趙夢(mèng)圓 趙天一 金軍潔浙江天地環(huán)保科技有限公司

脫硝反應(yīng)器設(shè)計(jì)風(fēng)荷載的探討

趙夢(mèng)圓 趙天一 金軍潔
浙江天地環(huán)?？萍加邢薰?/p>

依據(jù)對(duì)某電廠煙氣脫硝工程脫硝鋼支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行的風(fēng)洞試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，對(duì)脫硝反應(yīng)器設(shè)計(jì)風(fēng)荷載進(jìn)行了研究，著重分析了在煙道遮擋的情況下，反應(yīng)器各個(gè)立面的體形系數(shù)。

火電廠；脫硝反應(yīng)器；風(fēng)荷載；風(fēng)洞試驗(yàn)

脫硝反應(yīng)器作為脫硝系統(tǒng)的主要部分，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到火力發(fā)電廠中。脫硝反應(yīng)器具有體量大，高度高的特點(diǎn)，引起的風(fēng)荷載對(duì)脫硝支架有很大的影響。因而，研究脫硝反應(yīng)器風(fēng)荷載對(duì)于合理優(yōu)化脫硝支架，降低建造成本有重大意義。

1 設(shè)計(jì)風(fēng)荷載的影響因素分析

根據(jù)GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》8.1.1條的規(guī)定，垂直作用于主要受力結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：wk=βzμsμzw0。其中βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)，μs為風(fēng)荷載體形系數(shù)，μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，w0為基本風(fēng)壓（kN/m2）。目前規(guī)范中規(guī)定的風(fēng)振系數(shù)僅針對(duì)以一階振型為主要振動(dòng)的結(jié)構(gòu)，對(duì)反應(yīng)器而言可以不予考慮；而根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范8.3.2條的規(guī)定，相鄰高層建筑相互間距較近時(shí)，宜考慮風(fēng)荷載的相互遮擋效應(yīng)。對(duì)于脫硝反應(yīng)器這種布置在高位，且周邊分布有體量相近的煙道的設(shè)備，風(fēng)荷載遮擋效應(yīng)較為顯著，宜采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法來(lái)確定其風(fēng)荷載體形系數(shù)。

2 風(fēng)洞試驗(yàn)

2.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

針對(duì)某電廠煙氣脫硝工程脫硝鋼支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)和內(nèi)容如下：

風(fēng)洞試驗(yàn)脫硝鋼支架結(jié)構(gòu)模型的縮小比例為1:100。試驗(yàn)原型脫硝鋼支架主體平面尺寸為58×30 m，高度達(dá)60 m，煙道平面尺寸40×12 m范圍，高度達(dá)53 m。支架模型材料為ABS工程塑料，模型總高度約為0.6 m，模型鋼支架平面長(zhǎng)度L約為0.58 m、寬度B約為0.3 m。概貌見(jiàn)圖1。

按照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范規(guī)定，確定脫硝鋼支架所在地正常使用狀態(tài)（10 a一遇）基本風(fēng)壓為0.35 kPa，對(duì)應(yīng)平均風(fēng)速23.7 m/s；承載力極限狀態(tài)（50 a一遇）基本風(fēng)壓為0.75 kPa，對(duì)應(yīng)平均風(fēng)速34.6 m/s。

考慮脫硝鋼支架所在近海地區(qū)的地形地貌特征，按荷載規(guī)范規(guī)定，該結(jié)構(gòu)物處于B類(lèi)地貌特征。地貌粗糙度指數(shù)α=0.15；湍流度參照國(guó)家規(guī)范（GB50009-2012）取值。

試驗(yàn)風(fēng)壓系數(shù)和時(shí)程的參考點(diǎn)取轉(zhuǎn)盤(pán)中心離底面高0.6 m，對(duì)應(yīng)實(shí)際高度60 m。

脫硝鋼支架及煙道和反應(yīng)器風(fēng)洞試驗(yàn)，根據(jù)來(lái)流水平風(fēng)向角的不同，測(cè)壓及測(cè)力試驗(yàn)的分36個(gè)工況，測(cè)量對(duì)象為煙道及反應(yīng)器結(jié)構(gòu)外表面壓力。

圖1 脫硝鋼支架風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

對(duì)于脫硝鋼支架模型進(jìn)行風(fēng)洞動(dòng)態(tài)時(shí)程測(cè)力試驗(yàn)，可分為以下兩步。首先，為保證各個(gè)風(fēng)向的數(shù)據(jù)信息都能得到充分采集，在360°范圍內(nèi)每隔10°進(jìn)行一次數(shù)據(jù)測(cè)量，共在36個(gè)風(fēng)向角下對(duì)模型進(jìn)行整體測(cè)力。

2.2 風(fēng)場(chǎng)模擬

（1）風(fēng)速剖面模擬

考慮本工程所在地及周邊地形地貌，依據(jù)荷載規(guī)范描述，綜合考慮確定該工程所在地地面粗糙度為B類(lèi)，相應(yīng)地面粗糙度指數(shù)0.15，縮尺比為1:100。用下式來(lái)描述離地高度與風(fēng)速的關(guān)系：

式中：U0為離地面10 m高度處，考慮100 a重現(xiàn)期，10 min的平均風(fēng)速；Uz為離地面高Z處的平均風(fēng)速；α是地貌粗糙度指數(shù)。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)風(fēng)速剖面的模擬主要通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)洞的多功能模擬裝置以及風(fēng)洞底部、側(cè)壁的粗糙元來(lái)實(shí)現(xiàn)，風(fēng)洞試驗(yàn)前通過(guò)對(duì)設(shè)備的調(diào)整進(jìn)行測(cè)試和校驗(yàn)，測(cè)得風(fēng)洞中不同。高度的風(fēng)速變化曲線（如圖2所示）同按式（1）計(jì)算的理論曲線相比，兩者誤差符合試驗(yàn)要求。

圖2 風(fēng)速剖面試驗(yàn)結(jié)果

（2）湍流度模擬

湍流度是用來(lái)表征大氣邊界空氣流動(dòng)所產(chǎn)生渦流強(qiáng)度特性的參數(shù)，離地面高度越大湍流度越小，此外，影響湍流度的因素還有平均風(fēng)速、時(shí)距以及地面粗糙度等。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，采用以下理論公式描述湍流度與離地高度的關(guān)系：

式中：Z是離地面高度；I10為10 m高名義湍流度，對(duì)于A、B、C、D類(lèi)地貌分別取0.12，0.14，0.23，0.39。本次風(fēng)洞試驗(yàn)的模擬湍流度（如圖3所示）與通過(guò)式（2）計(jì)算得到的理論值較為接近。對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)的準(zhǔn)確模擬保證了平均風(fēng)壓、脈動(dòng)風(fēng)壓等參數(shù)測(cè)量的可靠性。

圖3 湍流度剖面試驗(yàn)結(jié)果

（3）風(fēng)速譜模擬

圖4為0.4 m高度（原型40 m高度）處歸一化風(fēng)速譜與理論譜的對(duì)比結(jié)果，模擬風(fēng)譜與常用經(jīng)驗(yàn)風(fēng)速譜較為接近。

圖4 風(fēng)洞0.4 m（原型40 m）高度處功率譜曲線測(cè)試

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖5為風(fēng)洞試驗(yàn)局部坐標(biāo)系示意圖。

本次模型試驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：Cpi是建筑物表面測(cè)點(diǎn)i的風(fēng)壓系數(shù)；Pi是測(cè)點(diǎn)i處的風(fēng)壓值；P∞是參考點(diǎn)靜壓力值；V∞是參考點(diǎn)的風(fēng)速。該計(jì)算方法為國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)工程計(jì)算風(fēng)壓系數(shù)的慣用方法。根據(jù)相似原理可知，鋼支架模型中測(cè)量計(jì)算得到的無(wú)量綱參數(shù)即為實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)的無(wú)量綱參數(shù)，因此本次風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕细鳒y(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)Cpi即為脫硝鋼支架對(duì)應(yīng)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)。

在不考慮風(fēng)振系數(shù)影響的條件下，作用在結(jié)構(gòu)表面某一點(diǎn)“i”的風(fēng)壓計(jì)算公式為：

圖5 風(fēng)洞試驗(yàn)局部坐標(biāo)系示意圖

式中：W0為基本風(fēng)壓；sim為i點(diǎn)的風(fēng)荷載體型系數(shù)；zim為i點(diǎn)的風(fēng)壓高度變化系數(shù)。而風(fēng)洞試驗(yàn)采用的風(fēng)壓計(jì)算公式為：

式中：Cpi為模型試驗(yàn)所得的i點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)；Wr為試驗(yàn)參考點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的實(shí)物上的壓力。又根據(jù)風(fēng)壓與風(fēng)速的換算關(guān)系及式（1）所示的風(fēng)速計(jì)算方法，可得參考點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)壓為：

式中：Zr為試驗(yàn)時(shí)參考風(fēng)速測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)物高度；W0a為地貌指數(shù)為α?xí)r的基本風(fēng)壓；Z0=10 m；α為大氣邊界層地貌指數(shù)；a0為標(biāo)準(zhǔn)地貌指數(shù)，取a0=0.15（相當(dāng)于B類(lèi)地貌的地貌指數(shù)）；HT0為標(biāo)準(zhǔn)地貌情況下的大氣邊界層高度，取HT0=350 m；HTa為地貌指數(shù)為α?xí)r的大氣邊界層高度。而式（6）中，

恰好為參考點(diǎn)Zr處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)mzr，因此有將此代入式（5）中得：可得到風(fēng)載體型系數(shù)sim與風(fēng)壓系數(shù)Cpi的關(guān)系為

將風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得測(cè)試點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)按式（7）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的體型系數(shù)，該體型系數(shù)僅為結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)通過(guò)測(cè)量計(jì)算得到的局部體型系數(shù)，而并非平面的整體體型系數(shù)。

反應(yīng)器立面的體型系數(shù)可由每個(gè)面的測(cè)點(diǎn)處的局部體形系數(shù)，根據(jù)下式（9）計(jì)算得到。

GB 50009-2012 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 中對(duì)封閉式房屋和構(gòu)筑物矩形平面體型系數(shù)的規(guī)定由圖6可知，考察煙道對(duì)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的局部遮擋效應(yīng)，取風(fēng)向角α=0°、90°、180°、270°，此時(shí)反應(yīng)器四個(gè)立面的體型系數(shù)見(jiàn)下表1，這與規(guī)范取值（圖6）對(duì)比差異較為顯著?？芍捎诳拷仩t區(qū)域煙道的存在，SCR反應(yīng)器在來(lái)流風(fēng)作用下周?chē)L(fēng)場(chǎng)改變，反應(yīng)器四個(gè)立面均受到較大影響，煙道對(duì)反應(yīng)器構(gòu)成了一定程度的遮擋，風(fēng)荷載局部遮擋效應(yīng)顯著導(dǎo)致個(gè)別立面體型系數(shù)比孤立結(jié)構(gòu)條件下略小，荷載規(guī)范取值由于沒(méi)有考慮遮擋效應(yīng)而偏于保守。

表1 反應(yīng)器四立面體型系數(shù)

圖6 規(guī)范中矩形平面體型系數(shù)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，煙道對(duì)反應(yīng)器局部遮擋效應(yīng)顯著。另外，部分風(fēng)向角下立面的體型系數(shù)略小于建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中規(guī)定的值。如考慮風(fēng)向角α=90°時(shí)，a立面為迎風(fēng)面，體型系數(shù)為0.66，小于規(guī)范中的0.8；da立面為背風(fēng)面，體型系數(shù)為-0.35，其絕對(duì)值也小于規(guī)范的-0.5。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)適當(dāng)考慮風(fēng)荷載的局部遮擋效應(yīng)。

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

趙夢(mèng)圓：土木工程專(zhuān)業(yè)，助理工程師，從事土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

趙天一：土木工程專(zhuān)業(yè)，助理工程師，從事土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

金軍潔：土木工程專(zhuān)業(yè)，助理工程師，從事土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。