第三章 SCR设计

第一节 总体设计原则

SCR装置的最佳设计是其高效运行的基础。首先电厂应提供准确无误的基础数据，包括电厂平面图、锅炉及烟道布置图、烟气成分（特别是省煤器之后）、燃用煤质分析、电厂工业水及气管路图等；然后，确定脱硝工程要达到的性能指标，主要有脱硝效率、氨的逃逸率、SO2/SO3的氧化率、催化剂寿命、脱硝装置压力损失、脱硝系统可用率、装置寿命等。在此基础上进行合理设计。

一、总体要求

对于SCR高灰段工艺烟气脱硝系统，SCR反应器一般布置在省煤器与空气预热器之间的高含尘区域。运行方式为连续运行，并且要求安全可靠、技术先进、运行经济，能满足环境保护要求。设计应符合最新工业标准及行业规范，并满足国家有关安全、消防、环保、劳动卫生等强制性标准，达到预期的性能指标，并保证正常运行。

烟气脱硝系统设备、装置的设计、制造、安装、调试、试验及检查、试运行、考核、最终交付等应符合相关的法律、规范及标准。采用标准应包括国家标准及部颁标准、行业规程以及最新版的ISO和IEC标准。

二、系统和设备的设计要求

每套完整的SCR装置系统至少包括以下部分：

（1）SCR反应器本体。

（2）锅炉省煤器到SCR反应器入口及SCR反应器出口到空气预热器入口的连接烟道系统。

（3）氨稀释风机及氨/空气混合系统。（4）氨/烟气混合均布系统。

（5）SCR反应器本体吹灰系统。（6）氨供应系统。

（7）废水处理系统。（8）压缩空气系统。（9）给排水系统。

（10）采暖、通风、除尘及空调。（11）消防及火灾报警。

（12）控制系统。

（13）电气及通信系统。

（14）脱硝系统范围内的钢结构、楼梯和平台。（15）检修起吊设施。

（16）防腐、保温和油漆。（17）设计和设备安装。（18）设备标识、安全标识。

（19）照明。

脱硝装置所有需要的系统和设备的设计至少应满足以下条件：

（l）采用先进、成熟、可靠的技术，造价要经济、合理，便于运行维护。

（2）所有的设备和材料应是新的。（3）可利用率高。

（4）运行费用少。

（5）观察、监视、维护简单。（6）运行人员数量少。

（7）确保人员和设备安全。（8）节省能源、水和原材料。

（9）脱硝装置在闭合状态，密封装置的泄漏率为0，不允许烟气泄漏到大气中。

（10）脱硝装置的调试、启/停和运行应不影响主机的正常工作。

（11）脱硝装置应与锅炉的运行模式相协调，脱硝装置的设计必须确保在启动方式上的快速投入，在负荷有调整时有较好的适应特性，在电厂运行条件下能可靠、稳定地连续运行。

（12）脱硝装置有较长的服务寿命，一般为30年，大修期

为5年。

（13）当烟道、SCR反应器本体装置、省煤器设备为室外装置，需提供必要的防雨措施。

（14）不同的设备和组件可露天布置或安装在单独的或组合的建筑物中，流程合理，建筑物相对集中。

脱硝系统内所有设备应正确设计和制造，满足所有工况下的功能，不产生过度的应力、磨损、振动、腐蚀、老化和其他运行问题。设备部件的制造过程应采用高新技术，加工准确，符合产品质量标准要求。对于易磨损、腐蚀、老化，或需要调整、检查、更换的部件应易于采购，并能比较方便地拆卸、更换和修理。

所用的材料、铸件和锻件应符合各自有关的材料规范要求。在设备制造过程中必须实施严格的质量管理，包括必要的处理、检验和试验。机械部件及其组件或局部组件应有良好的互换性。每个零件内部应消除全部加工垃圾，如金属切屑、填充物等。应从内、外表面消除所有疏松的轧屑、锈皮、油脂等。控制仪表及设备选型应符合工程的要求。

三、性能要求

确保在任意工况条件下，当燃用设计煤种（包括校核煤种）时，脱硝系统脱硝效率不低于设计效率，并考虑留有一定的裕度，氨的逃逸量、SO2/SO3的转化率、压力降及烟气流经过反应器的温度变化都应小于设计值，并有一年质保期。

第二节 催化剂设计

一、催化剂的设计要求

（1）根据电厂基础数据及性能指标要求，合理选择催化剂类型，设置催化剂的层数。

（2）根据锅炉飞灰的特性合理选择孔径大小，并设计防堵灰措施，以确保催化剂不堵灰。同时，催化剂设计应尽可能降低压力损失。

（3）催化剂模块必须设计有效防止烟气短路的密封系统，密封装置的寿命不低于催化剂的寿命。催化剂各层模块一般应规格统一。

（4）催化剂设计应考虑燃料中可能含有的任何微量元素可

能导致的催化剂中毒。

4.烟尘浓度和成分对催化剂的影响

（5）在加装新的催化剂之前，催化剂体积应满足性能保证中关于脱硝效率和氨的逃逸率等的要求。

（6）应采用模块化设计，减少更换催化剂的时间。

（7）催化剂模块应采用钢结构框架，并便于运输、安装、起吊。

一般来说，烟气中飞灰浓度、飞灰组成（SiO2、Al2O3、CaO、As等）、飞灰性质（黏度、腐蚀性等）和尺寸大小等，影响到催化剂的孔径、孔数和壁厚等几何特征及催化剂活性。对于燃煤机组，典型的飞灰浓度与催化剂几何尺寸选择的关系，如图2324所示，烟气中CaO、As对催化剂活性的影响如图2325所示。

（8）应保证催化剂在合适温度范围内长期运行。

（9）应保证催化剂寿命达到设计值，并可再生利用。

二、催化剂成分的设计依据

根据具体工程项目中烟气的温度、NOx含量、硫的含量、灰分的大小及Ca、Tc、As等元素含量等参数的大小，来确定

催化剂中的主要成分V2O5、WO3、TiO2等量的多少。

三、烟气参数对催化剂的设计影响

烟气参数主要考虑烟气的含水率、氧浓度、SOx浓度及灰分等方面。

1.含水率

一般来说，含水率越高，对催化剂活性越不利。一种典型的烟气含水率对催化剂活性的影响如图2321所示。

图2323 最低操作温度与SO3浓度的关系

图2321 烟气中含水率对催化剂活性的影响

2.氧浓度

一般来说，烟气中氧浓度增大，有利于NOx的还原，对催化剂的活性有利，一种典型的烟气中氧浓度与催化剂活性的关系如图2322所示。

图2324 飞灰浓度与催化剂几何尺寸选择的关系

图2322 烟气中氧浓度与催化剂活性的关系

3.SOx浓度

一般来说，系统操作温度越高，烟气中SOx浓度越大，因此SO2/SO3性能指标会影响最低允许温度。典型的操作温度与烟气中SOx含量的关系如图2323所示。

图2325 燃煤机组烟气中CaO含量对催化剂活性的影响

1—小于3%CaO；2—小于5%CaO；3—小于10%CaO；4—PRB

5.烟气温度对催化剂的影响

烟气温度与催化剂活性、SO2/SO3的转化率的关系曲线

如图2326和图2327所示。

图2326 烟气温度与催化剂活性的关系

图2327 烟气温度与SO2／SO3转化率的关系

四、脱硝效率与经济性

在脱硝性能指标中，脱硝效率和氨逃逸率是两位一体、相互关联的。在一定的设计条件和催化剂用量的情况下，较高的脱硝效率对应着较高的氨逃逸率。催化剂寿命是脱硝效率和氨逃逸率保证值的重要指标；而二氧化硫的氧化率影响到了催化剂的配方，从而影响催化剂的活性和体积。

脱硝效率的选取要兼顾脱硝质量和设备成本两个方面的因素，而与此相关的成本因素主要是催化剂的用量。图23 28为某项目脱硝效率和催化剂用量关系曲线。图2 3 2 8中，假设脱硝效率为80%时催化剂的用量为1，在非常小的脱硝效率下，由于作为反应物的氨的浓度非常小，与氨逃逸处于同一个数量级，因此催化剂的用量随着脱硝效率的增加，上升很快；脱硝效率大于20%以后，这种上升的趋势变缓，催化剂用量的增加，主要反映了脱硝量的增加；当脱硝效率大于80%后，催化剂用量的大幅增加，其原因是在反应末期作为反应物的 NOx浓度大大降低，导致脱硝反应速度降低。

控制仪表、钢结构和大部分烟道价格与脱硝效率的相关性不大，反应器、催化剂、氨系统容量等与脱硝效率有关。假设80%脱硝效率下，催化剂成本占50%，与脱硝效率无关的固定成本占45%，与脱硝效率成正比的可变成本占20%，由此

得到不同脱硝效率下单位脱硝量的设备成本，如图2329所示。在较低的脱硝效率下，脱硝效率越高，单位脱硝量的设备成本越低，单位脱硝量的设备成本在脱硝效率为80%～90%时最低；当脱硝效率大于90%时，单位脱硝量的设备成本又会升高。

图2328 催化剂用量与脱硝效率的关系

图2329 脱硝设备成本与脱硝效率的关系

在应用上述结论时，应注意其假设的前提条件。当烟气条件比较恶劣时，催化剂的成本在总成本中所占比例较大，最低单位脱硝设备成本对应的脱硝效率变小。另外，脱硝设备的成本在反应器每增加一层催化剂的地方有一个阶跃的上升。因此，就单位脱硝量设备成本而言，在脱硝效率相差不大的催化剂用量情况下，尽量选用较少催化剂的层数布置。

因此，在确定燃煤电站SCR工程效率时，需要结合SCR工艺的效率与成本之间的关系，以80%～90%的效率为宜。要求的效率太小，其相对成本较高，也就失去SCR工艺的优势；如果要求90%以上的效率，系统的成本也将增大。

五、氨逃逸率与二氧化硫的氧化率

燃煤电站SCR装置出口逃逸的氨和三氧化硫会在150～200℃的范围内形成黏稠的硫酸氢氨，容易导致空气预热阻塞；另外，当烟气中三氧化硫含量较高时，烟囱出口会形成淡黄色的硫酸烟雾。

因此，需要控制氨的逃逸率和二氧化硫的氧化率。通常对于SCR工艺来说，氨的逃逸率选取的范围为2～5ppm，二氧化硫的氧化率选取的范围在0.5%～1.5%。一般来讲，两者

分别按照3ppm和1%来选取，但在实际过程中，当燃料中的含硫量大于2%以上时，建议酌情选取较低的数值，当燃料中的含硫量小于1%时，可选取较高的数值。

当要求的二氧化硫的氧化率较低时，图23210氨逃逸率与催化剂用量的关系就需要减少脱硝活性较高但是对二氧化硫氧化反应有较强催化作用的 V2O5 ，增加脱硝活性相对略低但是有较强的抗二氧化硫氧化特性的 MoO3和 WO3等的含量。因此，要达到相同的活性，催化剂用量就会增加。

氨的逃逸率越低，催化剂末端烟气中氨的浓度就越低，还原反应的速度就越慢，催化剂用量也就越多。图23210为某脱硝效率为80%的项目要求的氨逃逸率与催化剂用量的关系曲线。

图23210 氨逃逸率与催化剂用量的关系

六、催化剂的寿命及其预期失活速率

催化剂的寿命及其预期失活速率是催化剂的两个很重要的参数，对于同一种催化剂，在实际工程中，由于烟气参数和运行管理水平的不同，都会有极大的不同。以目前的技术水平和国内锅炉实际运行情况来看，以不小于2.4万h为宜。过高的寿命要求很难满足，同时工程造价也会大幅度提升。

七、催化剂的体积设计

SCR工艺中NOx的脱除率主要取决于反应温度、NH3与NOx的化学计量化、催化剂的物化性质和数量等。在给定的边界条件（如入口NH3浓度、入口NOx浓度等）下，可利用SCR催化剂设计计算流程进行数值求解，即可得到在给定脱硝效率下所需的催化剂表面积，进而可计算所需的催化剂体积。

（一）催化剂体积设计需要的基本参数

催化剂体积设计时需要的基本参数见表2321。表2321 催化剂体积设计需要的基本参数

续表

（二）催化剂体积计算

一般情况下，SCR催化剂体积越大，NOx的脱除率就越高，同时氨的逸出量也越少，然而SCR工程费用也会显著增加。因此，在SCR系统的优化设计中，催化剂体积是一个很重要的参数。

此外，催化剂的体积也取决于催化剂的可靠寿命，因此催化剂的寿命受很多不利因素的影响，如中毒和固体物的沉积等。因此，在最初的催化剂体积的设计中，也应考虑适当放大催化剂的量，同时还需要考虑反应器中有效区域等的变化对燃煤电站SCR系统性能的影响。

烟气中含有颗粒物、催化剂致毒物和SO2等成分，在充分了解了这些因素对系统和催化剂性能产生的影响，并且考虑锅炉类型、SCR布置方式、所需的性能、燃料和灰渣的成分、灰渣量、SCR类型、入口工况、催化剂劣化机理和对下游设备的影响等因素之后，才能进行催化剂的设计，设计流程如图

23211所示。

在催化剂的设计过程中，很多因素是相互影响的。因此，在初步选型的基础上，通过对一系列影响因素的修正以后，并考虑一定的设计裕度，得到具体项目中所需要的催化剂的体积。最后需要用对业主保证的SO2的氧化率及氨的逃逸率进行校核，以确认SO2的氧化率和氨的逃逸率都能满足设计要求，必要时需要对催化剂配方进行调整，以适应系统的需求。

图23211 催化剂设计计算流程

第三节 催化剂设计实例

某电厂装备2×600MW亚临界燃煤发电机组，配套锅炉由哈尔滨锅炉厂设计制造，锅炉设计燃用烟煤，采用四角切圆低氮燃烧方式。响应国家“节能减排”政策号召，该电厂对现有2台锅炉进行SCR脱硝改造。

一、锅炉概述

该期工程装设2台600MW亚临界参数燃煤空冷发电机

组，锅炉为哈尔滨锅炉厂设计制造的 HG—2070/17.5—YM9

型锅炉，最大连续蒸发量为2070t/h，强制循环汽包炉，单炉膛，一次再热，平衡通风，固态排渣，锅炉露天布置，为全钢架悬吊结构。锅炉采用四角切圆布置的低氮燃烧器，并配有等离子点火系统。锅炉的主要性能参数见表2331。

表2331

锅炉性能参数

蒸汽/给水流量/（t·h-1）

蒸汽/给水压力/MPa

蒸汽/给水温度/℃

空气流量/（t·h-1）

续表

续表

烟气流量/（t·h-1）

烟道压损BMCR/kPa

空气温度/℃

烟气温度/℃

锅炉热损失/%

烟气速度/（m·s-1）

锅炉热负荷BMCR/（W·m-2）

压损BMCR/kPa

二、燃煤特性

（1）煤质特性，如表2332所示。

表2332

燃煤特性

（2）飞灰粒度分布。飞灰平均粒径为51.35μm，峰值粒度

出现在18.00μm处。粒径小于33.01μm的颗粒约占54.6%，

小于101.1μm的约占82.3%，总体看来飞灰粒度较细。

三、SCR设计参数

该工程脱硝改造采用低氮燃烧+SCR方案，SCR脱硝系统入口NOx浓度按照300mg/m3（标准状态下）设计，并应充分考虑入口烟气参数的分部特性。省烟器出口烟气参数见表

2333。

表2333 省煤器出口烟气参数

四、催化剂技术参数及性能要求

（一）SCR工艺设计原则

（1）SCR高灰段布置，脱硝反应器布置在锅炉省煤器和空气预热器之间；每台锅炉配2台SCR反应器，烟气从上往下垂直流过反应器。

（2）不设反应器烟气旁路，设置省煤器旁路。（3）脱硝反应还原剂为尿素。

（4）催化剂采用蜂窝式，按照“2+1”模式布置，每层布置不少于70个模块。

（5）反应器安装声波吹灰器和半伸缩耙式蒸汽吹灰器。

（6）脱硝设备年利用小时按5000h考虑，投运时间按

况、设计煤种和校核煤种）和性能保证时间内，SO2/SO3转

7500h考虑。

化率小于1.0%。

（7）脱硝装置设计寿命为30年，可用率不小于98%。（8）催化剂的单元长度不宜大于1300mm。

（9）蜂窝式催化剂模块数采用70个（10×7）。

（10）蜂窝式催化剂前段硬化长度不小于20mm。

（5）催化剂阻力。在性能考核试验时（在催化剂质量保证期24000h期满之前），单层催化剂阻力不大于150Pa。化学寿命期内，对于SCR反应器内的每一层催化剂，压力损失保证增幅不得超过20%，且单层催化剂初始阻力不大于120Pa。

（11）催化剂化学性能。催化剂（24000h）反应活性Ko应

不低于35m/h；SO2/SO3转化率（24000h）应小于1%；氨逃逸

在保证脱硝效率的同时，氨逃逸、SO2/SO3转化率及系统阻力等均必须同时保证达到性能保证指标。

应不高于3×10-6（标准状态，干基，过量空气系数1.4）。

（12）催化剂抗压强度。催化剂轴向抗压强度不应小于

2.0MPa；径向抗压强度不应小于0.7MPa。

（6）催化剂寿命保证。催化剂的寿命应按不小于10年考虑；催化剂化学寿命一般按不小于3年（24000h）考虑；催化剂在化学寿命内应能有效保证系统脱硝效率及各项技术指标。

（13）未硬化催化剂的磨损率不应大于0.15%/kg，硬化催化剂磨损率不应大于0.08%/kg。

（7）催化剂可用率。催化剂的可用率在正式移交后的一年

中大于98%。

（14）每个SCR反应器具有可抽取测试块的模块数量至少占总模块数的10%，而且具有可抽取测试块的模块应均匀分布在每层催化剂层。

五、催化剂设计结果

（一）设计基本条件

（二）运行要求

除遵照前述的SCR设计参数外，反应器第一层催化剂入口烟气参数均匀性的要求为相对偏差不大于下述值：

1.运行适应性

为与锅炉的运行模式相协调，催化剂必须能满足机组启动方式上的快速投入与停止，在负荷调整时有良好的适应特性。

（1）速度最大偏差为平均值的±15%。（2）温度最大偏差为平均值的±10℃。

（3）氨氮摩尔比的最大偏差为平均值的±5%。

（1）SCR装置能在锅炉40%～100%BMCR负荷，且烟气

（4）烟气入射催化剂角度（与垂直方向的夹角）为±10°。

温度在300～420℃条件下持续、安全地运行，并确保净烟气中的NOx含量符合设计要求。

（二）催化剂的物理化学特性

催化剂采用蜂窝型，应整体成型，节距不小于8.2mm，

（2）SCR装置应能适应锅炉的负荷变动，包括负荷变化速度和最小负荷。

壁厚不小于1.0mm。

（三）催化剂的主要性能

（3）卖方提供的催化剂要求的最低喷氨温度不能高于295℃，最高停运温度不能低于420℃，并且能满足在最高烟气温度为450℃、不少于连续5h的冲击，催化剂性能不受损伤的要求。

（1）催化剂能在锅炉任何正常的负荷下运行。为减少锅炉运行对催化剂的影响，卖方对锅炉操作程序提出要求。

2.负荷要求

（2）催化剂能满足烟气温度不高于420℃的情况下长期运行，同时应能承受运行温度450℃不少于连续5h的考验，而不产生任何损坏。

机组年平均利用约5000h，要求催化剂年运行不少于7500h。催化剂应与机组运行方式相匹配，能满足下述锅炉负荷波动，且应处于稳定的运行状态。

（3）在达到技术文件保证的脱硝效率及其他性能保证指标的同时，能有效防止锅炉飞灰在催化剂中发生黏污、堵塞及中毒现象的发生，并采取措施保证催化剂在设计声波吹灰（压缩空气压力为0.7MPa，声功率级为160dB以上）和蒸汽吹灰

（1）阶跃负荷变化。负荷小于50%BMCR时，为5%BM-CR/min；负荷大于或等于 50%BMCR 时，为 10%BMCR/min。

（1.0MPa、350℃）条件下不破坏损坏。

（2）负荷等变率。70%～100%负荷范围内上升速度为

5%BMCR/min，50%～70%负荷范围内上升速度为3%BM-

CR/min，小于50%负荷范围内上升速度为大于或等于2%

（4）催化剂设计须考虑燃料中含有的任何微量元素可能导致的催化剂中毒和“高硫”和“高飞灰”对SCR催化剂活性的影响。

BMCR/min。

对于快速启动、冷态启动、温态启动、热态启动以及极热态启动等状态，卖方应提供各种运行方式变化的说明。

（5）在催化剂化学寿命期内，其尺寸设计要满足脱硝效率和逃逸浓度等的要求，原料配方能满足SO2/SO3转化率的要求。

（三）性能指标保证

（1）质保期。该项目催化剂质保期为3年（24000h）。

（6）催化剂化学寿命为运行小时大于24000h，机械寿命不低于10年，并可再生利用，还应有防止碎裂的措施。

（2）脱硝效率。初装2层催化剂时，在锅炉正常负荷范围

（7）对顶层催化剂的上端部采取耐磨措施。

内，SCR入口NOx浓度为300mg/m3，性能考核试验时的脱

（四）催化剂模块设计

硝效率不低于72%。在催化剂质量保证期期满之前，脱硝效

率不低于67%，且NOx排放浓度不超过100mg/m3（标准状

（1）催化剂应采用模块化、标准化设计、具有互换性。（2）催化剂模块必须设计有效防止烟气短路的密封系统

态）。

（金属密封+软密封），密封装置的寿命不低于催化剂的机械寿命。

在保证脱硝效率的同时，必须同时保证氨逃逸、SO2/SO3转化率及催化剂阻力等均达到性能保证指标。

（3）模块应采用碳钢结构框架，要求焊接、密封完好，且便于运输、安装、起吊。

（3）氨逃逸。在锅炉正常负荷范围内，脱硝装置出口烟气中的氨的浓度不大于3×10-6（标准状态，干基，过量空气系

数为1.4）。

（4）SO2/SO3转化率。在锅炉正常负荷范围内（BMCR工

（4）每层催化剂层都应安装可拆卸测试块，每7个模块至少应有1个测试块，均匀布置。并为每层催化剂/每台炉另提供2个备用测试块。

（五）催化剂的主要技术数据

续表

根据项目特点，针对脱硝效率、运行温度范围、催化剂活性及寿命、催化剂堵灰、NH3逃逸及SO2/SO3转化率等问题，通过进行分析、设计、计算和校核工作，以确保脱硫系统达到性能保证指标，并将对空气预热器的影响降到最小，确保锅炉正常运行。催化剂设计选型结果见表2334。

表2334

催化剂技术数据

第四节 土建设计原则及技术要求

脱硝工程分为新建机组脱硝工程及现役机组脱硝改造工程。新建机组脱硝工程时，SCR装置可与锅炉统筹设计。脱硝改造工程因受场地布局制约，设计难度较大。所有因安装SCR装置引起的道路、管道支架、基础、设备基础、地基处理、钢结构和建构筑物等的设计均属于火电厂SCR装置土建

设计的内容。通常的脱硝改造土建设计主要可分为SCR支架设计、下部原有结构加固设计、SCR基础加固设计、锅炉钢结构及锅炉基础改造设计以及氨区的土建结构设计。

一、脱硝结构设计依据

脱硝结构应依据相关图纸资料、技术协议、生产工艺和各有关专业的设计条件以及当地地质、水文、气象报告，并遵照国家及部颁行业有关规程进行设计。设计主要依据的规程如下：

DL5000—2000 火力发电厂设计技术规程

DL5028—1993 电力工程制图标准

DL/T5072—2007 火力发电厂保温油漆设计规程

DLGJ158—2001 火力发电厂钢制平台扶梯设计技术规定

DL5033—2006 火力发电厂劳动安全和工业卫生设计规程

DL/T5094—2012 火力发电厂建筑设计规程

DL/T5029—2012 火力发电厂建筑装修设计标准

GB50016—2006 建筑设计防火规范

GB50229—2006 火力发电厂与变电站设计防火规范

GB50116—1998 火灾自动报警系统设计规范

DL/T5032—2005 火力发电厂总图运输设计技术规程

GB50260—2013 电力设施抗震设计规范GB50011—2010 建筑抗震设计规范

GB50191—2012 构筑物抗震设计规范

GB50223—2008 建筑工程抗震设防分类标准

GB50068—2001 建筑结构可靠度设计统一标准

GB/T50001—2010 房屋建筑制图统一标准

GB/T50083—1997 建筑结构设计术语和符号标准

GBJ132—1990 工程结构设计基本术语和通用符号

GB/T50104—2001 建筑制图标准

GB/T50105—2001 建筑结构制图标准

GB50046—2008 工业建筑防腐蚀设计规范GB50009—2001 建筑结构荷载规范

GB50017—2003 钢结构设计规范

GB50135—2006 高耸结构设计规范GB50003—2001 砌体结构设计规范

GB50222—1995 建筑内部装修设计防火规范

GB50345—2004 屋面工程技术规范

JGJ107—2010 钢筋机械连接通用技术规程

GB/T11263—2005 热轧H型钢和部分T型钢YB3301—2005 焊接H型钢

YB4001.1—2007 钢格栅板

DL5022—2012 火力发电厂土建结构设计技术规定

DL/T5339—2006 火力发电厂水工设计规范GBJ50015—2003 建筑给水排水设计规范

GB50013—2006 室外排水设计规范GB50014—2006 室外给水设计规范

GB50332—2002 给水排水工程管道结构设计规范

GB/T5117—2012 碳钢焊条

GB/T5118—2012 低合金钢焊条

JGJ82—2011 钢结构高强度螺栓连接技术规程

GB/T5780—2000 六角头螺栓C级GB/T5782—2000 六角头螺栓

GB/T1231—2006 钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件

二、脱硝结构技术要求

脱硝结构是SCR装置的重要组成部分，用于支吊和固定脱硝装置反应器区各部件，并维持反应器区各部件之间相对位置的空间结构。图2341所示为某电厂脱硝改造工程外观结构。脱硝结构作为脱硝反应器、烟道和其他附属设备的载体，提供设备运行、维护所必需的空间场所，保证SCR反应在各类自然环境下安全稳定的进行，是脱硝工程中至关重要的环节。好的结构在满足安全承载及正常使用的同时，又可以节约投资成本，实现工程效益的最优化。

图2341 某电厂脱硝改造工程外观结构

脱硝结构一般采用钢框架支撑体系，由柱、梁、水平支撑、垂直支撑、平台楼梯等部件组成。脱硝结构按其作用可划分为两部分，即柱、梁及支撑系统和平台楼梯系统。柱、梁及支撑系统，承担由反应器和烟道传下来的荷载，并将其传到基础上，同时要承受风、地震的作用。平台楼梯的布置以方便运行、检修为原则。

脱硝结构提供所有必要的支撑钢构、扶梯、平台、通道、设备的支撑、基架和底座，以及起吊设施（如轨道、挂钩和起重架及其固定）等，设计应符合现行国家标准及行业标准，并考虑与现有设备的协调性。为便于检修维护，脱硝平台应与锅炉平台相连接。

脱硝结构要支撑反应器、烟道，并维持它们之间的相对位置，还要承受风荷载、雪荷载、地震荷载及其他工艺荷载。除特殊要求外，脱硝结构不直接承受动力荷载。

脱硝结构应采用以概率理论为基础的极限状态设计法，用分项系数设计表达式进行计算，按承载能力和正常使用极限状态设计。

按承载能力极限状态设计脱硝钢结构时，应考虑荷载效应的基本组合，必要时应考虑荷载效应的偶然组合。按正常使用极限状态设计脱硝钢结构时，应考虑荷载效应的标准组合，对钢与混凝土组合梁，还应考虑准永久组合。

抗震设防烈度为Ⅵ度及以上地区的脱硝钢结构，应进行抗震设计。露天布置和紧身封闭的脱硝钢结构应进行抗风验算。构件应尽量避免高温作用。长期受到高温作用的构件，除选用

合适的钢材外，还应对其采取必要的隔热或冷却措施。设于寒冷地区的脱硝钢结构，在设计时应采取措施提高钢结构的抗脆断能力。

脱硝钢结构的节点无论采用何种连接形式，当节点视为刚性连接时，应符合受力过程中构件在节点处交角不变的假定，同时连接应承受交汇构件端部传递的所有最不利内力；当节点视为铰接时，应使连接具有充分的转动能力，且能有效地传递剪力和轴向力。

三、脱硝结构主要材料技术要求

1.钢材

为保证钢材的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏，应选用合适的钢材。脱硝结构的钢材宜选用Q235、Q345

钢，其质量应符合GB/T700—2006《碳素结构钢》和GB/T

1591—2008《低合金高强度结构钢》的规定。当有可靠依据时，可采用其他牌号的钢材，且应符合相应有关标准的规定和要求。

承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。

重要的受拉或受弯焊接结构构件中，钢材应具有常温冲击韧性的合格保证。

对处于外露环境、且对耐腐蚀有特殊要求或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应

符合GB/T4172—2000《焊接结构用耐候钢》的规定。

钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.2。钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率应大于20%；钢材应有良好的可焊性和合格的冲击韧性。

2.焊条

手工焊接采用的焊条，应符合GB/T5117—2012或GB/T

5118—2012的规定。选择的焊条型号应与主体金属力学性能相适应。

自动焊接或半自动焊接采用的焊丝和相应的焊剂应与主体金属力学性能相适应，并应符合现行国家标准的规定。

当不同强度的钢材连接时，可采用与低强度钢材相适应的焊接材料。

3.螺栓

高强度螺栓应符合GB/T1228—2006《钢结构用高强度大

六角头螺栓》、GB/T1229—2006《钢结构用高强度大六角螺

母》、GB/T1230—2006《钢结构用高强度垫圈》、GB/T 1231—2006或GB/T3632—2008《钢结构用扭剪型高强度螺

栓连接副》、GB/T3633—2008《钢结构用扭剪型高强度螺栓

连接副技术条件》的规定。

普通螺栓应符合GB/T5780—2000和GB/T5782—2000

的规定。

锚栓可采用GB/T700—2006中规定的 Q235钢或GB/T 1591—2008中规定的Q345钢制成。

4.油漆

大气中的水分及侵蚀性介质是引起锈（腐）蚀的重要因素。锈（腐）蚀不仅影响结构的外观，而且影响结构的安全；所以必须对脱硝钢结构表面进行除锈处理，并采取适当的防锈和防腐蚀措施。

钢材表面的除锈方法有手工工具除锈、手工机械除锈（用电动砂轮等）、喷（抛）射除锈、酸洗除锈和火焰除锈等。选择除锈方法时，除根据钢材将点和防护效果外，还应考虑涂装

的应用环境、维护条件、钢材表面的原始状态，以及施工条件和费用等因素。一般情况下宜选用喷（抛）射除锈。

油漆按层次结构可分为底漆、中间漆及面漆三个层次。底漆和中间漆起附着及防锈作用，面漆起防腐蚀及耐老化作用。根据需要应选用合理的油漆并将底漆、中间漆与面漆合理组合匹配使用。底漆和中间漆应在工厂涂覆，最后一道面漆应在现场涂覆。

应根据所处环境及油漆性质，合理地选择涂层厚度。使用期间不能重新涂漆的结构部位应采取特殊的防锈措施。对环境条件差、防护要求高及有特殊要求的脱硝钢结构应专门进行涂装设计。

第五节 新建机组SCR装置的土建设计

对于新建机组，脱硝钢结构宜与锅炉钢结构整体设计，做到结构的最优化布置。SCR装置宜布置在省煤器与空气预热器之间或垂直布置在空气预热器上方。图2351所示为某电厂SCR装置。

图2351 某电厂SCR装置

一、设计原则

新建机组SCR装置的土建设计应遵循以下原则：

（1）应根据工艺特点和外界条件，选择承载性能好又经济合理的结构体系，平面和立面布置应规则、对称，并应具有良好的整体性，尽量避免结构的刚度突变。

（2）为保证结构的工作空间，提高结构的整体刚度，承受和传递水平力，避免压杆的侧向失稳，以及保证结构安装时的稳定，应设置可靠的支撑系统。

（3）满足SCR反应器及其附属设备的支吊、安装、运行和维护所需的空间和通道。

（4）设计应注意该区域其他的设备和烟道，不得与其他设备和烟道相碰。

（5）脱硝钢结构及其组成构件应结构简单、制造方便。（6）脱硝钢结构应设置为保持其强度、刚度及稳定性所必

需的构件。

（7）构件应传力明确，使荷载以最短的途径通过梁、柱和支撑传至下部基础。

（8）柱和梁的布置应力求柱的数量为最少，梁的长度不宜过长，应对柱、梁的布置进行分析和比较，采用最经济的方案。

（9）尽量使构件具有兼用性，充分利用构件的特性，使构件承担多项作用。

（10）构件应易于运输和安装，尽量避免运输超重、超限，易于安装就位。

柱位的确定应兼顾场地、烟道、设备和结构本身的受力要求。柱宜布置在同一轴线，以便在该轴线上组成有一定刚度的垂直平面钢结构。

梁的布置应满足反应器本体、烟道和附属设备的要求，同时考虑平台的支撑。同一层梁的标高应尽可能一致，梁的布置不宜过密，且距离尽量均匀。

平台标高与各种门、孔标高宜相差800～1200mm，以便于操作。但在综合考虑各种因素和不能满足同时兼顾多个门、孔时，可根据实际情况确定平台的标高。

二、荷载

SCR支架承担的荷载主要包括以下内容：

（1）结构自重。

（2）反应器、烟道及其他设备自重。（3）保温绝热材料。

（4）电缆桥架。（5）电动葫芦。

（6）CEMS分析室。（7）顶棚。

（8）紧身封闭。（9）平台荷载。

（10）屋面荷载。（11）积灰荷载。

（12）反应器及烟道导向装置传递的荷载。

（13）风荷载。（14）雪荷载。（15）地震荷载。

（16）其他作用在SCR支架上的荷载。

新建机组SCR装置的土建设计应按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行作用（效应）组合，并取各自最不利的效应组合进行设计。

三、静力分析

SCR支架结构的静力分析应在计算机上进行，宜按空间结构进行计算，也可将钢结构分解为若干个平面进行计算。

计算简图应表达SCR钢结构的实际情况，使计算结果与实际情况相符，同时又能使计算简化。根据确定的计算简图，计算结构的内力和变形。SCR钢结构一般情况下采用一阶弹性分析，必要时可进行二阶弹性分析。

根据设计要求，柱与基础的连接可设定为铰接或固接。SCR钢结构的风荷载和地震作用，一般情况下应在结构

的两个主轴方向分别作用并进行验算。

为进行静力分析，根据反应器布置图及相关专业提供的资料，应做如下工作：

（1）确定柱平面布置。

（2）确定垂直支撑的布置。

（3）确定水平支撑主平面的标高和布置。（4）完善平台楼梯的布置。

（5）满足合同和技术协议的各种要求。（6）统计并分配荷载（作用）。

为了达到预定目标，计算过程中应对杆件的布置和截面进行调整，以达到优化的目的。

新建机组SCR钢结构空间静力分析的主要特点是：将SCR结构与锅炉钢结构各相连部件视为一个相互影响体，通过有效的分析模拟建立起计算模型，准确计算出构件的内力和变形，并进行强度、刚度和稳定性校核。

建立计算模型应遵循荷载等效原理和荷载局部性原理，合

理简化结构。计算模型一般由柱、垂直支撑、水平支撑、主梁及悬臂结构组成，基础通常视为刚性。

荷载及地震作用的处理如下：

（1）永久荷载和可变荷载宜按实际情况输入。

（2）风荷载应根据有无紧身封闭采用不同的处理方法。对于有封闭结构，宜由程序自动生成风荷载；对于无封闭结构，除考虑SCR反应器本体风荷载外，还应计算结构自身的风荷载。

（3）人工处理的地震作用应按高度重新分配（悬吊结构除

外）。

专业程序一般可进行强度校核，但进行刚度和稳定性校核时，程序通常无法正确识别杆件的计算长度，设计者应进行预先处理。

根据空间分析的结果调整布置及杆件截面，尽可能使各层结构的刚度变化均匀，尽量避免结构出现局部大变形或扭转。

当计算结果经分析判断确认其合理、正确后，完成下列图纸资料：

（1）基础荷载图。图中应表示柱底平面位置以及在各工况下作用于基础的垂直力、水平力和弯矩。

（2）各水平平面图。图中应标出各构件相对位置尺寸，梁的名称和断面尺寸，水平支撑的名称、断面尺寸和内力，梁端部的连接状况或计算梁端部连接所需要的内力。

（3）各垂直支撑平面图。图中应标出各构件相对位置尺寸，梁的标高、柱接头标高，柱的名称和断面尺寸，垂直支撑的名称、断面尺寸和内力。

（4）柱断面图。图中应标出柱名称、接头标高、断面尺寸以及接头连接要求。

第六节 现役机组安装SCR装置的土建设计

一、SCR支架设计

目前国内大部分SCR装置采用高灰段布置，该区域内的烟气温度（300～400℃）正好为催化剂的最佳活性温度。对于改造工程，脱硝反应器一般布置在省煤器和空气预热器之间、炉后烟道支架上方的位置。SCR支架一般采用钢支架，设计流程如图2361所示。

图2361SCR支架设计流程

当SCR支架坐落在烟道支架上方时，应与烟道支架整体连算，建立三维整体有限元模型（如图23 6 2所示），校核原烟道支架及其基础承载力，并进行必要的加固。

当原烟道支架无力承担脱硝荷载时，可从地面起柱建立SCR支架。综合考虑确定柱网布置：在满足脱硝工艺要求的同时，应建立完整的支撑体系，保证SCR支架下部刚度，使水平力能有效向下传递至基础；柱位与原烟道支架柱宜错开，尽量减小对原支架的影响。

图2362 三维整体有限元模型

图2364 某电厂钢烟道支架

（a）侧视图；（b）正视图；（c）三维视图

构，避免不必要的拆除或更换。

二、下部烟道支架加固设计

当SCR支架生根在烟道支架上方时，需与烟道支架整体连算，校核原烟道支架承载力，并进行必要的加固设计。

钢结构在加固施工过程中，若发现原结构或相关工程隐蔽部位有未预计的损伤或严重缺陷，应立即停止施工，并会同加固设计者采取有效措施进行处理后再继续施工。

设计前首先应收集烟道支架设计资料，并对烟道支架现场实际情况进行勘查，确保其与原设计要求相符。应充分考虑钢结构安装质量对改造的影响。制定加固方案时应注意该区域原有的设备和烟道，加固构件应避免与这些设备和烟道相碰。加固工作程序如图2363所示。

加固应尽可能做到不停产或少停产，因停产造成的损失往往是加固费用的几倍或几十倍。能否在负荷下不停产加固，取决于结构的应力应变状态。一般情况下构件的应力小于钢材设计强度的70%且构件损坏变形等不是太严重时，可采用负荷不停产加固方法。

钢结构加固材料的选择，应按GB50017—2003《钢结构设计规范》的规定，并在保证设计意图的前提下，便于施工，使新老截面、构件或结构能共同工作，并应注意新老材料之间的强度、塑性、韧性及焊接性能相匹配，以利于充分发挥材料的潜能。

图2363 加固工作程序

加固结构的施工方法可分为负荷加固、卸荷加固和从原结构上拆下应加固或更新的部件进行加固。钢结构加固设计应与实际施工方法紧密结合，并应采取有效措施，保证新增构件和部件与原结构连接可靠，形成整体共同工作。

目前国内较老机组炉后烟道支架多为混凝土结构，近年新建机组则多采用钢结构作为炉后烟道的支撑体系。在北方较严寒地区，烟道下方还常设有风机房。

一般来说，钢结构加固的主要方法有减轻荷载、改变结构计算图形、加大原结构构件截面和固接强度等。当有成熟经验时，也可采用其他加固方法。

针对钢结构和混凝土结构不同的特点，可采取不同的加固方法。但首先应尽量减小由上部结构传递下来的荷载并使传力途径合理，好的结构体系往往能做到事半功倍。

2.改变结构计算图形

（一）钢烟道支架加固

某电厂钢烟道支架如图2364所示。

改变结构计算图形加固法是指采用改变荷载分布状况、传力途径、节点性质和边界条件，增设附加杆件和支撑、施加预应力、考虑空间协同工作等措施对结构进行加固的方法。

1.加固钢烟道支架可按下列原则进行承载能力和正常使用极限状态验算：

（1）结构的计算简图应根据结构作用的荷载和实际状况确定。

（2）结构的计算截面应采用实际有效截面，并考虑结构在加固时的实际受力状况，即原结构的应力超前和加固部分的应变滞后特点，以及加固部分与原结构共同工作的程度。

改变结构计算图形的加固过程，除应对被加固结构承载能力和正常使用极限状态进行计算外，还应注意对相关结构构件承载能力和使用功能的影响，考虑在结构、构件、节点及支座中的内力重分布，对结构进行必要的补充验算，并采用切实可行的合理构造措施。采用改变结构计算图形的加固方法，设计与施工应紧密配合。

（3）加固后如改变传力路线或使结构重量增大，应对相关结构构件及建筑物地基基础进行必要的验算。

钢结构的加固设计应综合考虑其经济效益，应不损伤原结

对整体结构可采用增加结构或构件刚度的方法进行加固：①增加支撑形成空间结构并按空间结构验算；②加设支撑增加结构刚度，调整结构的自振频率等以提高结构承载力和改善结构动力特性；③增设支撑或辅助杆件使结构的长细比减少，以

提高其稳定性。

1.混凝土烟道支架的加固原则

对受弯构件可采用改变其截面内力的方法进行加固：①改变荷载的分布，例如将一个集中荷载转化为多个集中荷载；②改变端部支承情况，例如变铰接为刚接；③增加中间支座或将简支结构端部连接成为连续结构；④调整连续结构的支座位置；⑤将结构变为撑杆式结构；⑥施加预应力；⑦加大构件截面的加固。采用加大截面加固钢构件时，所选截面形式应有利于加固技术要求，并考虑已有缺陷和损伤的状况。加固构件受力分析计算简图，应反映结构的实际条件。对于超静定结构，还应考虑因截面加大、构件刚度改变使体系内力重分布的可能。采用该方法应注意如下事项：

混凝土烟道支架的加固可按下列原则进行承载力验算：（1）结构的受力简图应根据结构上的作用或实际受力状况

确定。

（2）结构的计算截面积应采用实际有效截面积，并考虑结构在加固时的实际受力程度及加固部分的应变滞后特点，以及加固部分与原结构协同工作的程度。

（3）进行结构承载力验算时，应考虑实际荷载偏心、结构变形、温度作用等造成的附加内力。

（4）加固后使结构重量增大时，还应对被加固的相关结构及建筑物基础进行验算。

（1）注意加固时的净空限制，新加固的构件不得与其他杆件相冲突。

混凝土结构的加固应综合考虑其经济效果，尽量不损伤原结构，并保留具有利用价值能结构构件，避免不必要的拆除或更换。

（2）加固设计应适应原有构件的几何状态，以利施工。（3）应尽量减少施工工作量。

（4）加固应尽量使被加固构件截面的形心轴位置不变，以减少偏心所产生的弯矩。当偏心值超过规定时，在复核加固截面时，应考虑偏心的影响。

混凝土结构在加固施工过程中，若发现原结构或相关工程隐蔽部位有严重缺陷，应立即停止施工，并会同加固设计者采取有效措施进行处理后方能继续施工。

根据加固设计进行施工组织设计，施工时应采取确保质量和安全的有效措施，并应遵照现行有关规范进行施工和验收。

（5）加固后的截面在构造上要考虑防腐的要求，避免形成易于积灰的坑槽而引起锈蚀。

2.直接加固的一般方法

3.连接的加固与加固件的连接

（1）置换混凝土加固法。适用于受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷的梁、柱等混凝土承重构件的加固。

钢结构构件经过计算和改造后不仅要满足使用刚度和强度要求，其各杆件之间的连接节点也要求验算，保证做到“强节点、强连接”。若钢结构连接节点不满足新的受力情况，需要对其采取一定的加固措施，满足构件对节点的强度要求。因此，在钢结构加固工作中，连接节点的计算和加固要受到足够的重视。

（2）加大截面加固法。该法施工工艺简单、适应性强，并具有成熟的设计和施工经验，适用于梁、板、柱、墙和一般构造物的混凝土加固。但该方法现场施工的湿作业时间长，对生产和生活有一定的影响，且加固后的建筑物净空有一定的减小。

钢结构的加固连接有铆接、螺栓连接和焊接三种方式，加固连接方式选用必须满足既不破坏原结构功能，又能参与工作的要求。铆接连接的刚度最小（普通螺栓连接除外）；焊接连接刚度大，整体性好；高强螺栓连接介于两者之间。由于加固结构的制约因素较多，采用何种连接方式需要综合考虑，应根据结构需要加固的原因、目的、受力状况、构造及施工件，并考虑结构原有的连接方法确定。钢结构加固一般宜采用焊缝连接、摩擦型高强度螺栓连接，有依据时亦可采用焊缝和摩擦型高强度螺栓的混合连接。当采用焊缝连接时，应采取评定认可的焊接工艺及连接材料。

（3）有黏结外包型钢加固法。该方法也称为湿式外包钢加固法，该方法受力可靠、施工简便、现场工作量较小；但用钢量较大，且不宜在无防护的情况下用于600℃以上的高温场所，适用于使用上不允许显著增大原构件截面尺寸，但又要求大幅度提高其承载能力的混凝土结构加固，如图2366所示。

为加固结构而增设的加固件，除须有足够的设计承载力和刚度外，还必须与被加固件有可靠的连接以保证二者良好的共同工作。

（二）混凝土烟道支架加固

某电厂混凝土烟道支架如图2365所示。

图2366 黏结加固

（4）粘贴钢板加固法。该法施工快速、现场无湿作业或仅有抹灰等少量湿作业，对生产和生活影响小，且加固后对原结构外观和原有净空无显著影响，但加固效果在很大程度上取决于股粘工艺与操作水平。该方法适用于承受静力作用且处于正常湿度环境中的受弯或受拉构件的加固。

图2365 某电厂混凝土烟道支架

（5）粘贴纤维增强塑料加固法。除具有粘贴钢板相似的优点外，还具有耐腐蚀、耐潮湿、几乎不增加结构自重、耐用、维护费用较低等优点，但需要专门的防火处理，适用于各种受力性质的混凝土结构构件和一般构筑物（见图2367）。

综上所述，对于烟道支架的加固应当根据实际情况采取不同的加固方法，以取得最佳效果。

三、基础加固设计

与新建工程相比，基础加固是一项较为复杂的工程，因此必须遵循以下原则：

（1）必须由有相关资质的单位和有经验的专业技术人员来承担既有建筑地基和基础的鉴定、加固设计和加固施工，并应按规定程序进行校核、审定和审批等。

（2）在进行加固设计和施工前，应先对地基和基础进行鉴定。

图2367 外包钢加固

（6）绕丝法。其优缺点与加大截面法相近；适用于混凝土结构构件斜截面承载力不足、或需对受压构件施加横向约束力的场合。

（7）锚栓锚固法。该法适用于混凝土强度等级为C20～C60的混凝土承重结构的改造、加固，不适用于已严重风化的上述结构及轻质结构。

在制订加固方案前，首先确定地基承载力和地基变形的计算参数等。应结合地基基础和上部结构的现状，并考虑上部结构、基础和地基的共同作用，初步选择加固地基或加固基础，或加强上部结构刚度和加固地基基础相结合的方案。其次，对初步选定的各种加固方案，分别从预期效果、施工难易程度、材料来源和运输条件、施工安全性、对邻近建筑和环境的影响、机具条件、施工工期和造价等方面进行技术经济分析和比较，选定最佳的加固方法。

（一）基础承台加固

3.间接加固的一般方法

（1）预应力加固法。该方法能降低被加固构件的应力水平，不仅加固效果好，而且还能较大幅度地提高结构整体承载力，但加固后对原结构外观有一定影响。该方法适用于大跨度或重型结构的加固以及处于高应力、高应变状态下的混凝土构件的加固，但在无防护的情况下，不能用于600℃以上的环境中，也不宜用于混凝土收缩变大的结构。

既有建筑基础常用的加固方法有以水泥浆等为浆液材料的基础补强注浆加固法、扩大基础底面积法和加深基础法等，后两种方法普遍运用于脱硝工程的基础加固之中。

（1）基础补强注浆法。适用于基础因不均匀沉降、冻胀或其他原因引起裂损时的加固。

（2）改变结构传力途径法。该方法简单可靠，但易损害建筑物的原貌和使用功能，并可能减小使用空间，适用于具体条件许可的混凝土结构加固。该方法还可细分为增设支点法和托梁拔柱法。

（2）加大基础底面积法。加大基础底面积法适用于当建筑的地基承载力或基础底面积尺寸不满足设计要求时的加固，因施工简单、所需设备少而得到较多的应用。这种加固方法可以采用混凝土套或钢筋混凝土套直接加宽基础，也可以外增独立基础加大。因受场地条件制约，当加大基础仍不能满足地基承载力要求时，可考虑在基础下补桩。

4.与混凝土结构加固改造配套使用的技术

（3）加深基础法。加深基础法可直接将原基础加高，或将原地基持力层分段挖掉再浇筑混凝土（又称为坑式托换）。

（1）托换技术。系托梁拆柱、托梁接柱和托梁换柱等技术的概称。该技术属于一种综合性技术，由相关结构加固、上部结构顶升与复位以及废弃构件拆除等技术组成，适用于已有建筑物的加固改造。与传统做法相比，该技术具有施工时间短、费用低、对生活和生产影响小等优点，但对技术要求较高，需由熟练工人来完成，才能确保安全。

1）柱脚底板厚度不足加固方法。增设柱脚加劲肋，以达到减小底板计算弯矩的目的。在柱脚型钢间浇筑混凝土，使柱脚底板成为刚性块体。为增加黏结力，柱脚表面油漆和锈蚀要清除干净。

（2）植筋技术。是一项对混凝土结构较简捷、有效的连接与锚固技术。该技术可植入普通钢筋，也可植入螺栓式锚筋，已广泛应用于已有建筑物的加固改造工程中。

2）柱脚锚固不足加固方法。增设附加锚栓，当混凝土基础较宽大时采用。在混凝土基础上钻出孔洞，插入附加锚栓，浇注环氧砂浆或硫磺砂浆，或将整个柱脚包以钢筋混凝土。新配钢筋要伸入基础内，与基础内原钢筋焊牢。

（3）裂缝修补技术。根据混凝土裂缝的起因、形状和大小，采用不同封护方法进行修补，使结构因开裂而降低的使用功能和耐久性得以恢复；适用于已有建筑物中各类裂缝的处理，但对受力性裂缝，除修补外，还应采用相应的加固措施。

（二）地基处理

既有建筑地基常用的加固方法有锚杆静压桩法、树根桩法、坑式静压桩法、石灰桩法、注浆加固法、高压喷射注浆法、灰土挤密桩法、深层搅拌法、硅化法和碱液法等，前三种方法最为常用。

（4）碳化混凝土修复技术。指通过恢复混凝土的碱性（钝化作用）或增加其阻抗而使碳化造成的钢筋腐蚀得到遏制的技术。

1.锚杆静压桩法

（5）混凝土表面处理技术。指采用化学方法、机械方法、喷砂方法、真空吸尘方法、射水方法等清理混凝土表面污痕、油迹、残渣以及其他附着物的专门技术。

锚杆静压桩法是锚杆和静压桩结合形成的新桩基工艺。该方法是通过在基础上埋设锚杆固定压桩反力架，以已有结构的自重荷载作为压桩反力，用千斤顶将桩段从基础中预留或开凿的压桩孔内逐段压入土中，再将桩与基础连接在一起，从而达到提高基础承载力和控制沉降的目的，如图2368所示。

（6）混凝土表层密封技术。指采用柔性密封剂充填、聚合物灌浆、涂膜等方法对混凝土进行防水、防潮和防裂处理的技术。

2.树根桩法

（7）其他技术。如结构、构件移位技术，调整结构自振频率技术等。

树根桩法是采用钻机在地基中成孔，放入钢筋或钢筋笼，采用压力通过注浆管向孔中注入水泥浆或水泥砂浆，形成小直径的钻孔灌注桩。由于采用小型钻机施工，可在土中以不同的

图2368 锚杆静压桩法

倾斜角度成孔，从而形成竖直和倾斜的小桩群，形状如“树根”，称为树根桩，如图2369所示。树根桩适用于淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、砂土、碎石土、黄土和人工填土上结构的加固。

图2369 树根桩法

3.坑式静压桩法

坑式静压桩采用既有建筑物自重作反力，用千斤顶将桩段逐段压入土中的托换方法，千斤顶上的反力梁可利用原有基础下的基础梁或基础板，如图23610所示。

图23610 坑式静压桩托换示意图

坑式静压桩法适用于淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、砂土、湿陷性黄土和人工填土等地基，且地下水位较低的情况。在加固施工过程中应避免由于高温、腐蚀、冻融、振动、地基不均匀沉降等原因造成的结构损坏，同时考虑消除、减小或抵御这些不利因素的有效措施，保证原有结构的安全性和耐久性。

四、锅炉钢结构改造设计

一般情况下，锅炉钢结构由锅炉厂设计，锅炉钢结构及锅炉基础的改造须与原锅炉厂配合，验算相关结构的承载力并进行加固设计。某电厂锅炉钢结构改造如图23611所示。

图23611 某电厂锅炉钢结构改造图

为便于检修，脱硝平台应与锅炉平台相连通，保证检修人员可通过锅炉电梯到达相应的脱硝平台。

改造前首先应对锅炉钢架现场实际情况进行勘查，确保其与原设计要求相符，充分考虑钢结构安装质量对改造的影响。对影响脱硝进出口烟道的锅炉构件需拆除改造。对于有紧身封闭的锅炉房，还应考虑对紧身封闭的改造。

当锅炉钢结构未预留脱硝荷载时，SCR改造方案应尽量降低对锅炉钢结构的影响。脱硝钢结构与锅炉钢结构相互独立，锅炉结构仅承担由烟道改造增加的竖向荷载。此时应尽量减小由脱硝反应器、烟道等传递过来的荷载。

当锅炉钢结构考虑脱硝荷载或有较大的安全裕度时，可考虑将SCR结构与锅炉钢结构连为一体，以增强整体结构的刚度，共同来承担脱硝荷载。

锅炉钢结构的加固方法有减轻荷载、改变结构计算图形、施加预应力、加大原结构构件截面和连接强度等。可在锅炉钢架上增加必要的支撑件，对重要构件可通过在构件上贴板、设置叠梁等方式增强其强度。在条件允许的情况下可在梁跨中增加支撑点来减小梁的跨度，从而降低梁的挠度。对杆件进行预应力加固时，多在结构最大正负弯矩处用高强索加固。

对于节点的加固，当节点采用焊接时，可通过加长或加高原有焊缝，或通过加大或增加节点板来加长焊缝；当节点采用螺栓连接时，可将杆件与连接板用焊缝加固，使螺栓和焊缝共同工作。

锅炉钢结构的改造设计应验算锅炉尾排柱下基础的承载力，并制订合适的加固方案。通常情况下，因脱硝传递给锅炉的荷载值较小，通过合理的结构体系可避免对锅炉基础的改动，从而减少工程量。

五、其他建、构筑物设计

设计范围包括氨区内的建、构筑物以及其他因脱硝改造引起的土建设计。结构设计应满足安全及工艺要求，并满足以下原则：

（1）选择承载性能好又经济合理的结构体系，平面和立面布置应规则、对称，并应具有良好的整体性，尽量避免结构的刚度突变。

（2）满足设备的支吊、安装、运行和维护所需的空间和通道。

（3）组成构件应结构简单、制造方便。

（4）构件应传力明确，使荷载以最短的途径传至基础。（5）构件应易于运输和安装，尽量避免运输超重、超限，

易于安装就位。

地基处理应根据本工程的岩土工程详勘报告、水文气象报告和现场实际情况确定，在条件允许的情况下尽量采用天然地

基或换填处理，必要时采用桩基。

第七节 现役机组安装SCR装置土建设计实例

本节介绍某电厂4×300MW机组烟气脱硝技术改造工程土建部分的设计过程。设计中包含整体钢结构设计、原结构加固设计、基础加固设计和特殊节点分析，对类似改造工程项目具有参考价值。

一、电厂概况

该电厂共建有4台300MW燃煤机组，总装机容量

1200MW。电厂一期工程＃1、＃2机组于1994年投入商业运行，

二期工程＃3、＃4机组于1997年投入商业运行，电厂主要燃用烟煤。4台燃煤机组先后于2006年、2007年完成了脱硫工程建设。目前正在扩建1台1000MW超临界国产燃煤机组，并同步配套湿法脱硫系统及脱硝系统。该次脱硝工程拟在电厂4台300MW机组上安装烟气脱硝装置，并建设4台300MW机组和1台1000MW机组的液氨储存、供应系统。为此，需将原机组基础加固补强，原机组结构加固，并设计确定上部结构的施工方案。

二、整体钢结构设计

为满足燃煤机组脱硝装置的安装要求，设计整体钢结构计算模型如图2371所示。

钢结构设计使用年限为50年。设计荷载有恒荷载、活荷载、风荷载和地震荷载，荷载大小由甲方提供的数据及钢结构设计规范选取。

用SAP2000计算，最大应力比Smax=0.840，最大变形Dmax=10.7mm，满足设计要求。

三、原机组结构加固设计

原机组结构高15.26m，改造后结构高度变为36.9m。经计算验证结构已不能满足设计要求，必须进行加固处理。

加固方案如下：

（1）在满足机组功能的前提下，结构增加斜撑。

（2）在原H5004001020的 H型柱的腹板方向双面贴板，板宽550mm，厚20mm。

图2371 整体钢结构计算模型

（3）在原有主框架梁上间隔1m做双面加劲肋，板厚与原梁腹板厚度一致。

计算验证，加固处理后原下部结构满足设计安全及功能要求。

四、基础加固设计

改造后最大竖向基础反力达到3161.50kN，最大上拔力为277.05kN，超出了原有基础设计承载力，故对基础进行加固设计。

电厂＃1、＃2机组原基础采用柱下独立浅基础，原设计基底是轻亚黏土或用砂夹石换填土，设计承载力是230kPa。加层改造后，柱反力增大，原基础配筋和地基承载力都不满足设计要求。根据机组原基础的特点，对原基础的单独柱基础进行两柱联合，扩大基础底面积和短柱截面，并在扩大范围内配筋，植入新钢筋与旧基础紧密连接。采用该方式加固基础后，能满足加层后基础设计的要求。＃1、＃2机组基础加固如图2 3 72所示，图中虚线为原基础，实线为加固后的基础。

图2372＃1、＃2机组基础加固图

电厂＃3、＃4机组原基础采用灌注混凝土桩基。＃3机组原基础桩基的单桩承载力为1500kN，加层改造之后，原基础桩的承载力不满足要求，因此，对＃3机组原基础采用边长250mm的锚杆静压桩进行桩基础加固，并对桩基承台进行了扩大和植筋加固；＃4机组原基础桩基的单桩承载力为3000kN，加层改造之后，原基础桩的承载力仍能满足设计要求，所以对＃4机组的桩基不用加固，只进行了承台的扩大处理即可。

＃3、＃4机组基础加固如图2 3 7 3所示，图中虚线为原基础，实线为加固后的基础。

五、钢结构节点分析

本部分内容主要针对设计较复杂、荷载较大、梁高较高和有施工误差的钢节点进行有限元分析，分析内力分布和位移特征，验算钢节点设计的可靠性，并对应力集中明显和存在安全隐患的节点提出加固方案。

图2373＃3、＃4机组基础加固

（一）分析内容和加载方式

表237213号节点各杆件1.2m处位移

分别提取13号、94号、95号三个节点进行计算，使用CAD几何尺寸，利用ABAQUS大型有限元软件建立三维有限元模型，对13号节点分别施加荷载和施加位移两种方法进行分析计算。考虑施工误差，对94号、95号节点分别分析了z、

y向偏移，y偏移20mm，z偏移20mm、50mm、70mm，并进

行组合，每个节点考虑17种工况，建立17个模型进行比较分析。对存在安全隐患的节点提出加固方案。

分别取各节点处外伸杆件长1.2m，考虑荷载最不利组合，从SAP2000计算结果导出各杆件1.2m截面处内力、位移。预先在杆件断面（1.2m）中心建立参考点，耦合参考点和断面节点全部自由度，ABAQUS分析时在参考点反加各杆件载荷/位移进行计算。导出各节点荷载见表2371及表2372。

表237113号节点各杆件1.2m处荷载

（二）13号节点分析

（1）13号节点几何模型及有限元模型。利用CAD几何尺寸建立三维几何模型，柱内横隔板厚20mm，分别在1.4m梁上下翼缘和中部。导入ABAQUS进行有限元分析计算，几何实体模型和杆件编号如图2374和图2375所示。

利用 ABAQUS大型有限元软件，采用六面体单元

C3D8R、C3D20R和四面体单元C3D4对节点各部件进行单元

划分，共划分单元数157036个。约束柱下端面全部自由度，在其余杆件断面（1.2m）中心建立参考点，为了得到规则体单元，大梁腹板等部位采用角钢黏接。

（2）结果分析。对模型施加载荷，利用ABAQUS进行线性分析，节点应力云图、位移，施加位移载荷节点应力、位移

如图2376～图2379所示。

图2377 力载荷位移云图

图237413号节点几何模型

图2378 位移载荷等效应力云图

图237513号节点有限元模型

图2376 力载荷等效应力云图

图2379 位移载荷位移云图

由图2377可知，1.4m大梁上下翼缘与柱连接处应力集中明显，应力较大，整体分布不均匀，最大值为

（3）加强方案。在1.4m梁上下翼缘增加三块加强板，长

422.8MPa。柱内横隔板应力更大，最大值为922.6MPa。由图

2378可知，大梁端部位移较大，由于777号杆连接处存在偏心，连接处位移也较大，最大值为19mm。由图237 9和图23710可知，施加位移载荷与力载荷计算结果基本一致，1.4m大梁上下翼缘连接处和柱内隔板应力都较大，梁连接处应力最大值 493.2MPa，隔板应力最大值为1058MPa。该节点存在安全隐患，应该采取加固措施。

×宽为380mm×340mm，厚20mm，并封盖连接，腹板两侧增加厚20mm肋板。计算结果如图23710和图23711

所示。

由加强方案计算结果可知，大梁和柱内横隔板应力集中明显缓解，应力得到分散转移，最大等效应力为320MPa。最大位移为3.947mm。该方案整体效果最好，施工较简单，满足设计要求。

图23710 加强后等效应力云图

图2371394号节点位移云图

图23711 加强后位移云图

（三）94号、95号节点分析

采用13号节点计算方法分别对94号、95号节点进行计

算（见图23712～图2375），并考虑施工误差的影

图2371495号节点等效应力云图

响，考虑17种偏移工况下的应力、位移特征。计算结果可知94号节点在y向偏移-20mm、z向偏移70mm工况下等效应力、位移最大。95号节点在y向偏移-20mm，z向偏移70mm工况下等效应力、位移最大。

图2371595号节点位移云图

由图23712～图23715可知，94号节点梁下

翼缘与柱连接处应力最大，最大等效应力为101.3MPa。1538号斜撑端部位移最大，最大值为1.814mm，满足设计要求。95号节点464号杆与柱连接处腹板应力最大，最大等效应力

为188MPa。464杆端位移最大，最大值为2.594mm，满足设

图2371294号节点等效应力云图

计要求。

（四）小结

（1）13号节点采用施加力载荷和位移载荷两种方式计算分析，结果表明该节点柱内横隔板和柱与1.4m大梁连接处应力较大，超出钢材屈服强度，节点不安全，应该采取加固措施。并进一步分析了加固方案，经分析加强方案是可行有效的。

（2）94号、95号节点都考虑了施工误差的影响，分别分析了17种偏移组合下应力、位移特征；结果表明，各种工况下最大等效应力都较小，远小于钢材屈服强度。94号、95号节点强度都满足原设计要求。

第八节 烟气系统设计

烟气系统是指从锅炉省煤器出口到SCR反应器进口，以及从SCR反应器出口到空气预热器进口之间的连接烟道，主要包括：①从锅炉省煤器出口到SCR反应器的过渡烟道；②省煤器旁路烟道（如果有）；③SCR反应器旁路烟道（如果

有）；④SCR反应器进口管道；⑤SCR反应器；⑥SCR反应器

出口管道；⑦上述烟道体上的加强筋、烟道体之间的膨胀节、必要的测点、检修孔（门）、导流板及必要的支吊架与维护通道和保温结构；⑧布置在SCR入口烟道上的喷氨格栅系统等。

全套设备至少包括全部烟道、加强筋、减振器、加强件、膨胀节、保温及护板、包裹层、通道、检查门、支吊架、防腐、运行测试的接入点、测点、隔板、法兰、配件、膨胀节、内部检修扶梯、所有必要的支持结构等，以及必要的检修轨道、挂钩及起吊设备、所有必要的固定设备、检查和维修专用工具。

一、烟道的设计原则

1.对烟道系统各部件的技术要求及设计原则（1）烟道设计应符合相关规范、规程的要求。

（2）烟道应根据可能发生的最差运行条件（如温度、压力、流量、湿度等）进行设计。

（3）设计的全部烟道，可采用碳钢制作，壁厚不小

于6mm。

（4）烟道阻力应不大于设计值，设计时可适当考虑漏风因素。

（5）所有烟道应以适当的涂层或相当的材料进行保护以防止腐蚀。

（6）烟道外部要充分加固和支撑，以防止颤动和振动，并且设计应满足在各种烟气温度和压力下能提供稳定的运行。

（7）烟气系统的设计必须保证灰尘在烟道的沉积不会对运行产生影响，在烟道必要的地方设置清灰装置。另外，对于烟道中粉尘的聚集，应考虑附加的积灰荷重。

（8）烟道的设计应尽量减小烟道系统的压降，其布置、形状和内部件等均应进行优化设计。

（9）在转弯和变截面收缩等处，应设置导流板。

（10）SCR连接烟道因热膨胀产生的推力和力矩不能传递到锅炉本体及SCR反应器本体上，热膨胀应通过带有内部导流板的膨胀节进行调节。

（11）对于所有烟道和膨胀节，应按规范的要求进行保温。2.烟道支吊架

（1）烟道支吊架的部件应进行强度计算，以证实其设计安全可靠。

（2）可变弹簧支吊架应有冷态和热态的行程及负荷指示器。

（3）所有螺杆应有可靠的锁紧装置，丝扣的全部长度都应啮合进去，保证不会脱开。

（4）应为烟道水平方向运行设置滚动或滑动支架，支架的设计荷载应考虑摩擦阻力，材料和润滑剂应与滑动触点的金属底座相适应。

（5）露天布置的烟道支吊架结构强度应考虑风荷载及积灰的作用。

3.膨胀节

膨胀节用于补偿烟道热膨胀引起的位移，确保在各种工况条件下均应能吸收设备和管道的轴向和侧向位移，以保护设备和管道免受损害和变形。膨胀节的设计原则如下：

（1）膨胀节应在可能出现的各种温度、压力条件下不会损坏，并保持100%的气密性。

（2）膨胀节与烟道可采用螺栓法兰连接或焊接，但位于设备的接口处或位于脱硝系统供货界限处的膨胀节应采用法兰螺栓连接方式。

（3）可采用金属膨胀节或非金属膨胀节。

二、SCR烟道设计的基本内容和技术要求

（1）SCR系统烟道布置的要点是：烟道的形状或结构应先依照设计规范进行规划，然后由计算机流体模拟和物理模型进行验证确认。

（2）合理设置膨胀节，避免烟道的膨胀对锅炉本体及SCR反应器产生影响。

（3）根据CFD分析结果确定导流板的位置、形状和数量，根据烟气流速和飞灰分布情况确定防磨板设置的位置。

（4）烟道采用内、外支撑结合的形式，受力好，用材省。由于烟道尺寸大且使用温度高（400℃左右），单独采用内支撑或外支撑结构形式都不合适，需采用内、外支撑组合形式。内采用内撑杆结构，外采用加固筋结构。

（5）烟气系统的设计必须保证灰尘在烟道的沉积不会对运行产生影响，设置清灰装置，对于烟道中灰尘的聚集，需要根据规程合理选取积灰荷载。

（6）烟道系统的设计应考虑可能发生的运行条件，合理选择设计参数风载、雪载、地震荷载。

（7）根据烟气运行温度，合理选择烟道体材质，保证系统安全运行。

（8）根据烟气流速和灰尘含量，合理考虑系统的防磨耐腐措施。

（9）合理布置SCR系统运行和性能试验所需要的测试孔和装置。

三、燃煤电站SCR入口烟道的布置

燃煤电站SCR入口烟道的布置，需要根据燃料煤燃烧后的灰渣特性，锅炉省煤器出口的位置、标高及整个工程场地条件和CFD计算机模拟结果，综合考虑后确定。常见的几种连接形式如图238 1所示。无论哪种方案，在烟道界面设计时，需要按照规程规范考虑适当的烟气流速，既要防止灰尘过多积聚，又要考虑系统磨损。

当烟气中存在大颗粒状灰尘（如爆米花样的大颗粒灰尘）时，应考虑图238 1（a）方案，设置垂直烟道，并在垂直烟道底部设置除尘灰斗装置；对于塔形锅炉，由于炉体安装位置较高，可以选择图2381（b）方案，同样需要在省煤器底部设置灰斗，防止高温的像渣块或爆米花样的大颗粒烟尘进入反应器；当从锅炉到SCR反应器没有垂直管段时，可以考虑图2381（c）方案，需要在省煤器出口烟道适当位置设置如格栅网类机械装置，来捕获像渣块或爆米花样的大

颗粒烟尘进入反应器。

四、燃煤电站SCR出口烟道的布置

燃煤电站SCR出口烟道的布置，需要结合整个工程场

地条件、主机空气预热器的布置情况，结合CFD计算机模拟结果综合考虑，常见的几种形式如图 2382所示。

图2381 燃煤电站SCR入口烟道的几种连接形式

图2382 燃煤电站SCR出口烟道的几种布置形式

当需要按图2381（a）设计出口烟道时，为了避免飞灰在出口烟道积聚，图中烟道的倾斜角α≤45°，同时需要在出口烟道的适当位置设置灰斗，以收集并排出飞灰。

无论哪种方案，在烟道界面设计时，需要按照规程规范考虑适当的烟气流速，既要防止灰尘过多积聚，又要考虑系统磨损。

五、烟道体及加固肋的设计

烟道一般由气密性焊接且具有足够强度的钢板制成，能承受所有荷重条件。烟道外部要有充分的加固和支撑，来防止过度的颤动和振动。

SCR矩形烟道体的设计温度、设计压力以及相邻面板间的边接，应按DL/T5121—2000《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》的相关规定执行，以保证系统的安全稳定运行。

根据DL/T5121-2000第6.2.7条（燃煤锅炉除尘器前

的烟道内不宜设置内撑杆；当必须设置时，宜采用16Mn钢管；当用碳钢管时，在迎气流的一侧应采取防磨措施）规定和第6.1.6条、第6.1.7条的规定及其条文说明。考虑SCR流场分布的影响，建议在SCR烟道设计中，道体加固肋的设计宜采用纵横并重的技术方案，以减少内衬杆的数量，既保证系统安全需要，又能满足SCR流场需求。

有关SCR烟道体设计中的积灰荷载问题，目前未见明确

的相关规定，大多参考DL/T5121—2000规定。依据DL/T

5121—2000的附录F中的F.0.1“除尘器前水平烟道积灰高

度”确定的原则，计算得到的积灰荷载明显偏大，结果就是加固肋的选择偏大和偏多，造成材料的浪费及施工量的加大。

据国外相关资料介绍，对于水平部分或坡度小于30°的SCR烟道，其积灰荷载建议为150kg/m2。实际工程中积灰荷载的选取，需要根据工程烟气含尘浓度、烟尘颗粒及烟尘成分

等具体的情况认真确定，烟道体内积灰高度建议不宜小于烟道

高度的1/5。

六、膨胀节的设计

SCR烟道系统膨胀节的设计应根据 DL/T5121—2000

《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》的相关规定执行。

SCR烟气系统的膨胀节由于要承受轴向、径向、角位移，并要有效地吸收振动，因此建议应优选带内挡板、耐高温的非金属膨胀节。根据产品的特性，金属膨胀节的设置宜避免产生径向位移。但在实际SCR工程中，由于烟气温度较高，烟道的侧向位移量和水平位移量均较大，而且烟道不够长，金属膨胀节一般不能满足安全使用要求，因此采用非金属膨胀节补偿热位移。

为了保证烟气流场的均匀性，工作时如烟道错边，势必会影响流场分布和喷氨格栅的使用效果，因此膨胀节安装时应100%预偏，即安装时膨胀节两侧烟道错边，工作时两侧烟道轴线在一直线上。

SCR典型膨胀节设置方案如图2383所示，一般包括SCR入口膨胀节、反应器入口膨胀节、反应器出口膨胀节、SCR出口膨胀节和烟道中间设置的烟道膨胀节。其中烟道膨胀节的设置与否由业主按照烟道的支吊架设置情况的要求综合考虑确定，一般可以不设置。

另外，对于SCR烟气系统的非金属膨胀节，膨胀节的材料中需要设置不锈钢丝网以承受烟气压力。

七、支吊架的设计

SCR烟气系统支吊架的布点、选型要结合烟道系统膨胀节的设置和支吊架荷载分配均匀性确定。图2384为常见SCR烟气系统布置时支吊架设置建议方案，图2385为SCR烟道支吊架的实例。

图2383 典型SCR系统膨胀节布置

图2384SCR烟道支吊架设置方案

图2385SCR支吊架设置实例

在吸收轴向位移的膨胀节补偿量分配范围内，烟道的两端应考虑设置固定支架，在该范围内的支吊架宜为导向或限位支架，以保证系统内的膨胀和安全运行。由于进口烟道存在三向位移，因此一般建议采用可变弹簧支吊架来承受烟道部分质量；出口烟道存在两向水平位移，建议一般采用带摩擦片的刚性支架和固定支架来承受烟道部分质量；根据膨胀节的设置，

建议反应器入口设计弹簧支吊架和导向支架，以便来分担荷载和烟道膨胀。

另外，位于Ⅷ度及以上地震区的SCR烟道支吊架的设置应考虑地震力的影响；露天布置烟风道的支吊架结构强度，应考虑风荷载、雪荷载的作用，必要时需要设置一定的限位、止晃设施，如图2386所示。

图2386 烟道导向支架工程实例

八、导流板的设计

表2381 导向叶片数及其间距的计算方法

当进入SCR反应器前的烟气分布不均匀时，会导致脱硝效率下降，为保证脱硝效率，在实际工程中需要根据CFD模拟需要情况，在SCR反应器入口前的烟道中设置导流板，从而使进入SCR反应器的烟气更均匀。另外，在安装脱硝装置后，为了保证回到空气预热器的烟气流场分布均匀，需要根据CFD模拟烟气流场的情况，在连接烟道内设置若干导流板，以消除流场的不均匀性。

当缺少CFD资料时，SCR烟道系统导流板、导向叶片或导向板的设置，可以按下述方法进行初步设计。

（一）导向叶片

急转弯头的内边弯曲半径与弯头进口径向宽度的比值：等

截面急转弯头rN/b≤0.25、扩散急转弯头rN/b1≤1、收缩急

转弯头rN/b1＜0.2时可装设导向叶片，导向叶片的数量和间距可按图2387和表2381进行计算。

（二）导流板

在缓转弯头中，当烟道的两邻边的比值为a/b≤1.3时宜

装设导流板。当a/b＜0.8时，装设1～2片；当a/b=0.8～1.3时，装设1片。具体如图2387所示。

在设计导流板的同时，需要考虑烟气流速、飞灰分布情况确定防磨板设置的位置，否则烟道不宜装设导流板。

注 A1、A2分别为烟道进、出口截面积。

图2387 烟道导流板设计方案及工程实例

（a）带导向叶片弯头及导向叶片；（b）带导流板的弯头；（c）导流板的工程实例

九、SCR脱硝系统挡板门的设置

在SCR脱硝系统中，如果设置了省煤器旁路或反应器旁

路，就会涉及脱硝系统挡板门的设置问题。主要挡板门及主要技术要求见表2382，布置位置如图2388所示。

表2382 SCR脱硝系统挡板门的设置

运行在关闭挡板引起的积灰。

图2388 燃煤电站SCR脱硝系统挡板门的设置

十、SCR系统性能考核试验测点布置

SCR系统典型的性能考核试验测点布置如图2389所示。

图2389SCR系统典型的性能考核试验测点布置示意

第九节 反应器的工艺设计

除催化剂本身因素外，反应器设计的优劣是SCR系统能否顺利完成脱硝功能的决定因素。目前，燃煤电站SCR反应器一般布置在空气预热器或电除尘器上方这段高尘烟气空间内，距地面高度20m以上，反应器的设计与布置是在现场既定的诸多约束条件下进行的。脱硝反应器的设计必须综合考虑现场空间狭小、载荷大、工作温度高、反应器三维尺度大、不易与机组主体自然兼容、脱硝过程对气流参数要求严格等问题。

燃煤电站SCR系统反应器的设计既包括反应器钢结构、反应器壳体及其进出口外形的设计，又包括其流场的优化设计等。反应器进出口通过设置柔性接头与机组主体连接，在烟气进口段，液氨汽化后与稀释空气混合，经喷氨格栅喷入反应器。

一、反应器设计需要考虑的问题

SCR工程中每种催化剂，依据其特性都有一定范围的空间速度最佳值。由空间速度值和给定的烟气参数即可计算所需要的催化剂体积量，再按照实际数据进行一系列的修正，最后得到真正的催化剂体积，然后根据这一体积和选定反应器中的气体线速度值，结合场地条件，设计反应器的平面尺寸和断面尺寸。

对SCR反应器进行优化设计必须考虑反应器入口处合理分布烟气和氨，采用氨-空气混合器、烟道内的氨-烟气混合装置、烟气整流板、喷氨格栅等都是有效措施，但这些设计需要在预先完成的流体模拟实验或实物模型试验验证的基础上进行。

设计时，还需要考虑反应器中有效区域的变化和气流不均衡扩散的影响。反应器中，由于温度、气流速度和NH3/NOx摩尔比的分布不均匀而引起对设计值的偏离，可能导致设计效率的改变。

图2391 温度、进口烟气流速和NH3／NOx摩尔比的

变化对催化剂体积增加的影响

η—NOx脱出率；T—烟气温度分析；W—进口流速分布；

M—NH3/NOx摩尔比

图2391是温度、进口烟气流速和NH3/NOx摩尔比的变化对催化剂体积增加的影响。由图2391可见，温度偏差对催化剂体积影响较小，气流速度偏差影响较大一些，NH3/NOx摩尔比偏差的影响最大。因此，为保证SCR系统的性能参数，一般要求反应器的设计在第一层催化剂的上部烟气运行条件应满足以下要求。

（1）速度变动系数：变动系数的误差在±10%以内。（2）温度最大偏差：平均值的±15℃。

（3）NH3/NOx摩尔比变动：误差在±5%以内。

（4）烟气入射催化剂角度（与垂直方向的夹角）：±10°。SCR反应器及其烟气通道的正确合理设计，是实现催化

剂最佳性能的必要前提。因此，在高尘脱硝装置中，必须采取措施确保催化剂层的上述烟气运行条件，在气流入口处应设计成烟气均匀流入反应器的所有部位，尽量使烟气的停留时间和脱硝效率在反应器的各断面上均等；在给定脱硝效率时，NH3/NOx摩尔比不应超过理论值的±5%，过多偏离会降低

脱硝效率，造成氨逃逸增加，需要更大的催化剂体积。运用CFD或实体模型进行烟气流场模拟已被证实是达到上述设计的有效且必要的工具。

二、SCR反应器工艺设计要求

SCR系统的性能主要取决于催化剂的质量和反应器的设计条件。在实际工程中，设计反应器时应考虑以下因素：

（1）SCR反应器本体的设计除应满足相应的工业标准外，反应器应与周围设备布置相协调，一般设计成烟气垂直向下流经反应器的结构，入口设置气流均布的整流板，并根据需要在反应器进口设置导流板，对于反应器内部易于磨损部位应设计考虑必要的防磨措施。

（2）合理设计反应器、催化剂的支撑结构。反应器支撑结构设计应考虑适当滑动和限位措施，以免受热膨胀影响，以防止地震时催化剂翻转或移动；反应器内部各类加强板、支撑梁应设计成不易积灰的形式。

（3）反应器壳体上应设计足够大小和数量的人孔门、必要的测试孔；仪器和催化剂取样口处应设置维护平台，保证在设备正常运行、试运及检修时人员正常工作的需要，并配有可拆卸的催化剂测试元件。

（4）SCR反应器结构应合理选材，能承受规定的设计压力和设计温度，一般能够在400℃的环境下长期工作，当运行温度为450℃时，能够经受不少于5h的考验而不产生任何损坏。

（5）合理地设计催化剂模块安装设施，催化剂模块一般可以通过使用起吊葫芦和/或催化剂搬运小车运输和安装，因此，反应器的结构设计应能满足催化剂安装方案的要求。

（6）根据烟气条件，合理选择反应器内部烟气流速，并在催化剂模块上方要留有合理的检修维护空间，确定反应器的体积和截面尺寸，一般流经反应器本体的烟气流速在5～6m/s左右，既满足检修更换催化剂的要求，又能节约投资。

（7）根据工程情况，反应器内部应设置相应的吹灰装置，高灰分时应当设置隔板、整流板、金属网和必要的吹灰设施以防止系统积灰，使烟气流动顺畅。

（8）合理选择保温结构，使经过反应器的烟气温度变化小于5℃；主梁和柱子应当完全在反应器外壳里面，使所有结构件截面温度相同。同一个结构件截面温度分布均匀时可以减少热应力和热变形（比如凸起），从而能够耐受反应器内快速的温度变化。

（9）密封系统应完善。由于未反应烟气的泄漏会直接严重影响脱硝效率，故应当注意密封系统，以减少烟气泄漏。

（10）降低压力损失。包括结构件在内的所有内部件的设计应尽可能减少压力损失，所有的内部件尽量不破坏气体分配的均衡。

（11）催化剂单层高度应合理。为保证运行效果，每层催化剂模块中的催化剂单元不能高于四层；甚至在增加催化剂层的情况下，每层催化剂单元总高也不能高于四层。在确定催化剂层数时应考虑到此标准。

三、反应器主要工艺参数

（一）线速度

SCR的线速度代表气流流过催化剂横截面的速度，它是决定反应器横截面面积和气体在反应区停留时间的重要参数。其计算公式为

LV=qVfluegas

3600Acatalyst

式中：LV为烟气线速度，m/s；Acatalyst为催化剂层截面积，m2；qVfluegas为锅炉烟气流量，m3/h；3600为单位换算系数。

各工程公司根据自己的经验，其线速度的取值各有不同，

其大小一般在5～6m/s。

（二）面速度

SCR系统的面速度，描述的是烟气掠过催化剂表面的速度，其定义是单位时间内烟气体积与催化剂的几何表面积之比，是反映催化反应特征的一个参数。其计算公式为

AV=qVfluegas

Vcatalystβspecific

式中：AV为面速度，m3/（h·m3）或m/h；Vcatalyst为催化剂体

积，m3；βspecific为催化剂比表面积，由催化剂特性确定，

m2/m3。

（三）空间速度

空间速度，描述的是烟气体积流量（标准状态下的湿烟气）与SCR反应塔中催化剂体积的比值，反映了烟气在SCR反应塔内停留时间的长短。根据定义其计算公式为

SV=qVfluegas

Vcatalyst

式中：SV为空间速度，h-1。

实际上，SV的倒数所表达的就是时间概念，即接触时间，是催化剂的重要性能参数，也是催化剂反应器的主要设计参数。由于烟气体积随温度、压力的变化而变化，所以在工程中常要变换成标准状态下的体积，并以反应前标态体积流量为基准来计算空间反应速度。

（四）SCR反应器尺寸估算

SCR反应器的设计有两种计算方法：一是经验计算法；二是数学模型法。数学模型法是借助反应动力学方程、物料流动方程、物料衡算和热量衡算方程，通过对它们联立求解，求出在指定反应条件下达到规定脱硝效率的催化剂体积，是建立在对化学反应深入研究的基础上进行的；经验计算法是利用生产的经验参数设计新的反应器，或通过中间试运测得最佳工艺条件参数（如反应温度、空间速度）和最佳操作参数（如空床速度和许可压降），在此基础上求出相应条件下的催化剂体积和反应器截面积与高度。

相对于数学模型法，以试验模拟为基础的经验计算法简便且可靠，因而得到普遍的应用。但需要说明的是，经验计算法要求设计条件符合所借鉴的原生产工艺条件，在反应物温度、浓度、空间速度、气流分布等方面保持一致；因此，不宜高倍放大，否则误差较大，影响系统的运行效果。

1.SCR反应器截面尺寸估算

SCR反应器截面尺寸是由锅炉烟气流量和表面速度确定的。典型的流经催化剂的表面速度为5m/s左右，在实际工程中可以使用如下速度值来对催化剂截面积进行估算，即

Acatalyst=qVfluegas

3600×5

式中：Acatalyst为催化剂层截面积，m2；qVfluegas为锅炉烟气流量，

m3/h；3600为单位换算系数。

考虑催化剂几何形状及其安装结构，SCR反应器的横截面积比催化剂横截面积大15%左右，因此，反应器横截面积

ASCR为

ASCR=1.15Acatalyst

实际工程中，SCR反应器的截面尺寸一般受工程场地条件和典型催化剂模块的基本尺寸限制，目前市场上各种不同类型的催化剂模块的典型尺寸是2m×1m。因此，工程中应结合场地条件，按催化剂模块基本尺寸的倍数来确定SCR的截面尺寸。根据长度和宽度方向上模块的不同，SCR反应器模截

面积设计成正方形或长方形，一般正方形SCR反应器的流场分布较长方形的有利于流场的保证。图2392所示为某工程SCR反应器平面布置。

（2）催化剂层数估算。

根据工程烟气流量等参数，在确定了催化剂层的截面积和催化剂体积后，则可估算催化剂的层数，其计算式为

Nlayer=Vcatalyst

hlayerAcatalyst

式中：Vcatalyst为催化剂估算体积，m3；Acatalyst为催化剂层截面

积，m2；hlayer为催化剂模块的高度。

根据上式计算的结果，不包括工作后期需要安装的备用层，通常需要调整催化剂模块高度，使催化剂的层数接近于整数。

（3）反应器高度估算。

SCR反应器的断面尺寸一般根据催化剂的层数（包括初始安装和预留层）、整流层安装高度和催化剂的安装空间等因素确定。因此，反应器的高度（不包括反应器进出口烟道部分的高度）可以由下式估算，即

H=（N+1）（C1+hlayer）+C2

式中：H为反应器的高度，m；N+1为催化剂的层数；C1为支撑、安装催化剂所需要的空间高度，m；C2为整流层安装高度及安装需要的空间高度，m。

其中的C1与C2是个工程经验数据，与工程采用的吹灰器形式、催化剂安装方式都有一定的关系，为便于安装和检修，催化剂的层高一般以不小于3.5m为宜。

四、反应器进出口段设计

在SCR实际工程中，反应器进出口烟道外形的设计尤其是反应器进口段的设计，往往决定了反应器内部烟气流场的分布、氨与烟气的混合均匀性等重要运行参数。因此，各工程公司和相关的研究机构，对此都十分重视，不少工程公司都有自己的专利设计。图2393为目前常用的SCR反应器入口烟道的几种典型布置形式。

图2393 几种典型SCR反应器入口烟道布置

畅均匀，系统的效率优于设计要求。

五、反应器的结构与支撑设计

对于600MW机组的SCR单台反应器总质量约为600t，设计外压6kPa。反应器主要的受力有重力载荷、外压力和热应力。由于反应器一般布置在高空中，在满足工艺和承载要求下，应最大限度地使反应器与主机组框架相适配，减轻反应器的质量，降低反应器和主体框架之间的作用力，同时也可以减少建设成本。通过结构分析设计，对反应器进行比较精确的力学设计计算，优化出简洁、轻便、适配的结构方案是反应器设计开发的必然要求。

图2392 某工程SCR反应器平面布置

2.SCR反应器断面尺寸估算（1）催化剂体积估算。

在工程中，一般催化剂至少安装两层，其中催化剂体积的估算式为

qVfluegasln（1-Mη）

Vcatalyst=

Kcatalystβspecific

式中：Vcatalyst为催化剂估算体积，m3；qVfluegas为锅炉烟气流量，

m3/h；η为系统设计的脱硝效率，%；M为NH3与NOx的化

学摩尔比；Kcatalyst为催化剂活性常数；βspecific为催化剂比表面

积，m2/m3。

由于烟气、飞灰及氨在反应器进出口分布的好坏直接影响着脱硝效率，因此，SCR反应器及其连接烟道、氨/空气混合器（AIG）的布置及设计在整个SCR工程中占据着与催化剂几乎同等重要的位置。工程设计中，常借助CFD工具对SCR反应器及其相关的烟道系统内的流体流动、传热传质、飞灰收集等进行模拟，使烟气脱硝系统的设计更为合理，并为系统调节建立理论依据，降低工程风险。

图2394和图2395所示为某燃煤电厂SCR工程的设计图和CFD模拟结果。

借助于CFD模拟烟道和反应器设计，效果十分理想，流

图2394 某燃煤电厂SCR工程反应器与烟气系统布置

（二）SCR反应器承受的主要荷载

反应器的结构计算所涉及的荷载类型主要见表239 1，有些荷载大小有明确的规程规定，有些需要工程公司根据工程经验确定。

表2391 SCR反应器承受的主要荷载

图2395 某燃煤电厂SCR工程反应器

与烟道的CFD模拟效果

（一）SCR反应器的结构设计原则

燃煤电厂SCR烟气脱硝的反应器是大型平板薄壁钢壳结构，其承受竖向压载荷和面压力的能力是很弱的，反应器的壁板厚度对承载能力贡献不大，取6mm即可，主要依赖内外的加强筋和梁柱来承担载荷，保证设备的刚性和强度。

催化剂模块质量大且比较集中，不宜将其重量沿反应器本体传送，因此，应将催化剂的支撑梁伸出反应器壳壁之外，梁端部落在机组主体框架上作为支座，使重量直接传至机组主体框架。反应器的钢壳体重量比较分散，通过外壁的加强筋将重量最终汇集至各支座上。因此，外部加强筋的设计与布置要充分考虑重量载荷的传递原理和过程。

SCR反应器承受的约6kPa的外压力是导致钢壳发生变形的主要原因，设计时要利用催化剂和导流器支承框架的自然结构，同时作为反应器的内撑杆结构，尽量不专设内撑杆。由各种型钢焊接而成的复杂框架内外联成一体，构成了反应器的承载结构。

续表

（三）反应器内部梁的布置———催化剂的支撑与固定

在SCR反应器之中，催化剂模块布置在催化剂梁上，因此催化剂支撑梁应布置在每个催化剂模块底部侧框之下，支撑梁和催化剂模块短边平行，如图2396和图2397所示。

图2397 催化剂与支撑梁的平面布置示意及工程案例

（a）催化剂与支撑梁的平面布置示意；（b）催化剂与支撑梁工程案例

图2396 催化剂与支撑梁的断面布置示意

根据工艺的需要催化剂支撑结构分别设置为2～3层，但每层梁的布置方式基本一致，通常预留催化剂层的支撑梁以此设计和建设完成。

所有催化剂的荷载通过催化剂支撑梁传到钢支架上，钢支架的定位应尽量使催化剂支撑梁的弯曲应力和挠度在允许范围内。催化剂支撑梁和钢支架应有足够刚度，一般使挠度（δ/L=最大变形/支撑梁长）小于1/500。

催化剂间的制动将催化剂之间相互联系成一个水平完整结构，如图23 9 8所示。由地震引起的催化剂水平荷载，通过该支撑系统，传到反应器外壳内的水平梁上，可以避免地震引起的催化剂模块的移动和倾覆，虽然催化剂并没有直接连接在反应器外壳上。

止晃装置是焊在外壳和催化剂模块上的金属块，当催化剂发生移动时，为不损伤催化剂，制动装置围绕催化剂模块的上部和底部都要设置。

如图2398所示，催化剂在支撑梁上的安装尺寸在满足催化剂稳定性的基础上应尽量小。这样催化剂可以获得最大有效体积，即减少死角引起的体积损失。

图2398 催化剂支撑梁布置与催化剂止晃设施

（四）整流板

整流板一般安装在入口烟道底部、第一层催化剂上部，其

主要作用是对烟气进一步梳理，调整烟气分配，保证烟气流场的均匀性。图2399是燃煤电站SCR反应器整流板及其支撑设计工程实例。

施加约束。尤其注意的是，催化剂的承重梁与框架之间在水平方向可以相互滑动，在竖直方向则受到约束，二者之间在水平方向上有摩擦力相互作用。因此，在该处施加约束时应特殊处理。

求解后可得到任意位置处的各向应力、综合应力、各向变形及综合变形，可以根据各自的准则对反应器进行校核，再通过这些分析来达到反应器的优化设计。图23910为利用CAE应力分析软件分析反应器的综合应力云图。从图中可以看出，整体上应力是比较小的，但梁柱及加强筋处由于应力集中，局部应力较大；因为顶部和底部没有设内部支撑结构，完全由外部筋梁加强，结构设计是满足要求的。

图23910 反应器的综合应力云图

2.STAADPRO软件在反应器结构计算的应用

图23911和图2 3 9 12是某工程利用STAAD

图2399SCR反应器整流板及其支撑设计工程实例

PRO进行SCR反应器、反应器钢结构应力计算的模型。

（a）整流板设计方案总图；（b）整流板（局部）工程实例

（五）反应器的结构计算

反应器的荷载类型较多，尤其受系统运行温度变化影响较大，要进行精确的力学计算比较困难。在工程设计过程中，可用来进行反应器应力分析的软件有很多，目前国内燃煤电站

SCR反应器主要是应用CAE与STAADPRO的较多。

1.CAE软件在反应器结构计算中的应用

工程应用中，利用CAE技术手段对反应器进行实体建模，尽量不作简化，反应器的支撑结构和壁板一起建模，以便于对应力集中进行研究。利用CAE分析反应器的目的是：通过计算反应器结构的温度、应力及变形等物理场量，给出各物理场量在整个反应器上随空间和时间的分布，保证反应器整体结构的安全性和经济性，为结构和工艺参数的优化以及SCR系统的质量评估提供科学依据。用强度和变形量作为校核指标进行分析，直至优化得到最佳的结构方案。

图23911 某工程SCR反应器钢结构模型

CAE分析的步骤是先建立反应器模型，然后对模型进行网格划分，在此基础上再进行计算分析。由于反应器结构复杂，几何形状不规则，板壳的厚度多变，所以自行定义单元尺寸的大小，而不完全采用智能网格划分，以便于控制局部的细节。载荷施加比较复杂，要依据一定的顺序施加外压、自重、催化剂重量、风载荷、地震载荷、温度载荷，最后按现场条件

工程应用中，利用STAADPRO软件对反应器进行实体建模，对反应器进出口和反应器的壳体进行了相应的简化：①将反应器的壳体层及其承受的风荷载以均布载荷的形式加入到模型；②反应器进出口烟道的重量及其承受的风载荷、补偿器的膨胀力也以均匀的外力作用在反应器钢结构上。

在支座设计时，尽可能使支座分布在同一平面上，以避免对反应器竖向的热变形形成约束。所有的支座中，只能有一个支座是完全固定或相对完全固定的，各个支座的滑动自由度方向也不完全相同，应根据热变形的方向合理设置。

图23914是一种设计的SCR反应器支座分布及滑动自由度示意图，共设置了一个固定支点、特定方向的五个导向支点，其他为滑动支点。固定支座设在中部，可使反应器的最大位移降为绝对热变形量的50%。各导向支点、滑动支点的一对摩擦副中，至少有一个为耐温减摩材料（如聚四氟乙烯），以避免过大的摩擦力对反应器本体和主体框架造成破坏。即使如此，在设计中，也要用摩擦力对支梁的稳定性和机组主体支架的水平剪力进行校核。

图23912 某工程SCR钢结构STAADPRO模型

通常，由于反应器壁及内部结构长期处于400℃的高温下，因此，选用低合金结构钢Q345材料，以满足安全稳定运行的需要。

SCR加强筋或柱梁均焊接在反应器外壁上，它们之间是刚性连接，而其与反应器壁板之间不可避免地存在着温差，如果结构设计不合理，将造成过大的温差应力。因此，在设计壁外的加强结构时，应尽量减小加强结构的径向尺寸，并尽量使钢结构贴近壁板且连续布置，以保证从内壁到加强结构之间具有良好的热传导，以减小误差，应将其包在保温层之内，尽可能避免加强结构完全暴露在保温层之外或部分在保温层外。

图23914SCR反应器支座分布示意

六、反应器支座设计

反应器的设计温度一般为400℃左右，针对高温热效应的反应器支架的设计也是SCR开发的关键内容。

图23913为某工程SCR反应器钢结构的弯矩图。由图23910和图23913可知，热应力最可能发生的部位是支座和反应器外壁上尺寸较大的加强筋或柱梁处，由于支座对反应器的热胀冷缩效应会起到约束作用，合理的支座设计是减小热应力的关键。

图23915为中间为相对固定支点的支座分布示意图，在SCR反应器底层的四个面分别设置了一个导向支点，这样在SCR反应器的中心点就相当于一个固定支点，反应器沿对角线向外膨胀，SCR反应器四角立柱分别为滑动支点，同样各导向支点、滑动支点的一对摩擦副中，至少有一个为耐温减摩材料（如聚四氟乙烯），以避免过大的摩擦力对反应器本体和主体框架造成破坏。图23916为反应器支座设计的工程实例。

图23917是SCR悬挂式反应器结构，其工作原理是：反应器由相互独立的反应器壳体1和固定在立柱6上的顶部横梁两部分组成，反应器壳体1内设有若干催化剂托架9，并分别与若干组螺纹吊杆2的下端相接，螺纹吊杆2的上端穿出反应器壳体1悬吊在反应器顶部的上梁7上，各层催化剂托架9的位置可以上下调节；催化剂托架9各层均由四个下螺纹吊杆2悬吊在顶梁上，螺纹吊杆2中下部为圆柱杆，上段根据实际需要采用梯形螺杆，螺纹吊杆材料可为圆钢，也可选用厚壁钢管；顶梁分上下两层，上梁7两根，下梁8两根；上梁7坐落在立柱6上，竖向自由度不受约束，两端设有吊耳11，可以用起吊上梁7的方法来调节催化剂的位置；下梁8固定在立柱6上，起到辅助支承和定位吊杆的作用。主螺母3通过推力轴承4将吊杆支承在上梁上，推力轴承4的作用主要是为了减小拧转主螺母3时的摩擦力。拧转主螺母可以升降吊杆，以此作为催化剂位置的主要调节手段。安装与更换催化剂时，通过调节主螺母将各层催化剂调至最方便的人孔位置。螺纹吊杆2与催化剂托架9采用铰链连接，以增加其振动的自由度。催化剂托架9安装时，应尽可能调整至水平面上，过大的倾斜度会导致吊杆升降不灵活。

图23913 某工程SCR反应器钢结构弯矩

图23915SCR反应器中间为相对固定支点的支座设计示意

图23916SCR反应器支架设计实例

（a）反应器限位支架；（b）反应器滑动支架

图23917 悬挂式SCR反应器机构示意图

1—反应器壳体；2—螺纹吊杆；3—主螺母；4—推力轴承；5—辅助螺母；

6—立柱；7—上梁；8—下梁；9—催化剂托架；10—铰接头；11—吊耳

据介绍，该发明的有益效果是：①最大限度地减小了应力，悬吊式结构使得催化剂层及其支承结构可自由热膨胀，而且与反应器本体之间互不影响，从而最大限度地减小了热应力；②催化剂各层的位置可以自由调节，催化剂的安装与更换非常方便；③有利于振打清灰，催化剂层悬吊于空中，接头采用铰接方式，使得催化剂层对振动激励很敏感，振打清灰效果好。

上，反应器内部的密封和防止飞灰积聚也是很重要的内容，图23918表示了SCR反应器需要重点关注的密封和防飞灰积聚的部位。

（一）密封设计

七、反应器的密封与防积灰设计

为了保证脱硝效率，在做好烟道和反应器整体设计的基础

为了保证SCR反应器内的烟气能100%通过催化剂，保证烟气中的NOx在催化剂的表面能与NH3充分发生化学反应，有效脱除NOx，应做好如图23919所示的以下几个部位的密封设计和施工。

（1）催化剂模块之间缝隙：密封角钢焊到支撑梁上的催化剂的底框。

（2）在催化剂模块和支撑梁之间缝隙：两者之间金属接触的部分密封焊。

（3）在催化剂模块和反应器外壳之间缝隙：两者之间设置密封板。

（二）防积灰措施

SCR系统内的积灰，不仅会直接或间接地减少催化剂有效体积而降低SCR性能，同时变硬的灰块掉下会造成催化剂的机械损伤，故在结构设计上应尽量减少积灰的可能。

SCR反应器内防止积灰的设计除吹灰器系统以外，在结构设计上主要应注意如下几个方面。

1.整流板

如图23 9 9所示的整流板设计，在梳理烟气分配、保证烟气流场均匀性的同时，还可以拦截大块“爆米花”状灰块，阻止其冲击损伤催化剂接触，以减轻催化剂表面大颗粒飞灰的积聚。

图23918SCR反应器密封和防飞灰积聚设计部位

2.催化剂上的金属格栅和金属网

在SCR工程中，催化剂块的顶部设置了合适的金属格栅及金属网（见图23920），防止较大灰粒进入催化剂间歇，发生催化剂的堵塞；同时也能减少细小灰粒在催化剂表面积累，且对气流更均匀流动也有一定作用。该部分一般在催化剂供应商的工厂安装好，在签订供应技术合同时需要注意。

图23920 催化剂顶部设置金属格栅和

金属网示意

3.防积灰板

SCR反应器内部结构的以下部位，在做好密封设计和施工图的基础上，要防止飞灰的积聚。这些部位包括：

（1）在催化剂块之间的狭窄缝隙。

（2）围绕催化剂模块外围，在催化剂模块和其他设施之间的空隙。

（3）在各种支撑梁顶。

图23921为相应部位防止飞灰积聚的工程实例与设计示意。

图23919SCR反应器内部密封典型设计

图23921SCR反应器内部典型防止

飞灰积聚工程实例与设计示意

（a）防止飞灰积聚的工程实例；（b）防止飞灰积聚设计示意

第十节 氨区设计

燃煤电站烟气脱硝装置大多数采用氨气作为还原剂，鉴于液氨及氨气的危险性，为了保证系统的安全运行，作为燃煤电厂SCR烟气脱硝工艺的还原剂，氨区的相关设计必须遵守国家有关标准和规范中对储氨区和与氨有关的设备和布置位置等的规定。

一、标准规范

脱硝装置反应器布置可以根据地理位置选择在室内或室外，但氨区一般布置在室外。氨区工艺布置要满足现行标准，主要有：

HJ562—2010《火电厂烟气脱硝工程技术规范 选择性催化还原法》

DL/T5032—2005《火力发电厂总图运输设计技术规程》

GBJ22—1987《厂矿道路设计规范》

GB50229—2006《火力发电厂与变电所设计防火规范》

GB50016—2006《建筑设计防火规范》

GB50160—2008《石油化工企业防火规范》

GB50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》

GB50072—2010《冷库设计规范》

SH/T3007—2007《石油化工储运系统罐区设计规范》

TSGR0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》

由于氨与氧气混合到一定程度，遇火后会发生爆炸，因此，储氨区不可与氧气容器置放在一起。

二、我国对“氨溶液”的有关管理规定

1.GB12268《危险货物品名表》中的规定

联合国编号：2672。

名称和说明：氨溶液，水溶液在15℃时的相对密度为

0.880至0.975，含氨量不低于10%但不超过35%。

类别或项别：8。包装类别：Ⅲ。

2.《危险化学品名录》中的规定

液氨、氨气为2013年国家重点监管危险化学品，其CAS

号为7664417。

氨（液化的，含氨 ＞50%）液氨，危险货物编号

为23003。

氨溶液（35%＜含氨≤50%），危险货物编号为22025。氨溶液（10%＜含氨≤35%），危险货物编号为82503。

3.我国对危险品的有关管理法规

（1）《安全生产法》。

（2）国务院第344号《危险化学品安全管理条例》。

（3）AQ30352010危险化学品重大危险源安全监控通用技术规范。

（4）《危险化学品生产储存建设项目安全审查办法》。

（5）GB18218—2000《重大危险源辨识》。

三、设备的防冻

设备的防冻除考虑天气因素外，还必须考虑设备内运行

的工质氨的特性。氨的沸点（101.325kPa）为-33.4℃，熔点（101.325kPa）为-77.7℃，也就是说，氨的冻结温度很

低，即使在极端最低气温-35℃下，设备内的氨也不会冻结。因此，重点需要的是设备自身的材料和转动设备使用的润滑油脂能够适宜低温的天气，就可以解决氨系统的设备防冻问题。

四、液氨的储存和供应系统

下面以液氨的存储和供应系统为例进行描述技术要求及设计原则。对于某一电厂，可以考虑所有机组锅炉共用氨储存和供应系统。液氨储存、制备、供应系统包括液氨卸料压缩机、储氨罐、液氨蒸发槽、液氨泵、氨气缓冲槽、稀释风机、混合器、氨气稀释槽、废水泵、废水池等，如图23101～图2 310 4所示。该套系统提供氨气供脱硝反应使用。液氨由液氨槽车运送，利用液氨卸料压缩机将液氨由槽车输入储氨罐内，罐车与系统由挠性软管连接。用液氨泵将储槽中的液氨输送到液氨蒸发槽内蒸发为氨气，经氨气缓冲槽来控制一定的压力及其流量，然后与稀释空气在混合器中混合均匀，再送达脱硝系统。氨气系统紧急排放的氨气排入氨气稀释槽中，经水的吸收排入废水池，再经由废水泵送至废水处理厂处理。

图23101 氨卸载系统

液氨的储罐和氨站的设计必须满足国家对该类化学危险品罐区的有关规定。液氨具有一定的腐蚀性，在材料、设备存在一定的应力情况下，可能造成应力腐蚀开裂；液氨容器除按一般压力容器规范和标准设计制造外，要特别注意选用合适的材料。

图23103 氨蒸发器

图23102 氨卸料压缩机

在设计氨的制备及其供应系统时，应考虑氨的供应量能满足锅炉不同负荷的要求，且调节方便、灵活、可靠；储氨罐与其他设备、厂房等要有一定的安全防火防爆距离，并在适当位置设置室外防火栓，设有防雷、防静电接地装置；氨存储、供应系统相关管道、阀门、法兰、仪表、泵等设备选择时，必须满足抗腐蚀要求，采用防爆、防腐型户外电气装置；氨泄漏处及氨罐区域应装有氨气泄漏检测报警系统；系统的卸料压缩机、储氨罐、氨气蒸发槽、氨气缓冲槽及氨输送管道等都应备有氮气吹扫系统，防止泄漏氨气和空气混合发生爆炸；氨存储和供应系统应配有良好的控制系统。

图23104 稀释风机

第十一节 控制系统设计

本节以DCS脱硝控制系统为例进行设计介绍。DCS一般包括数据采集系统（DAS）、模拟量控制系统（MCS），顺序控制系统（SCS）、联锁保护及脱硝系统电源系统监控等。

一、对控制系统总设计要求

（1）仪表和控制设备考虑最大限度的可用性、可靠性、可控性和可维修性。所有部件在规定条件下安全运行并达到仪控设备投入率100%，保护及联锁投入率100%，自动调节系统投入使用率100%，分析仪表投入率100%。

（2）烟气脱硝系统、公用系统及单体设备的启/停控制、正常运行的监视和调整，以及异常与事故工况的处理等，完全通过DCS来完成。任何就地操作手段，只能作为DCS完全故障或运行人员发现事故时的紧急操作手段。

（3）就地控制装置与DCS有足够数量的硬接线及通信信号接口，以满足可在DCS上对该设备进行监视和控制。对于特殊的工艺设备，如果其控制逻辑必须在就地控制柜内完成，应该单独设计。

（4）仪表控制系统及装置的所有接地直接接至整个电厂的电气主接地网上，接地电阻能满足电气接地网的要求。反应区仪表控制系统不设置单独的接地网。

（5）控制和监测设备有良好的性能，以便于整个装置安全无故障运行和监视，并符合相关的防腐、防水、防爆要求。

（6）控制系统的数据采集、模拟量控制、顺序控制等功能应满足脱硝系统各种运行工况的要求。DAS系统的平均无故

障时间（MTBF）不小于8600h，SCS、MCS系统的平均无故障时间不小于24000h。

（7）DCS系统易于组态、易于使用、易于扩展。系统的监视、报警和自诊断功能应高度集中在显示器上显示和在打印机上打印。

（8）DCS的设计应采用合适的冗余配置和诊断至模件级的自诊断功能，使其具有高度的可靠性。系统内任一组件发生故障均不应影响整个系统的工作。

（9）当DCS系统通信发生故障或运行操作员站全部故障时，能确保将脱硝系统安全停运。

二、DCS的技术要求

DCS一般要求与电厂机组DCS完全兼容，对DCS系统的总体要求有以下几方面：

（1）脱硝系统应设一套独立的DCS控制站，纳入单元机组DCS进行监视和控制。DCS控制站配置独立的冗余控制器、冗余电源模块、I/O模块及机柜，并按独立节点冗余通信的方式接入原有机组DCS控制网，运行人员通过机组控制室中单元机组原有DCS操作员站完成对脱硝SCR系统的参数和设备进行监控。

（2）DCS系统应完成技术规范规定的各种数据采集、控制和保护功能，以满足各种运行工况的要求，确保机组安全、高效地运行。整个DCS系统的功能范围包括数据采集、模拟量控制、顺序控制等各项控制功能，是一套软、硬件一体化的完成全套机组各项控制功能的完善的控制系统。

（3）DCS应通过高性能的工业控制网络及分散处理单元、过程I/O、人机接口和过程控制软件等来完成脱硝工艺生产过程的监视和控制。DCS硬件应安全、可靠、先进。

（4）DCS系统应易于组态（图形化、模块化）、易于使用、易于扩展。

（5）DCS的设计应采用合适、可靠的冗余配置，并具备诊断至模件级的自诊断功能，使其具有高度的可靠性。冗余设备的切换（人为切换和故障切换）不得影响其他设备控制状态的变化。

（6）DCS系统的监视、报警和自诊断功能应高度集中在操作员站显示器上显示，并根据需要在打印机上打印；在操作员站显示器上应能实现声光报警。

（7）DCS设备应遵循以下故障安全准则：1）单一故障不应引起DCS系统的整体故障。2）单一故障不应引起保护系统的误动作或拒动作。3）控制功能的分组划分应使得某个区域的故障将只是部

分降低整个控制系统控制功能，该类控制功能的降低应能通过运行人员干预进行处理。

4）控制系统的构成应能反映设备的冗余配置，以使控制系统内单一故障不会导致运行设备与备用设备同时不能运行。

（8）为满足上述故障准则，控制系统应包括各种可行的自诊断手段，以便内部故障能在对过程造成影响之前被检测出来。此外，保护和安全系统应具备通道冗余或测量多重化，以及自检和在线的试验手段。对于I/O和控制器的分配及系统内部硬接线联系点的设计也应充分考虑上述准则。

（9）整个DCS的可利用率至少应为99.9%。

（10）DCS应满足《电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定》（国家经济贸易委员会令2002年第30号）的要求，所供DCS系统不得直接与电厂管理信息系统及办公自动化系统进行接口。DCS应采取有效措施，以防止各类计算机病毒的侵害和DCS内各存储器的数据丢失。

（11）DCS应具备远程诊断功能。

（12）DCS质量标准具有一致性，要求机柜尺寸、颜色、外形结构与机组DCS保持一致。

目前国内外使用比较普遍的DCS设备见表23111。表23111 目前国内外使用比较

普遍的DCS设备

三、DCS系统的硬件要求

总线的切换。

（一）一般要求

（14）控制站设计计算负荷率应按技术规范中实际工艺点数，最忙时不应超过50%。

（1）DCS系统硬件应采用有现场运行实际、先进可靠的以微处理器为基础的分散型的硬件。

（三）输入/输出（I/O）

（2）系统内所有模件均应采用低散热量的固态电路，并为标准化、模件化和插入式结构。

（1）I/O处理系统应智能化，以减轻控制系统的处理负荷。

（3）DCS模件的插拔应有导轨和联锁，以免造成损坏或引起故障。模件的编址不应受在机柜内的插槽位置影响，而应在机柜内的任何插槽位置上都能执行其功能。

（2）所有的I/O模件都应具有标明状态的LED指示和其他诊断显示，开关量I/O的各通道应具有状态指示。

（4）机柜内的模件应能带电在线插拔和更换，而不影响其他模件的正常工作。同类型模件应具有可互换性。

（5）模件的种类和尺寸规格应尽量少，以减少备件的范围和费用支出。

（3）所有的模拟量榆入信号每秒至少扫描和更新4次，所有的数字量输入信号每秒至少扫描和更新10次，事故顺序（SOE）输入信号的分辨率应不大于1ms。对快速处理控制回路，模拟量输入信号应达到每秒扫描8次，数字量输入信号应达到每秒扫描20次。

（6）安装于生产现场的DCS模件、设备应具有足够的防护等级和有效的保护措施，以保证在恶劣的现场环境下正常工作。

（4）应提供热电偶、热电阻及4～20mA等标准信号的开路和短路，以及输入信号超出工艺可能范围的检查和信号闭锁保护功能，该功能应在每次扫描过程中完成。

（7）硬件设备的型式规范、技术参数、主要数据和采用的国际标准等的详细资料。

（5）所有接点输入模件都应有防抖动滤波处理。

（二）DCS过程单元的处理器模件

（6）DCS至执行回路的开关量输出信号采用继电器输出。（7）当DCS系统故障或电源丧失时，应有必要的措施，

（1）分散处理单元内的处理器模件应各司其职，以提高系统可靠性。处理器模件应使用I/O处理系统采集的过程信息来完成模拟控制和数字控制。

不出现误动。

（8）处理器模件的电源故障应不造成已累积的脉冲输入读数丢失。

（2）处理器模件的元器件应标识完整，面板带有LED状态自诊断显示。

（9）模拟量模件能自动地和周期性地进行零飘和增益的校正。

（3）处理器模件若使用随机存储器（RAM），则应有电池作为数据存储的后备电源，电池的在线更换不应影响模件的工作，电池失效应有报警，电池的更换不会导致数据丢失。

（10）所有输入/输出模件应能满足ANSI/IEEE472《冲击

电压承受能力试验导则（SWC）》的规定。

（4）某一个处理器模件故障，不应影响其他处理器模件的运行。此外，数据通信总线故障时，处理器模件应能继续正常运行。

（11）每个模拟量输出点有一个单独的D/A转换器，每一路热电阻应有单独的桥路，所有输入/输出通道及其工作电源均应互相隔离。模拟量输入模件的4～20mA信号可根据用户要求配置成模件供电或外部供电。

（5）对某一个处理器模件的切除、修改或恢复投运，均不应影响其他处理器模件的运行。

（12）在整个运行环境温度范围内，DCS的I/O精确度应满足模拟量输入信号（高电平）±0.1%，模拟量输入信号（低电平）±0.2%，模拟量输出信号±0.25%，电气系统模拟

（6）DCS过程单元的所有处理器模件均应考虑冗余配置；当使用I/O或其他专用模块完成控制功能时，相关模块也应合理冗余配置。

量输入信号±0.1%，模拟量输出信号±0.2%。

（7）冗余配置的处理器模件中，一旦某个工作的处理器模件发生故障，系统应能自动地以无扰方式，快速切换至与其冗余的处理器模件，并在操作员站报警。当故障处理器修复并插入系统后，系统应自动进行状态拷贝并使其处于冗余运行方式。

（13）系统应能接受采用普通控制电缆（即不加屏蔽）的开关量输入和输出。DCS机柜内有足够多的屏蔽接线端子，以满足所有屏蔽信号在机柜侧接地的要求。

（14）分散处理单元之间用于跳闸、重要联锁及超驰控制的信号，I/O模件应采用双重化配置，系统信号应直接采用硬接线，而不可通过数据通信总线发送。

（8）系统的控制和保护功能不会因冗余切换而丢失或延迟。冗余处理器模件的切换时间和数据更新周期满足控制要求。

（15）所有输入/输出模件应能抗共模干扰电压250V，差模干扰电压60V。系统应有120dB的共模抑制比，60dB的差

模抑制比（50Hz）。

（9）冗余配置的处理器模件与系统均应有并行的接口，即均能接受系统对其进行的组态和在线组态修改。处于后备状态的处理器模件应能不断更新自身获得的信息，并与工作模件保持数据同步。

（16）现场站与DCS主站间应采用双向冗余的通信连接，通信电缆采用金属铠装光缆。

（17）系统每种的I/O点有15%的裕量，同时还留有15%空插槽。

（10）SCRCPU冗余处理器模件应可以实现在任何故障及随机错误产生的情况下连续不间断的控制。

（四）数据通信系统

（11）电源故障应属系统的可恢复性故障，一旦重新受电，处理器模件应能自动恢复正常工作而无需运行人员的任何干预。

（1）CPU、I/O和外围设备间的通信应保证具有高度的可靠性和高效性。通信协议包括CRC（循环冗余校验）奇偶误差检验、成帧调节误差和超限误差校验。

（12）处理器模件的电源故障不会造成已累积的脉冲输入读数丢失和控制指令的变化。

（2）数据通信系统上的任何设备发生故障，不应导致通信系统瘫痪或影响其他联网系统和设备的工作。通信高速公路的故障不应引起系统跳闸或使分散控制单元不能工作。

（13）冗余控制器之间的切换不应引起相关冗余数据通信

（3）所有通信网络应是冗余的，冗余的数据网络在任何时

候都应同时工作。

（4）对需散热的电源装置，应提供排气风扇和内部循环风扇，风扇电源要求独立供电。

（4）在最繁忙的情况下，数据通信系统的负载应满足令牌网不超过40%，以太网不超过20%，以便于系统的扩展。

（5）系统机柜内应装设温度检测开关，当温度过高时进行报警，显示在操作员站上。

（5）在机组稳定和扰动的工况下，数据通信速率应保证运行人员发出的任何指令均能在1s或更短的时间内被执行。

（6）装有风扇的机柜均应提供易于更换的空气过滤器。（7）机柜内的端子排应布置在易于安装接线的地方，即为

（6）当数据通信系统中出现某个差错时，系统具有容错和自愈功能，应连接诊断并及时报警。

离柜底300mm以上和距柜顶150mm以下。

（7）数据通信总线能防止外界损伤，施工阶段注意数据通信总线敷设，运行中必须具有消除数据传送过程中的误差和干扰方法。

（8）仪表回路弱电信号的端子排应物理上与控制/电源供电回路的端子排分开。

（五）电源与接地

（9）端子排、电缆夹头、电缆走线槽及接线槽均应由非燃烧型材料制造。所有外部接线端子至少满足2.5mm2线芯截面的接线要求，并应能同时接入2根1.5mm2线芯截面的导线。

（1）DCS控制机柜均引用两路电源，两路电源自动切换。各个机柜和站内也应配置相应的冗余电源切换装置和回路保护设备，并用这两路电源在机柜内馈电。

（10）应提供DCS系统内各设备间互连的预制电缆、控制电缆、通信电缆等，预制电缆的两端接头必须牢固可靠，两端标识明确，具有防止松动的措施。这些电缆应符合IEEC60332

（2）DCS柜内配置两套冗余直流电源，两套直流电源都具有足够的容量和适当的电压，能满足设备负载的要求。

（GB/T18389）标准。

（3）任一路电源故障都应报警，在一路电源故障时自动切换到另一路，以保证任何一路电源的故障均不会导致系统的任一部分失电和影响控制系统正常工作。

（4）电子装置机柜内的馈电应分散配置，以获取最高可靠性，对I/O模件、处理器模件、通信模件和变送器等都应提供冗余的电源。

（11）组件、处理器模件或I/O模件之间的连接应避免手工接线。所有I/O模件和现场信号的接线接口应为接线端子排，模件和端子排之间的连线应在制造厂内接好，并在端子排上注有明显标记。各类工作站和LCD的电源接线也应是接线端子形式。

（5）接受变送器输入信号的模拟量输入通道，都应能承受输入端子完全的短路，并不应影响其他输入通道；否则，应有单独的熔断器进行保护。

（12）机柜内应预留充足的空间，以满足方便地接线、汇线和布线的要求；机柜内应设接地铜排，所有信号的屏蔽层均在机柜侧接地。

（13）机柜的前后门应有永久牢固的标牌；机柜应有足够的强度，并能经受住搬运、安装产生的所有应力，保证不变形。

（6）每一路变送器的供电回路中应有单独的熔断器，熔断器开断时应报警。在机柜内，熔断器的更换应很方便，不需先拆下或拔出任何其他组件。

（八）系统扩展

整套系统在外部信息源接入后，还应确保其具有下列备用裕量，以供系统以后扩展需要：

（7）无论是4～20mA输出还是脉冲信号输出，都应有过负荷保护措施。

（1）最忙时，控制器负荷率不超过50%，操作员站服务

（8）每一数字量输入、输出通道板都应采取其他相应的保护措施。

器CPU负荷率不大于40%。

（2）内部存储器占用容量不大于50%，外部存储器占用容量不大于40%。

（9）DCS系统应在单点接地时可靠工作。各电子机柜中应设有独立的安全地、信号参考地、屏蔽地及相应接地铜排。

（3）40%电源裕量。

（六）环境及抗干扰

（4）继电器柜中备用继电器的数量不仅应与DO点备用量相匹配，且应留有一定的备用位置以便扩展。

（1）系统能在电子噪声、射频干扰及振动都很大的现场环境中连续运行，且不降低系统的性能。

四、DCS系统的软件要求

（2）系统设计采用各种抗噪声技术，包括光电隔离、高共模抑制比、合理的接地和屏蔽。

（1）DCS具备并安装组态所需的系统支持软件，并具备中文版说明书。

（3）在距电子设备1.2m以外发出的工作频率达450～

470MHz、900MHz、1800MHz，功率输出达5W的电磁干扰

（2）所有算法和系统整定参数应驻存在各处理器模件的非易失性存储器内，执行时不需重新装载。

和射频干扰，应不影响系统正常工作。

（4）系统能在环境温度0～50℃，相对湿度10%～95%

（3）提供高级编程语言以满足用户工程师开发应用软件的需要。同时提供易于掌握的专用的系统语言。

（不结露）的环境中连续运行。布置在工艺过程现场的I/O站和设备应能充分适应安装地点的温度（锅炉炉顶为-15～

（4）模拟量处理器模件所有指定任务的最大执行周期不应超过250ms，开关量处理器模件所有指定任务的最大执行周期

+70℃、其他地点为-15～+60℃）湿度（10%～95%）粉

不应超过100ms。

尘、振动、冲击等，现场的恶劣环境不影响系统的正常工作。

（5）对需快速处理的模拟和顺序控制回路，其处理能力应

（七）电子装置机柜和接线

分别为每125ms和50ms执行一次。

（1）电子装置机柜的外壳防护等级，室内应为IP54，室

外应为IP56。

（2）机柜门应有导电密封垫条，以提高抗射频干扰

（6）在程序编辑或修改完成后，应能通过数据高速公路将系统组态程序装入各相关处理器模件，而不影响系统的正常运行。

（RFI）能力。

（7）顺序控制的所有控制、监视、报警和故障判断等功能，均应由处理器模件提供。

（3）机柜的设计应满足电缆由柜底引入的要求，外部电缆接线均采用接线端子排方式，而非将电缆直接连接在模件端子上。

（8）顺序逻辑的编程应使程控的每一部分都能在LCD上显示，并且各个状态都能得到监视。

（9）查找故障的系统自诊断功能应能够诊断至模件的通道级故障。报警功能应使运行人员能方便地辨别和解决各种问题。

五、数据采集系统

DAS应连续采集和处理所有与烟气脱硝系统有关的信号及设备状态信号，以便及时向操作人员提供有关的运行信息，实现安全经济运行。DAS至少应有下列功能：

（1）显示。包括模拟图显示、操作显示、成组显示、棒状图显示、报警显示、趋势显示等。

（2）制表记录。包括定期记录、事故追忆记录、事件顺序

（（SOE）记录等。

（3）历史数据存储和检索。

（4）性能计算。

六、模拟量控制系统

模拟量控制系统为DCS控制系统的重要组成部分。烟气脱硝工程的模拟量控制系统主要是氨气喷射流量的控制。系统控制策略使用SAMA图表示，并提供详细的文字描述，以便正确理解这些控制逻辑。控制系统能满足单元机组SCR安全

启动、停机的要求，在锅炉35%BMCR～100%BMCR工况

下，烟气温度范围在设计条件下，保证被控参数不超出允许值，以达到最佳脱硝效果。具体要求如下：

（1）控制系统应满足SCR系统安全启、停及在各种工况下运行的要求。

（2）烟气分析测量具有时间滞后性，因此控制策略必须包含直接并快速响应代表负荷或能量指令的前馈信号，必须具有通过闭环反馈控制和其他先进控制策略，对被控信号进行静态精确度和动态补偿的调整。

（3）控制系统应具有必要的手段，自动补偿及修正SCR系统自身的瞬态响应及对其他扰动必要的调整。在自动控制范围内，控制系统应能处于自动方式而无需任何人工干预。

（4）控制系统应考虑联锁保护功能，以防止控制系统错误及危险的动作，联锁保护满足工艺及设备安全要求，并在启动前提供联锁保护试验手段。在系统某一部分条件不满足时，联锁逻辑可设置解除“自动”方式。在系统故障时，可转换联锁部分控制方式。

（5）控制系统任何部分运行方式的切换，无论是人为的还是由联锁系统自动的，均应平滑进行，不应引起过程变量的扰动，并且无需运行人员干预。

（6）MCS处于强制闭锁、限制或其他超驰作用时，受其影响的部分应随之跟踪，并不再继续其调节作用。在超驰作用消失后，系统所有部分应平衡到当前的过程状态，并立即恢复其正常的控制作用，这一过程不应有任何延滞，并且被控装置不应有任何不正确的或不合逻辑的动作。应提供报警信息，指出引起各类超驰作用的原因。

（7）关系到闭环控制调节品质的重要过程参数，采用三重冗余测量配置。通过DCS不同的I/O卡件采集，并在DCS中做三取二或三取中逻辑作为被控变量。操作人员也可在工程师站上将该逻辑切换至手动，任选三个中其中一个信号作为自动控制使用。

（8）对于仅次于关键参数的重要参数，将采用双重冗余测量方式。

（9）使用非冗余测量信号时，如信号品质为坏点、信号丧失、信号超出工艺过程实际可能范围，均应有报警，同时系统受影响部分切换至手动。

（10）控制系统的输出信号应为脉冲量或4～20mA连续信号，并应设置上下限，以保证控制系统故障时SCR控制设备

的安全。

（11）控制系统在设定值与被控变量之间的偏差超过一定预定范围时，将控制切换至手动并报警。

（12）系统手动/自动切换都是无扰切换。

七、顺序控制系统

顺序控制系统完成脱硝系统启停、SCR反应器启停、吹灰系统及除灰系统等的启停顺序控制。顺序控制系统按照工艺要求实行分级控制，分为驱动级控制、子组级控制和功能组级控制。在需要的地方，锅炉控制系统中已有的自动控制和联锁也需要匹配和扩展，这样可达到锅炉与烟气脱硝系统间的协调控制和运行。

（1）驱动级控制。驱动级控制作为自动控制的最低程度，SCR装置的驱动级包括所有电动机、执行器和电磁阀等设备。驱动级的控制设计应满足以下方面：

1）确保保护信号高于手动命令（就地和远端）和自动命令的优先权。

2）为了防止命令同时或重复出现，应能进行命令锁定以防止误操作。

3）如果发生保护跳闸，在故障排除前不会合闸（电动机保护、泵的空转保护等）。

4）应提供给每个驱动控制模件较强的内/外诊断功能，如驱动机构跳闸（开关设备故障）电源故障、模件的硬件/软件干扰和诊断。

（2）子组级控制。就是一个辅机为主及其相应辅助设备的顺序控制，按工艺系统运行要求，顺序控制设备的自动启停。子组级控制应考虑启动的条件，每一步程序需完成的动作并按时间进行监测。控制系统应在某一步发生故障时自动停止程序的运行，并将其故障的影响仅限制在该步程序之内，当故障消除后才能继续进行。SCR脱硝系统子组控制项目包括稀释风机子组项、稀释风机风阀子组项和吹灰器子组项。

（3）功能级控制。就是整个烟气脱硝系统启/停的自动控制并对子组发出控制命令。功能级控制系统设计应符合工艺操作流程及整套烟气脱硝系统启动/停止要求，经过操作员少量的干预和确认某些信息，完成整套烟气脱硝系统启动/停止。控制系统应在某一步发生故障时自动停止程序的运行，并将其故障的影响限制在该步程序之内，当故障消除后才能继续进行。SCR系统功能组控制项目包括单元机组脱硝总系统启动/停止主功能组项、单元机组SCR脱硝系统启动/停止主功能组项、脱硝剂制备区系统启动/停止主功能组项和电气系统功能组项等。

（4）联锁、保护与报警。根据脱硝工艺流程的运行条件设置必要的联锁，有效的联锁能使设备在事故工况下自动切除。另外，事故工况能立即通过报警系统提示给运行人员。对于需要重点保护、联锁的信号采用硬接线方式而不是通过数据通信总线方式，所有不同系统之间的硬接线信号输入/输出点必须具有电气隔离功能。厂用电系统的保护与联锁设计应符合电气专业的运行要求。装置中大型重要设备应设计有可靠的联锁保护系统，并记录故障时的输出条件，对重要的信号应冗余设置。运行超过限制值与设备运行状态的改变，均应在DSC中报警并记录。SCR系统的主要保护有SCR烟气温度保护、氨气/空气混合气防爆保护、稀释风机保护和吹灰器保护。

第十二节 就地仪表设计选型

工艺系统上用于测量和控制的就地检测仪表、远传仪表、

执行机构、控制盘柜等均属于就地仪表范畴。

一、设计原则

（1）在工艺系统需巡检人员监视的地方，设就地指示仪表，并配防振动措施。

（2）仪表和控制设备的设置和数量满足采用DCS对于整个烟气脱硝系统进行远方监视、运行调整、事故处理和经济核算的要求。

（3）就地控制箱及就地仪表接线箱采用户外安装时，其防护等级至少为IP65，建议采用不锈钢材料。

（4）室外仪表及其取样均应根据当地气象条件考虑防冻，按需要配备仪表保温箱，仪表管按照要求配备伴热电缆。

（5）就地设备、装置与DCS的硬接线接口信号为两线制传输，信号型式模拟量为DC4～20mA或热电偶（阻），热电偶根据测量参数温度范围及工作条件采用K型等分度，热电阻采用三线制，开关量信号为无源接点，信号接地统一在

DCS机柜侧。

（6）对于关系到安全或调节品质的重要过程参数，应提供三重测量配置，通过DCS不同的I/O模件采集，并在DCS中做三取二或三取中逻辑。

等含有电子部件的就地设备，其防护等级至少为IP67。

二、选型原则

（1）仪控设备选型应与整个电厂的自动化水平相适应，并尽量与机组的控制设备相一致。

（2）选用的仪表和控制设备应为当今先进、成熟技术，并具有高可靠性、可维护性和易扩展性。

（3）选用的仪表和控制设备应为生产厂商的主流设备，并尽量选择代表当前控制水平的先进设备。

（4）CEMS采用先进成熟和有良好业绩的产品，目前抽取法为主流，应用较多。CEMS应预留与政府环保监测机构及电厂远动系统RTU机柜的通信接口。

（5）氨气流量测量建议采用质量流量计。

（6）压力和差压变送器选用具有国际影响力品牌的智能变

送器，带HART协议。

（7）液位计大多用在氨区，需选择耐氨腐蚀的知名品牌产品，就地建议采用磁翻板液位计，远传建议采用带远传的磁翻板液位计或雷达液位机。

（7）所有电动调节阀均具有4～20mA的位置反馈信号，用于二位控制（ONOFF）的阀门开关方向应各装设四开四闭位置限位开关和足够的力矩开关。电动调节阀及开关型电动阀执行机构采用智能一体化产品。

（8）电动执行机构选择带有限位开关和力矩开关的智能一体化产品；气动执行机构选择配气动三联件，具有有限位功能，采用智能定位器。建议采用三合一功能（电气转换功能、定位器功能、位置反馈功能）的一体化产品，并根据工艺要求配电磁阀和手轮。

（9）料位开关选择要注意环境要求，特别注意高温、粉尘、振动环境。

（8）所有测量点至一次隔离阀门采用的所有材料应符合在安全运行条件下测量介质的要求。与仪表及变送器连接的仪表管材质及壁厚应与工质相适应，不得出现腐蚀或污染的现象。

（10）逻辑开关选用国际知名的优质产品。

表23121、表23122列出了目前国内外使用比较普遍的CEMS、NH3逃逸测量和质量流量计设备，多为国外品牌；但随着环保项目的实施，一些国内品牌的CEMS产品发展也很快，并逐渐得到业主和环保部门的认可。

（9）所有就地热控设备应提供永久性金属标牌，形式与电厂现有设备标牌一致。

（10）所有就地仪表和执行机构的电子部分、就地盘箱柜

表23121

CEMS及NH3逃逸测量设备

德国霍亨

H MD200

超高频常温超导谐振法

H-MD300

超高频常温超导谐振法

表23122

质量流量计设备

三、烟气分析仪表

CEMS是指对大气污染源排放的气态污染物和颗粒物进行浓度和排放总量连续监测，并将信息实时传输到主管部门的装置，称为烟气在线监测系统。一般采用激光透射法测量烟尘浓度，通过热管完全抽取采样，采用非分散红外吸收法测量烟气

中污染物的浓度，包括SO2、NOx、CO、CO2等多种烟气成

分。CEMS的技术要求如下：

（1）烟气脱硝项目备配套的CEMS分析仪表系统整体成套设计，所选购的CEMS分析仪表系统必须通过国家环保部门认证及取得质量技术监督部门计量器具型式批准证书

（CMC标志）。

（2）在每台机组SCR反应器（A、B两侧）进口应各设置一套独立的烟气取样与分析系统，测量NOx与O2含量（每套可配置2～3台取样系统）。在每台机组SCR反应器（A、B两侧）出口也应各设置一套独立的烟气取样与分析系统，分别测量NOx与O2含量（每套可配置2～3台取样系统）。在每台机组SCR反应器（A、B两侧）出口还需各设置一套NH3分析系统。分析仪表测量信号全部通过硬接线方式进入脱硝在线监测系统进行监视、计算及控制。另外，还可以根据工程要求，在每台反应器入口增加一套CO测量与分析系统。

（3）CEMS对SCR装置的烟气进行连续在线监测，系统测得的数据应全部进入DCS中进行监视、计算及控制。进入DCS的模拟量信号为DC4～20mA，仪表及相应的状态信号进入DCS，每台仪表至少包括仪表故障信号、维护/标定、反吹信号等设备状态信号，并在系统进行标定和反吹时能实现将送至DCS的4～20mA浓度信号保持在标定或反吹前的状态，反吹和标定结束后解除信号保持。CEMS电源要求有防浪涌装置，双电源自动切换供电，最好配置不间断电源，能保证电源失电2h内不间断供电。CEMS分析室应设有空调并考虑避雷方式，信号要通过隔离器输出。分析仪具有至少2套的标准信号输出、1套信号进入DCS中进行监控并计算排放量，另1套预留，并预留与政府环保监测机构和电厂远动系统RTU机柜的通信接口。

烟气分析系统应符合GB/T16157—1996《固定污染源排

气中颗粒物测定与气态污染物的采样方法》、HJ/T75-2007《固定污染源烟气排放连续监测技术规范（试行）》、HJ/T 76—2007《固定污染源烟气排放连续监测技术要求及检测方法（试行）》等技术规范，满足政府部门有关环保要求。烟气分析仪表所测的参数应能满足各种运行工况下SCR系统控制的要求，其中，NOx、O2分析仪表测量精度不低于±1%满刻度，跨度漂移不高于2%FS/年。

CEMS应能满足如下基本功能：

（1）固定量程和量程自动切换两种。（2）使用空气自动标定。

（3）在特定条件下（如锅炉启、停、投油阶段，机组RB工况期间等），CEMS系统处于待机状态，且保持取样系统处于吹扫状态。

（4）具有完善的报警、故障维护等功能，并且输出可设定和编程。

（5）定时自动校准（包括零度和满度校准）。

（6）CEMS系统能满足至少90d运行不需要非日常维修的要求。

（7）分析仪器具有自诊断功能。这些诊断功能至少包括了分析仪本身、检测源和探头的失效、超出量程情况和没有足够的采样流量的能力，以及主要部件故障等诊断。

四、NH3逃逸分析仪

氨逃逸目前大多采用激光光谱分析法测量，用于现场的一次激光测量探头按一个反应器一套配置，不建议采用一拖二方式；二次显示和信号传输的二次单元，根据仪表自身功能配置。二次仪表能分别输出每个测量探头的4～20mA信号

到DCS。

还有一种氨逃逸测量方法称为差减法。该方法是将烟气样品先经过一个不锈钢转化炉，NO2和 NH3都被转化为 NO，

此时测量的是Nt（NO+NO2+NH3）。软件计算NOx减去NO和Nt减去NOx，分别以4～20mA信号输出NO2与NH3的浓

度值到DCS。

五、执行机构

（1）用于氨区范围内的执行器均采用防爆执行机构。

（2）所有电动执行机构应采用与电厂控制水平相适应的，并尽量与现有品牌相一致的智能一体化产品。

（3）气动执行器、电动执行器（包括配套电动机）和接线盒，应满足等级至少为IEC标准IP68。

（4）所有电动执行机构装置内装设有接触器、热继电器、三相电动机等配电设备，并采用AC380V动力电源和开/关信

号就可驱动阀门。所有阀门均提供装置的接线图和特性曲线。

（5）执行器能通过手轮对执行机构实行就地手动操作。在执行机构上安装就地位置指示仪。

（6）热态运行时，所有电动执行机构的力矩、全行程时间、精度、回差等性能指标应能满足工艺系统的要求和有关的规范要求。

2.闭环控制回路中的执行机构

（1）要求闭环控制回路中的执行机构为连续型，接受DC

4～20mA的控制信号，且采用AC380V、50Hz的工作电源。

（2）所有闭环控制回路的执行器装有带DC4～20mA输出信号的电子位置传感器和0～100%标度的就地位置指示器。

（3）闭环控制执行机构的电动机额定持续工作负荷，至少比驱动阀门所要求的功率最大值高20%。

3.开环控制回路的执行机构

（1）开环控制回路中的电动执行机构使用间歇负荷电动机，电动机完全密闭，采用AC380V工作电源。执行机构的齿轮和驱动设备的设计安全系数为1.5，执行机构的全行程时

间宜小于50s。

（2）对全开和全闭之间要求保持中间位置的执行机构装有一个位置指示变送器，把0～100%的信号转换成DC4～20mA信号送到DCS中。

（3）为满足显示与控制要求，应使用行程和力矩开关，每个执行机构装有4个位置开关和2个转矩开关。全开与全关终端位置信号应进DCS。

（4）当电源失去时，电动执行器应处于保护设备不受到损坏的位置，具备有人工操作的手段。

六、电源柜、控制盘柜及电缆

脱硝系统的仪控电源配置方式也是脱硝控制中一个重要环节，配电原则应与整个电厂控制系统相一致，并满足脱硝控制系统、就地仪表系统、电磁阀和电动执行机构等配电要求，关键位置采用双电源供电并设置电源自动切换装置。所供配电系统的接线方式（如TNC、TNS、TT等）与全厂供电接线方式相符合。

烟气脱硝系统的DCS和仪表用电源柜，应接受UPS和保安段电源，并在柜内实现自动切换功能，仪表用电源柜向就地仪表、重要的控制设备、专用装置提供可靠的电源。电源分路用空气开关选用具有国际知名度的可靠产品。

机柜建议提供电源接地报警装置。为防止现场干扰问题，电源系统要注意接地及电缆屏蔽等，外接接地和短路时，各设备对应的空气开关跳闸保护。接地铜排（镀锡）单独接地，机柜外壳不接地，接地铜排（镀锡）上接电缆屏蔽线。

配电箱应根据现场实际需要来考虑配电，电源盘及配电箱内主要电气元件应确保采用优质产品。

2.控制盘、台、柜

脱硝就地电子间CEMS数据采集站、还原剂区的操作员站等均可采用操作员台方式，一般新增的控制盘、台、柜应与现有设备型号相匹配。

对仪表盘和电磁阀箱内部或上面的设备应提供必要的环境保护。即能防尘、防滴水、防腐、防潮、防结露、防昆虫及啮齿动物，能耐指定的最高、最低温度以及支承结构的振动，符合IP54标准（对于室内安装）和IP65（对于室外安装）或相应的标准。

盘、台、柜的设计、材料选择和工艺使其内、外表面光滑整洁，没有焊接、铆钉或外侧出现的螺栓头，整个外表面端正

光滑。所有金属结构件牢固地接到结构内指定的接地母线上。

盘、台、柜设有滤网通风装置，以保证运行时内部温度不超过设备允许温度的极限值。如盘、柜内仅靠自然通风而引起封闭件超温或误动作，则应提供强迫通风或冷却装置。墙挂式控制箱高度不超过1200mm。

对于控制盘和控制柜，内部提供有AC220V照明灯和标准插座。在门内侧有电源开关，可使所有铭牌容易看清楚。

3.电缆

电缆，包括控制电缆、热电偶补偿电缆、电力电缆、通信电缆及专用电缆等，所有电缆应为阻燃电缆，具有较好的电气性能、机械物理性能及不延燃性。计算机及控制电缆单根总芯数不超过14芯，并按要求留有备用芯。模拟量信号电缆要求分对屏蔽加总屏蔽，质量执行国家相关标准。

七、温度测量仪表

（1）热电偶选用不锈钢保护套管，采用双支K分度热电偶。对于烟气测量，测温保护套管为防腐、防磨型，精度为Ⅰ

级（±0.4%）。

（2）热电阻选用双支铂热电阻（分度号Pt100）及不锈钢保护套管。

（3）用于就地显示的带刻度的双金属温度计，精度不低于±1.5%，表盘尺寸为φ100或φ150，双金属温度计采用万向型、抽芯式。

（4）所有热电阻及热电偶其引出线应有防水式接线盒，并根据管路来选择螺纹连接型或焊接型，为维护及拆装方便，尽可能采用卡套式连接。

（5）测温元件安装的插入深度应符合相应的标准和规范。（6）应预留足够的试验测点并对测点套管用法兰进行

封堵。

八、压力/差压测量

（1）DCS系统监视与控制用回路的压力和差压测量，应选用压力/差压变送器测量。压力/差压测点位置应根据相应管路或容器的规范要求确定，按照介质及管路要求安装一次仪表阀、二次仪表阀及排污阀等。

（2）应为所有烟气压力变送器和压力计提供纯净的吹扫空气，风烟压力、差压取样配置风压测量防堵取样装置。

（3）就地安装的压力计提供仪表阀门，阀门为焊接式或外螺纹连接，阀体采用不锈钢。

（4）压力/差压变送器采用智能防爆式变送器，变送器是二线制的，输出4～20mA信号，带HART协议，选型考虑与电厂现有变送器尽量一致。

（5）变送器防护等级不低于IP67，差压型变送器应有过压保护，以防止一侧的压力故障对其产生的损害。

（6）所有变送器能对应零到满量程的测量范围，并有过流保护措施。变送器在满量程时误差应小于或等于±0.075%，线性误差应小于或等于0.1%。所有就地安装的变送器（压力、液位或类似）有就地液晶指示（0～100%）。

（7）压缩空气的就地显示压力表选用Y—150型，其他介质的就地显示压力表选用耐腐防堵的YTP—150型，精度为

1.5级。

（8）就地压力表设置在容易观察的位置或成组安装在就地

表盘上。刻度盘直径为150mm，接头为 M20×1.5mm，精度

至少为满量程的±1.5%。

九、流量测量

（1）烟气脱硝系统的氨气流量测量装置必须考虑耐磨、抗腐蚀的要求。

（2）不论何种测量装置，测量装置前后的直管段长度应符合规定。介质流向用箭头准确标志在测量装置上。

（3）用于远传的流量测量传感器带有DC4～20mA两线制信号输出，必要时各种流量计有就地指示。

（4）要求炉前喷氨流量应进行密度、压力、温度修正，以在机组DCS画面上显示质量流量。

十、料位、液位测量

（1）用于集中控制、监视水位、液位、料位信号。料位测量取样位置和测量装置具有代表性，满足运行监视和调节、保护的要求，并不受容器内液体波动、料仓内灰尘等的影响。

（2）就地液位测量不应采用玻璃管液位计，而采用磁翻板液位计。液氨储罐、液氨蒸发器、稀释槽、废水池等均设液位计。

（3）箱体液位测量采用合适测量方式，以保证其测量的可靠性与精确性，指示范围为整个箱体。

（4）对于腐蚀性介质，必须考虑到可靠性和抗腐蚀性的要求。

十一、氨区工业电视系统

脱硝SCR区可根据需要增加工业电视监控系统监视探头，并纳入全厂工业电视监控网。氨区应该设计一套完整工业电视监控系统，并采用先进成熟的产品和技术，工业电视系统应具有极高的安全性、可操作性、可维修性、防尘防水性、防震性、全天候性和防雷击保护。现场的设备免维护，可直接用水冲洗。在防爆区域内的设备还应具有防爆性能。视频信号传送距离较远时应考虑采用光缆传输。

第十三节 电气系统设计

一、设计的主要内容及依据

燃煤电站SCR脱硝系统的电气系统的工作主要包括SCR供配电系统、电气控制与保护、电缆和电缆构筑物、电气设备布置、滑触线布置设计与安装等。脱硝工程采用的电压等级一

般是6kV，交流380/220V三相四线制；直流110V（控制）；

其主要依据有：

DL5000—2000《火力发电厂设计技术规程》

GB/T14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》DL/T5153—2002《火力发电厂厂用电设计技术规定》

DL/T5136—2012《火力发电厂、变电所二次接线设计技

术规程》

DL/T5390—2007《火力发电厂和变电站照明设计技术规定》

DL/T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》

DL/T5137—2001《电测量及电能计量装置设计技术规程》

GB50217—2007《电力工程电缆设计规范》

DL/T5041—2012《火力发电厂厂内通信设计技术规定》

GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》

DL/T5044—2004《火力发电厂、变电所直流系统设计技

术规定》

GB50054—2011《低压配电设计规范》

GB50229—2006《火力发电厂、变电所防火设计规程》

二、SCR脱硝380／220V供电系统

SCR脱硝工程通常设置就地MCC（电动机控制中心）柜，分别是：每台锅炉的SCR区域脱硝 MCC段、液氨区域 MCC

段（以液氨为还原剂）或尿素溶解车间 MCC段（以尿素为还

原剂）。

脱硝SCR区380V电源分别由各机组锅炉PC段（A、B）

提供一路三相交流380V电源，两路电源在 MCC进线处切换。分界点为各机组锅炉PC段脱硝SCR区电源馈线端子处。

对于以尿素为还原剂并采用电加热器的SCR系统，每台炉需要设一台热解炉电加热器，变压器电源取自主厂房6kV段的相应间隔回路，分界点可在主厂房6kV开关柜回路的电源接线端子处。

还原剂制备区380/220V系统设置就地 MCC，MCC采用

单母线接线方式。还原剂制备区380/220V系统由业主方分别提供两回容量相同的380/220V电源，其中一回工作，另一回备用，两路电源在 MCC进线处切换。还原剂制备区 MCC布置在制备区的配电室内。

三、检修照明系统

脱硝区域照明系统分为正常照明系统和交流事故照明系统。其中，SCR反应区正常工作照明电源由SCR反应区就地MCC提供，液氨区域（尿素区）正常照明电源取自液氨区域（尿素区）MCC；脱硝系统交流事故照明电源由主厂房事故保安段提供。

SCR反应区检修电源由SCR区就地 MCC提供，其中，SCR反应区按每台炉分别设两个检修电源箱。液氨区域（尿素区）检修电源取自相应的MCC。

脱硝SCR反应区系统和液氨区域（尿素区）交流保安电源由机组事故保安段供电。

脱硝系统一般不新设置UPS系统，每台炉脱硝SCR区需主厂提供一路UPS电源，液氨区域（尿素区）也需主厂提供

一路UPS电源。

四、控制与保护

在SCR区域内可以不设置独立电子设备间，I/O机柜和热控电源柜放置在主体电子设备间内。脱硝SCR区就地 MCC也可以布置在脱硝反应器钢结构平台上，一般根据业主的要求确定；在液氨区域（尿素区）设置一个独立的电子设备间，其内放置一个DCS远程I/O机柜、一台电气MCC柜，并预留一台机柜的位置。

脱硝系统的电气设备纳入SCR区的DCS系统I/O机柜，不设常规控制屏。所有低压空气断路器的控制电压采用110V DC，其余控制电压采用220VAC。电气量送入DCS系统的远程I/O站实现数据自动采集、定期打印制表、实时调阅、显示电气主接线、事故自动记录及故障追忆等功能。

脱硝系统所有开关状态信号、电气事故信号及预告信号均送入I/O机柜。模拟量采用4～20mA变送器（变送器装于相关开关柜）输出送入I/O机柜。测量点按DL/T5137配置，基本配置为：45kW以上低压电动机单相电流，380V低压PC所有开关的合闸、跳闸状态，允许远方控制、装置故障信号；所有电动机的合闸、跳闸状态，允许远方控制、装置故障信号。

380V厂用系统及电动机由空气开关脱扣器及电动机保护控制器实现保护。继电保护配置按DL/T5153配置。电动机保护控制器基本配置为：电流速断保护、过电流、过负荷、接地保护、过负荷、低电压、断相、堵转。

五、防雷接地系统

所有电气设备外壳、开关装置和开关柜接地母线、金属架构、电缆桥架、金属箱罐和其他可能事故带电的金属物都要进行接地设计；防雷保护的引下线设置专门的集中接地装置。接

地系统由水平接地体和垂直接地极组成，以水平接地体为主。接地电阻应满足设备及人员安全；SCR区利用主接地网做设备接地，不设置单独的接地网。当接地的设备较集中时，应设置接地干线，接地干线应从不同的两点接入主接地网，单个设备直接接入主接地网。

防雷保护系统的布置、尺寸和结构要求符合相关的国标、行标及IEC标准。对于SCR区的钢结构构筑物，拟采用加强接地分流的措施与主厂接地网相连；对于以尿素为还原剂的工程，在尿素区不设置直击雷保护措施，利用新建尿素区建筑物本体布置避雷带，引下线在距地面2m及以内有高牢固的PVC保护管。

液氨制氨气系统需要采用独立的避雷针保护，独立避雷针与建筑物的间距应符合有关标准，独立避雷针设独立接地体，独立接地体的接地电阻不大于10Ω。氨区设置闭合接地网，接地网采用60×5的热浸镀锌扁钢，接地网的接地电阻不大于4Ω，氨区接地网与主接地网应有四处连接。氨罐顶部钢构件应多点接地以防静电。其他应接地的设备采用40×5的热浸镀锌扁钢接入氨区闭合接地。

对于液氨制备区域的电气设备应采取必要的防爆措施，选用防爆型产品。

六、通信系统

脱硝系统内设置生产行政通信及调度通信系统，其交换机利用电厂程控交换机，在尿素区内设通信分线盒。

第十四节 附属系统设计

脱硝附属系统包括采暖、通风、除尘、空调、给排水、结构、平台扶梯、保温、油漆和防腐等内容。

一、采暖、通风、除尘及空调

根据国家、地方有关规定对氨区及SCR反应器本体区域范围内的采暖、通风、除尘及空调系统进行完整设计和安装，其主要依据是：

GB50019—2003《采暖通风与空气调节设计规范》DL5000—2000《火力发电厂设计技术规程》

DL/T5035—2004《火力发电厂采暖通风与空气调节设计技术规程》

GB50229—2006《火力发电厂与变电所设计防火规范》

DL5053—2012《火力发电厂职业安全设计规程》

根据电站所处的地理位置不同，其主要内容可能有：

（1）采暖系统。对于北方地区的电站，根据需要可以考虑设置热水或蒸汽采暖，其供热热源应与主厂一致。对于液氨还原剂系统，在寒冷地区淋浴与洗眼池室内也应设有采暖设备。

（2）通风与除尘。SCR系统通风与除尘的作用主要是保持SCR系统建构筑物内的温度与空气质量，以保证设备可靠地运行，涉及的设备主要有封闭的SCR区域、单独设置的电子设备间、CEMS间、还原剂制备区的电子设备间等。

（3）空调系统。根据工艺专业的要求，对于单独设置的SCR电子设备间、氨区电控设备间、CEMS间内设置空调，保证在冬季、夏季各种条件下维持室内气象参数及噪声控制等要求。

通风、空调系统与消防系统联锁，一旦发生火灾，整个通风、空调系统停运，此时，消防系统火灾被扑灭后，开启通风机进行排烟。当烟气消除后，室内空气质量满足要求时，通风、空调系统可投入运行。

二、给排水系统

（一）基本原则

烟气脱硝系统的给水和排水系统主要集中在液氨（尿素）储存与供应区域，工程设计中应根据现场的实际条件，在区域设计时应有完善的给水和排水系统，并与相应的厂内给排水系统联网。给水和排水系统的设计满足相关的标准、规程和规范。

SCR工程生活水管道接自液氨（尿素）储存制备区域外主厂生活给水管网，就近连接，在接口处适当位置设置阀门井。水消防系统管道接自液氨（尿素）储存制备区域外主厂的消防给水系统管网，在接口处适当位置设置阀门井。生活水接

口管径可为DN25，生活水接入水压不小于0.30MPa；SCR工

程生活污水排水接口点为液氨（尿素）储存制备区域外主厂的生活排水点，就近连接，并在适当的位置设计污水检查井；SCR工程消防水接口为两个管径为DN100的接口，消防水接入尿素溶液制备车间时水压不小于0.5MPa。

埋地钢管（包括热镀锌钢管）在外壁实施防腐。防腐涂料采用环氧煤沥青，防腐级别为加强级防腐，管道加强防腐层结构为：底漆→面漆→玻璃布→面漆→面漆。干膜厚度不小

于0.4mm。

（二）以液氨为还原剂的系统

1.氨区给水

氨区给水主要用于洗手池、洗眼器、喷淋降温、氨稀释、液氨蒸发、消防等。

（1）洗手池、洗眼器主要用于氨泄漏时的应急水冲洗，接自全厂生活用水。

（2）液氨储罐降温喷淋和液氨稀释用水均取自工业用水管路。

（3）消防水取自全厂消防水主干线。2.氨区排水

（1）雨水排水接入就近的厂区雨水排水管道。

（2）氨排放管路为封闭系统，经由氨气稀释槽吸收成氨废水后排放至废水池。

（3）洗手池和洗眼器废水、喷淋房排水及消防水等均排入氨区的地下废水池。

（三）以尿素为还原剂的系统

以尿素为还原剂的系统主要用水量为淋浴器用水、冲洗地面用水及部分未预见水量等；主要生活污水为尿素溶液制备车间淋浴间排水及地面冲洗水。生活污水排入主厂生活污水排水管网，由主厂统一处理后回用或外排。

尿素溶液制备车间的消防管网就近接自主厂的消防给水系统，并形成环状供水管网。尿素溶液制备车间采用的主要灭火手段是以水为主要灭火剂的室内消火栓，消火栓应布置在尿素溶液制备车间门口等容易取用的地方。

三、SCR系统钢结构、平台及扶梯

对于高尘段布置的SCR系统装置，其钢结构一般都布置在锅炉构架范围内，因此，SCR主支撑钢结构与锅炉钢架一般统一考虑进行结构计算，这样有利于保证支撑系统的结构稳定性，也有利于节约投资。但也有业主要求SCR钢结构自成体系，尤其对于改造项目。

图23141所示的SCR工程中，SCR钢结构通过标高

为27.65m、35.8m、43.8m层的钢结构与锅炉钢结构形成整体

结构，SCR的一部分荷载传递到锅炉钢结构上，对两结构要进行整体刚度、强度和稳定性计算。

图23141SCR钢结构与锅炉结构整体设置工程

图23142所示的SCR工程中，SCR钢结构与锅炉的钢结构分体设置。为了保证独立SCR支撑结构的稳定性，该工程设置了三排钢支撑结构。在工艺上，SCR的烟气系统通过进出口的膨胀节与锅炉系统分开，从而使支撑结构也能与锅

炉钢结构脱开。

无论是上述哪种钢结构支撑方案，SCR区域平台的规划要保证脱硝装置的日常检修，维护人员可通过锅炉房电梯到达与脱硝装置相对应的锅炉平台楼梯。

图23142SCR钢结构与锅炉钢结构分体设置工程

2.平台扶梯设置

23143为两个工程AIG平台扶梯设置实例。同时也应考虑SCR反应器进、出口检测平台、仪表维护平台、性能试验的测点平台、吹灰装置及SCR入口烟道下灰斗（如有）的运行操作平台。

在SCR系统中，氨喷射系统（AIG）的检修和维护平台的设置应能使检修和维护工作顺利进行。平台支撑在锅炉本体钢架上或SCR钢结构上，需要根据工程的AIG位置确定，图

图23143 AIG平台扶梯设置工程实例

用于放置重物的平台和主要平台按实际荷载及活荷载

4kN/m2设计，其他次要平台按活荷载2kN/m2设计。SCR区

度按规范设计。SCR系统中，应尽量避免设置直爬梯；爬梯高度大于3600mm或爬梯安装在较高的地方（垂直高度大于

域的平台应采用刚性良好的防滑格栅板平台，平台及步道之间

2500mm）时，必须配备保护圈。

的净高尺寸应不小于2.5m，平台扶梯按照GB4053.3—1993

3.氨区的平台扶梯设置

《固定式工业防护栏杆安全技术条件》设计制造。

为了整齐美观和经济实用，SCR系统的主要扶梯应优先采用炉前两侧集中布置，方向一致，倾角不大于45°，扶梯宽度尽量不小于1000mm，踏步采用防滑格栅板。

所有平台和扶梯应按国家标准在每边都安装栏杆，栏杆高

SCR系统氨区的平台扶梯设置根据工程布置的不同，所需设置的平台扶梯也会有所不同，但典型的平台扶梯如图2 3144所示。主要有氨罐顶部的检修维护平台、液氨蒸发罐的检修平台、液氨罐围堰的维护步道、氨区废水池维护爬梯等。

图23144 典型氨区平台扶梯设置案例

四、保温、油漆和防腐

烟气脱硝系统范围内所有设备及管道应根据有关的规程、

规范的要求进行必需的保温、防腐及油漆工作。其中保温、油漆等应符合最新版DL/T5072《火力发电厂保温油漆设计技术

规范》的规定。

类似A型的结构，以保证支撑结构的稳定性。

（一）SCR反应器系统的保温油漆

由于SCR反应器的工作温度通常在300～400℃，因此需要对SCR系统进行保温。采用保温是为了降低散热损失，限制设备与管道的表面温度。保温厚度应根据经济性计算确定。当环境温度（指距保温结构外表面1m处测得的空气温度）不高于27℃时，设备及管道保温结构外表面温度不超过50℃；当环境温度高于27℃时，设备及管道保温结构外表面温度可比环境温度高25℃。

SCR系统的保温主要是烟道和反应器保温，烟道采用预制保温板保温，保温层将采用相邻保温板水平和垂直搭接的方式，搭接必须紧密，不需要单独的填充带，保温层外部应完全覆盖外包装板。提供保温层和外包装板的支撑，支撑可与电镀铁丝网焊接在一起。对维护时需要拆卸的设备，要求其保温也能拆卸，并便于重复利用。烟道、SCR反应器的外护板一般采用1.0mm厚的铝合金梯形波纹金属板作为外护板，图23 145为反应器人孔及声波吹灰器保温示意。

图23146 催化剂支撑结构两种保温方式

1—反应器外壁；2、4、6—催化剂支架；3、5—立柱；

7—反应器支座；8—保温层

脱硝系统的色彩与主体工程一致，为了保证系统的清洁，系统管道交付安装前要进行必要的喷砂、防腐、封口，并保证能在室外储存6个月以上。所有加工件（除不锈钢外）都对其表面进行除锈处理。表面除锈处理要求采用溶液清洗或喷砂处理。

（二）热解炉及水解反应器系统的保温

通常将颗粒尿素配制成40%～60%的尿素溶液，并保存在储罐中。为了避免出现环境温度过低时，热解的尿素在储罐或输送管道中结晶沉淀，堵塞管道，罐体需要加热和保温，罐体保温采用硅酸铝板外包彩钢板。

根据需要设置尿素溶液管道的伴热管道系统，尿素溶液管道由尿素溶解罐及存储罐的加热蒸汽疏水进行伴热。蒸汽管道将从主厂房辅汽联箱或厂区辅助蒸汽母管上引接。

由于水解反应器及热解炉都是在高温环境下进行反应的容器，为了保证反应温度，避免热损失，对反应器都需要进行保温设计，尤其需要注意的是热解炉的保温方案设计和施工，图23147为实际工程的反应器保温实例。

对于水解制氨系统，为保证气氨混合物不结露且不发生逆反应，稀释后的气氨混合物需要维持在175℃以上，输送管道需伴热保温；对于尿素热解炉后的气氨输送管道合理保温，一般需要保证氨喷射系统前的温度不低于300℃。

脱硝系统就地布置的仪表控制设备和控制系统应考虑防冻措施，对必要的设备设有防冻设施（提供保温箱、伴热电缆

等）。

图23145SCR烟气系统附件保温实例

（a）烟道人孔；（b）反应器声波吹灰器

除了机械设备外，所有其他钢结构、设备和金属构件在车间涂刷两道优质底漆，并提供现场补漆，最后一道面漆在施工现场完成。对于要进行保温的设备、管道均在工厂内进行涂刷防腐底漆。

对于SCR反应器的保温，需特别注意，应把催化剂支撑梁结构应完整地保温起来，以减少因内外温差而引起的应力集中。图23146为催化剂梁端部两种不同结构的示意。最下面的第三层梁端部作为支座固定在机组主体上，三层梁之间用钢质立柱连接为一体。A结构的立柱离开反应器壁板一段距离，布置在保温层之外；B结构的立柱贴在壁板上，包裹在保温层之内。A结构显然比B结构便于制造、安装和保温，但在高温工况下，A结构的温差应力却远大于B结构的。分别对A和B结构进行建模分析，A结构的立柱与壁板形成约300℃的温差；B结构由于立柱紧贴壁板且包裹在保温层之内，与壁板之间温差较小。因此，在实际工程中，反应器的保温设计时，B结构是合理的，其他尺寸较大的加强筋也应避免选用

（三）防腐设计

SCR装置防腐应考虑以下主要因素：①设备及管道的工作环境，如介质成分、温度，设备和管道的腐蚀程度，以及设备和管道是否会受介质的冲刷及磨蚀等；②设备及管道的结构形式、布置位置；③防腐蚀施工条件；④防腐蚀材料的使用寿命及维护费用；⑤防腐蚀材料的价格、施工费用及供货的难易程度。

SCR进口的烟气温度一般为300～400℃。由于烟气温度高于其露点温度，故此时的烟气除了对金属有轻微的高温氧化腐蚀外，不具有明显的腐蚀金属能力。烟气与加入的氨混合后，

图23147 反应器保温实例

经催化反应将NOx脱除，同时生成部分对SCR设备具有强腐蚀性的盐。SCR装置长期工作在此环境中，不可避免地要遭受物理性和化学性的腐蚀与破坏。

SCR装置的腐蚀可以分为对催化剂的腐蚀和对金属的腐蚀两种情况。

1.催化剂的腐蚀

腐蚀问题主要从管道、设备材质的选取和工艺设计两个方面预防。316L等材料都有很好的抗腐蚀性。因此，所有接触到尿素溶液的容器、泵叶轮和壳体、输送管道、阀门等材料，都应考虑尿素溶液的腐蚀，宜采用适宜的不锈钢材质或者不锈钢内衬防腐材料的方案，水解反应器出口氨气管道也要采用不锈钢材质。

在SCR运行过程中，催化剂的腐蚀主要有物理失活和化学失活。催化剂物理失活主要是指由于高温烧结、磨损和固化微粒沉积堵塞而引起催化剂活性降低。典型的化学失活主要是由砷、碱金属及金属氧化物等引起的催化剂中毒。

第十五节 其他系统设计原则

一、氨的混合及喷射系统

2.金属的腐蚀

金属的腐蚀主要有化学腐蚀和磨蚀。SCR系统的金属化学腐蚀，主要是指脱除NOx的过程中产生的副产物硫酸氢铵对SCR下游空气预热器的腐蚀。硫酸氢铵是一种黏附性很强并具有较强腐蚀性的物质，因此为了避免对空气预热器的腐蚀，要尽量做到：①控制氨的逃逸率；②根据烟气温度控制液氨的喷入；③按时对空气预热器进行水冲洗，避免换热元件表面产生沉积物，以控制硫酸氢铵的腐蚀。

SCR工程设计的关键之一就是要特别注意烟气的流场，达到烟气中的NOx和还原剂NH3的最佳湍流混合。首先是氨气与空气的混合，然后稀释后的氨由喷射装置喷入烟道，通过均流装置达到与烟气的最佳混合。

（一）氨与空气的混合及设计要求

（1）氨气稀释一般采用高压离心式送风机，将注入烟道的氨稀释到爆炸极限（其爆炸极限在空气中体积百分比为15%～28%）下限以下，一般控制在5%以内。在设计时应以脱硝所需最大供氨量为基准考虑氨稀释风机及氨/空气混合系统。

金属的磨蚀主要与烟气的含尘量、粉尘粒径及烟气的流速有关。因此，在系统设计中，应结合SCR系统CFD模拟和物理模型的实验，合理选择烟气流速，在烟道的转弯处设置导向板，导向板和转弯处应采取适当的防磨措施。为了避免连接的设备承受其他作用力，应特别注意烟道和钢支架的热膨胀。热膨胀可以通过带有内部导向板的膨胀节进行调节。

（2）稀释风机的性能应保证能适应锅炉在低负荷工况下正常运行，并留有一定裕度。风量裕度一般不低于10%，温度裕度不低于10℃，风压裕度一般不低于20%。

3.水解反应器系统的防腐

（3）稀释风机和氨/空气混合系统一般应尽量布置在SCR反应器本俸氨注入口附近，应避免由于布置在SCR反应器本体支撑钢架上而引起的振动。

水解反应器由于操作温度较高，更易受到腐蚀。尿素水解过程中会生成一些酸性物质（如氨基甲酸铵等），氨基甲酸铵会严重破坏不锈钢表面的氧化膜，使系统的腐蚀速度加快。超过190℃时，一般的不锈钢材料（如304SS）会遭受严重腐蚀；超过220℃时，即使采用钛（Ti）等耐腐蚀材料，系统也会遭受腐蚀。

（4）为保证氨不外泄，稀释风机出口阀一般应设故障联锁关闭，异常时能发出故障信号。

（5）风机和叶轮的结构设计应便于检修和更换，外壳与易损件应易于拆除，在风机和驱动电动机的上方（如需要）应设有检修起吊设施。

（6）风机噪声应满足工程的要求，如果干扰噪声大于规定值，应进行隔声处理，并提供隔声设施。

（7）电动机的技术条件应符合电气工程有关的技术规定要求。

（8）风机的所有旋转件周围应设有人员安全防护罩。消声器（如果需要）应安装在恰当位置。

（9）稀释风机应配备必要的仪表和控制，主要包括监控轴温的热电偶、振动测量装置、正常/异常跳闸信号装置等。电动机控制信号也包括在设计范围之内。

（10）氨的注入量由SCR反应器进出口NOx、O2监视分析仪测量值、烟气温度测量值、稀释风机流量、烟气流量（由燃煤流量换算求得）等来控制。图23151所示为一种氨与空气混合器。

图23152 喷氨格栅（AIC）

图23151氨／空气混合器

（二）氨喷射/混合系统的设计原则

按每台SCR反应器设置一套氨喷射/混合系统。喷射系统应设置流量调节阀，能根据烟气不同的工况进行调节。喷射系统应具有良好的热膨胀性、抗热变形性和抗振性。系统应按现场的实际情况合理布置，依据烟道的截面、长度、SCR反应器本体的结构类型等进行氨/烟气混合系统的设计，使得注入烟道的氨与烟气在进入SCR反应器本体之前充分混合，使催化剂均匀发挥效用。

一般情况，由氨/空气混合系统来的混合气体进入位于烟道内的氨注入格栅，在注入格栅前应设手动调节阀和流量指示器，在系统投运时可根据烟道进、出口检测出的NOx浓度来调节氨的分配量，调节结束后可基本不再调整。氨喷射/混合系统的设计应充分考虑系统处于锅炉高含尘区域的因素，所选用的材料应为耐磨材料或充分采取防磨措施加以保护。氨注入格栅分布管上应设有压缩空气管道，当注入格栅喷头发生堵塞时可进行吹扫。在进氨装置分管阀后应设有氮气预留阀及接口，在停工检修时用于吹扫管内氨气。

图23153 喷氨格栅系统原理

氨/空气混合物在不同连接管中的分配及喷嘴的尺寸根据烟道中局部流量和NOx分部情况而定。烟道中每隔一个喷管有一个取样点。基本参数有连接管数量、喷管数量、吸管直径

（mm）、连接管管径（mm）、喷管管径（mm）、每个喷管的喷

嘴数量、喷嘴斜度、初装喷嘴数量、备用喷嘴数量、平均喷射速度（m/s）、调节用备用喷嘴数量、备用喷嘴、平均喷射速度。喷氨格栅系统中的管路如图23154所示。

总之，应针对具体的工程，充分考虑SCR反应器前端烟道的长度与布置、系统的压力损失、混合距离、投资、运行费用及安装灵活性等问题，选择、设计合适的喷氨及混合系统。

（三）氨与烟气的混合与喷射

氨与空气混合后，稀释后的氨利用喷射装置喷到烟气中。目前成熟的技术产品有喷氨格栅（AIG）及导流板，如图

23 152所示。

喷射系统位于SCR反应器上游烟道内。一种典型的喷射系统由一个给料总管和数个连接管组成。每一个连接管给一个分配管供料，分配管给数个配有喷嘴的喷管供料。喷射系统原理如图23153所示。连接管有一个简单的流量测量和手动阀，以调整氨/空气混合物在不同连接管中的分配情况。

图23154 喷氨格栅系统中的管路

对于烟气及NOx分布不均匀的锅炉，宜采用分区独立控制喷氨量的方法，如阿尔斯通公司的氨喷射系统，如图23

公司的VortexMixer（涡流混合器）氨涡流混合技术、巴克杜尔公司的三角翼混合器等，都已应用于SCR工程中。

15 5所示。

1.奥地利ENVIRGY公司的氨喷射/混合系统

喷氨格栅一般由碳钢制成，根据需要每一锅炉设计一套或两套。一般安装在SCR入口的垂直烟道内。

该系统可使还原剂均匀分布，符合烟气中NOx的分布规律，特别适用于在大型锅炉的SCR系统上应用。该技术已获得专利，并已在多个国家的工程中得到应用。

稀释的氨由喷氨格栅喷射到烟道中后，一般再经过混合与导流装置达到均匀分布。混合装置一般安装在喷嘴的下游，使稀释氨气与烟气完全混合。图23156所示为一种静态混合器和导流板模型，图23157所示为意大利TKC公司的氨/烟气混合器真实结构，图23158所示为B&amp；W公司的静态混合器，图23159示为托普索公司的星形混合器。

图23 15 10所示为ENVIRGY氨/空气喷嘴/混合系

静态混合器的材料一般为碳钢，根据具体工程每一锅炉设置1～2套，安装在喷氨格栅的下游。传统的喷射格栅氨混合器，一般需要有较长的混合距离，长期运行发现会有喷嘴堵塞现象，造成混合不均匀，而且系统调节复杂。因此，随着技术的进步，出现了许多改进性的产品，如奥地利ENVIRGY公司的SCR氨喷射/混合系统、FBE（费赛亚巴高科环保公司）

统的三维模型。每个氨气喷嘴部分稀释氨气的流速都可通过一个安装在供气管道上的流量调节装置来调节。每个喷嘴的下游（沿烟气方向）都装有一个静态混合叶片，来确保氨气和烟气均匀混合。喷嘴的数量是由规定的覆盖比率决定的，其实质是NH3/NOx摩尔比。喷氨系统的设计直接影响还原剂和整个烟气的实际混合情况。在有些情况下，可能有必要使用静态混合器来控制喷氨格栅上游气流（逆流）烟道系统整个横截面上和整个反应器入口的横断面的气温分布及烟气流速。另外，在所有烟气转向处部需要安装导流板，以确保烟气流动方向的正确，这也是保证SCR整个系统的压力损失降到最低程度的必要措施。

图23155 阿尔斯通公司氨喷射分区控制系统

图23156 静态混合器和导流板模型

图23157 TKC公司氨／烟气混合器

图23158 B&amp；W公司静态混合器

图23159 托普索公司星形混合器

图231510 ENVIRGY公司氨／空气喷嘴／混合系统

在脱硝装置运行过程中，为避免产生过高的氨逃逸率，更好地使氨均匀分布于烟道中，对喷氨格栅位置进行调整也是必要的。一般在最后一层催化剂层后进行氨喷射均匀性测试，要求将脱硝装置出口各点 NOx分布的不均匀度控制在20%以内。若达不到要求，可通过调节门对喷氨格栅进行优化调整。

喷射量的喷枪按设计要求安装在烟气管道的横截面上，并在氨喷入的地方造成烟气的紊流，可以使反应物充分混合，且引起的压降和所需安装空间都很小。

氨气喷射/混合系统综合考虑了在减少压力降和节省管道空间的前提下，均匀分布和稳定混合的要求。通过把可调节氨

因此，ENVIRGY氨喷射/混合系统在空间有限（氨射入的位置和催化剂床之间的距离很短）的条件下也能得到均匀分布的效果，这可使系统的体积更小，显著降低投资成本。氨气喷射/混合系统如图231511所示。

图231511 氨气喷射／混合系统

2.FBE公司的VortexMixer（涡流混合器）氨涡流混合技术FBE公司拥有自主专利的VortexMixer（涡流混合器）氨

涡流混合技术，如图231512所示。该技术除能优化烟气和氨混合状况外，还拥有以下特点：

图231513 现场安装

图231512 VortexMixer混合器

（1）减少注射孔。

（2）降低喷嘴因氨中颗粒而形成堵塞概率。（3）控制简便，调试时间短。

（4）低压力损失，节约装置用电。

图231513所示为工程技术人员正在现场安装

“VortexMixer”混合器。

FBE公司还采用烟气流动模型辅助设计确定了独特的平衡导流板设计，确保脱硝反应器进口烟气均匀分布，如图2

图231514 平衡导流板反应器入口系统

31513所示。

3.巴克杜尔公司的三角翼静态混合器

巴克杜尔公司三角翼静态混合器如图231515所示。三角翼静态混合器的原理是在环形、椭圆形或三角板（板与气流呈一定角度放置）的前缘，形成涡流，两种气体充分混合。这些旋涡呈双向、圆锥形分布，转向相反，离开板后直径逐渐扩大。旋涡的强力旋转引起了大量的流体成分沿干流方向正常分布，用于在干流方向上混合不同密度、温度和浓度的介质。涡流系统的横切面如图231516所示。

为克服传统喷氨格栅系统的缺点，且在很短的混合距离内达到均匀分布的效果，巴克杜尔公司发明了一种结合了不敏

感喷射和旋涡感应混合器的系统。大部分在SCR装置中应用的传统混合器会导致烟气中很高的压力损失，对催化剂的流体阻力有显著的影响。在旧厂改造中现有的引风机容量必须适应该要求，大部分情况下必须更换或增加额外的引风机装置。由旋涡感应混合器发展出来的系统压降很低，且可高效混合烟气。如果气流以一定角度接触三角形、圆形或椭圆形的盘表面，气流在前缘分离、滚动形成一个由两个反向旋涡组成的前缘旋涡系统。感应旋涡在流体中产生强烈横向分量，引起强烈的混合过程。混合器本身是管道上一个固定的障碍物，通常是圆形、椭圆形或三角形板，与流体方向成一定倾斜。装置的上

图231515 巴克杜尔公司三角翼混合器

图231516 涡流系统的横切面

游为湍流，但并不要求在氨喷射点处有均匀的流体速度分布。喷氨由直径更大的喷射管执行，在混合器板的出口侧。该系统需要2～10个喷嘴，具体取决于管道的尺寸和几何形状。旋涡覆盖了烟道的所有横断面，因此只要一个最小压降的小装置就能产生强烈的湍流。图231517所示为一个在高灰旧厂改造SCR机组中直接喷氨水的三角翼混合器，喷氨仅由5个喷嘴来执行。

图231517 三角翼混合器

（一）蒸汽吹灰

目前SCR普遍使用的吹灰方式是蒸汽吹灰，该方式安全、可靠，如图23 15 18所示。一般的蒸汽吹灰器，蒸汽压

三角翼混合器主要有以下特点：

力为0.8～3.5MPa，蒸汽温度为300～350℃。工程中常用的

（1）系统引起旋涡不依赖于部分流体的混合比率，所以不必调节来改变锅炉运行条件。

蒸汽吹灰器是耙式蒸汽吹灰器，如图231519所示。该吹灰器可伸缩，吹灰介质为高压蒸汽。

（2）感应旋涡在很短的距离内高效混合气流，NOx脱除率高，为旧厂SCR改造的设计工作带来很大灵活性。

（3）混合效率高且压降低，在第一层催化剂入口处氨/氮比的分布值小于平均值的±3%。

（4）喷嘴数量少，直径大，混合距离短，降低了灰尘堵塞和磨损的风险。

（5）喷氨允许直接在高灰SCR系统中喷没有预先蒸发的氨水，还可以应用纯氨、尿素和蒸发氨水。

（6）由于混合质量不依赖于锅炉负荷，缩短了系统启动期间的调整时间。

二、吹灰系统

SCR吹灰系统主要有蒸汽吹灰和声波吹灰两种方式。

图231518 蒸汽吹灰器

图231519 耙式蒸汽吹灰器

（二）声波吹灰

（3）安装选择。声波吹灰器的安装非常简单。大多数声波吹灰器都安装在内部，在SCR系统中上一般采用插入法兰安

声波吹灰器是近年来发展起来的技术，该技术通过发射低频、高能声波，在吹扫过程中产生振动力，清除设备积灰。声波吹灰器具有前期投入小、安装费用低、运行成本低及维护费用低的特点，外形如图231520所示。

装，如图231521和图231522所示。

图231521 声波吹灰器在SCR反应器外

图231520 声波吹灰器的外形

（1）声波吹灰器的结构和基本原理。声波吹灰器是一种防止灰尘在工业设备上积灰、板结的低频、高能喇叭。它是利用声波使粉尘颗粒产生共振，从设备表面脱落的原理来清灰的，可应用于SCR、锅炉、主风机、静电除尘器、管道系统、旋风除尘器、滤袋除尘器、料仓、灰斗等。

声波吹灰器的发声头能产生特定频率的高压声波（75Hz、147dB以上），破坏粉尘原有的堆积结构。原理是通过使用压缩空气使内部的高强度膜片产生振动，从而形成高能声波。

图231522 声波吹灰器在SCR反应器内

（2）声波吹灰器的特点。声波吹灰器释放声波，产生共振，使堆积在催化转换器表面的粉尘松脱，这样气流就可将粉尘带走。声波吹灰器所产生的声频远高于设备结构的共振频率，不会损害催化剂，因此可以经常开启，使催化反应器免于堵塞。声波吹灰器具体有以下特点：

（三）设计原则

1）提高催化剂的效用。

2）降低系统中的压力阻力。

对于蒸汽吹灰及声波吹灰两种主要形式相比，蒸汽吹灰能够高效除去积灰，但是吹灰器的采购价格一般比较昂贵，安装过热蒸汽系统的费用也相对较高；声波吹扫也能有效地除去积灰，设备采购和安装费用相对蒸汽吹扫来说比较低，由于是声波吹扫，对电厂原蒸汽供给系统也无影响，且维护方便，费用低。

3）减少每年用于维修的人力及材料费用。4）缩短生产停工期。

5）延长两次检修之间的运行时间。

6）减轻飞灰的过分波动对后续除尘器的影响。

国外SCR系统运行表明，当催化剂表面沉积灰尘量较少时，蒸汽吹灰器和声波吹扫的效果是等同的。当催化剂表面大量沉积灰尘时，根据经验，蒸汽吹灰效率更高，声波吹灰对于已经积存在金属表面上的灰则几乎没有作用，主要是防止积

灰。实际运行中已经证明，声波吹灰对处于吹灰器正前方的较大灰堆较难清除。当锅炉长期减负荷运行（此时灰尘集聚在反应器上游）后进入满负荷运行（此时大量灰被携带向反应器方向）时，大量灰尘会突然沉积在催化剂上，声波吹灰较难吹扫。因此，对于具体的SCR工程，应根据实际积灰特征选择具体的吹灰方式。

一般按每台SCR反应器设置一套吹灰系统进行设计。要求应根据SCR反应器本体内设置的催化剂层数及数量来设置吹灰系统，按每一层催化剂设置一层吹灰器进行设计，吹灰器数量应按照要求的脱硝效率，并考虑留有适当的裕度的要求时所需催化剂的层数和数量来配置。

吹灰器的数量和布置应能将催化剂中的集灰尽可能多地吹扫干净，应尽可能避免因死角而造成催化剂失效导致脱硝效率的下降。

三、废水处理系统

脱硝装置应在氨制备区设有排放系统，使液氨储存和供应系统的氨排放管路为一个封闭系统，将经由氨气稀释槽吸收氨的废水排放至废水池，再经由废水泵送到废水处理站。

液氨储存供应系统设置废水处理系统，以备氨泄漏时用大量水稀释排出厂外前进行处理，必须使其达到环保要求。

四、脱硝装置灰斗

根据具体工程的积灰情况，确定是否需要在SCR反应器下部设置灰斗，若脱硝装置需要设置灰斗，则需安装用于输送飞灰的仓泵和管道，将飞灰输送到除灰系统。

五、关于脱硝系统旁路的设置问题

在烟气脱硝SCR系统中，关于是否设置SCR反应器旁路和省煤器旁路，详述如下。

（一）SCR反应器旁路

SCR反应器旁路设置的目的包括：①机组在冷启动时不使催化剂受到损害；②机组在长期不脱硝时节约引风机的电耗；③在锅炉低负荷、低烟气温度时将催化剂隔离出来，以防止硫酸铵在空气预热器上的沉积。

对于是否设置SCR反应器旁路，从技术的角度，有两种不同的观点。

1.需要设置旁路

在机组启动时（此时烟气温度还没有到催化剂的反应温度）使用，以避免催化剂受到损害。另一个用途是机组在长期不脱硝时，烟气通过旁路至空气预热器以便节约引风机的电耗，这种情况在美国出现较多。但在该情况下，为避免反应器冷却后，生凝结水，需要设置反应器的加热系统，因而大大增加了系统的投资。

2.不需要设置旁路

该观点认为一般机组冷启动的次数较少，因此在催化剂的使用寿命周期内对催化剂的影响也不会太大。而且设置旁路烟道时，由于要增加高温挡板，投资比较高，系统也比较复杂，在长期不用旁路烟道时会造成挡板前积灰严重，开启时容易卡涩。而挡板开启且易造成大量灰进入空气预热器，可能会造成空气预热器堵灰而停用。

建议如果不设置SCR反应器旁路，喷氨脱硝的温度不能低于设计的最低温度，如果锅炉烟气温度低于设计值，则应停止喷氨，这样就不会产生硫酸铵，从而也避免了空气预热器的堵塞。

设置旁路的系统比较复杂，系统投资较高。还有一种观点认为，设置旁路时可以在锅炉运行时将脱硝系统隔离检修，但实际情况下，由于烟气挡板的密封性不可靠，在锅炉运行中检

修脱硝系统的可能性很小，在不设置旁路时，可以在锅炉小修时同时检修。

事实上，早期日本的电厂，即20世纪80年代以后的电厂，由于当时催化剂不能适应机组启动和停运期间温度梯度的变化，所以系统设置了旁路烟道。欧洲的SCR反应器通常不设旁路，但在美国东北部许多电厂都装有旁路，因此其立法要求仅在臭氧季节减少NHx的排放量。

根据2010年2月3日我国环保部发布的 HJ562—2010

《火电厂烟气脱硝工程技术规范—选择性催化还原法》规定，SCR脱硝系统不得设置反应器旁路。

（二）省煤器旁路

省煤器旁路设置的目的是在机组低负荷运行时，保证SCR入口烟气温度。原因是温度过低，未反应的微量氨气可能和烟气中的SO3反应生成硫酸铵，硫酸铵会在空气预热器冷端凝结，造成空气预热器的堵塞。因此，如果锅炉在低负荷时的运行温度也高于SCR入口温度要求的最低值，就没有必要设置省煤器旁路。在极端恶劣的情况下，脱硝系统可以停止喷氨，就不会产生硫酸铵，从而也避免了空气预热器的堵塞。

另外，从锅炉结构上看，如引出高温烟气旁路，由于烟气引出，将减少省煤器吸热，对于老机组SCR改造项目，可能还会有布置方面的问题。

因此，对于脱硝系统旁路的设置应根据具体工程条件进行考虑。

六、消防与火灾报警系统

消防与火灾报警系统主要涉及脱硝系统SCR反应器本体区域范围内的水消防系统、气体消防灭火系统、火灾报警和消防控制系统。该系统是从属于主厂房火灾报警和消防控制系统的区域报警控制子系统，应由有相应资质的单位进行设计，并与电厂其他部分的水消防系统、气体消防灭火系统、火灾报警和消防控制系统相一致。消防、火灾报警和消防控制系统的设计要求如下所述。

（一）水消防系统

水消防系统的设计应满足脱硝系统的消防要求，并应执行现行消防规范、规程及地方性法规。可根据区域内各部分设备、设施对消防的不同要求配置必要的移动式灭火器；并确保消防设备、主要材料必须采用经国家消防认证中心检验合格的产品。

（二）火灾报警和消防控制系统

火灾报警和消防控制系统的硬件和软件的设计功能必须满足技术要求。设计选用的火灾检测报警及消防控制系统中的电气及电子设备、仪表及装置必须经过权威部门鉴定。火灾报警和消防控制系统应留有与主厂房火灾报警系统的通信接口（包括软、硬件），并提供相应的配合工作。火灾报警及消防控制系统设一套完整的控制系统，通过布置在脱硝系统内的区域盘，实现对脱硝系统的火灾检测、报警及消防控制系统的监控，并通过通信成为一个整体。

火灾报警和消防控制系统应满足相关规程、规范要求，通过相关的施工验收规范验收，并经过电厂当地消防部门审查通过。

（三）系统功能要求

火灾检测、报警及消防控制系统能对火灾进行探测，探测应能发出声光警报，自动、遥控及就地手动启动灭火系统，并对消防及灭火设施的运行情况进行监视。火灾报警后，应能通过联锁启动有关部位的防烟、排烟风机和排烟阀，并接收其反

馈信号；应联锁停止有关部位的风机，关闭防火阀，并接收其反馈信号。火灾确认后，应联锁关闭有关部位的防火门、防火隔栅，并接收其反馈信号；应接通火灾事故照明灯及疏散指示灯，切断有关部位的非消防电源。并应自动接通火灾报警装置，将全厂广播系统切到火灾事故广播状态。

手动火灾报警按钮在脱硝系统内普遍设置，每个防火分区应至少设置一个手动火灾报警按钮，从一个防火分区的任何位置到最近的一个手动火灾报警按钮的步行距离不应大于30m。

每一个消火栓均设置手动火灾报警装置，并将报警信号送至报警主机。系统中每个报警触发装置的信号，在就地区域报警控制装置和中央监控装置上应同时有声光显示，并均能报警到位。

区域报警控制装置应能反映该区域各火灾探测回路及各探测器的故障。

火灾探测器的选择应根据工艺系统特点（如高频电磁干扰、粉尘积聚，潮湿等）选择，当设置自动联动装置或启动自动灭火系统时，应采用感烟、感温、线型感温探测器（同类型或不同类型）的组合。对于自动灭火系统，均应设置两路火灾探测系统。当其中任一路报警时，应向就地区域盘及主控制盘发出报警信号；当两路探测器同时报警时，自动联锁启动灭火系统。对环境较差的区域，如电缆隧道、竖井、桥架等处，应采用线型感温探测器。

对于采用气体灭火的区域，每一防护区应安装两种不同类型的探测器，并分成两组安装。当一组探测器探测出火灾或有火灾危险时，要在现场、就地区域盘及主控制盘三处发出声光报警信号，当两组探测器探测出火灾或有火灾危险时，在防护区现场、就地区域盘及主控制盘发出预释放灭火剂报警信号，在延时30s（15～50s可调）后发出释放灭火剂灭火的指令。火灾警报信号和灭火剂释放警报信号应有所区别，且两种信号均要有声光信号。

消防通信系统方面，手动报警处应设置对讲电话插孔，就地区域报警盘及其他重要部位设置固定的对讲电话。

应在脱硝系统中设置火灾事故广播系统和火灾紧急照明系统，提供与空调控制系统的联动控制接口。

（四）控制要求

区域报警控制盘应能实现对该区域的火灾检测、报警及消防系统的监控，同时区域报警控制盘与中央监控装置通信。当探测器或监视模块发出火灾报警信号后，系统应能自动识别误报信号，而且对误报信号仅作记录，不发出报警；对于真实报警信号，系统应能打开声光报警器提示工作人员，同时也应能自动/手动启动消防泵、喷淋泵，关闭隔离防火阀，自动开启相应区域的专用灭火装置进行自动灭火。

（五）设备规范与设计原则

（1）在选择火灾探测器时，应根据火灾的特点及探测点的空间环境来选择。探测器应为智能型的。火灾报警系统的使用不能受到风、射线、香烟烟雾、灰尘、振动、高湿度等的影响。火灾报警探头应编号，并在基座上装设指示灯。同时，还应有反极性和过电压保护措施。

（2）区域报警控制装置容量不应小于报警区域的探测区域总数，并应留有一定的裕量。

（3）灯光警报装置和音响警报装置其中一种发生任何故障应不影响另一种装置正常工作。

（4）控制器模件若使用随机存储器（RAM），则应有可充电电池作为数据存储的后备电源。

（5）某一个控制器或模件故障，不影响其他控制器及模件

的正常运行。

（6）电源故障应属系统的可恢复性故障，一旦重新受电，控制器及模件应能自动恢复正常工作而无需运行人员的任何干预。

（7）设计选用的火灾自动报警系统应首先执行并满足我国有关的防火规范及国家标准。

第十六节 低氮燃烧系统改造

随着国家环保要求的日益提高，大量的现役机组也要进行脱硝工程改造，在对现役机组进行脱硝改造时，锅炉燃烧系统、风机系统及空气预热器也要进行相应的改造。

一、低氮燃烧改造原则

由于低氮燃烧改造针对的是锅炉燃烧系统，会对锅炉燃烧稳定性、锅炉效率、炉内结焦状况产生重要影响。因此，在改造的过程中需要遵循以下原则：

（1）立足现场。以锅炉现场条件为改造基础，通过最少的设备改动获得改造效果，节省改造费用和减小改造工期。设计燃烧器和SOFA改造方案时，现场空间、管道走向、钢梁布置等都纳入考虑范围。

（2）以试验为基础。以燃烧器冷态对比试验、锅炉系统性能测试作为改造方案设计的基础，增加方案应用的可行性。

（3）低风险原则。改造方案设计时，尽量吸收原燃烧器和行业内现有几种典型低NOx燃烧器的技术特长，回避其短处，并在技术上创新，获得最优化的燃烧器结构和参数设计。

（4）强调实用性。由于锅炉运行条件较为特殊、苛刻，需要关键部件能长期可靠的工作，因此在改造方案设计时，在性能达到要求的前提下，尽量采用简单实用的机械结构和控制方式，以保证设备能够长期稳定运行，并方便检修维护。采用简单实用的设计理念还可以明显降低改造费用。

二、低氮燃烧系统的改造

在煤粉燃烧过程中，氮氧化物的生成有四个关键区域，分别是热解着火区、主燃烧区、NOx还原区和燃尽区，如图23161所示。针对这四个区域采取相应的技术措施即可实现降低NOx排放的目的。相应的控制技术有低过量空气燃烧、空气分级燃烧、再燃技术、烟气再循环及低NOx燃烧器。

1.热解区

扩大热解区的存在，会造成整体的NOx排放浓度降低。（1）煤粉浓淡分离，淡侧提前着火，加热浓侧煤粉，使其

脱除挥发分生成焦炭，促进N2的生成，同时还原先期着火煤粉气流生成的NOx。

（2）控制较低的一次风率，控制主燃烧区域供风量，将燃烧所需总风量的70%～85%在主燃烧区域送入，达到控制主燃烧器区域煤粉燃烧初期燃烧速率的目的。

（3）选择较低的周界风率。

（4）炉内烟气再循环，显著降低炉内燃烧温度水平，在一次风喷口引入炉烟，用以控制真实一次风率。

（5）不同煤种掺烧，挥发分的析出时间差影响了热解区。2.主燃烧区

常规燃烧时，该区域燃烧在氧当量大于1的条件下进行，燃烧比较剧烈，温度相对较高，富氧、高温的环境导致大量的NOx生成。需要在该区域形成“贫氧”环境，在不影响煤粉燃尽的条件下，减小该区域的供氧，使得NOx的生成进一步降低。但是由于局部还原性气氛的存在，炉膛结焦和高温腐蚀的风险增加。技术措施如下：

图23161 锅炉的四区燃烧

（1）控制主燃烧区过量空气系数（不超过0.8）。

（2）一、二次风大小切圆设计，在横截面上空气分级。（3）一、二次风反切，一次风粉燃烧中期，接触到的来自

上游的补氧是“贫氧”的热烟气，燃烧强度降低。

含量高、灰分较低，很适合采用炉内空气分级的低NOx燃烧技术。炉膛尺寸较大，适合采用高位SOFA燃尽风布置，减少NOx生成与排放的同时，煤粉有较长的燃尽时间，确保较高的锅炉效率。

（4）二次风部分偏置，二次风喷口的部分面积向炉墙偏置，进一步加强水平方向的空气分级。

3.还原区

在进行现场收集资料和摸底试验的基础上，根据“四区燃烧”理论，综合考虑低氮、防结焦、低负荷稳燃、汽温和燃尽五个方面内容，对改造方案进行了初步设计，具体如下：

主燃烧区生成大量 NOx，同时生成大量的活性基团NH+、NH2+、CO等，这些活性基团与煤焦表面的活性炭共同在还原区把NOx还原为N2，技术措施如下：

（1）A层一次风标高不动，A、B与B、C一次风燃烧器之间去掉一层二次风，保留油二次风，A、B与B、C一次风燃烧器间距调整为1600mm。

（1）确保较低过量空气系数（0.9左右）。（2）确保需要的高度。

（2）C、D两层一次风之间原设计的燃烧器分组空间取

消，C、D层间距由3110mm降低到1850mm，两层二次风喷

（3）燃尽风（SOFA）必须保留，主要考虑汽温调节和结焦。

口（9、10层）保留。D、E一次风及相应的上组二次风（11

～16层）标高降低1760mm。其中12层、13层二次风合并为

4.燃尽区

一层。

燃烧进入后期，炉内上升主气流内存在着部分未燃尽碳及部分气体燃料（CO），需要大量的氧气来维持上述可燃物质的燃尽，也就是要在氧当量大于1甚至1.2条件下进行燃烧。此时，合适的氧浓度及扩散速率是使其燃尽的关键。该区的设计需要综合考虑燃尽、烟温偏差和汽温调节，技术措施如下：

（3）C、D，D、E一次风燃烧器间距维持原有

的1850mm。

（4）原有SOFA（16层，顶二次风）保留作为紧凑燃尽风。

（5）设置5层SOFA风，第3层SOFA标高33740mm与E层一次风间距6000mm，到屏底距离13260mm。

（1）确保需要的过量空气，过量空气系数为1.1～1.2。（2）确保到屏式低温过热器的燃尽距离。

（3）较高的SOFA风速，使氧量进入燃烧中心区。

（6）SOFA风上下和水平方向都可调，上下摆动四个角“组控”，水平方向单独手动调节，每个SOFA风门单独气动控制。

（4）SOFA的水平（烟温偏差）和上下（气温调节）可调。

在上述理论指导下，针对不同的煤种和炉型，根据锅炉实际的燃烧状况，通过差异化分析、个性化设计、精细化实施、系统化调试，在实现 NOx超低排放的同时，确保锅炉经济、安全、稳定运行。

（7）一次风喷嘴进行低NOx改造，A、B层燃烧器为等离子点火层，不改造。C、D、E层燃烧器改为水平浓淡布置，向火侧浓，背火侧淡。

三、低氮燃烧改造案例

（8）重新设计一次风和二次风切圆。其中一次风在内，小切圆设计；二次风在外，保持原设计的逆时针旋转方向不变，二次风与一次风夹角为10°。

某电厂300MW锅炉于2012年1～3月期间进行低氮燃烧改造工程施工，并于2012年3月30日顺利点火启动。改造

（9）燃烧器喷嘴周界风大角度非对称设计，背火侧同界风向喷嘴向炉墙偏折，预防一次风喷嘴附近结焦。

后，180～300MW负荷下NOx排放均在130～180mg/m3 （标

（10）改造二次风门，两侧增加 SOFA风箱及 SOFA

准状态下），同时确保排烟温度、飞灰含碳量、烟气CO含量满足要求，锅炉效率略有提高，炉膛不结焦。机组连续安全、稳定、经济运行，改造取得圆满成功。

风道。

（11）增加SOFA风的摆动控制系统和风门控制系统。改造完成，机组投运2个月后，对机组进行调试。在

在低氮燃烧改造之前进行了摸底试验。通过试验发现，正

180MW、240MW及300MW负荷下锅炉的各项指标测量值均

常运行工况下该锅炉的NOx排放为600～800mg/m3，通过燃

达到或超过了设计要求，其中：

烧调整，NOx排放最低可以到450mg/m3。其燃用煤质挥发分

（1）NOx排放显著降低，各种负荷都可控制在130～

180mg/m3 （标准状态下）。

（2）CO排放平均值可控制在30μL/L以下，远低于设计

要求的100μL/L。

（3）过、再热蒸汽温度可以达到545℃的原设计值，过热器减温水量适中，再热器减温水小于20t/h，过、再热蒸汽温度无明显偏差。

（4）飞灰可燃物含量0.5%以下，各负荷下排烟温度均较原设计值小。

（5）锅炉效率在93.3%～93.9%，高于原设计值。

（6）锅炉燃烧稳定，炉膛无结渣。

第十七节 加装SCR后的空气预热器改造

锅炉配置SCR进行脱硝的过程中，所产生的硫酸氢铵牢固黏附在空气预热器传热元件的表面上，使传热元件发生强烈腐蚀、积灰。这些沉积物将减小空气预热器内流通截面积，从而引起空气预热器阻力的增加，降低空气预热器传热元件的效率。因此，应重新调整空气预热器的设计结构配置，以适应配置SCR机组的正常运行，避免或减少因空气预热器堵灰过重而降低锅炉机组的可用率。

一、SCR系统中空气预热器的配置特点

考虑到ABS区域的特定位置及相应特性，在空气预热器的结构设计（如传热元件的高度选择、材质、板型）以及清灰设施配置上采取相应措施。

由于ABS区域位于空气预热器传热元件底部位置，故将空气预热器传热元件设置成上下两层。上层为常规配置；考虑到下层传热元件在烟气入口处易形成颗粒堆积，通常下层传热元件的高度选择850mm左右。图23171所示为某电厂空气预热器的ABS区域。

图23171 某电厂空气预热器的ABS区域

由于ABS区域内液态硫酸氢铵捕捉飞灰能力极强，会与烟气中的飞灰粒子相结合，附着于空气预热器传热元件上形成融盐状的积灰，造成空气预热器的腐蚀、堵灰等。考虑液态硫酸氢铵能轻易进入到普通金属薄板的表面气孔中形成腐蚀，采用搪瓷元件作为空气预热器冷端传热元件是最佳选择。

空气预热器受热面选材应考虑磨损、堵塞及腐蚀的因素，热端钢板厚度不小于0.5mm，钢板材料采用Q215A.F。为提高冷段换热面的抗黏附特性，冷端需采用搪瓷传热元件，厚度不小于1mm，不爆瓷，不开裂剥落，不易黏堵灰，不易腐蚀。

二、SCR脱硝空气预热器的设计原则

为有效防止脱硝对空气预热器的影响，应对脱硝空气预热器的受热面结构作如下调整：

（1）将空气预热器传热元件由三段布置改为两段，使冷端

涵盖液态硫酸氢铵的生成温度范围，这样就避免了硫酸氢铵沉积在空气预热器分段处堵灰。

（2）空气预热器冷端传热元件采用DU3E板型，由于该板型为封闭式，有利于飞灰和黏结物的清除。

（3）提高空气预热器冷段传热元件的抗黏附特性，可采用搪瓷钢板镀搪瓷。搪瓷元件可以防止低温腐蚀，搪瓷表面比较光滑，受热元件不易黏污。实际经验证明采用搪瓷镀层换热元件后硫酸氢铵的结垢速率明显降低。氨逃逸率为3.3×10-6时，搪瓷层换热元件表面的结垢只有非搪瓷镀层换热元件的15%；氨逃逸率为0.7×10-6时，搪瓷层换热元件表面的结垢只有非搪瓷镀层换热元件的25%。

（4）在空气预热器冷、热端配置蒸汽和高压水双介质吹灰

器。吹灰压力为1.0～1.37MPa，介质为310℃以上的过热蒸汽，高压水压力为15～20MPa，流量为10～15t/h，以保持空

气预热器传热元件的清洁。

三、改造实例

某电厂2×600MW机组原设计按不设脱硝装置配置空气预热器，单台锅炉配有2台全模式、双密封、三分仓容克式空气预热器，立式布置，烟气与空气以逆流方式换热。空气预热

器型号为31 VI（T）1833 QMR，转子直径为φ12450，传热

元件总高度为1833mm。其中热端传热元件为FNC板型，高

度为1000mm，采用0.5mm厚的钢板；中间层为FNC板型，高度为500mm，采用0.5mm厚的钢板；冷端采用NF6板型，

高度为333mm，采用0.8mm厚的钢板。转子转向为逆转，即先加热二次风，再加热一次风。空气预热器为48隔仓，采用双、三密封和环向密封系统。为了减少SCR脱硝装置对空气预热器的影响，需要对空气预热器进行改造。

（一）空气预热器改造工作内容

（1）核算脱硝后的工况，重新对换热元件的型号、高度进行选型，重新设计转子结构。

（2）根据新工况重新进行密封间隙计算，并根据要求确定密封改造方案，以保证最佳的密封效果。

（3）根据新工况重新制订吹灰方案。通常在蒸气吹灰的基础上增加一根高压水在线冲洗，确保底部不发生堵塞。

（4）因底部腐蚀增加，冷端换热元件必须采用搪瓷元件。由于增加了高压水，搪瓷元件的性能尤为重要。目前，国内的大部分搪瓷元件由于镀层较厚，在压力下容易剥落，在高压水冲击下也易损坏搪瓷。所以搪瓷元件的选择非常重要。

（5）由于增加了冲洗水，对底部烟道需要增加疏水装置。

（二）改造方法

利用现有空气预热器结构进行改造，热端层保持不变，将中间层与冷端合并为一层，采用DU3E板型搪瓷元件，元件高度为1000mm，排烟温度在现有基础上上升约2.8℃。主要工作如下：

（1）原空气预热器中间层传热元件的支撑栅架全部拆除，拆除原冷端及中间层传热元件。

（2）安装冷端DU3E板型搪瓷元件，高度为1000mm。

（3）配置双介质吹灰器及高压水冲洗设备，保持传热元件清洁。空气预热器改造前后如图23172所示。

（三）改造前后参数对比

（1）改造前后结构对照如表23171所示。

（2）改造前后性能参数对照。改造前后性能参数对照见表23172，由于空气预热器入口烟气量及风量无法从运行画面读出，因此仍以原设计值为参考，其风温及烟温参数则以实际运行为基准进行核算。

图23172 空气预热器改造前及改造后

（a）改造前；（b）改造后

表23171 改造前后结构对照表（单台炉）

高度单位：mm

序号 比较项目

改造前 改造方案 说明

1

型号

31

31

表23172

改造前后性能参数对照表

第十八节 加装SCR后的风机系统改造

一、现役机组脱硝改造对锅炉引风机的影响

采用SCR技术降低烟气中NOx含量，需在省煤器和空气预热器之间加装脱硝反应器及其连接烟道，烟气流过时将产生阻力，因而引风机入口侧烟气总阻力将增加。烟气经过脱硝装置后温度也略有下降（因加入稀释风和散热）。通常机组满负荷时阻力升高1200Pa左右，温度降低约3℃。导致引风机入口烟气密度略有降低，容积流量略有增加，引风机压力（全

压）上升1200Pa左右。

二、脱硝改造后引风机运行参数的确定

（1）改前试验。脱硝改造前需对引风机在机组不同负荷下进行现场热态性能试验，以确定改前烟气系统阻力特性及风机运行参数。

（2）获取脱硝系统阻力特性设计值。向脱硝系统设计单位索取不同负荷下脱硝系统的阻力值。

（3）综合改前实测值和脱硝系统设计值，确定脱硝系统投运后烟气系统阻力特性及引风机运行参数。

（4）合理选取引风机选型设计裕量。改造设计参数决定改造成败，选型裕量的选取应考虑多重因素，首先要考虑煤质变化的影响，其次考虑脱硝催化剂投入层数的影响，同时也要兼顾空气预热器阻力变化及漏风率的变化等因素，确保设计参数合理、正确。

通常引风机选型设计裕量是在BMCR工况参数基础上，再选取10%的风量裕量和15%～20%的压力裕量。

三、改造方案确定原则

改造方案的总原则，对引风机或增压风机进行改造均需考虑所有排放物（灰尘、SO2、NOx）的要求，应以长期运行能耗最低并兼顾改造工作量和投资效益确定。

总体改造方案有单独进行引风机或增压风机改造，以及引风机、增压风机合并改造。具体到每个改造方案上，又有对现风机进行局部改造和彻底更换改造两种，需根据可行性分析论证确定。

四、风机类型的选择与局部改造

首先根据比转速确定是选用动叶调节轴流式、静时调节轴流式风机，还是离心式风机（CFB炉）。从节能角度看，动调风机优于静调风机，静调风机又优于离心式风机。选用离心风机加变频调速运行最经济，但投资费用高，需认真论证其可行性。选择风机类型除考虑节电效果和经济性外，还要考虑现场布置条件、资金来源等因素。当采用引风机、增压风机合并改造方案时，由于压力大幅升高，一般多采用二级动叶调节轴流式风机。选型设计时，重点考虑风机性能与合并后的管网阻力

特性相匹配。既要考虑高负荷的运行效率，也要考虑中、低负荷的运行效率，还要留够失速裕度，防止运行中风机出现失速现象，最后根据机组负荷系数选取年耗电量最小的风机。

选型设计时，应尽量考虑局部改造的可行性。如只更换叶片或叶轮、改变转速，对于动叶调节轴流式风机，减少一半叶片数；对于双级动叶调节轴流式风机，可采用两级压升不相同的叶轮（如叶型的变化、叶片数量的变化、叶片角度调节范围即安装角的变化等），并应设法利用原风机所配电动机。

五、引风机与增压风机合并改造

目前600MW及以下容量的火力发电机组，基本上是一台锅炉配一台脱硫增压风机和两台引风机。由于新建机组不允许设脱硫系统的旁路烟道，原有的脱硫系统旁路烟道也需封闭。这样，如果增压风机出现故障需停运检修，则整个发电机组将被迫停运。

为提高发电机组运行的安全可靠性和经济性，近年来取消增压风机而用引风机直接克服脱硫系统阻力的设计成为趋势。因为两机合并后，如一台引风机故障停运，机组还可带60%左右负荷运行，不致停运整个发电机组，提高了机组运行的安全性，也减少了发电量损失。合并后少了一台增压风机，可以降低电厂的设备维护工作量，同时，大型转动设备数目和故障点的减少，势必会提升机组运行的安全可靠性。合并取消增压风机后，还可简化引风机出口到脱硫系统入口的烟道布置，降低烟道阻力，从而获得节能效果。另外由于选型设计原因，引风机和增压风机往往存在与系统不匹配的问题，合并改造时可根据试验数据选取与系统匹配的高效引风机，提高风机的实际运行效率，从而风机运行经济性得到提高。

但是，并不是所有机组都能通过引、增合一取得经济效益。如改前增压风机运行效率较高，引风机运行效率虽不高，但压力裕量大，能满足改造参数要求，且改后的运行效率提高不明显者，就无需进行任何改造；若引风机至脱硫系统入口间的烟道无条件优化布置降低其阻力，或需改造或加固的费用过高，无经济效益者也不可改造；早期投运的机组，引、增合一后，引风机入口烟道、除尘器直至锅炉炉膛的承压能力无法满足要求者也不可改造。因此，对于具体机组是否采用合并改造，需经可行性论证确定。具体应开展以下工作：

（1）通过风机性能试验确定各工况运行参数和系统阻力特性。

（2）分析改前风机运行性能，提出合理的合并风机选型设计参数和改造方案。

（3）分析确定合并后引风机进、出口可能达到的最高压力，并提出烟道和相关设备的改造方案。

（4）进行经济性分析，计算节电量和预算改造投资。（5）提出最佳整体改造实施方案和可行性论证结论。

第十九节 高灰条件下的SCR设计问题

我国领土广阔，煤质来源丰富。同国外稳定、优质的电力用煤相比，我国电厂用煤灰分含量相对较高，煤质来源不稳定。因而在SCR的设计中，需充分考虑由此造成的催化剂选取、吹灰器选取、烟道布置、灰分特征等问题。

一、SCR催化剂的选取

目前SCR商用催化剂基本都是以TiO2为基材，以V2O5为主要活性成分，以 WO3、MoO3为抗氧化、抗毒化辅助成分。催化剂可分为板式、蜂窝式和波纹板式三种。三种催化剂在火电厂锅炉SCR上都拥有业绩，其中板式和蜂窝式应用较

多，波纹板式较少。

催化剂的设计就是要选取一定反应面积的催化剂以满足在省煤器出口的烟气流量、温度、压力、成分条件下达到脱硝效率、SO2/SO3转化率、氨逃逸率等SCR的基本性能设计要求。催化剂在高灰设计条件下，其防堵和防磨损性能是保证SCR设备长期安全和稳定运行的关键。

在防堵灰方面，对于一定的反应器截面，在相同的催化剂节距下，板式催化剂的通流面积最大，一般在85%以上；蜂窝式催化剂次之，通流面积一般在80%左右；波纹板式催化剂的通流面积与蜂窝式催化剂相近。在相同的设计条件下，适当选取大节距的蜂窝式催化剂，其防堵效果可接近板式催化剂。

有关研究表明，催化剂的磨损主要发生在催化剂迎灰面的端部，其磨损程度与SCR反应器入口速度分布的均匀性、灰分成分和颗粒大小形状有关。

板式催化剂在端部被磨损后，其不锈钢基材暴露在迎灰面，可阻止烟气的进一步磨损，因此防磨损性能良好，如图2

3191所示。

图23191 板式催化剂防磨损机理

蜂窝式催化剂，可将其催化剂的端部经特殊处理，增加其硬度，以抵御迎灰面的磨损，如图23192所示。

波纹板式催化剂通过将SiO2溶液浸润到催化剂端部，硬化催化剂端部；或者将催化剂陶瓷材料经过硅藻土加固，以加强其抗磨损性能。

图23192 端部硬化的蜂窝式催化剂

除了迎灰面的磨损外，催化剂的内壁面也会发生一定程度的磨损。虽然这样的磨损一般不会造成催化剂整体结构的破损，但是会导致有些类型催化剂的活性降低。在高灰分的设计条件下，使用表面涂层催化剂，其表面涂层易被冲刷磨损掉，影响催化剂活性；故建议采用均质的催化剂。

总之，对于催化剂，通过选取合适的催化剂节距、壁厚等，可以满足烟气高灰条件下的防堵和防磨损的要求。

二、SCR吹灰装置

SCR脱硝工程高尘布置中常用的吹灰器有声波吹灰器和耙式蒸汽吹灰器两种。

声波吹灰器在工程实践中是用一个或几个发声器每隔一段时间就运行一次，并持续不断地重复这一循环来达到目的。在恶劣的工况下需频密地发声，而在积灰不太严重的场合可适当延长停止段的时间。耙式蒸汽式吹灰器为一种适用于SCR催化剂的强力半伸缩式吹灰设备，过热蒸汽自喷射孔沿烟气流动的方向吹扫催化剂表面的积灰，吹灰器移动一个行程后蒸汽吹扫就覆盖了反应器内的整个催化剂表面。

根据应用经验，声波吹灰器在灰分较低的烟气条件下，可有效防止烟气在催化剂表面的积灰，但对于已经形成超过一半以上积灰的清除效果不佳。耙式蒸汽吹灰器对于催化剂表面已形成的积灰清除效果良好。对于灰分较大项目，优先考虑使用耙式蒸汽吹灰器。

蒸汽吹灰对于不同类型的催化剂的吹灰效果略有差别。板式催化剂的一个模块中一般布置两层催化剂元件，两层催化剂元件的板元件交叉布置。在高灰分的烟气条件下，催化剂模块内部，两层催化剂元件的间隙会在一定程度上改变烟气在催化剂内的流场，造成局部的堵灰问题。一般要求催化剂元件的间隙大于3倍的催化剂孔净间隙，避免此处形成涡流。此间隙对于耙式蒸汽吹灰器的效果有减弱的作用，而对声波吹灰器则几乎没有影响。因此在使用板式催化剂时，和声波吹灰器相比，耙式蒸汽吹灰器在吹灰强度上的优势不如在蜂窝式催化剂那么明显，在吹灰方式的选取过程中要加以考虑。

对于灰分含量大、黏度高、细灰多的项目，也可考虑蒸汽吹灰和声波吹灰联合使用。

三、SCR布置的考虑

SCR布置方式可分为布置在锅炉省煤器和空气预热器之间的高灰段和布置在除尘装置之后的低尘段。其中高灰段布置方式在电厂脱硝中应用最为广泛。

国外电厂锅炉煤质较好且其煤源较为稳定，而我国煤质来源广泛且多变，对于SCR烟道的布置是一个考验。

在SCR整体布置时，除了合理地布置烟道以达到SCR性能所要求的反应器入口NH3/NO摩尔比和速度的均匀度，尽量降低烟道的压降外，防止局部地区因流场分布的不均而引起部分烟道的磨损和积灰也是SCR能否可靠运行的重要决定因素。

在布置SCR烟道时，在烟道转向处不宜使用易堵灰的直角结构，且必须添加针对性的导流板以避免此处积灰并降低烟气的局部阻力。对于带有SCR旁路的设计，更加需要反复验证，在满足SCR旁路起始点后烟道足够的混合长度的前提下，避免烟道内尤其是挡板处的积灰。目前的工程案例中，SCR装置一般都不设置反应器旁路。

四、我国煤灰特征及SCR高灰的脱除

燃煤烟气中灰分越高，对于SCR催化剂的磨损和堵塞就越严重。随着灰分的增加，碱土金属（CaO、MgO等）和灰粒中可溶性碱金属盐（Na、K等）对于催化剂活性的劣化也同时增加。当烟气中的灰分存在大量的大颗粒灰粒时，应在灰粒进入SCR反应器之前除去，防止催化剂的堵塞。当灰分较大时，建议在锅炉省煤器出口布置省煤器灰斗，以除去烟气中颗粒较大的灰粒。SCR反应器出口可不必布置灰斗，通过合理设定反应器出口烟道中烟气的流速和导流板的布置，完全可以避免SCR出口烟道积灰的发生。

在美国的SCR发展过程中，燃用部分煤质时出现了爆米花状飞灰（PopcornAsh）堵塞催化剂的情况。爆米花状飞灰是一种结构蓬松、尺寸较大的飞灰颗粒，其直径最大可达10mm以上，当粒径大于4～5mm时就可造成催化剂的严重阻塞。爆米花状飞灰的出现主要与煤质有关，其形成原因很多，其中一种为由锅炉受热面管子上的积灰变硬和被打碎后形成的。爆米花状飞灰的形成还和燃烧器的调整等燃烧条件有关。

随着国内SCR装置运行数量的增多，有个别火电厂也出现了爆米花状飞灰。对于爆米花状飞灰，由于其颗粒直径特别大，因此在催化剂设计上来防止堵灰是不现实的，必须在烟气进入催化剂前将其去除。对于常规炉型，采用在省煤器出口灰斗处设置偏流板或滤网的方法来收集爆米花状飞灰。图23 193所示为美国巴威公司用于脱除爆米花状飞灰的省煤器灰斗蝙蝠翼折流板专利技术。经实际工程经验验证，爆米花状飞灰的脱除率可从73.3%增大到98.9%，可有效保证SCR催化剂不发生爆米花状飞灰造成的堵灰。

图23193 巴威公司蝙蝠翼折流板

另外，在SCR设计前期，应充分考虑以后煤质的变化及运行负荷，特别是灰分及其特征的变化。

五、流场模拟及实体模型试验

SCR反应器、烟气通道、喷氨和混合系统的正确合理设计，是实现脱硝装置最佳性能的必要前提。在高尘脱硝装置中，特别要采取措施确保理想烟气流动条件，以避免催化剂堵塞、磨损等造成的损失。尤其在验证高尘SCR系统设计合理性时，烟气流场模拟是一个必要工具。流场模拟有CFD模拟和实体模型试验两种形式。在设计阶段应用CFD模拟及实体模型试验相结合，可以验证烟气流速分布均匀性、烟气流动调节装置的布置和评估飞灰沉积和分布状况。

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