循环流化床改炉排炉项目的炉前平台结构改造研究_龙吉生.pdf

2023NO2ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK书书书表 摇结构分析模型整理表模型编号模型的用途模型的情况介绍原结构模型改造前的主厂房垃圾贮坑区域结构模型输煤跨局部拆除的模型在原结构模型的基础上，删除炉排炉所占区域局部输煤跨投料口和炉前平台局部拆除的模型在模型 的基础上，删除投料口四周的梁和楼板及以下各层炉前平台对应位置的梁和楼板炉前平台抽柱的模型在模型 的基础上，删除与焚烧炉冲突的炉前平台框架柱及与之相连的框架梁收稿日期：2022-09-13作者简介：龙吉生（1966），男，研究生，博士，高级工程师，国务院政府特殊津贴专家，福冈大学客座教授，国家重点研发计划“固废资源化”重点专项（2020YFC1910100）项目负责人。循环流化床改炉排炉项目的炉前平台结构改造研究龙吉生1，2文国想1，2（1上海康恒环境股份有限公司上海2017032上海生活垃圾焚烧处理技术及装备工程研究中心上海201703）摘要在垃圾焚烧循环流化床改炉排炉项目中，主厂房炉前平台结构改造是重点和难点。该文以某循环流化床改炉排炉项目为例，研究输煤跨局部拆除、投料口和炉前平台局部拆除、炉前平台抽柱3种结构改造措施对结构的影响。利用空间有限元软件建立了数字化模型，通过对比分析改造前后局部和整体的结构参数，得出上述3种改造措施会削弱垃圾贮坑的抗侧承载力并增大池壁承受的荷载，增大炉前平台框架柱的X向剪力和Y向弯矩，增大整体结构的自振周期和变形，减小底层的抗剪承载力和地震剪力的结论，为结构改造设计提供了重要的理论参考。关键词循环流化床炉排炉炉前平台结构改造中图分类号：TU112；TK05文献标识码：A文章编号：1672-9064(2023)02016040引言2000年至2014年前后，是国内流化床垃圾焚烧炉项目发展的高峰期。在这段时间内，流化床炉由于实现国产化、造价投资低、低NOx焚烧技术等优势1，迅速占领了国内大半的市场份额。截至2019年底，国内已运行的流化床垃圾焚烧炉有160余台，日处理垃圾近7.3万t，为我国垃圾处理行业作出了巨大的贡献2。如今，在不断变化的市场情况以及日益提高的环保压力下，流化床炉型的弊端日益凸显，面临着环保不达标、设备老旧、处理能力不足等众多不利因素3，因而大量采用循环流化床工艺的老旧项目有改造为更先进炉排炉的需求。目前针对流化床改炉排炉项目的结构改造研究较少，影响了此类改造项目的开展和实施。本文通过对循环流化床改炉排炉项目中常见的输煤跨的局部拆除、投料口和炉前平台局部拆除、炉前平台抽柱改造进行研究，了解这些改造措施对结构所产生的不利影响，为后续此类项目的结构改造方案设计提供技术支持，具有比较重要的现实意义。1研究内容与方法本文以某个典型循环流化床项目的主厂房垃圾贮坑区域结构为研究对象，该区域为钢筋混凝土框排架-抗震墙结构4。针对其在改造为炉排炉时按顺序进行的输煤跨局部拆除、投料口和炉前平台局部拆除、炉前平台抽柱3种改造措施，如图1所示，分别进行空间有限元建模计算，并且与未改造前的原有结构模型进行对比分析，研究上述3项改造措施对垃圾贮坑和改造区域四周框架受力的影响，以及对结构整体计算指标的影响。上述各结构计算模型详见表1。此外，本文虽然选取了某个具体项目作为研究对象，但是该项目主厂房垃圾贮坑区域的结构布置在众多循环流化床项目中具有比较典型的代表性，并且这3种改造措施也是在众多循环流化床改造项目中普遍采用的改造措施，因此本文的研究结果对大部分类似的改造项目均具有借鉴意义。2结果与讨论采用YJK软件对上述模型分别进行空间有限元分析，比较各模型中垃圾贮坑和改造区域周围框架柱所承受的荷载以及结构整体指标的计算结果，定性研究上述3种改造措施对原有结构的影响。2.1对垃圾贮坑受力的影响输煤跨和炉前平台作为垃圾贮坑的抗侧力构件，局部拆除改造时，势必会对垃圾贮坑的受力产生影响。图2所示为上述4个模型中垃圾贮坑靠近炉前平台一侧的池壁底部，在活荷载单工况作用下的弯矩计算结果。图3所示为上述4个模型中垃圾贮坑靠近炉前平台跨一侧池壁中间部位，在活荷载单工况作用下的水平变形沿高度方向的分布情况。对比分析图2和图3中的弯矩和变形结果可知，本文研究的3种改造措施对垃圾贮坑的受力和变形均有明显的影响，并且改造措研 究 与 探 讨162023NO2.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK图2垃圾贮坑池壁底部弯矩（My）分布示意图图3垃圾贮坑中间位置池壁水平变形分布示意图图1某典型循环流化床项目的主厂房垃圾贮坑区域局部结构改造示意图施实施的越多，对垃圾贮坑受力和变形的影响越大；同时各改造措施对垃圾贮坑中间部位的影响，比对靠近两端部位的影响更大。对比图中弯矩和变形的相对变化幅度可知，模型3中的改造措施对垃圾贮坑受力和变形的影响更大一些，可见当进行3种改造措施对垃圾贮坑结构影响大小的横向对比时，投料口和炉前平台局部拆除改造的影响相对最大。输煤跨及炉前平台跨的框架和楼面对垃圾贮坑而言，均为其抗侧力构件，并且共同构成了垃圾贮坑在炉前平台一侧的抗侧力体系5。当进行上述3种局部的拆除改造时，均会削弱抗侧力体系的整体刚度，造成垃圾贮坑池壁受力和变形增大。但是相对而言，楼面因其本身的刚度较大，局部拆除时，炉前平台的楼面被截断成不连续的几块，其整体的水平刚度严重丧失，对整个抗侧力体系的削弱作用非常显著。而输煤跨局部拆除时，虽然对整个抗侧力体系也有削弱，但是仍有炉前平台跨支撑垃圾贮坑，造成的刚度损失只占整个抗侧力体系较小的一部分，因此该改造措施对垃圾贮坑池壁受力的影响相对较小。最后，当拆除与焚烧炉冲突的炉前平台柱及与之相连的框架梁时，整个抗侧力体系虽有削弱，但是由于模型3中已经拆除了该区域的楼面，剩余框架的刚度相对较小，拆除后对整个抗侧力体系和垃圾贮坑池壁受力的影响也相对较小。2.2对改造区域周边框架柱受力的影响统计各模型分析结果中，炉前平台和输煤跨框架柱柱底所承受的最大荷载设计值，详见表2。对比分析各模型的柱底研 究 与 探 讨172023NO2ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK荷载可知，上述3种改造措施对周边框架柱所承受的荷载均有影响。其中输煤跨局部拆除以及投料口和炉前平台局部拆除时，与拆除区域相邻的框架柱KZ2KZ5、KZ8KZ11轴力均明显减小。这是因为局部楼面拆除后，楼面四周框架柱所承担的楼面自重和楼面竖向荷载减小，柱底轴力也相应减小。对比KZ2KZ5、KZ8KZ11柱底X向剪力和Y向弯矩可知，当输煤跨局部拆除以及投料口和炉前平台局部拆除时，柱底X向剪力和Y向弯矩明显增大，并且靠近垃圾贮坑中间区域的KZ3、KZ4、KZ9和KZ10柱底荷载增幅比靠近垃圾贮坑两端区域的KZ2、KZ5、KZ8和KZ11要大的多。分析可知，输煤跨及炉前平台跨的框架和楼面作为垃圾贮坑的抗侧力构件，局部拆除后造成整个抗侧力体系的抗侧刚度降低，在垃圾贮坑水平堆载不变的情况下，各框架柱需要承担更大的水平荷载，造成柱底X向剪力和Y向弯矩增大。同时由于垃圾贮坑中间区域的水平变形相对于两端区域更大，抗侧力构件的水平变形也相对于两端区域更大，反映到柱底的情况就是X向剪力和Y向弯矩的增幅更大，这与前文分析的垃圾贮坑池壁底部弯矩的增大趋势是一致的。并且由于投料口和炉前平台局部拆除时，对整个抗侧力体系刚度的影响相对于其余2种改造措施更大，引起的柱底X向剪力和Y向弯矩的增幅也相对更大，这也与前文分析的垃圾贮坑池壁底部弯矩增大趋势一致。总而言之，本文研究的3种改造措施对炉前平台和输煤跨框架柱的受力均有影响，同一种改造措施对不同区域的柱底荷载有不同程度的影响，其中对靠近垃圾贮坑中间区域柱子的影响比靠近垃圾贮坑两端区域柱子的影响更大；不同的改造措施对同一根柱子的受力影响也不一样，相对而言投料口和炉前平台局部拆除改造比另外2种改造措施造成的影响更大。2.3对结构整体计算指标的影响统计各模型计算结果，主要结构整体计算指标值见表3。对比各模型的结构自振周期可知，上述3种改造措施均会影响到结构自振周期的大小。根据结构动力学原理，单自由度结构的自振周期可按式（1）计算6。T=2m/K（1）本文研究的结构对象虽然不是单自由度，但是质量和刚度对自振周期影响仍遵循式（1）中的规律，结构的自振周期T与其本身的刚度K成反比，与参与振动的质量m成正比。当拆除局部的结构构件时，结构的整体刚度减小，结构的参振质量也会减小。但是根据表3中结构自振周期的变化趋势可知，从模型1到模型4随着各项改造措施的实施，结构的自振周期逐渐变大，这说明本文研究模型的参振质量m与结构本身刚度K的比值，是随着各项改造措施的实施而逐渐增大的。对比各模型的最大层间位移角和顶层最大层平均位移计算结果可知，上述3种改造措施均会影响到结构变形的大小。从模型1到模型4，随着各改造措施的实施，拆除的结构构件越来越多，整体的结构刚度越来越小，结构顶层的最大层平均位移越来越大，最大层间位移角也越来越大。对比各模型底层地震剪力和底层抗剪承载力的计算结果可知，从模型1到模型4随着各项改造措施的实施，底层的抗剪承载力和地震剪力均随之减小。分析可知，底层抗剪承载力降低的原因是由于底层的抗剪构件随着改造措施的实施变得越来越少，而底层地震剪力降低的原因在于结构等效总重力荷载的减小和结构刚度的降低7。建筑抗震设计规范（GB 500112010）8中关于采用底书书书表 摇炉前平台和输煤跨主要的框架柱柱底最大荷载设计值整理表柱子编号模型编号（）（）研 究 与 探 讨182023NO2.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK（上接第7页）书书书表 摇各模型主要的结构整体计算指标值整理表模型编号结构自振周期 最大层间位移角 向 向顶层的最大层平均位移 向 向底层地震剪力 向 向底层抗剪承载力 向 向 部剪力法计算水平地震作用的公式见式（2）。Fek=1Geq（2）式中：Geq为整体结构的等效总重力荷载值，包含结构全部的自重及其所承受的竖向恒活荷载的代表值，当结构局部拆除时，不仅结构自重减小，作用在所拆除结构上的竖向恒活荷载也相应取消，在没有增加其他荷载的情况下，结构的等效总重力荷载值一定是减小的；1为相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数。根据建筑抗震设计规范（GB 500112010）第5.1.5条的规定，当结构的自振周期T在场地特征周期Tg的1倍到5倍之间时，1值与T值成反比。从模型1到模型4随着结构整体刚度的降低，T值逐渐增大，1值逐渐减小。综合上述Geq值和1值的变化趋势可知，结构底层的地震剪力Fek随各项改造措施的实施而逐渐减小。3结论在循环流化床改炉排炉项目中，输煤跨的局部拆除、投料口和炉前平台局部拆除、炉前平台抽柱这3种最常见的改造措施，对主厂房垃圾贮坑、改造区域附近框架的受力以及结构的整体计算指标都有着明显的影响，归纳有如下趋势。（1）3种改造措施均会削弱垃圾贮坑的抗侧承载力并增大垃圾贮坑池壁承受的荷载，并且随着各项改造措施的实施，削弱作用越来越强，垃圾贮坑池壁承受的荷载越来越大，其中投料口和炉前平台局部拆除在3种改造措施中对垃圾贮坑的抗侧承载力和受力影响相对最大。（2）3种改造措施均会影响改造区域周围框架的受力情况，特别是对靠近垃圾贮坑中间区域的框架柱，影响更加显著。随着各项改造措施的实施，框架柱所承担的X向剪力和Y向弯矩越来越大。（3）本文研究的3种常见改造措施，对结构的整体计算指标如自振周期、结构变形、底层的抗剪承载力和地震剪力等均有明显的影响。随着各项改造措施的实施，结构的自振周期和变形越来越大，底层的抗剪承载力和地震剪力越来越小。（4）在进行类似项目的炉前平台改造方案设计时，应兼顾对结构局部和整体的影响。参考文献1林宗虎.循环流化床锅炉的发展过程及趋向J.工业锅炉，2008（2）：1-5，11.2尤海辉.循环流化床垃圾焚烧炉燃烧优化试验研究D.杭州：浙江大学，2021.3刘宝宣.浅析循环流化床垃圾焚烧炉拆改成炉排型焚烧炉技术方案J.机电信息，2022（8）：84-88.4曹正旺，赵春梅，王雷.垃圾焚烧发电厂垃圾