600MW機(jī)組脫硝改造基礎(chǔ)加固方案分析

呂宏俊

(宇星科技發(fā)展(深圳)有限公司，廣東深圳 518057)

煙氣脫硝是繼煙氣脫硫之后國家控制火電廠污染物排放的重點領(lǐng)域，是“十二五”大氣污染物減排的重中之重，《火電廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2011)［1］對燃煤鍋爐大氣污染物中氮氧化物的排放限值更加嚴(yán)格。對大多已建燃煤機(jī)組來說，都面臨著脫硝改造的問題。在眾多的脫硝技術(shù)中，SCR工藝脫硝效率最高［2］、技術(shù)成熟［3］，在 300MW 及以上燃煤機(jī)組上得到廣泛的應(yīng)用［4－5］。而對于已建電廠，由于一般的爐后管道、管線、設(shè)備等布置都比較緊湊，土建設(shè)計時沒有預(yù)留脫硝載荷量，在這樣的基礎(chǔ)上進(jìn)行脫硝改造困難較大，必須進(jìn)行補(bǔ)樁及增加承臺底面積以滿足新增脫硝載荷的要求。現(xiàn)就某電廠2×600MW機(jī)組煙氣脫硝改造工程的基礎(chǔ)加固方案進(jìn)行闡述和分析。

1 地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)

該電廠廠址區(qū)地層主要為第四系土層，由全新統(tǒng)海積軟土、上更新統(tǒng)沖海積砂性土及中更新統(tǒng)沖、洪積粘性土夾礫砂類土組成。上侏羅紀(jì)粉砂巖及凝灰?guī)r分部于丘陵區(qū)及海積平原的底部。廠區(qū)第四系土層厚度達(dá)到70m，其中上部14.2～25.4m為淤泥或淤泥質(zhì)土，均屬軟土地基，廠區(qū)的一般建(構(gòu))筑物需作地基處理或采用深基礎(chǔ)，附屬建(構(gòu))筑物，可根據(jù)地層分部特點與荷載大小，選擇(4)層及(6)層作為樁基持力層。

廠區(qū)地震活動性弱，區(qū)域穩(wěn)定性良好。廠區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306－2001)，廠區(qū)50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，土層剪切波速105.2m/s，屬軟弱場地土，Ⅲ類建筑場地，場地特征周期0.45s，屬抗震不利地段。

1.2 水文地質(zhì)

場地上部空隙潛水水量微弱，含水層為淤泥及淤泥質(zhì)粘土，透水性能差，滲透系數(shù)為5.0×10－8cm/s，地下水位深埋為0.5～1.0m。空隙承壓水水量中等，承壓水頭與海面接近，對工程影響不大。

2 土建改造方案比選

原鍋爐風(fēng)機(jī)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，未考慮脫硝荷載的影響。因此，需要核算結(jié)構(gòu)整體受力情況以滿足新增載荷的要求。經(jīng)研究分析，原風(fēng)機(jī)框架結(jié)構(gòu)有三種改造方案:一是拆除原風(fēng)機(jī)混凝土框架結(jié)構(gòu)，在原柱位重新立鋼柱，形成鋼框架－支撐體系;二是保留原混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用包鋼方式對原有柱梁進(jìn)行加固以滿足承載力要求，在原有風(fēng)機(jī)支架頂部新增鋼支架以支撐SCR脫硝裝置;三是在不拆除原有結(jié)構(gòu)的情況下，選取合適的位置重新立鋼柱，形成鋼框架－支撐體系以支撐SCR脫硝裝置。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研與方案比選:方案一需要在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行施工，需要對煙風(fēng)道、管線及相關(guān)工藝專業(yè)設(shè)備進(jìn)行拆除，施工工期比較長。方案二可在機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行施工，爐后原有設(shè)備、煙風(fēng)道、管線等保持不變(見圖1)。但是，在機(jī)組運(yùn)行期間進(jìn)行加固改造，要做好對原有設(shè)備、煙風(fēng)道、管線、結(jié)構(gòu)的保護(hù)，原有鍋爐風(fēng)機(jī)房上部結(jié)構(gòu)支(吊)很多管道、電纜等，在進(jìn)行加固改造之前需全面考慮設(shè)備、煙風(fēng)道、管線等對加固改造的影響，必要時對其進(jìn)行拆除、移位以保證送風(fēng)機(jī)支架改造的順利進(jìn)行。方案三也可在機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行施工，上部結(jié)構(gòu)的安裝比方案二的改造工期短，鋼結(jié)構(gòu)可在預(yù)制廠制作，施工相對容易些。但是，選擇鋼柱位置時，需要避開原有設(shè)備、煙風(fēng)道、管線、電纜橋架及相應(yīng)的設(shè)備基礎(chǔ)等，新增支架的柱、柱間支撐、梁、水平支撐等需要避開原有設(shè)備、煙風(fēng)道、管線及起吊設(shè)施，存在較大的布置困難。

圖1 方案二示意

盡管以上三個方案都能夠承擔(dān)新增的SCR脫硝荷載、風(fēng)荷載及地震荷載等所引起的各種荷載效應(yīng)，都能夠滿足脫硝改造的要求，結(jié)合該工程爐后的具體情況，采用方案二加固方式，即混凝土柱外包鋼板成箱形柱、箱形柱下部落至基礎(chǔ)承臺、加柱腳板及抗剪栓釘與承臺可靠連接，配鋼筋包裹混凝土至高出承臺面200mm;箱形柱上部繼續(xù)上升支撐SCR反應(yīng)器;改造后下部支撐條件仍滿足原有管架、設(shè)備、煙道及起吊設(shè)施。

3 基礎(chǔ)加固設(shè)計

設(shè)計時采用PKPM系列的STS鋼結(jié)構(gòu)計算程序建立的三維空間計算模型對鋼支架進(jìn)行分析，采用有限元分析反應(yīng)器本體在高溫時的受力分布;梁、柱、垂直支撐、水平支撐、桁架弦等均采用桿單元，結(jié)構(gòu)分析考慮了結(jié)構(gòu)自重、脫硝系統(tǒng)自重、設(shè)備荷載、風(fēng)荷載、地震荷載，以及催化劑和積灰等荷載加載。

所有新增荷載均由新包箱型柱承擔(dān)，全部柱底荷載由改造后的樁基共同承擔(dān)。由于新增的脫硝荷載很大，原管樁個數(shù)不能滿足新增脫硝荷載的要求，故需補(bǔ)樁及增加承臺底面積。計算基礎(chǔ)補(bǔ)樁時，鋼支架整體建模，輸入原有荷載條件和新增反應(yīng)器荷載，計算柱腳反力;在計算結(jié)構(gòu)本體時，同時考慮工藝荷載、風(fēng)載、地震載荷等不同工況的組合。鋼支架在布置時保持原有柱位，以充分利用原有基礎(chǔ)。根據(jù)計算結(jié)果，逐個比對原設(shè)計樁基，分析哪些基礎(chǔ)需要進(jìn)行補(bǔ)樁及補(bǔ)樁的數(shù)量。

3.1 補(bǔ)樁方案

原風(fēng)機(jī)框架基礎(chǔ)采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁，樁徑600mm、樁長為22m;承臺之間采用拉梁連接以滿足水平承載力要求。由于脫硝改造場地狹小，且與鍋爐鋼支架及電除塵鋼支架緊臨布置，補(bǔ)樁時需要充分考慮機(jī)械進(jìn)場及占位條件，大型機(jī)械無法進(jìn)入該施工場地作業(yè)，除非拆除既有構(gòu)筑物，包括煙道、混凝土支架和綜合管架等，且預(yù)制樁的打入將產(chǎn)生擠土效應(yīng)影響既有樁基礎(chǔ)，從施工場地條件、新打樁的擠土效應(yīng)以及造價控制考慮排除PHC預(yù)應(yīng)力管樁方案。綜合考慮工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，采用沖(鉆)孔灌注樁的機(jī)械成樁方案。機(jī)械成樁時，充分考慮施工場地非常狹小的不利因素，對樁機(jī)進(jìn)行改造處理。另外，補(bǔ)樁時充分考慮樁的對稱性，避免受力大偏心，確保上部結(jié)構(gòu)的安全。

3.2 承臺改造方案

根據(jù)SCR反應(yīng)器鋼支架整體建模計算得到的柱腳反力，并根據(jù)風(fēng)機(jī)框架既有承臺的位置及標(biāo)高，通過計算確定承臺厚度，由于風(fēng)機(jī)框架既有承臺的存在影響新建承臺的最終效果，改造方案可分為突出地面方案和不突出地面方案兩種。

突出地面方案中，原混凝土框架不拆除，柱底承臺不切除，通過化學(xué)植筋、加強(qiáng)配筋等技術(shù)手段把新舊承臺連成一個整體來共同受力、共同承擔(dān)上部荷載。承臺改造完成后，新的承臺面將突出地面300～800mm。該承臺改造方案對既有結(jié)構(gòu)破壞較少，施工周期較短;但承臺突出地面影響場地美觀，也不利于機(jī)組的檢修。該電廠3號機(jī)組脫硝改造期間，由于機(jī)組正在運(yùn)行，為確保機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，3號機(jī)組脫硝改造采取承臺突出地面方案。

不突出地面方案中，若承臺改造不突出地面，舊承臺需要切除一定厚度。在未切割舊承臺時用多道支撐來承擔(dān)上部荷載，盡可能地減小傳遞至舊承臺上的上部荷載，然后進(jìn)行切割工作。先切割舊承臺平面上原樁位的局部，用大口徑鋼管在樁位處做臨時支撐與原有柱共同承擔(dān)原有荷載;根據(jù)現(xiàn)場情況增設(shè)斜支撐，以保證它的側(cè)向穩(wěn)定。待新加固砼達(dá)到100%強(qiáng)度后拆除臨時支撐和割除鋼支撐。同一構(gòu)筑物的承臺改造，在加固的新砼強(qiáng)度達(dá)到75%之前，其相鄰兩側(cè)的承臺不宜做切割施工;一個承臺完成后方可完成同軸線另一個承臺。該承臺改造方案能保證場地美觀，不會對機(jī)組的檢修造成影響;但施工過程對既有承臺破壞較大，且施工周期較長，施工期間臨時支撐措施要確保其安全性。該電廠1號機(jī)組脫硝改造期間，機(jī)組正在大修，采用承臺不突出地面方案，有效的保證了施工安全和施工質(zhì)量。

3.3 與上部結(jié)構(gòu)連接

新做承臺澆筑前先預(yù)埋好柱腳底板，保證柱腳底板的水平度，不影響包鋼柱的傳力;承臺澆筑完成后進(jìn)行混凝土柱包鋼板及柱腳底板焊接加固肋施工，對既有風(fēng)機(jī)上部的混凝土框架外包鋼板成箱形柱，箱形柱下部落至承臺頂部，與預(yù)埋的柱腳板焊接、加固，再在四周焊接加固肋，使柱腳板與箱型柱可靠連接;之后在柱腳地板四周采用化學(xué)植筋方法錨入承臺中，使鋼筋與新做承臺有效連接，化學(xué)植筋錨入深度一般不小于15倍鋼筋直徑，伸出長度根據(jù)與新加縱向鋼筋的連接形式而定;最后再進(jìn)行柱腳配筋、支模、灌注混凝土施工，形成柱腳短柱，使包鋼柱與承臺承接形成統(tǒng)一整體。新增混凝土留有足夠的養(yǎng)護(hù)時間，使混凝土能夠滿足強(qiáng)度要求。

在加固施工過程中，避免由于高溫、腐蝕、凍融、振動、地基不均勻沉降等原因造成的結(jié)構(gòu)損壞，同時考慮消除減小或抵御這些不利因素的有效措施，保證既有結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

3.4 基礎(chǔ)加固實施效果

在機(jī)組正常運(yùn)行期間，3號機(jī)組脫硝改造工程采用沖(鉆)孔灌注樁+承臺露出地面的基礎(chǔ)加固方案，有效地保證了機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，施工過程中及達(dá)到最大荷載后的定期沉降檢測記錄顯示累計沉降量在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于允許的最大沉降量，新增荷載達(dá)到最大后，已基本不在沉降或沉降量很小，表明該加固方案滿足新增脫硝載荷的要求。在1號機(jī)組大修期間，對其脫硝改造工程進(jìn)行沖(鉆)孔灌注樁+承臺不露出地面的基礎(chǔ)加固施工，在滿足新增脫硝載荷要求的前提下，采用有效的安全防護(hù)和支撐體系，做好相關(guān)監(jiān)測和控制措施，有效地保證了施工質(zhì)量和施工安全，沉降累計量也滿足相關(guān)規(guī)范要求，實施后的承臺不露出地面，保證了場地的美觀，也有利于機(jī)組的日常運(yùn)行維護(hù)和檢修。

4 結(jié)語

該脫硝改造工程土建部分保留原混凝土框架結(jié)構(gòu)，充分利用既有構(gòu)筑物，采用混凝土柱包鋼方式對原有柱梁進(jìn)行加固處理以滿足承載力要求，在原有風(fēng)機(jī)支架頂部新增鋼支架以支撐SCR脫硝裝置。該SCR脫硝系統(tǒng)建成后對改善周圍的大氣環(huán)境質(zhì)量將起到積極的作用，實施后將滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，進(jìn)一步降低電廠NOx排放，有效地改善當(dāng)?shù)氐拇髿赓|(zhì)量。

［1］GB 13223－2011，火力發(fā)電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］呂宏俊，吳迅海.選擇性催化還原脫硝技術(shù)應(yīng)用的若干問題［M］.北京:中國大地出版社，2006.

［3］Pio Forzatti.Present status and perspectives in de － NOxSCR catalysis［J］.Applied Catalysis A:General，2001，(222):221 －236.

［4］EPA/452/B －02 －001，EPA Air Pollution Control Cost Manual(Sixth Edition)，2002［S］.

［5］呂宏俊.選擇性催化還原脫硝工藝的三種布置方式及分析評價［J］.中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2007，(5):160－164.