脱硝反应器设计风荷载的探讨

赵梦圆 赵天一 金军洁浙江天地环保科技有限公司

脱硝反应器设计风荷载的探讨

赵梦圆 赵天一 金军洁
浙江天地环保科技有限公司

依据对某电厂烟气脱硝工程脱硝钢支架结构进行的风洞试验所得的数据，对脱硝反应器设计风荷载进行了研究，着重分析了在烟道遮挡的情况下，反应器各个立面的体形系数。

火电厂；脱硝反应器；风荷载；风洞试验

脱硝反应器作为脱硝系统的主要部分，被越来越广泛地应用到火力发电厂中。脱硝反应器具有体量大，高度高的特点，引起的风荷载对脱硝支架有很大的影响。因而，研究脱硝反应器风荷载对于合理优化脱硝支架，降低建造成本有重大意义。

1 设计风荷载的影响因素分析

根据GB50009-2012《建筑结构荷载规范》8.1.1条的规定，垂直作用于主要受力结构表面的风荷载标准值：wk=βzμsμzw0。其中βz为高度z处的风振系数，μs为风荷载体形系数，μz为风压高度变化系数，w0为基本风压（kN/m2）。目前规范中规定的风振系数仅针对以一阶振型为主要振动的结构，对反应器而言可以不予考虑；而根据建筑结构荷载规范8.3.2条的规定，相邻高层建筑相互间距较近时，宜考虑风荷载的相互遮挡效应。对于脱硝反应器这种布置在高位，且周边分布有体量相近的烟道的设备，风荷载遮挡效应较为显著，宜采用风洞试验的方法来确定其风荷载体形系数。

2 风洞试验

2.1 主要设计参数

针对某电厂烟气脱硝工程脱硝钢支架结构进行了风洞试验。试验相关参数和内容如下：

风洞试验脱硝钢支架结构模型的缩小比例为1:100。试验原型脱硝钢支架主体平面尺寸为58×30 m，高度达60 m，烟道平面尺寸40×12 m范围，高度达53 m。支架模型材料为ABS工程塑料，模型总高度约为0.6 m，模型钢支架平面长度L约为0.58 m、宽度B约为0.3 m。概貌见图1。

按照建筑结构荷载规范规定，确定脱硝钢支架所在地正常使用状态（10 a一遇）基本风压为0.35 kPa，对应平均风速23.7 m/s；承载力极限状态（50 a一遇）基本风压为0.75 kPa，对应平均风速34.6 m/s。

考虑脱硝钢支架所在近海地区的地形地貌特征，按荷载规范规定，该结构物处于B类地貌特征。地貌粗糙度指数α=0.15；湍流度参照国家规范（GB50009-2012）取值。

试验风压系数和时程的参考点取转盘中心离底面高0.6 m，对应实际高度60 m。

脱硝钢支架及烟道和反应器风洞试验，根据来流水平风向角的不同，测压及测力试验的分36个工况，测量对象为烟道及反应器结构外表面压力。

图1 脱硝钢支架风洞试验模型

对于脱硝钢支架模型进行风洞动态时程测力试验，可分为以下两步。首先，为保证各个风向的数据信息都能得到充分采集，在360°范围内每隔10°进行一次数据测量，共在36个风向角下对模型进行整体测力。

2.2 风场模拟

（1）风速剖面模拟

考虑本工程所在地及周边地形地貌，依据荷载规范描述，综合考虑确定该工程所在地地面粗糙度为B类，相应地面粗糙度指数0.15，缩尺比为1:100。用下式来描述离地高度与风速的关系：

式中：U0为离地面10 m高度处，考虑100 a重现期，10 min的平均风速；Uz为离地面高Z处的平均风速；α是地貌粗糙度指数。

风洞实验对风速剖面的模拟主要通过调节风洞的多功能模拟装置以及风洞底部、侧壁的粗糙元来实现，风洞试验前通过对设备的调整进行测试和校验，测得风洞中不同。高度的风速变化曲线（如图2所示）同按式（1）计算的理论曲线相比，两者误差符合试验要求。

图2 风速剖面试验结果

（2）湍流度模拟

湍流度是用来表征大气边界空气流动所产生涡流强度特性的参数，离地面高度越大湍流度越小，此外，影响湍流度的因素还有平均风速、时距以及地面粗糙度等。根据建筑结构荷载规范，采用以下理论公式描述湍流度与离地高度的关系：

式中：Z是离地面高度；I10为10 m高名义湍流度，对于A、B、C、D类地貌分别取0.12，0.14，0.23，0.39。本次风洞试验的模拟湍流度（如图3所示）与通过式（2）计算得到的理论值较为接近。对风洞流场的准确模拟保证了平均风压、脉动风压等参数测量的可靠性。

图3 湍流度剖面试验结果

（3）风速谱模拟

图4为0.4 m高度（原型40 m高度）处归一化风速谱与理论谱的对比结果，模拟风谱与常用经验风速谱较为接近。

图4 风洞0.4 m（原型40 m）高度处功率谱曲线测试

3 试验数据分析

图5为风洞试验局部坐标系示意图。

本次模型试验中各测点风压系数按下式计算：

式中：Cpi是建筑物表面测点i的风压系数；Pi是测点i处的风压值；P∞是参考点静压力值；V∞是参考点的风速。该计算方法为国内外结构工程计算风压系数的惯用方法。根据相似原理可知，钢支架模型中测量计算得到的无量纲参数即为实际钢结构的无量纲参数，因此本次风洞试验模型上各测点的风压系数Cpi即为脱硝钢支架对应点的风压系数。

在不考虑风振系数影响的条件下，作用在结构表面某一点“i”的风压计算公式为：

图5 风洞试验局部坐标系示意图

式中：W0为基本风压；sim为i点的风荷载体型系数；zim为i点的风压高度变化系数。而风洞试验采用的风压计算公式为：

式中：Cpi为模型试验所得的i点的风压系数；Wr为试验参考点所对应的实物上的压力。又根据风压与风速的换算关系及式（1）所示的风速计算方法，可得参考点对应的实际钢结构风压为：

式中：Zr为试验时参考风速测试点对应的实物高度；W0a为地貌指数为α时的基本风压；Z0=10 m；α为大气边界层地貌指数；a0为标准地貌指数，取a0=0.15（相当于B类地貌的地貌指数）；HT0为标准地貌情况下的大气边界层高度，取HT0=350 m；HTa为地貌指数为α时的大气边界层高度。而式（6）中，

恰好为参考点Zr处的风压高度变化系数mzr，因此有将此代入式（5）中得：可得到风载体型系数sim与风压系数Cpi的关系为

将风洞试验测得测试点的风压系数按式（7）转换成相应的体型系数，该体型系数仅为结构各测点通过测量计算得到的局部体型系数，而并非平面的整体体型系数。

反应器立面的体型系数可由每个面的测点处的局部体形系数，根据下式（9）计算得到。

GB 50009-2012 《建筑结构荷载规范》 中对封闭式房屋和构筑物矩形平面体型系数的规定由图6可知，考察烟道对反应器结构的局部遮挡效应，取风向角α=0°、90°、180°、270°，此时反应器四个立面的体型系数见下表1，这与规范取值（图6）对比差异较为显著。可知由于靠近锅炉区域烟道的存在，SCR反应器在来流风作用下周围风场改变，反应器四个立面均受到较大影响，烟道对反应器构成了一定程度的遮挡，风荷载局部遮挡效应显著导致个别立面体型系数比孤立结构条件下略小，荷载规范取值由于没有考虑遮挡效应而偏于保守。

表1 反应器四立面体型系数

图6 规范中矩形平面体型系数示意图

4 结语

根据风动试验结果表明，烟道对反应器局部遮挡效应显著。另外，部分风向角下立面的体型系数略小于建筑结构荷载规范中规定的值。如考虑风向角α=90°时，a立面为迎风面，体型系数为0.66，小于规范中的0.8；da立面为背风面，体型系数为-0.35，其绝对值也小于规范的-0.5。实际工程设计中，应适当考虑风荷载的局部遮挡效应。

Discussion on Wind Load Design of Denitrification Reactor

Zhao Mengyuan Zhao Tianyi Jin Junjie
Zhej iang Province Tiandi Environment Protection Scienti f ic Technology Limited

According to denitrification steel bracket structure wind tunnel test data from flue gasdenitrification engineering at some power plant, the author carries out research on wind load design ofdenitrification reactor and analyzes figure coefficient of each facade of reactor under the condition of flueblocking.

Power Plant, Denitrification Reator, Wind Load, Wind Tunnel Test

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.07.009

赵梦圆：土木工程专业，助理工程师，从事土木工程结构设计。

赵天一：土木工程专业，助理工程师，从事土木工程结构设计。

金军洁：土木工程专业，助理工程师，从事土木工程结构设计。