温度效应对脱硝反应器结构与保温的影响

黄福安，李博，侯亚委

(华电重工股份有限公司，北京100070)

温度效应对脱硝反应器结构与保温的影响

Tem perature effect on the SCR structure and thermal insulation

黄福安，李博，侯亚委

(华电重工股份有限公司，北京100070)

脱硝反应器正常运行温度在400℃左右，其钢结构设计一直以来沿用适当外部保温足以保证结构内外温差可忽略不计的假定。对某电厂的现场实测发现，脱硝反应器柱的内外翼缘温差平均可达到177℃，而不适当的保温措施和施工顺序会引起反应器结构更大的温度应力，甚至造成构件与结构破坏。结合现场实测结果和分析计算，提出脱硝反应器结构与保温设计需改进和注意的关键点，指出施工、运行必须满足的保温要求。

脱硝反应器；温度效应；保温措施；设计改进

1 概述

我国是燃煤发电大国，截止2013年底全国火电装机已经达到8.6亿kW，火电发电量39 108亿kWh。但是作为经济发展的负面效应，能源消耗带来的环境污染问题越来越严重。其中，大气烟尘、酸雨、温室效应和臭氧层的破坏已成为危害人类生存的四大杀手。火电厂燃煤发电过程中产生的烟尘，SO2，NOx等有害物质是造成大气污染、酸雨和温室效应的主要原因之一。目前在燃煤电厂，我国通过开展大规模的烟气脱硫项目，使SO2排放得到有效遏制，经济和社会效益显著，但燃煤烟气脱硝改造相对滞后。研究资料表明，如果仍不加强对烟气中NOx的治理，NOx的总量和在大气污染物中的比重都将上升，并有可能取代SO2成为大气中的主要污染物。因此火电厂进行脱硝改造势在必行。

但对正在运行的火电厂进行脱硝改造涉及许多技术问题，其中脱硝反应器、支架、烟道等设计中温度控制就是比较突出的问题。如果不能较好地处理这些问题，将会给发电机组带来安全隐患，影响脱硝改造工程的正常进行。

2 脱硝改造中温度控制问题

脱硝反应器一般在400℃左右的高温状态下工作，反应器保温设计采用火电燃煤锅炉烟道和本体保温设计的假定〔4〕:适当外部保温足以保证结构内外温差可忽略不计，结构计算考虑高温状态下屈服强度的折减。锅炉的保温设计见图1。

测量结果表明，脱硝反应器柱、梁、加紧肋等内外翼缘温差较大，与设计规程提出的 “适当外部保温足以保证结构内外温差可忽略不计的假定”不符，可见现行设计规程有关保温措施的处理方式存在一定的误区。

3 温度应力产生原因分析与对策

3.1 温度应力产生原因理论分析

当弹性体在非正常工作温度场中工作时，弹性体各部分因膨胀或收缩改变其形状或尺寸。由于温度场的不均匀变化，这种膨胀或收缩变形受到外部约束或内部的变形协调要求而不能自由发生时，物体内部所产生的附加应力，即所谓的变温应力，也称为温度应力。钢结构构件温度的变化导致各部位膨胀、收缩，主要有3种形式:轴向变形、弯曲变形和截面不均匀变形。在静定结构中，如果各构件温度沿截面高度呈线性变化，则结构只产生变形，无温度自应力 (在截面上能自相平衡的应力)的产生，如果各个构件温度沿截面高度呈非线性变化，则构件截面上会产生温度应力.在超静定结构中，无论温度沿构件截面高度呈非线性变化还是线性变化，它都会引起结构的位移，而且由于多余约束的存在，都会在结构中产生温度应力。脱硝反应器支撑结构梁与柱采用刚性连接，是全焊接的超静定结构，若整个结构不是处在一个相同的温度场中，就会由于多余约束的存在及变形协调的要求，在结构中产生较大温度应力。

3.2 温度应力效应有限元分析

为了分析反应器支撑柱、垂撑裂纹产生的原因，采用国际通用有限元软件STAAD.Pro建立反应器的三维模型，分别按照无保温和有保温 (依据适当外部保温足以保证结构内外温差可忽略不计的假定)2种工况分析温度效应对结构的影响。计算分析表明:有保温工况，假定反应器处在同一温度场，400℃均匀受热，则不存在明显的温度差影响，温度作用工况主轴弯矩如图3所示；无保温工况，当柱翼缘内外温差达到300℃时 (无保温措施)，反应器炉前中心柱、垂撑温度荷载作用下的柱弯矩、轴力增加非常大，温度作用产生的柱主轴弯矩如图4所示。在2种情况下，温度对柱、撑的作用内力见表2，3。

通过有限元计算分析发现，无保温状态下运行反应器，温度效应产生的结构力较大，甚至超过恒荷载、活荷载对结构的影响，足以引起构件焊缝、连接点开裂，对机组安全运行形成巨大安全隐患。

3.3 反应器外部保温处理方法

式中:w ij(t)是输入层到隐藏层经t次调整的权值;I jq是在第q组样本输入时节点i的第j个输入。

脱硝反应器外部保温设计主要依据参考文献〔4〕，该标准适用于火力发电厂的设备、管道和附属钢结构的保温设计，不适用于汽轮机、锅炉本体的保温，也不适用于电气、土建专业的有关保温设计。

STAAD软件的分析结果也表明:170℃以上温差，仍足以在反应器的柱、垂撑等构件上引起较大的温度内力 (见表4—6)，甚至可能影响结构的安全，不应忽略不计。因此，反应器的结构计算应考虑温度效应的影响。

保温的目的是减少散热损失或降低其外表面温度，并维持被保温结构的整体温度平衡，避免因温差过大而产生附件温度应力。具体实施过程中，可按下述计算方法获得保温材料的相关尺寸。一般来说，1层50 mm的硅酸铝耐火纤维材料，2层75 mm的岩棉材料，就可以满足保温的基本要求。计算分析过程如下:

1)计算保温结构外表面导热系数

式中 ts为保温结构表面温度，取50℃；ta为环境温度，取27℃；ε为保护层材料黑度，取0.27；B为沿风速方向的平壁宽度，取17.87m；w为室外风速，取3.2m/s；αn:辐射传热系数 (w/(m2·k))；αc为流传热系数 (w/(m2·k))。2)计算保温厚度δ1，δ2

式中 t为介质温度，取376℃；tb为复合保温内外层界面处温度，取340℃；[q]为保温结构外表面允许散热损失，取195 w/m2；λ1为内保温硅酸铝材料导热系数，取0.114 w/(m·k)；λ2为外保温岩棉材料导热系数，取0.067 4 w/(m·k)。

3)验算复合内外层界面处温度tb

通过以上计算分析，进行脱硝改造工程时，反应器保温处理应该根据上述计算方法，获得保温材料的实际尺寸，并严格按照保温设计施工步骤工作，可以确保脱硝反应器正常工作。

根据现场实测结果，由于温度梯度、施工措施、散热损失及构件截面形式的影响，按照现行规程采用保温厚度并不能保证 “适当外部保温足以保证结构内外温差可忽略不计”的假定成立，反应器工字型支撑柱内外翼缘平均温差达到170℃以上，其温差足以使脱硝反应器产生较大的结构温度应力，影响发电机组正常发电。

4 脱硝改造设计需注意的关键点

1)反应器结构未进行保温处理的情况下，严禁通烟气运行。

2)目前设计规程采用的保温设计方法，不适合反应器改造，即 “适当外部保温足以保证结构内外温差可忽略不计”的假定不能成立，反应器的结构计算必须考虑温度效应的影响。

3)保温设计要经过严格、系统的计算，对反应器局部突出部分，如筋和反应器柱等部分，要考虑给予足够的保温措施，防止局部保温过薄，导致热损失过大或者超温。

4)反应器本体外部支撑结构设置应尽量靠近封闭壳体，支柱设计尽可能采用直柱、箱型柱的方案，减少热传导距离，避免构件内外温差较大，降低温度效应。

5)慎重考虑在反应器外设立垂撑，如果垂撑无法避免，保温措施要尽可能保证撑和反应器本体在一个区域内共同受热，并考虑温度效应。

〔1〕龙驭球，包世华.结构力学 〔M〕.北京:高等教育出版社，2000.

〔2〕中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50017—2003钢结构设计规范 〔S〕.北京:中国计划出版社，2003.

〔3〕中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50009—2012建筑结构荷载规范 〔S〕.北京:中国建筑工业出版社，2012.

〔4〕中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T5072—2007火力发电厂保温油漆设计规程 〔S〕.北京:中国电力出版社，2007.

〔5〕中华人民共和国能源部.DL T5121—2000火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程 〔S〕.北京:中国电力出版社，2000.

〔6〕国家能源局.DLT776—2012火力发电厂绝热材料 〔S〕.北京:中国电力出版社，2012.

〔7〕国家能源局.DLT777—2012火力发电厂锅炉耐火材料 〔S〕.北京:中国电力出版社，2012.

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1008-0198(2014)06-0057-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.017

2013-05-18 改回日期:2014-11-26