悬挂省煤器的SCR脱硝反应器结构受力分析

彭 伟

(大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100097)

悬挂省煤器的SCR脱硝反应器结构受力分析

彭 伟

(大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100097)

以某电厂660 MW机组脱硝工程为背景，利用ANSYS软件，按照实际工程的结构形式和尺寸建立SCR反应器本体结构三维有限元模型。计算并分析反应器在自重、省煤器、催化剂、积灰、烟气压力荷载作用下的应力和变形，为实际工程设计提供依据。

反应器，省煤器，有限元分析，应力，变形

0 引言

位于宁夏某660 MW燃煤锅炉机组脱硝装置采用选择性催化还原法(SCR)，选择液氨作为还原剂。SCR烟气脱硝系统采用高灰段布置方式，反应器布置在锅炉二级省煤器出口和空气预热器之间，一级省煤器吊挂于SCR反应器出口烟道内部，不设SCR反应器烟气旁路及省煤器旁路。催化剂采用“2+2”模式布置，最上2层为预留层(见图1，图2)。脱硝装置处理100%烟气量，在锅炉正常负荷范围内，SCR入口NOx浓度为270 mg/nm3(6%O2，干基)时，初装2层催化剂烟气脱硝效率不低于85.2%，反应器出口NOx浓度不高于40 mg/nm3(6%O2，干基)。

1 建立有限元计算模型

1.1几何模型

该660 MW机组脱硝工程SCR反应器长宽高尺寸为(22.36×14.66×17.9)m，采用考虑壁板参与计算的钢框架结构形式，结构层数为4层，下部布置2层催化剂(两用两备)，顶部安装整流格栅和入口烟道。结构平面布置要同时考虑催化剂模块的支撑和下部省煤器的悬挂，纵向和横向支撑梁的布置根据催化剂模块的尺寸和省煤器的支吊位置确定。主要结构部件包括支柱、横梁、水平撑、加劲肋及壁板。角柱采用箱型500×500×40×40，中间柱截面采用箱型400×400×40×40，底层框架主梁采用400×

1 200×20×30，催化剂模块支撑梁采用箱型250×1 200×30×40，省煤器支撑梁采用箱型250×1 000×20×30。SCR反应器整体结构有限元模型见图3。

1.2材料参数与单元类型

反应器立柱、横梁和加劲肋采用梁单元Beam188模拟，外壁板采用壳单元Shell63模拟，斜撑采用杆单元Link8模拟。材料全部采用Q345-B钢材，BMCR工况下烟气温度385 ℃，运行工况烟气压力6.5 kPa，弹性模量1.6×105MPa，密度7 850 kg/m3，泊松比0.3。

1.3荷载和约束

反应器恒荷载包括结构自重、催化剂、省煤器、保温、整流格栅、入出口烟道。催化剂模块支撑梁间距根据模块尺寸确定，承受模块的均布自重荷载。催化剂模块采用7×22的布置方式，催化剂模块大小为1 910(L)mm×970(W)mm×1 405(H)mm，单个模块重量1 300 kg，每层88个，4层，总重8 008 kN。省煤器总荷载5 800 kN，设置6排吊挂，每排吊挂967 kN。吊挂位于催化剂模块支撑梁下部，承受吊点均布荷载。结构自重由程序自动计算，催化剂模块荷载按照均布荷载施加于支撑梁顶，省煤器荷载根据悬挂吊点位置和分布按照均布荷载施加于支撑梁底部，整流格栅折算成均布荷载施加于顶层催化剂支撑梁顶部，出入口烟道以集中荷载形式施加于反应器顶部和底部支撑梁上。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6.5 kN/m2均布作用于外壁板面。本工程锅炉及反应器外部全封闭维护，反应器不考虑风荷载。反应器四个立柱下部采用滑动支座，模型中释放水平方向的约束，施加竖直向上的单向位移约束。在四个滑动支座中间分别设置四个水平限位支座。水平限位支座施加单向水平位移约束。地震荷载采用等效侧力法进行分析。催化剂及省煤器荷载施加见图4。

2 计算结果分析

2.1省煤器和催化剂模块支撑梁计算结果分析

高温状况下，反应器结构设计采用许用应力法。根据《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》[1]规定，Q435钢材在385 ℃时设计温度下的许用应力约为124.5 MPa。

底层纵向模块支撑梁同时承担催化剂模块荷载、省煤器荷载和出口烟道荷载，根据计算结果显示，纵向模块支撑梁的竖向变形为17.3 mm(见图5)，横向支撑梁跨中最大位移为17.6 mm(见图6)，均满足1/800的挠度限值要求。在应力分布方面，梁两端与立柱刚性连接，两端存在最大负弯矩，跨中存在最大正弯矩，梁端部和跨中存在较大应力，最大应力值分别为31.53 MPa和81.1 MPa(见

图7,图8)，均未超出许用应力要求。

2.2反应器立柱计算结果分析

反应器立柱的应力应变分布图见图9,图10，柱最大应力出现在位于中间位置的催化剂支撑立柱下端。四个角的立柱由于没有直接与催化剂和省煤器支撑梁连接，传递弯矩较小，应力和变形较小。四边中部立柱由于与催化剂和省煤器支撑梁刚接，下部采用聚四氟乙烯复合板滑动支座，除承受较大竖向荷载外，还承受梁端传递的负弯矩，导致立柱下部出现最大的应力和位移，由分析结果得出，立柱最大应力为90 MPa，最大水平位移为5.7 mm。

3 结语

1)采用反应器悬挂省煤器的结构形式，不仅可以优化锅炉尾部烟道布置，而且可以简化省煤器支撑方式，降低脱硝钢结构用量。

2)采用ANSYS对下部悬挂省煤器的SCR反应器进行结构计算，可以利用软件的参数化分析功能，考虑高温作用下的钢材受力特性，根据钢材许用应力进行结构分析和构件设计。并可根据反应器整体和局部的应力和变形分布情况，对结构进行优化设计。

[1] DL/T 5121—2000,火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程[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 伟(1985- )，男，硕士，高级工程师

TU311

A