溫度效應對脫硝反應器結構與保溫的影響

黃福安，李博，侯亞委

(華電重工股份有限公司，北京100070)

溫度效應對脫硝反應器結構與保溫的影響

Tem perature effect on the SCR structure and thermal insulation

黃福安，李博，侯亞委

(華電重工股份有限公司，北京100070)

脫硝反應器正常運行溫度在400℃左右，其鋼結構設計一直以來沿用適當外部保溫足以保證結構內外溫差可忽略不計的假定。對某電廠的現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，脫硝反應器柱的內外翼緣溫差平均可達到177℃，而不適當?shù)谋卮胧┖褪┕ろ樞驎鸱磻鹘Y構更大的溫度應力，甚至造成構件與結構破壞。結合現(xiàn)場實測結果和分析計算，提出脫硝反應器結構與保溫設計需改進和注意的關鍵點，指出施工、運行必須滿足的保溫要求。

脫硝反應器；溫度效應；保溫措施；設計改進

1 概述

我國是燃煤發(fā)電大國，截止2013年底全國火電裝機已經(jīng)達到8.6億kW，火電發(fā)電量39 108億kWh。但是作為經(jīng)濟發(fā)展的負面效應，能源消耗帶來的環(huán)境污染問題越來越嚴重。其中，大氣煙塵、酸雨、溫室效應和臭氧層的破壞已成為危害人類生存的四大殺手?；痣姀S燃煤發(fā)電過程中產(chǎn)生的煙塵，SO2，NOx等有害物質是造成大氣污染、酸雨和溫室效應的主要原因之一。目前在燃煤電廠，我國通過開展大規(guī)模的煙氣脫硫項目，使SO2排放得到有效遏制，經(jīng)濟和社會效益顯著，但燃煤煙氣脫硝改造相對滯后。研究資料表明，如果仍不加強對煙氣中NOx的治理，NOx的總量和在大氣污染物中的比重都將上升，并有可能取代SO2成為大氣中的主要污染物。因此火電廠進行脫硝改造勢在必行。

但對正在運行的火電廠進行脫硝改造涉及許多技術問題，其中脫硝反應器、支架、煙道等設計中溫度控制就是比較突出的問題。如果不能較好地處理這些問題，將會給發(fā)電機組帶來安全隱患，影響脫硝改造工程的正常進行。

2 脫硝改造中溫度控制問題

脫硝反應器一般在400℃左右的高溫狀態(tài)下工作，反應器保溫設計采用火電燃煤鍋爐煙道和本體保溫設計的假定〔4〕:適當外部保溫足以保證結構內外溫差可忽略不計，結構計算考慮高溫狀態(tài)下屈服強度的折減。鍋爐的保溫設計見圖1。

測量結果表明，脫硝反應器柱、梁、加緊肋等內外翼緣溫差較大，與設計規(guī)程提出的 “適當外部保溫足以保證結構內外溫差可忽略不計的假定”不符，可見現(xiàn)行設計規(guī)程有關保溫措施的處理方式存在一定的誤區(qū)。

3 溫度應力產(chǎn)生原因分析與對策

3.1 溫度應力產(chǎn)生原因理論分析

當彈性體在非正常工作溫度場中工作時，彈性體各部分因膨脹或收縮改變其形狀或尺寸。由于溫度場的不均勻變化，這種膨脹或收縮變形受到外部約束或內部的變形協(xié)調要求而不能自由發(fā)生時，物體內部所產(chǎn)生的附加應力，即所謂的變溫應力，也稱為溫度應力。鋼結構構件溫度的變化導致各部位膨脹、收縮，主要有3種形式:軸向變形、彎曲變形和截面不均勻變形。在靜定結構中，如果各構件溫度沿截面高度呈線性變化，則結構只產(chǎn)生變形，無溫度自應力 (在截面上能自相平衡的應力)的產(chǎn)生，如果各個構件溫度沿截面高度呈非線性變化，則構件截面上會產(chǎn)生溫度應力.在超靜定結構中，無論溫度沿構件截面高度呈非線性變化還是線性變化，它都會引起結構的位移，而且由于多余約束的存在，都會在結構中產(chǎn)生溫度應力。脫硝反應器支撐結構梁與柱采用剛性連接，是全焊接的超靜定結構，若整個結構不是處在一個相同的溫度場中，就會由于多余約束的存在及變形協(xié)調的要求，在結構中產(chǎn)生較大溫度應力。

3.2 溫度應力效應有限元分析

為了分析反應器支撐柱、垂撐裂紋產(chǎn)生的原因，采用國際通用有限元軟件STAAD.Pro建立反應器的三維模型，分別按照無保溫和有保溫 (依據(jù)適當外部保溫足以保證結構內外溫差可忽略不計的假定)2種工況分析溫度效應對結構的影響。計算分析表明:有保溫工況，假定反應器處在同一溫度場，400℃均勻受熱，則不存在明顯的溫度差影響，溫度作用工況主軸彎矩如圖3所示；無保溫工況，當柱翼緣內外溫差達到300℃時 (無保溫措施)，反應器爐前中心柱、垂撐溫度荷載作用下的柱彎矩、軸力增加非常大，溫度作用產(chǎn)生的柱主軸彎矩如圖4所示。在2種情況下，溫度對柱、撐的作用內力見表2，3。

通過有限元計算分析發(fā)現(xiàn)，無保溫狀態(tài)下運行反應器，溫度效應產(chǎn)生的結構力較大，甚至超過恒荷載、活荷載對結構的影響，足以引起構件焊縫、連接點開裂，對機組安全運行形成巨大安全隱患。

3.3 反應器外部保溫處理方法

式中:w ij(t)是輸入層到隱藏層經(jīng)t次調整的權值;I jq是在第q組樣本輸入時節(jié)點i的第j個輸入。

脫硝反應器外部保溫設計主要依據(jù)參考文獻〔4〕，該標準適用于火力發(fā)電廠的設備、管道和附屬鋼結構的保溫設計，不適用于汽輪機、鍋爐本體的保溫，也不適用于電氣、土建專業(yè)的有關保溫設計。

STAAD軟件的分析結果也表明:170℃以上溫差，仍足以在反應器的柱、垂撐等構件上引起較大的溫度內力 (見表4—6)，甚至可能影響結構的安全，不應忽略不計。因此，反應器的結構計算應考慮溫度效應的影響。

保溫的目的是減少散熱損失或降低其外表面溫度，并維持被保溫結構的整體溫度平衡，避免因溫差過大而產(chǎn)生附件溫度應力。具體實施過程中，可按下述計算方法獲得保溫材料的相關尺寸。一般來說，1層50 mm的硅酸鋁耐火纖維材料，2層75 mm的巖棉材料，就可以滿足保溫的基本要求。計算分析過程如下:

1)計算保溫結構外表面導熱系數(shù)

式中 ts為保溫結構表面溫度，取50℃；ta為環(huán)境溫度，取27℃；ε為保護層材料黑度，取0.27；B為沿風速方向的平壁寬度，取17.87m；w為室外風速，取3.2m/s；αn:輻射傳熱系數(shù) (w/(m2·k))；αc為流傳熱系數(shù) (w/(m2·k))。2)計算保溫厚度δ1，δ2

式中 t為介質溫度，取376℃；tb為復合保溫內外層界面處溫度，取340℃；[q]為保溫結構外表面允許散熱損失，取195 w/m2；λ1為內保溫硅酸鋁材料導熱系數(shù)，取0.114 w/(m·k)；λ2為外保溫巖棉材料導熱系數(shù)，取0.067 4 w/(m·k)。

3)驗算復合內外層界面處溫度tb

通過以上計算分析，進行脫硝改造工程時，反應器保溫處理應該根據(jù)上述計算方法，獲得保溫材料的實際尺寸，并嚴格按照保溫設計施工步驟工作，可以確保脫硝反應器正常工作。

根據(jù)現(xiàn)場實測結果，由于溫度梯度、施工措施、散熱損失及構件截面形式的影響，按照現(xiàn)行規(guī)程采用保溫厚度并不能保證 “適當外部保溫足以保證結構內外溫差可忽略不計”的假定成立，反應器工字型支撐柱內外翼緣平均溫差達到170℃以上，其溫差足以使脫硝反應器產(chǎn)生較大的結構溫度應力，影響發(fā)電機組正常發(fā)電。

4 脫硝改造設計需注意的關鍵點

1)反應器結構未進行保溫處理的情況下，嚴禁通煙氣運行。

2)目前設計規(guī)程采用的保溫設計方法，不適合反應器改造，即 “適當外部保溫足以保證結構內外溫差可忽略不計”的假定不能成立，反應器的結構計算必須考慮溫度效應的影響。

3)保溫設計要經(jīng)過嚴格、系統(tǒng)的計算，對反應器局部突出部分，如筋和反應器柱等部分，要考慮給予足夠的保溫措施，防止局部保溫過薄，導致熱損失過大或者超溫。

4)反應器本體外部支撐結構設置應盡量靠近封閉殼體，支柱設計盡可能采用直柱、箱型柱的方案，減少熱傳導距離，避免構件內外溫差較大，降低溫度效應。

5)慎重考慮在反應器外設立垂撐，如果垂撐無法避免，保溫措施要盡可能保證撐和反應器本體在一個區(qū)域內共同受熱，并考慮溫度效應。

〔1〕龍馭球，包世華.結構力學 〔M〕.北京:高等教育出版社，2000.

〔2〕中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB50017—2003鋼結構設計規(guī)范 〔S〕.北京:中國計劃出版社，2003.

〔3〕中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB50009—2012建筑結構荷載規(guī)范 〔S〕.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

〔4〕中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T5072—2007火力發(fā)電廠保溫油漆設計規(guī)程 〔S〕.北京:中國電力出版社，2007.

〔5〕中華人民共和國能源部.DL T5121—2000火力發(fā)電廠煙風煤粉管道設計技術規(guī)程 〔S〕.北京:中國電力出版社，2000.

〔6〕國家能源局.DLT776—2012火力發(fā)電廠絕熱材料 〔S〕.北京:中國電力出版社，2012.

〔7〕國家能源局.DLT777—2012火力發(fā)電廠鍋爐耐火材料 〔S〕.北京:中國電力出版社，2012.

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1008-0198(2014)06-0057-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.017

2013-05-18 改回日期:2014-11-26