懸掛省煤器的SCR脫硝反應器結構受力分析

彭 偉

(大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097)

懸掛省煤器的SCR脫硝反應器結構受力分析

彭 偉

(大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097)

以某電廠660 MW機組脫硝工程為背景，利用ANSYS軟件，按照實際工程的結構形式和尺寸建立SCR反應器本體結構三維有限元模型。計算并分析反應器在自重、省煤器、催化劑、積灰、煙氣壓力荷載作用下的應力和變形，為實際工程設計提供依據。

反應器，省煤器，有限元分析，應力，變形

0 引言

位于寧夏某660 MW燃煤鍋爐機組脫硝裝置采用選擇性催化還原法(SCR)，選擇液氨作為還原劑。SCR煙氣脫硝系統采用高灰段布置方式，反應器布置在鍋爐二級省煤器出口和空氣預熱器之間，一級省煤器吊掛于SCR反應器出口煙道內部，不設SCR反應器煙氣旁路及省煤器旁路。催化劑采用“2+2”模式布置，最上2層為預留層(見圖1，圖2)。脫硝裝置處理100%煙氣量，在鍋爐正常負荷范圍內，SCR入口NOx濃度為270 mg/nm3(6%O2，干基)時，初裝2層催化劑煙氣脫硝效率不低于85.2%，反應器出口NOx濃度不高于40 mg/nm3(6%O2，干基)。

1 建立有限元計算模型

1.1幾何模型

該660 MW機組脫硝工程SCR反應器長寬高尺寸為(22.36×14.66×17.9)m，采用考慮壁板參與計算的鋼框架結構形式，結構層數為4層，下部布置2層催化劑(兩用兩備)，頂部安裝整流格柵和入口煙道。結構平面布置要同時考慮催化劑模塊的支撐和下部省煤器的懸掛，縱向和橫向支撐梁的布置根據催化劑模塊的尺寸和省煤器的支吊位置確定。主要結構部件包括支柱、橫梁、水平撐、加勁肋及壁板。角柱采用箱型500×500×40×40，中間柱截面采用箱型400×400×40×40，底層框架主梁采用400×

1 200×20×30，催化劑模塊支撐梁采用箱型250×1 200×30×40，省煤器支撐梁采用箱型250×1 000×20×30。SCR反應器整體結構有限元模型見圖3。

1.2材料參數與單元類型

反應器立柱、橫梁和加勁肋采用梁單元Beam188模擬，外壁板采用殼單元Shell63模擬，斜撐采用桿單元Link8模擬。材料全部采用Q345-B鋼材，BMCR工況下煙氣溫度385 ℃，運行工況煙氣壓力6.5 kPa，彈性模量1.6×105MPa，密度7 850 kg/m3，泊松比0.3。

1.3荷載和約束

反應器恒荷載包括結構自重、催化劑、省煤器、保溫、整流格柵、入出口煙道。催化劑模塊支撐梁間距根據模塊尺寸確定，承受模塊的均布自重荷載。催化劑模塊采用7×22的布置方式，催化劑模塊大小為1 910(L)mm×970(W)mm×1 405(H)mm，單個模塊重量1 300 kg，每層88個，4層，總重8 008 kN。省煤器總荷載5 800 kN，設置6排吊掛，每排吊掛967 kN。吊掛位于催化劑模塊支撐梁下部，承受吊點均布荷載。結構自重由程序自動計算，催化劑模塊荷載按照均布荷載施加于支撐梁頂，省煤器荷載根據懸掛吊點位置和分布按照均布荷載施加于支撐梁底部，整流格柵折算成均布荷載施加于頂層催化劑支撐梁頂部，出入口煙道以集中荷載形式施加于反應器頂部和底部支撐梁上。活荷載主要包括積灰荷載和煙氣壓力荷載，積灰荷載按照40 kg/m2施加于催化劑模塊支撐梁上，煙氣壓力取最不利工況下的正壓6.5 kN/m2均布作用于外壁板面。本工程鍋爐及反應器外部全封閉維護，反應器不考慮風荷載。反應器四個立柱下部采用滑動支座，模型中釋放水平方向的約束，施加豎直向上的單向位移約束。在四個滑動支座中間分別設置四個水平限位支座。水平限位支座施加單向水平位移約束。地震荷載采用等效側力法進行分析。催化劑及省煤器荷載施加見圖4。

2 計算結果分析

2.1省煤器和催化劑模塊支撐梁計算結果分析

高溫狀況下，反應器結構設計采用許用應力法。根據《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程》[1]規定，Q435鋼材在385 ℃時設計溫度下的許用應力約為124.5 MPa。

底層縱向模塊支撐梁同時承擔催化劑模塊荷載、省煤器荷載和出口煙道荷載，根據計算結果顯示，縱向模塊支撐梁的豎向變形為17.3 mm(見圖5)，橫向支撐梁跨中最大位移為17.6 mm(見圖6)，均滿足1/800的撓度限值要求。在應力分布方面，梁兩端與立柱剛性連接，兩端存在最大負彎矩，跨中存在最大正彎矩，梁端部和跨中存在較大應力，最大應力值分別為31.53 MPa和81.1 MPa(見

圖7,圖8)，均未超出許用應力要求。

2.2反應器立柱計算結果分析

反應器立柱的應力應變分布圖見圖9,圖10，柱最大應力出現在位于中間位置的催化劑支撐立柱下端。四個角的立柱由于沒有直接與催化劑和省煤器支撐梁連接，傳遞彎矩較小，應力和變形較小。四邊中部立柱由于與催化劑和省煤器支撐梁剛接，下部采用聚四氟乙烯復合板滑動支座，除承受較大豎向荷載外，還承受梁端傳遞的負彎矩，導致立柱下部出現最大的應力和位移，由分析結果得出，立柱最大應力為90 MPa，最大水平位移為5.7 mm。

3 結語

1)采用反應器懸掛省煤器的結構形式，不僅可以優化鍋爐尾部煙道布置，而且可以簡化省煤器支撐方式，降低脫硝鋼結構用量。

2)采用ANSYS對下部懸掛省煤器的SCR反應器進行結構計算，可以利用軟件的參數化分析功能，考慮高溫作用下的鋼材受力特性，根據鋼材許用應力進行結構分析和構件設計。并可根據反應器整體和局部的應力和變形分布情況，對結構進行優化設計。

[1] DL/T 5121—2000,火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程[S].

StructuralstressanalysisofSCRdentrificationreactorwhichhangedbyeconomizer

PengWei

(DatangEnvironmentIndustryGroupCo.,Ltd,Beijing100097,China)

Taking the 660 MW power plant denitrification engineering as the background and applying ANSYS software, establish three-dimensional finite element model of SCR reactor ontological-structure according to actual engineering structure forms and sizes. Calculate and analyze the stress and deformation of the reactor under the load of self-weigh, economizer, emcatalst, dust and flue gas pressure, and provid some guidance for the project design.

reactor, economizer, finite element analysis, stress, deformation

1009-6825(2017)32-0025-02

2017-09-01

彭 偉(1985- )，男，碩士，高級工程師

TU311

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