基于ANSYS 的SCR 脱硝反应器本体结构有限元分析

彭 伟

(大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100097)

0 引言

燃煤锅炉产生的大量氮氧化物是造成大气污染的主要原因之一，根据2010年5月国务院发布的《关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量的指导意见》要求，重点区域内的火电厂应在“十二五”期间全部安装脱硝装置。目前，环保行业主要采用选择性催化还原法(SCR)、非选择性催化还原法(NSCR)和选择性非催化还原法(SNCR)三种方法来消除氮氧化物，其中选择性催化还原法(SCR)效率最高，应用最为广泛。

选择性催化还原技术(SCR)是将氨气喷入烟气后通过催化器层与氮氧化物反应分解成氮气和水。SCR 反应器根据烟气相关数据计算催化剂模块的尺寸和数量进行性能设计，并根据模块的位置和布置方式确定反应器钢结构形式。由于受催化剂模块荷载、烟气温度和压力、风荷载等因素影响，反应器结构布置和受力形式复杂、节点连接形式多样。本文以某300 MW 机组脱硝工程为例，利用ANSYS 建立SCR 反应器三维有限元模型。在分别考虑自重、催化剂荷载、积灰荷载、烟气压力和风荷载等荷载及其组合工况下，计算反应器整体和局部应力和变形并进行分析，为实际工程设计和优化提供依据。

1 建立有限元模型

1.1 几何模型

该300 MW 机组脱硝工程SCR 反应器长宽高尺寸为16.2 m×11.34 m×13 m，采用钢框架结构形式，结构层数为四层，下部布置三层催化剂(两用一备)，顶部安装整流格栅和入口烟道。主要结构部件包括立柱、支撑梁、斜撑、壁板及加劲肋。立柱采用焊接箱形柱和H 型钢柱，催化剂支撑梁采用H 型钢，斜撑采用圆钢，加劲肋采用角钢。

1.2 单元类型与材料参数

反应器本体结构梁、柱和加劲肋采用Beam188 单元模拟，外壁板采用Shell63 单元模拟，斜撑采用Link8 单元模拟。本体材料全部采用Q345-B 钢材，BMCR 工况下烟气温度375 ℃，运行工况烟气压力5.8 kPa，弹性模量为1.6×105MPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3。

1.3 施加荷载和约束

反应器本体恒荷载主要包括结构自重、催化剂、保温、整流格栅、入口烟道、出口烟道荷载。结构自重通过施加重力加速度自动计算，催化荷载、整流格栅、入口烟道和出口烟道荷载分别按照实际情况施加于各结构层的支撑梁上，保温层荷载通过增加外壁板密度等效施加于外壁板上。活荷载主要包括积灰荷载和烟气压力荷载，积灰荷载按照40 kg/m2施加于催化剂模块支撑梁上，烟气压力取最不利工况下的正压5.8 kN/m2均布作用于外壁板面。风荷载按照《建筑结构荷载规范》［1］取值，并分别考虑两个方向的风荷载作用。反应器四个立柱下部采用滑动支座，并在四个滑动支座中间分别设置四个水平限位支座。地震荷载按照规范要求设防烈度采用阵型分解反应谱法进行分析。根据文献［3］研究成果，反应器在结构自重、5.8 kN/m2烟气负压、催化剂模块、积灰荷载和风载共同作用下出现最不利工况，本文分别针对上述工况及组合工况进行计算分析。SCR 反应器整体结构有限元模型见图1。

图1 SCR 反应器有限元模型

2 有限元计算结果分析

2.1 催化剂模块支撑梁计算结果分析

温度变化对钢材受力性能会产生严重影响，Q345-B 钢材在高温环境下的强度设计值还没有明确规定。目前，反应器结构设计一般采用许用应力法。根据《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》［2］规定，Q435 钢材在375 ℃设计温度下的许用应力为129.5 MPa。

根据计算结果显示，三层催化剂模块支撑梁的竖向变形分别为12.3 mm，9.2 mm 和10.1 mm(见图2)，下层催化剂模块支撑梁的周边主梁由于连接反应器出口烟道，导致竖向变形较中间层和顶层支撑梁变形稍大，但均满足1/750 的变形要求。在应力分布方面，支撑梁最大等效应力出现在横向支撑梁跨中位置，应力值为118 MPa，支座位置存在较大负弯矩，导致该位置也出现较大应力，但均未超出许用应力要求(见图3)。

图2 催化剂模块支撑梁变形图

图3 催化剂模块支撑梁应力图

2.2 反应器立柱计算结果分析

反应器立柱分为本体立柱和催化剂支撑立柱两种类型，催化剂支撑梁立柱荷载通过下层主梁传递到本体立柱。根据分析结果，柱应力分布呈现向上和向两侧逐渐递减趋势，最大应力出现在位于中间位置的催化剂支撑立柱下端，应力值为127 MPa(见图4)，满足许用应力要求。最大竖向位移出现在中间位置催化剂支撑立柱顶部，位移值为6 mm(见图5)，同结构受力状况一致。

2.3 反应器外壁板计算结果分析

本工程反应器外壁板采用6 mm 厚Q345 钢板，加固肋采用L75X8 角钢。反应器内部烟气压力主要由角钢加固肋承担。在烟气压力和风压共同作用下，由于靠近上层催化剂支撑梁的外壁板加固肋跨度最大，导致该处出现5.13 mm 的最大变形量(见图6)，满足规范1/250 的变形要求。壁板及加固肋最大等效应力为67 MPa(见图7)，满足规范要求。

图4 反应器立柱应力云图

图5 反应器立柱变形云图

图6 反应器壁板变形云图

图7 反应器壁板应力云图

3 结语

1)采用ANSYS 对SCR 反应器进行结构计算，可以有效分析反应器整体和局部的应力和变形分布情况，对于优化结构设计具有指导意义。同时，由于SCR 反应器在结构形式上具有一定的通用性，可以利用APDL 语言编写反应器整体结构从建模到后处理分析程序，可极大提高计算和分析效率。

2)通过对SCR 反应器整体结构的计算分析可以看出，由于催化剂模块下部设置了两道纵向支撑梁，导致催化剂模块横向支撑梁的应力和变形出现中间梁向两边梁递减的趋势，催化剂模块支撑立柱存在同样应力和变形分布状况，在设计中可以考虑适当地改变支撑梁和支撑立柱的截面规格，使得设计更加经济合理。

3)由于烟气对钢结构具有一定的腐蚀，在实际设计中要预留一定的余量［4］。另由于反应器本体多使用焊接H 型钢，ANSYS 静力分析无法直接对梁柱的局部稳定和整体稳定进行分析，在实际工程设计中，需要按照《钢结构设计规范》［5］要求进行核算。

［1］GB 50009—2006，建筑结构荷载规范［S］.

［2］DL/T 5121—2000，火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程［S］.

［3］宋 波，李春霞.考虑支架变形影响的大型脱硝反应器及烟道结构数值分析［J］.北京科技大学学报，2011，33(1):138-140.

［4］轩辕诗威，周成立.哈锅SCR 反应器钢结构设计简介［A］.中国钢结构协会锅炉钢结构分会论文集［C］.2009:151-152.

［5］GB 50017—2003，钢结构设计规范［S］.