350MW超临界机组联合侧煤仓锅炉钢结构设计简介.pdf

第 4 6卷第 4期 2 0 1 5年 7月 锅 炉技术 B0I LER TECH N0L0GY Vo1 ． 46，NO ． 4 J u l y ．，2 0l 5 3 5 0 MW 超 临界机 组联 合侧煤 仓锅炉钢结构设计简介 林 彬 ，苏 刚 上海锅炉厂有 限公 司，上海2 0 0 2 4 5 摘要 近一段 时间国内越来越 多的火 电业 主在招标 中明确要求采 用联合 侧煤仓 锅炉钢结 构 ， 联合侧煤 仓 锅炉钢结构是一种较新 的钢结构布置形式 。以国内某 3 5 0 MW 超 临界机组工程 为例 ， 对 联合侧煤 仓锅炉钢 结 构设计进行简单介绍 。 关键词 联合侧煤仓锅炉钢结构 ；设计 ；布置 ；荷载 ；计算 ；周期 比 中 图分 类号 TK2 2 9 ． 2 文 献 标 识 码 A 文章 编 号 1 6 7 2 4 7 6 3 2 0 1 5 0 4 0 0 2 3 0 4 0 前 言 目前 国 内越 来 越 多 的业 主 希 望 采 用 联 合 侧 煤 仓 锅 炉 钢 结 构 。从 业 主 的 角 度 来 看 ， 联 合 侧 煤 仓 锅 炉 钢 结 构 较 常 规前 煤 仓 或 独 立 侧 煤 仓 布 置 更 紧 凑 、 占地 面 积 更 小 ， 并 具 有 一 定 的 新 颖 性 ， 然 而 在 联 合 侧 煤 仓 锅 炉 钢 结 构 设 计 中 会 遇 到 一 些在 常 规 布 置 中较 少 遇 到 的 问题 。本 文 以 国 内某 3 5 0 Mw 超 临 界 机 组 工 程 为 例 ， 对 联 合 侧 煤 仓锅 炉 钢 结 构 设 计 进 行 简 单 介 绍 ， 希 望 能 为 具 体 联 合 侧 煤 仓 锅 炉 钢 结 构设 计 提供 一 定 的 参 考 。 表 1 联 合侧 煤仓 锅炉钢 结构 内主 要设 备 结构类型 设 备名称 锅炉钢架 脱 硝钢结构 煤 仓 间 结 构 水冷壁 、 受热 面、 集 箱 、 刚性梁 、 燃烧 器 、 风箱 、 锅 炉烟 道 、 一 次风 道 、 二 次风 道 、 四 大 管 道 、 煤 粉 管 道 、 分 离 器 、 扩 容 器 、 集水箱 、 闭式水 箱、 省 煤器 除灰设备 、 各 连接管道 、 除氧器 、 部分设备间 脱硝反应 器 、 脱 硝进 口烟道 、 脱 硝 出 口 烟 道 、 空 气 预 热 器 出 口 至 除 尘 器 部 分 烟 道 、 风机进 口风道 、 一、 二 次风机 及其检 修起 吊设备 磨煤机及其 检 修起 吊设 备、 给煤 机 、 煤 粉管道 、 钢煤 斗、 输煤 皮带 、 老虎 头至皮 带间设备 、 楼梯 问、 部分设备问 1 概 述 2 结构 总体布置方 案 目前 火 电行 业 对 联 合侧 煤 仓 锅 炉 钢 结 构 的 理解 为 2台火 电机 组 的锅 炉 钢结 构 、 脱 硝钢 结构 和煤仓间结 构连接起来形成整体 的联合全钢结 构 。2台机组 的锅炉钢结构在整体 结构 的两侧 ， 脱硝 钢结 构 紧连 在 锅 炉 钢 结 构 后 面 ， 2台 锅 炉钢 结构 和 脱 硝 钢 结 构 之 间 为 煤 仓 间 钢 结 构 。联 合 侧煤 仓锅 炉钢 结 构 使 得 锅 炉 钢 结 构 内包 含 的设 备范围大大扩展 ， 不仅包含常规锅炉钢结构范围 内的设备 ， 还包含 了脱硝钢结构和煤仓 间结构范 围内 的设 备 ， 以及 常规 布 置 中一些 原 本 由 电力设 计 院设计 范 围 的设 备 和结 构 ， 见 表 1 。侧 煤 仓 联 合锅 炉 钢结 构 需 满 足表 1中各 种 设 备 在 各 工况 下 的支 吊、 运 行 和维护 要求 。 现 以 国 内某 3 5 0 MW 超 临 界 机 组 为 例 介 绍 联合 侧煤 仓 锅 炉 钢 结 构 的布 置 。该 项 目厂 址 场 地 5 0年 超越 概率 1 0 ％水 准下 的地 震 动水 平 峰值 加速 度 为 0 ． 2 3 g ， 特 征 周 期 0 ． 4 5 S ， 5 0年 一 遇设 计基 本 风压 W。 一0 ． 5 0 k N／ m ， 整 体 紧身封 闭 ， 采 用联 合 侧 煤 仓 锅 炉 钢 结 构 布 置 方 式 。该 项 目的 柱 网布置 见 图 l ， 图 中仅表 示 整体 结构 的一半 ， 即 1号机 组 的锅炉 钢结 构 、 脱 硝 钢结 构 、 煤仓 间钢结 构 ， 2号机 组 的结构关 于煤 仓 问 中心 线对 称 。 锅 炉左右 方 向从 3轴至 M 轴 ， 锅 炉前后 方 向 从 K1至 K8轴 ， 1 、 2号 机组左 右方 向的轴线 号关 于煤 仓 间钢结 构 中心 线 对 称 布置 ， 前 后 方 向轴线 号 相 同 。K1至 K6轴 、 3 ． 2至 6 ． 8轴 为锅 炉 钢架 区域 ； K6至 K8轴 、 3至 6 ． 8轴 为脱 硝 钢 架 区域 ； 收稿 日期 2 0 1 5 0 1 2 0 作者简介 林彬 1 9 8 2一 ， 男 ， 工程师 ， 主要从事锅炉钢结构设计及研发工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 锅 炉 技术 第 4 6卷 K1至 K8轴 、 6 ． 8至 M 轴 为煤 仓 间 钢架 区域 ， 其 中 6 ． 8轴为锅 炉钢 架 和煤 仓 间钢 架 的共 用 立 面 。 单 台锅炉 及 脱 硝 钢架 主 体 宽 度 3 5 ． 8 m， 深 度 为 6 3 ． 4 m， 主体 高度 为 7 3 m。2台锅 炉钢 架 之 间宽 度 ， 即煤 仓 间 钢 结 构 宽 度 为 2 0 m， 深 度 为 6 3 ． 4 ／ 7 2 ， 主 体高度 为 4 2 ． 5 i 2 1 。2台锅 炉 钢结 构 、 2台脱 硝 钢结 构和 2台煤仓 问钢 结 构形 成 整 体 结 构后 ， 即联合 侧煤仓 锅 炉钢结 构 总宽为 9 6 m， 总深 度 为 6 3 ． 4 m， 最 高处 为炉顶 钢架 高 7 3 m。图 2为该项 目的联合侧煤仓锅炉钢结构的三维模型。 1 号锅炉 称 中心 1 煤仓问 图 1 柱 网 平 面 图 图 2 结构三维模型 3确定柱 网和关键设备支撑层 锅 炉本 体 设备 、 空 气 预热 器 和 除 氧器 是 锅 炉 钢架 的柱 网布置 的关 键因素 ， 脱硝反 应器和脱硝 进 出 口烟道是脱 硝钢结 构柱网布置 的关 键因素 ， 而磨 煤 机 、 煤斗和煤 粉管道 的布 置是煤仓 间钢结 构柱 网 布置的关键因素。这些结构都为独立结构时， 各结 构只要分别满足设备的要求即可， 不必考虑结构问 的相互 影响 、 柱 网是 否对齐和 主要 刚性平 面层 是否 对齐 ， 而联合侧煤仓锅炉钢结构却要充分考虑各结 构形成 整体结构后 的协调 、 合理 。 以本工 程 为 例 ， 简述 K1 ～K8间各 柱 距 的确 定过程 。煤 斗 、 煤粉管 道穿越和磨煤 机要求 的最 小 柱距为 1 0 m， 特殊 情况 可 9 I I 1 ， 意 味着 煤仓 问钢 架 从 K1至 K6的理 想 柱 距 皆 为 l O I I 1 ， 柱 距 总 长 需 5 0 m。锅 炉钢架从 K1至 K6的理想 柱距 分别 为 9 ． 2 i n， 8 ． 6 m， 1 0 m， 6 ． 8 m， 6 ． 8 m， 柱 距 总 长 仅 4 1 ． 4 m， 煤仓问和锅炉钢结构所需的柱距总长相差 达N8 ． 6 I n ， 如果 完全 由锅 炉钢 结构 拉 大柱 网来 满 足煤仓 问钢 结构 ， 不但 增加 成本 ， 而 且会 使 得锅 炉 本体 很多设备 都需要重新 布置设计 。经设 计配 合 ， 最 终确定锅 炉钢架 K3 轴 作为基 点不 动 ， 锅 炉本体 也 相对于 K3不动 ， K6到 K3的柱 距不 变 ， K1 、 K2 轴往炉前移 动增大 K1 至 K2 和 K2 至 K3的柱 距 ， 增 大 K6 至 K7的柱距 ， 调整 后的柱距见 表 2 。 表 2 f 1 至 K 8柱距 调整 表 由于各设 备 的尺寸 和 工 艺要 求 不 同 ， 煤 仓 问 和脱硝 区 域 的 主 要 设 备 支 撑 层 与 锅 炉 刚 性 平 面 的标 高不 一 致 ， 为 避 免 错 层 和 剪 力 集 中 ， 应 尽 量 使 煤仓 间 、 脱 硝设 备 和 锅 炉设 备 的主 要 支撑 层 一 致 。各 结构 支撑 层 的调 整 结果见 表 3 。 表 3支撑 层调 整表 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 林彬 ， 等 3 5 0 MW 超临界机组联合侧煤仓锅炉 钢结 构设计 简介 2 5 4 荷 载 本 工程 根 据 各 设 计 配 合 方 所 提 供 的 设 备 荷 载数 据统 计 ， 联 合侧 煤 仓锅 炉 钢 结 构 承受 总 的设 备荷 载 含 结构 自重 约为 4 5 0 0 0 t 。锅 炉 钢架 内 部主要集中荷载为锅炉本体 、 空气预热器和 除氧 器荷 载 ， 其 中除氧器 对 于 锅 炉钢 结 构 来说 为 主要 的新增设备 。脱硝钢结构 内主要集 中荷 载为脱 硝反 应器 、 脱硝 进 出 口烟 道 和空 气 预 热器 至 除尘 器 烟道荷 载 。煤 仓 间 钢 结 构 主要 集 中 荷 载 为 钢 煤斗荷载。除常规锅炉设备外 的主要 设备荷 载 统计见表 4 。煤仓间区域各层平 台的活荷载与锅 炉钢结构范围内的平台活载取值有所不 同， 其 中 运转 层 活荷 载 不小 于 1 0 k N／ m。 不 包 括 平 台 自 重 ， 煤 斗层 活荷 载 不 小 于 4 k N／ m ， 皮带 层 活荷 载不小于 5 k N／ m ， 皮带机头部传动装置楼面活 荷 载 不 小 于 1 0 k N／ m。 ， 屋 面 层 活 荷 载 不 小 于 2 k N／ m ， 楼梯的活荷载不小于 2 ． 5 k N／ m ， 其余 平 台的活 荷载 为不 小于 4 k N／ m 。 表 4 常规锅 炉设 备外 的主要 设 备荷载 5 结构计算 联合侧煤仓锅炉钢结构体 型大、 布置 复杂、 较大集 中荷载部位多 ， 须采用 三维计算模 型， 并 进 行结 构动 态分 析 ， 地 震采 用 振 型分 解 反 应 谱 法 计 算 ， 图 3为上述 工程 计算 模 型 。 图 3三维计算 模型 本 文 仅 提 出在 计 算 分 析 过 程 中要 注 意 层 问 位 移 和周期 比的 问题 。 以本工 程 为例 ， 联 合 侧 煤 仓 锅 炉钢 结构 中间部 分 4 2 ． 5 m 层 以下 是 与煤 仓 问连在 一起 的 ， 4 2 ． 5 m 以下 结 构 刚 度 已经 较 大 ， 计算过程 中在煤仓 间区域 以及公共 轴线 6 ． 8轴 上又设 置较 多 的抗侧 力构件 ， 整体结 构 以 4 2 ． 5 1T l 为界 下刚 上 柔 ， 导 致 结 构 在 4 2 ． 5 m 以上 的 层 间 位移 过大 ， 因此 在结 构 计算 中应 控 制 下部 抗 侧 力 构件 的刚 度 ， 同时 在 4 2 ． 5 m 以上 适 当 增 设 抗 侧 力构 件 ， 或 者 将 2台 锅 炉 钢 架 在 顶 部 连接 起 来 ， 以协 调结 构高 度方 向 的刚度 。 本工程联合侧煤仓 锅炉钢结构在结 构计算 阶段 另一 棘手 的 问题 是 结 构周 期 比 T 与 丁 之 比 的控制 。根据 高层 民用建筑钢结构技术规 程 第 3 ． 4 ． 5条 规 定 ， 结 构 扭 转 为 主 的 第 一 周 期 T 与 平动 为主 的第 一 平 动 周 期 T 之 比 ， A 级 高 度高层建筑不应 大于 0 ． 9 ； B级高度高层建筑不 应大于 0 ． 8 5 。结合 建筑抗震设计规范 第 3 ． 5 ． 3 条规 定 ， 结 构在 2 个 主轴 的 动力 特 性 宜相 近 的要 求 ， 则 结构 的第 一 、 二振 型 宜 为 平 动 ， 扭 转 振 型 应 在第三振型或之后 的振型。若第一振型为扭转， 周期 比肯定超过 1 ； 若第二振型为扭转 ， 说明结构 沿 2 个 主 轴方 向 的抗 侧 刚度 相 差 较 大 ， 周 期 比也 很难满足要求。结构扭转第一 自振周期 丁 与地 震作 用方 向 的平 动 第 一 自振 周 期 T 之 比值 ， 对 结构 的扭 转 响 应 有 明显 影 响 ， 当两 者 接 近 时 ， 由 于振 动耦 连影 响 ， 结 构 的扭 转效 应显 著增 大 。 常规 的独 立 前 煤 仓 和 独 立 侧 煤 仓 布 置 的 锅 炉钢架 的周期比容易满足要求 ， 而联合侧煤仓锅 炉钢结构如果仅根据设备及结构 的传力 需要来 布置抗 侧力 构件 ， 且 锅 炉最 外 排 柱 立 面上 未 设 置 垂 直斜 撑 ， 结 构 的周 期 比难 以 满 足 要 求 ， 需 对 结 构 周期 比进 行 调 整 。周 期 比 的调 整 是 调 整 抗 扭 刚度和 抗 侧 刚 度 的 比 例 ， 即 协 调 结 构 刚 度 的 分 布 ， 而不 是增 加结 构 的绝对 刚度 。可利 用 结 构 刚 度 与周期 比 的 反 比关 系 ， 合 理 布 置 抗 侧 力 构 件 ， 加 强需 要 减 小 周 期 的 方 向 包 括 平 动 和 扭 转 方 向 的刚 度 ， 减 小 需 要 增 大 周 期 的 方 向 的 刚 度 。 以本工程 为 例 ， 可 通 过 调整 各 刚性 层 的平 面 刚度 的分 布 ， 加 大 结 构 周 边 刚 度 如 立 柱 、 柱 间 梁 ， 外 立 面垂 直 支 撑 ， 周 边 水 平 支 撑 的尺 寸 并 且 控 制 结 构 内部 刚度 ， 尽 量 使结 构 的 刚度 中心 和 质 量 中 心重合或者接近。但是结构周边不宜过分加强 ， 不然 引起 周边 的 内力 过 于集 中 ， 对 构 件 和 基 础设 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 锅 炉 技 术 第 4 6 卷 计不 利 ， 同时也 增 加成 本 。经 过 上 述 调整 措 施 本 工程联合侧煤仓锅炉钢 结构 的周期 比控制在允 许范 围 。 6 结 语 联 合侧 煤仓 锅 炉钢 结 构设 计 在 结 构 布 置 、 荷 载和结构计算上与常规锅炉钢结构有不同之处 ， 本文以国内某 3 5 0 Mw 超临界机组工程为例， 对 联合侧煤仓锅炉钢结构设计进行简单介 绍， 希望 能为此类 型锅炉钢结构设计提供 一定 参考。但 在是 否采 用 联 合 侧 煤 仓 锅 炉 钢 结 构 这 种 形 式 时 有 以下 一些 问题需 要考 虑 1 联合侧煤仓的布置形式确实紧凑 ， 但整 体结 构体 型 复杂 、 不 同 区域 结 构 间相 互 影 响 ， 刚 度变化较大 ， 可能产 生不规则或薄弱 的部位 ， 采 取相 应 的加强 措施会 大 幅增加 用钢 量 。 2 联合 侧煤 仓 的布置形 式将 原来 独 立 的功 能不 同结 构连 接在 一 起 ， 与模 块 化 的设 计 原则 相 悖 。整体 结 构 内 部 设 备 布 置 紧 密 ， 管 道 纵 横 交 错 ， 内部通 道 尺 寸较 小 且 曲 折 ， 尤 其 是 整 体 紧 身 封 闭的结 构 ， 内部 通风 、 采 光 等 也 受影 响 ， 对机 组 将 来 的运行 、 维 护等 产生 一定影 响 。 3 是否 所有 的炉 型都 可采 用联合 侧 煤 仓锅 炉钢结 构需 专 门研 究 。大 容 量 的 兀 型炉 的锅 炉 钢架宽 度 达到 6 4 m 左 右 ， 考 虑 联合 侧 煤 仓 的布 置方式 使 得 结 构 的 宽 度 方 向 的 尺 寸 将 超 过 1 5 0 m。大 容量 的塔 式炉锅 炉 钢架 自身 高度 在 1 2 0 m 以上 ， 塔 式炉 锅炉 钢 结构 的柱 网与煤 仓 间结 构 的 柱 网更 难 匹配 ， 即使 形成 整 体 结 构后 宽 度 方 向的 尺寸 也将 超过 1 2 5 m。上述炉 型布 置联合 侧 煤仓 锅炉钢结构形式 ， 不但体型复杂且至少有一个方 向尺 寸超 长 ， 如此 大 尺 度 的 锅 炉 钢 结 构 ， 尚无 专 门规 范可 依 ， 其 结 构 特 性 、 抗 震 性 能 等 需 进 行 专 门的研究 ， 且 温差 和 基础 不 均 匀沉 降 产 生 的附 加 结构 内力 不可 忽视 。 参考 文献 [ 1 ]GB 5 0 0 1 7 2 3 ， 钢结构设计规范[ s ] ．北京 中华人 民共和 国建设部 ， 2 0 0 3 ． E 2 ]GB ／ T 2 2 3 9 5 2 0 ] 8 ， 锅炉钢结 构设 计规范 [ s ] ．北京 中华 人民共和国质监局 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ]GB 5 0 0 1 1 2 o l 0 ， 建筑抗震设计规范[ s ] ．北京 中华人 民共 和 国 建 设 部 ， 2 0 1 0． [ 4 ]J GJ 9 9 2 O 1 4 ，高层民用建筑钢结构技 术规程 [ S ] ．北 京 中 华人民共和国建设 部， 2 0 1 4 ． I n t r o d u c t i o n t o 3 5 0 MW Su p e r c r i t i c al J oi nt Boi l e r - SCR a n d - Bu n k e r St e el St r u ct u r e De s i g n LI N Bi n， SU Ga ng S h a n g h a i Bo i l e r W o r k s Co ．，Lt d ． ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 5 ，Ch i n a Abs t r a ct The i o i nt b oi l e r SCR a nd b un ke r s t e e 1 s t r uc t u r e wh i c h c omb i ne d b oi l e r s t e e l s t r u c t ur e，SCR s t e e l s t r uc t u r e a n d bun ke r s t e e l s t r uc t ur e i s pa i d mo r e a nd m o r e a t t e n t i o n r e c e n t l y ．Ta k e n a 3 5 0 MW s u p e r c r i t i c a l c o a l p l a n t f o r e x a mp l e ，t h e d e s i g n o f t h e j o i n t s t e e l s t r u c t u r e i s i nt r o d uc e d i n t h i s pa pe r ． K e y wo r d s j o i n t b o i l e r ～ S CR a n d b u n k e r s t e e l s t r u c t u r e ； d e s i g n； a r r a n g e me n t ； l o a d； a n a l ys i s；pe r i od r a t i o 更 正 声 明 刊登在本刊 2 0 1 5年增刊论 文 田集二次再 热机组 高温再 热器 出口集 箱 T9 2管座运 行可靠性分析 一文 中的有关“ 田集二 次再 热机 组” ， 更 改为“ 田集 一次再热机 组” ， 给读 者 造 成 的 不便 深 表 歉 意 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m