某脫硫脫硝裝置煙道支架基礎(chǔ)改造設計方案比選

劉立杰

摘 要：對某脫硫脫硝裝置煙道支架基礎(chǔ)改造方案進行比選。嘗試采用一種既安全合理、又節(jié)省資金、縮短工期的設計方案，以保證煙道系統(tǒng)改造如期完成。

關(guān)鍵詞：煙道支架；基礎(chǔ)改造

隨著我國國民經(jīng)濟的高速增長，對能源需求的增加，燃煤、燃油及煉油等過程形成的SO2排放量日益增加，酸雨和SO2污染逐年增加，嚴重危害居民健康，破環(huán)生態(tài)環(huán)境。因此環(huán)保部對“十二五”期間各污染物的排放做出了更嚴格的控制，對SO2、氮氧化物的排放限值要求更加嚴格。煙氣除塵脫硫脫硝技術(shù)是減少煙氣中粉塵、SO2和NOx排放的有效方法。減少煙塵污染，提高環(huán)境質(zhì)量，國內(nèi)已經(jīng)建成的燃煤電廠、石油化工企業(yè)紛紛新增煙氣除塵、脫硫脫硝裝置。

由于煙氣脫硫脫硝設施多為新增，場地條件狹小。一般爐后管道、管線、設備等布置都比較緊湊，土建設計時沒有預留脫硫脫硝載荷量，且地下基礎(chǔ)、管線眾多，給煙道支架基礎(chǔ)改造設計帶來很大困難?，F(xiàn)就某煙氣脫硫脫硝裝置煙道支架基礎(chǔ)改造方案選擇進行闡述和分析，以供類似工程設計參考。

1 工程概況

某石化企業(yè)220萬噸/年催化裂化裝置配套新建煙氣除塵、脫硫脫硝設施。原催化裂化裝置煙氣系統(tǒng)煙道直徑為3000mm，煙氣由兩臺余熱鍋爐出口經(jīng)煙道至煙囪直接排放，沿煙道共設六個鋼煙道支架，均為框架支撐形式，頂標高為6.800m，平面尺寸分別為3.2m×4，3.2m×4.5。煙道沿馬路布置，中心距馬路邊平面距離為4.7m。

新建煙氣除塵、脫硫脫硝裝置的煙氣自兩臺余熱鍋爐出口煙道引出，正常工況下經(jīng)鍋爐出口水封罐后匯合，進煙氣脫硫水封罐后再進電除塵器除塵。當電除塵器或煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)故障時，煙氣不進除塵脫硫脫硝系統(tǒng)，改經(jīng)煙氣排煙囪水封罐進煙囪直接排放。煙道直徑由余熱鍋爐出口處3000mm經(jīng)水封罐后變?yōu)?400mm，沿煙道需設五個煙道支架用以支撐四個水封罐和煙道，頂標高改為11.100m，平面尺寸為6m×6。其中兩個煙道支架位于煙囪和除塵器之間的空地上（為新建），其余由余熱鍋爐至煙囪的三個煙道支架和原有支架位置重合。由于新的煙道頂標高較高又增加水封罐，故原有煙道支架不可用，需重新布置，設計的難點和重點是后三個煙道支架基礎(chǔ)的設計。由于業(yè)主要求原催化裂化裝置既定開車日期不變，由余熱鍋爐至煙囪的煙道系統(tǒng)改造工期只有短短三個月的時間。為避免影響整個催化裂化裝置的開車運行，選擇一種既安全合理、節(jié)省資金、又縮短工期的基礎(chǔ)改造設計方案尤為重要。

原煙道支架基礎(chǔ)采用水泥粉煤灰碎石樁復合地基（CFG樁復合地基），樁徑400mm，1.35m正方形布樁，樁頂標高EL-2.900m，樁體混合料立方體抗壓強度≥15N/mm2?；A(chǔ)持力層為第⑤層粉質(zhì)粘土層，樁長約7米，進入持力層1.0米，單樁承載力特征值Ra≥230KN，復合地基承載力特征值fspk≥220KPa。地基采用整片處理方案，范圍滿足新增基礎(chǔ)要求。所有煙道支架由六個6m×7的筏板基礎(chǔ)構(gòu)成，基礎(chǔ)厚800mm，底標高EL-2.500，基底設300mm厚褥墊層，配雙層18@150鋼筋網(wǎng)?；炷林_短柱1m×1，基礎(chǔ)短柱頂標高EL0.100m。基礎(chǔ)已施工完成，土方也已回填但上部鋼結(jié)構(gòu)還未安裝。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)

2.1.1 該裝置場地

地貌單元屬太行山山前沖洪積平原，地層上部為第四系沖洪積物，下部為第三系粘土巖和砂礫巖，詳堪報告揭示場地土層自上而下分為8個分層：

（1）層粉質(zhì)粘土：屬黃土狀土，壓縮性較高且具有輕微濕陷性，不宜直接作為天然地基持力層，若必須采用時，應進行地基處理。fak=120（kPa），Es=5.5（MPa）。

（2）層粉土：土質(zhì)較好，壓縮性較高，可以作為天然地基持力層，但應進行軟弱下臥層（③層粉質(zhì)粘土）的強度與變形驗算。fak=150（kPa），Es=6.6（MPa）。

（3）層粉質(zhì)粘土：塑性較高，土質(zhì)較軟，是本場地相對較軟弱的地基土層。fak=120（kPa），Es=5.5（MPa）。

（4）層粉質(zhì)粘土：土質(zhì)一般，承載力中等，壓縮性相對較高，是本場地相對較好的地基土層。fak=160（kPa），Es=6.4（MPa）。

（5）層粉質(zhì)粘土：土質(zhì)較好，分布穩(wěn)定，是相對較好的地基土層，可作為短樁的樁端持力層。fak=200（kPa），Es=8.9（MPa）。

（6）層粉質(zhì)粘土：土質(zhì)較好，是良好的地基土壓縮層。fak=160（kPa），Es=6.4（MPa）。

（7）層粉土：密實狀態(tài)，土質(zhì)較好，分布穩(wěn)定，承載力較高，可作為中長樁的樁端持力層。fak=210（kPa），Es=10（MPa）。

（8）層細中砂：密實狀態(tài)，土質(zhì)好，可作為中長樁的樁端持力層。fak=250（kPa），Es=25.4（MPa）。

2.1.2 CFG樁復合地基設計參數(shù)見下表：

2.2 地下水條件

地下水埋藏很深，地質(zhì)勘察期間33.0米深度范圍內(nèi)未見地下水。

2.3 場地和地基地震效應評價

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011-2010）附錄A，本場地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第二組。地基土類型屬中硬土，場地類別為Ⅱ類。建筑場地屬對建筑抗震一般地段。

3 基礎(chǔ)改造設計方案比選

新的鋼煙道支架平面尺寸為6m×6，分兩層。第一層標高6.200m，用來支撐直徑4500mm的水封罐；第二層標高為11.100m，支撐水平布置的煙道。新支架與舊支架相比，由于煙道直徑變大，柱距增加，頂標高由6.800m改為11.100m，又增加了水封罐荷載（充水重120t），自重及風荷載對基礎(chǔ)的作用增加較多。通過對地下管網(wǎng)圖紙的梳理后發(fā)現(xiàn)馬路邊有一根DN400的消防水管，中心標高EL-2.100m，距煙道中心4.2m。

煙道支架基礎(chǔ)改造有三種方案：一是將既有基礎(chǔ)拆除，根據(jù)新支架的要求重新進行基礎(chǔ)設計；二是利用既有基礎(chǔ)，采用加大基礎(chǔ)底面積法對原基礎(chǔ)加固改造；三是在既有基礎(chǔ)頂面新增厚板，與原基礎(chǔ)組成一個上大下小的不規(guī)則筏板基礎(chǔ)。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研后進行方案比選：方案一，拆除既有基礎(chǔ)開挖較深，需大型破碎機械臺班，拆除工作量和垃圾清運量大。基礎(chǔ)下面的褥墊層需重新鋪設。新基礎(chǔ)設計、施工時需避開旁邊的消防水管，造成施工周期長、造價高，不能保證工程進度。

方案二，要加大基礎(chǔ)底面積，需在原基礎(chǔ)四周植筋，開挖較深，需專業(yè)隊伍施工，要求有一定的操作面。局部新增基礎(chǔ)設計、施工時需避開旁邊的消防水管。優(yōu)點是只需拆除原基礎(chǔ)短柱，拆除工作量小。缺點是植筋處與新柱腳短柱鋼筋垂直交叉，混凝土澆筑難度大，不利于攪拌和振搗。施工周期較短，造價較高。

方案三，僅需拆除原基礎(chǔ)短柱，不用植筋且開挖深度淺，施工時能避開消防水管。此方案需進行充分的論證與準確的計算，雖然設計工作量增加，但施工簡單，周期短且造價最低。

綜合以上因素顯然方案三較為理想，但前提條件是既有基礎(chǔ)及地基的承載力要滿足新的荷載要求，需復核計算后才能確定此方案是否可行。

4 基礎(chǔ)、地基承載力復核

鋼支架設計時采用PKPM系列的STS鋼結(jié)構(gòu)計算程序建立三維空間計算模型進行分析，按新的荷載條件計算柱腳荷載，同時考慮工藝荷載、風荷載、地震荷載等不同工況的組合?，F(xiàn)僅就其中離煙囪最近的一個煙道支架基礎(chǔ)為例進行復核闡述。

4.1 CFG樁復合地基復核

4.1.1 單樁豎向承載力特征值復核

Ra=upqsili+αpqpAp

=3.14×0.4×（25×2.07+22×1.8+29×1.4+33×1）+1.0×（3.14×0.42/4）×400

=257.41kPa>230kPa.

4.1.2 復合地基承載力特征值復核

de=1.13×1.35=1.53m，m=d2/de2=0.42/1.532=0.068，fspk=λm + fsk

=0.8×0.068×230/0.1256+0.9×（1-0.068）×200

=267.4kPa>220kPa.

4.1.3 樁身強度復核

fcu≥4λRa/Ap=4×0.8×230×103/125600=5.86N/mm2

fcu≥4λRa/AP[1+γm（d-0.5）/fspa]=5.86×[1+18×（1.9-0.5）/220]=6.6<15 N/mm2.

通過以上復核計算，原復合地基承載力達到取值要求。

4.2 基礎(chǔ)重心校核

由于新舊基礎(chǔ)均對稱于X軸，故只需校核X向基礎(chǔ)重心。上部構(gòu)件傳至四個基礎(chǔ)短柱的荷載標準值分別為：605KN、567KN、598KN、560KN。

經(jīng)計算原基礎(chǔ)自重G1=840KN，新增厚板自重G2=1686KN，基礎(chǔ)重心X0=ΣGiXi/ΣGi=[840×4.6+1686×4.3+（598+560）×1+（605+ 567）×7]/（840+1686+598+560+605+567）=4.22m，所以X向基礎(chǔ)重心偏心距e=4.3-4.22=0.08m<0.1W/A=0.12m.滿足要求。

4.3 基礎(chǔ)驗算

基底荷載內(nèi)力標準組合值最不利為X向風荷載作用下數(shù)值為：FK=2330kN，

Vx=214kN，Vy=0kN，Vx=214kN，Mx=0kN·m，My=-40kN·m，H=2.6m。

基底壓力：pk=（FK+GK）/A=4856/（6X7）=115.6kN/m2

pkmax=（FK+GK）/A+MX/WX+MY/WY=126.2<1.2fa=264kPa

pkmin=（FK+GK）/A-MX/WX-MY/WY=105kpa<1.2fa=264kPa

原基礎(chǔ)承載力和配筋（配筋計算略）滿足要求。

綜合考慮各種因素并通過以上復核計算，最終確定采用方案三對原煙道支架基礎(chǔ)進行改造設計。

5 結(jié)語

對既有基礎(chǔ)進行改造設計，選擇一種技術(shù)合理、易于操作、工期短、造價低的方案，不僅要考慮上部結(jié)構(gòu)類型、荷載特點，分析地質(zhì)勘察資料，還要結(jié)合工程場地實際情況。本裝置采取在原基礎(chǔ)頂部上覆厚板的設計方案，充分利用原有地基和基礎(chǔ)的承載力，克服工期短和施工操作界面狹小的困難，以較低的造價解決了上部荷載增加較多的問題，并滿足了業(yè)主對催化裂化裝置如期開車的要求。經(jīng)過幾年的運行，煙道支架結(jié)構(gòu)工作正常。

參考文獻

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