根据资料可知，风压值为0.45 KN/m2，雪压值为0.3 KN/m2，地震烈度为7 度0.15 g，催化剂（含积灰）对支撑梁上的载荷值18.5 KN/m，工作压力值取±8700 Pa。
考虑到工作时的复杂工况，分别定义各项载荷的载荷模式，其中自重、催化剂（含积灰）定义为静载，风载荷分为+X，-X，+Y，-Y，地震载荷分为QX，QY，QZ，定义各种工况，以及各种工况的组合，其组合系数参考相关规定进行选取[3]，如表1 所示。
表1 各种工况组合系数
5 计算分析
在钢结构设计中，主要校核验算其强度和稳定性。
抗弯强度控制方程为：
式中Mx、My为同一截面处绕x、y 轴的弯矩；Wnx、Wny为对x 轴和y 轴的净截面模量；γx、γy为截面塑性发展系数；f 为钢材的抗弯强度设计值。
整体稳定性控制方程为：
式中Wx、Wy为接受压纤维确定的对x 轴和对y轴毛截面模量；ψb为绕强轴弯曲所确定的梁整体稳定系数。
初步确定催化剂支撑梁的尺寸，将梁的尺寸分别代入进行分析计算，根据强度和稳定性校核结果，以及梁的挠度选取最优方案。
5.1 方案一
当催化剂支撑大梁采用200 mm×200 mm×10 mm的方钢时，经过分析计算，可知支撑梁受到的轴力N=0；主 弯 矩M22=158 647.8 Nmm，M33=107 508 450 Nmm；剪切力V2=17 840.1 N，V3=62 N，根据强度控制方程和整体稳定性控制方程可得到应力比值为1.07，另支撑梁的最大挠度值为70.1 mm，跨度比为70.1/6420=1/91 大于钢结构规范1 /400 的规定，故200 mm×200 mm×10 mm的方钢不满足要求。
5.2 方案二
当催化剂支撑大梁采用200 mm×300 mm×10 mm的方钢时，经过分析计算，可知支撑梁受到的轴力N=0；主弯矩M22=116 539.4 Nmm，M33=119 194 273.1 Nmm；剪切力V 2=332.3 N，V 3=21.2 N，根据强度控制方程和整体稳定性控制方程可得到应力比值为0.9，另支撑梁的最大挠度值为27.29 mm，跨度比为27.29/6420=1/235 大于钢结构规范1 /400 的规定，故200 mm×300 mm×10 mm 的方钢不满足要求。
5.3 方案三
当催化剂支撑大梁采用200 mm×400 mm×10 mm 的方钢时，经过分析计算，可知支撑梁受到的轴力N=0；主 弯 矩M22=332 914.1 Nmm，M33=120 164 919.4 Nmm；剪切力V2=332.3 N，V3=375 N，根据强度控制方程和整体稳定性控制方程可得到应力比值为0.602，另支撑梁的最大挠度值为13.98 mm，跨度比为13.98/6420=1/459 小于钢结构规范1 /400 的规定，故200 mm×400 mm×10 mm 的方钢满足要求。
5.4 方案四
当催化剂支撑大梁采用200 mm×500 mm×10 mm 的方钢时，经过分析计算，可知支撑梁受到的轴力N=0； 主 弯 矩M22=445 674.3 Nmm，M33=121 135 565.6 Nmm；剪切力V2=332.3 N，V3=412.4 N，根据强度控制方程和整体稳定性控制方程可得到应力比值为0.436，另支撑梁的最大挠度值为8.36 mm，跨度比为8.36/6420=1/767 小于钢结构规范1 /400 的规定，故200 mm×500 mm×10 mm 的方钢满足要求。
5.5 总结
经过上述计算，SCR 脱硝反应器中的催化剂支撑梁在不同尺寸下的受力分析情况如表2 所示。
在满足强度和稳定性的前提下，出于经济性考虑，催化剂支撑梁的采用200 mm×400 mm×10 mm 的方钢。在此条件下，SCR 脱硝反应器的框架应力比如图4 所示。
表2 催化剂支撑梁尺寸不同的受力分析
此外，从图中可以看出，受力较大的部位为下部立柱，因此，在设计过程中，可以将其下部立柱截面尺寸适当增大，上部立柱截面尺寸适当减小，从而降低成本。
且SCR 脱硝反应器的柱脚设置有滑动支座，故其可以抵消工作过程中产生的温度应力，考虑在极端条件下，反应器内部压力达到最大，且有外部风压及地震的情况下，其壳体的应力如图5 所示，可以看出壳体最大应力为 77 MPa，小于壳体许用应力134 MPa，因此，壳体的强度也满足使用要求。
图4 CR 脱硝反应器框架应力比
图5 SCR 脱硝反应器壳体应力云图
6 结论和展望
本文通过采用SAP2000 对某一工程项目中的SCR脱硝反应器进行分析计算，分别对框架结构（包含支撑梁、立柱、加固肋）和面板壳体进行设计校核，为后续的设计提供了一定的理论依据。同时，本文对反应器柱脚部分根据经验采用了简化计算，释放了柱脚处的弯矩和扭矩，限制了位移约束，未充分反映实际情况，这将在今后的设计中进一步进行分析。
