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一种脱硝反应器及其 支架一体化设计方法

阅读：943发布：2020-05-16

专利汇可以提供一种脱硝反应器及其支架一体化设计方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种脱硝反应器及其支架一体化设计方法，应用于脱硫脱硝反应器塔的设计分析领域，包括如下步骤：(1)保温层设计；(2)方案设计；(3)脱硝反应器框架设计；(4)壳体设计；(5)支架设计；(6)整体分析和设计。应用本发明对脱硝反应器及其支架进行了一体化设计，更切合脱硝反应器的实际工作情况，能够有效解决脱硝反应器及其支架设计周期长、工作效率低、连接结构协调性差等技术问题，有效提高设计的合格率和效率，节约成本，具有很好的经济效益和社会效益。，下面是一种脱硝反应器及其支架一体化设计方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种脱硝反应器及其支架一体化设计方法，包括以下步骤：
1)保温层设计：
1.1)收集脱硝反应器工作环境参数，进行脱硝反应器保温层初步设计；
1.2)借助非线性有限元技术，进行保温层材料和粘结方式的精确设计，获得准确的脱硝反应器温度场分布；
2)方案设计：
2.1)收集已有的脱硝反应器结构类型、支座和支架体系结构；
2.2)根据催化剂种类、布置方式对脱硝反应器大致定型；
2.3)按照催化剂入口处的气体条件要求，初步确定脱硝反应器中导流、整流结构及吹灰设备的布置参数；
2.4)综合考虑催化剂的几何尺寸和各附加设备的几何尺寸，估算出脱硝反应器的主要结构特征参数；
3)脱硝反应器框架设计：
3.1)在步骤2)的基础上提取出脱硝反应器结构的主要荷载；
3.2)在步骤2)的基础上确定本次设计的脱硝反应器框架构型，按照催化剂布置要求和框架结构的主要组成部分中框架梁、框架柱、加劲肋以及框架支撑的几何关系，得到框架各组成部分的结构参数间的约束关系；
3.3)根据上一步骤中的约束关系提取出结构参数中的关键驱动参数，并根据关键驱动参数确定其他从动参数；
3.4)基于前两步中确定的结构参数进行脱硝反应器的参数化有限元建模；
3.5)对脱硝反应器有限元模型进行仿真分析并输出仿真结果，进行脱硝反应器框架结构强度初步设计，给出脱硝反应器框架结构中各关键参数的取值范围；
4)壳体设计
在步骤3)的基础上对脱硝反应器框架结构进行壳体布置，以壳体厚度、加劲尺寸和加劲位置作为关键参数进行脱硝反应器整个壳体的参数化有限元建模，并与脱硝反应器框架结构组合为一体开展仿真分析，进行脱硝反应器框架的强度验证和壳体设计，进一步细化脱硝反应器框架结构和壳体结构中关键参数的取值范围。
5)支架设计
根据步骤2)中资料收集结果选择脱硝反应器的支架结构形式并提取脱硝反应器支座处的反力作为支架荷载；参考步骤3)针对选定的支架结构形式进行关键驱动参数提取，进而进行支架的参数化有限元建模分析，给出支架结构中各关键参数的取值范围；
6)整体分析和设计：
6.1)利用步骤3)、4)及步骤5)中确定的结构参数进行脱硝反应器及其支架一体化有限元模型创建，在该一体化模型中设置材料参数属性、设置边界条件、约束、支座连接以及荷载条件形成脱硝反应器及其支架一体化分析模型；
6.2)对该一体化分析模型进行刚度和强度计算，并进一步优化设计得到合理经济的设计方案。
2.根据权利要求1所述的一种脱硝反应器及其支架一体化设计方法，其特征在于：所述步骤1.1)中的工作环境参数包括脱硝反应器的工作温度区间、布置位置、工况以及场地要求。
3.根据权利要求1所述的一种脱硝反应器及其支架一体化设计方法，其特征在于：所述步骤2.2)中催化剂种类及布置方式根据烟气净气要求进行选择。
4.根据权利要求1所述的一种脱硝反应器及其支架一体化设计方法，其特征在于：所述步骤2.3)中催化剂入口处的气体条件要求包括烟气流速最大偏差、烟气温度最大偏差、烟气含氮摩尔比最大偏差以及烟气流向偏差。
5.根据权利要求4所述的一种脱硝反应器及其支架一体化设计方法，其特征在于：所述烟气流速最大偏差小于15％、烟气温度最大偏差小于±15℃、烟气含氮摩尔比最大偏差小于5％、为烟气流向偏差小于10°。
6.根据权利要求1所述的一种脱硝反应器及其支架一体化设计方法，其特征在于：所述步骤2.4)中催化剂的几何尺寸包括催化剂模块大小、数量以及层数。
7.根据权利要求1所述的一种脱硝反应器及其支架一体化设计方法，其特征在于：所述步骤3.1)中在步骤2)的基础上提取出的脱硝反应器结构的主要荷载包括催化剂荷载、导流和整流设备荷载、吹灰设备荷载以及其他附属设备荷载。
8.根据权利要求1所述的一种脱硝反应器及其支架一体化设计方法，其特征在于：所述步骤3.2)中的约束关系为框架梁与框架柱的约束关系、加劲肋与框架梁和框架柱之间的约束关系、框架支撑与框架柱之间的约束关系。

说明书全文

一种脱硝反应器及其支架一体化设计方法

技术领域

[0001] 本发明应用于脱硫脱硝反应器塔的设计分析领域，具体涉及一项基于参数化建模和热力学有限分析技术的一种脱硝反应器及其支架一体化设计方法。

背景技术

[0002] 在脱硝工程中，脱硝反应器(SCR反应器)是烟气脱硝系统的核心的设备，其主要功能是承载催化剂，为脱硝反应提供空间，同时保证烟气流动的顺畅与气流分布的均匀，为脱硝反应的顺利进行创造条件。脱硝反应器具有载荷种类多，设备重，工作环境复杂，容易出现热应力集中等特殊性。同时，反应器的荷载和变形都要传递到其支架结构上，由于设备重、空间刚度分布不规则等原因，对于支撑的合理布置、强弱支撑的判断及结构扭转和侧移控制都提出要更高的要求。

[0003] 目前脱硝反应器与支架的设计是分开的，对反应器进行设计时支架仅仅作为约束来考虑，而在设计支架时反应器也简化为与支架连接位置(即反应器支座位置)的作用力而已，并且无论是支架还是反应器都未进行充分的有限元仿真分析，更别说是反应器与支架一体化分析，这种设计方式存诸多不足之处：

[0004] (1)工作效率低下，参数化性能不高，一旦反应器或支架有方案的修改需要对反应器和支架重新进行建模计算，导致设计周期长。

[0005] (2)反应器和支架协调性差，没有进行支架和反应器的一体化设计，忽略了二者之间连接处的细部设计，无法准确计算出脱硝反应器在工作中的变形。

[0006] (3)反应器及支架的设计更依赖于设计人员的工程经验，设计质量和设计效率不能得到有效的保证。

[0007] 因此，传统的设计方法很难满足脱硝反应器及其支架体系的设计要求，非常有必要进一步深入研究脱硝反应器及其支架的有限元分析设计技术。

发明内容

[0008] 本发明提供一种脱硝反应器及其支架一体化设计方法，以解决现有脱硝反应器及其支架设计周期长、工作效率低、连接结构协调性差等技术问题。

[0009] 本发明解决技术问题的技术方案如下：

[0010] 本发明一种脱硝反应器及其支架一体化设计方法，包括以下步骤：

[0011] 1)保温层设计：

[0012] 1.1)收集脱硝反应器工作环境参数，包括脱硝反应器的工作温度区间、布置方式、工况及场地要求等，根据这些收集的工作环境参数进行脱硝反应器保温层初步设计；

[0013] 1.2)借助非线性有限元技术，进行保温层材料和粘结方式的精确设计，获得准确的脱硝反应器温度场分布；在设计时，重点在于该脱硝反应器的保温层能够实现阻止烟气快速冷却，以保证催化还原反应过程的顺利进行，同时也要尽可能降低工作过程中脱硝反应器结构温度差，并为后续脱硝反应器结构设计提供准确的温度场约束条件；

[0014] 2)方案设计：

[0015] 2.1)收集已有的脱硝反应器结构类型、支座和支架体系结构；

[0016] 2.2)根据催化剂种类、布置方式对脱硝反应器大致定型；

[0017] 2.3)按照催化剂入口处的气体条件要求，初步确定脱硝反应器中导流、整流结构及吹灰设备的布置参数；

[0018] 2.4)综合考虑催化剂的几何尺寸和各附加设备的几何尺寸，估算出脱硝反应器的主要结构特征参数；

[0019] 3)脱硝反应器框架设计：

[0020] 3.1)在步骤2)的基础上提取出脱硝反应器结构的主要荷载；

[0021] 3.2)在步骤2)的基础上确定本次设计的脱硝反应器框架构型，按照框架结构主要组成部分中框架梁、加劲肋、立柱及框架支撑的几何关系，得到框架各组成部分的结构参数间的约束关系；该几何关系具体表现为框架的层高、框架梁的跨度以及间距、加劲肋间距、框架支撑的位置等；该约束关系包括框架梁与框架柱的约束关系，框架支撑与框架柱之间的关系，壳体加劲与框架梁和框架柱之间的关系等。

[0022] 3.3)根据约束关系提取出结构参数中的关键驱动参数，包括框架的层高、框架梁的跨度及间距、加劲间距以及框架梁、框架柱、加劲肋的截面，并根据关键驱动参数确定其他从动参数；

[0023] 3.4)基于前两步中确定的结构参数进行脱硝反应器的参数化有限元建模；3.5)对脱硝反应器有限元模型进行仿真分析并输出仿真结果，进行脱硝反应器结构强度设计，给出脱硝反应器框架结构中关键参数的取值范围；

[0024] 4)壳体设计

[0025] 在步骤3)的基础上对脱硝反应器框架结构进行壳体布置，以壳体厚度、加劲尺寸和加劲位置作为关键参数进行脱硝反应器整个壳体的有限元建模，并与框架结构组合为一体开展仿真分析，进行脱硝反应器框架的强度验证和壳体设计，进一步细化框架结构和壳体结构中关键参数的取值范围。

[0026] 5)支架设计

[0027] 依据步骤2)中资料收集结果选择脱硝反应器的支架结构形式，提取经步骤3)和步骤4)得到的脱硝反应器有限元模型中约束反力，该反力将作为支架结构的荷载。参考步骤3)，提取支架结构中的关键驱动参数，进而建立支架结构参数化有限元建模并进行分析，最终给出支架结构中各关键参数的取值范围；

[0028] 6)整体分析和设计：

[0029] 6.1)利用步骤3)、4)及步骤5)中确定的结构参数进行脱硝反应器及其支架一体化有限元模型创建，并在有限元模型中添加材料参数属性、定义荷载、设置脱硝反应器与支架间的耦合关系(即支座)、设定支架结构的固定约束，最终形成脱硝反应器及其支架一体化分析模型。

[0030] 6.2)对该一体化模型进行优化分析，最终得到满足相关规范要求的合理方案。

[0031] 进一步地，所述步骤2.2)中催化剂种类及布置方式根据烟气净气要求进行选择。

[0032] 进一步地，所述步骤2.3)中催化剂入口处的气体条件要求包括烟气流速最大偏差、烟气温度最大偏差、烟气含氮摩尔比最大偏差以及烟气流向偏差。

[0033] 进一步地，所述烟气流速最大偏差小于15％、烟气温度最大偏差小于±15℃、烟气含氮摩尔比最大偏差小于5％、为烟气流向偏差小于10°。

[0034] 进一步地，所述步骤2.4)中催化剂的几何尺寸包括催化剂模块大小、数量以及层数。

[0035] 进一步地，所述步骤3.1)中在步骤2)的基础上提取出的脱硝反应器结构的主要荷载包括温度差、催化剂荷载、导流和整流荷载、吹灰设备荷载以及其他附属设备荷载。

[0036] 相对于现有技术，本发明具有以下优点：

[0037] 1、本发明对脱硝反应器和其支架体系进行一体化设计，有效的提高设计的合格率和效率；

[0038] 2、本发明提出先于结构设计而进行保温层设计，通过非线性有限元技术的应用能够对保温层进行精细设计，给出反应器工作过程中的准确温度场范围，为后续的温度变形和温度应力计算提供准确的边界约束条件；相比于传统的取最高温度(反应器内壁温度)作为温度差进行设计更符合实际情况，最终方案也会更节省；

[0039] 3、本发明在建模过程中只需提供结构关系的驱动参数，即可建立支架-反应器参数化模型；根据有限元模型的计算结果，当结构参数不满足要求重新计算时需要修改响应参数，无需重复进行有限元前处理；

[0040] 4、本发明提出的参数化建模方便进行后续的优化设计，可以为用户提供最优设计参数组合，降低以往对工程经验的过度依赖。附图说明

[0041] 图1为本发明的所述设计方法的流程图；

[0042] 图2为典型脱硝反应器框架结构平面图；

[0043] 图3为典型脱硝反应器框架结构立面图；

[0044] 图中1.框架梁，2.立柱，3.加劲肋。

具体实施方式

[0045] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0046] 如图1所示，一种脱硝反应器及其支架一体化设计方法，包括以下步骤：

[0047] 1)保温层设计：

[0048] 1.1)收集脱硝反应器工作环境参数，包括该脱硝反应器的工作温度区间、布置位置、工况及场地要求等，根据这些工作环境参数选择合适的保温材料进行脱硝反应器保温层初步设计；

[0049] 1.2)借助非线性有限元技术，进行保温层材料和粘结方式的精确设计，设计时，重点确保该脱硝反应器的保温层能够实现阻止烟气快速冷却，以保证催化还原反应过程的顺利进行，同时也要尽可能降低工作过程中脱硝反应器结构温度差；通过设计，能够得出脱硝反应器内壁与保温层内壁之间的温度差，从而为后续的反应器结构热变形计算提供准确的温度边界，即为后续脱硝反应器结构和设计提供准确的温度场约束条件；

[0050] 2)方案设计：

[0051] 2.1)收集已有的脱硝反应器结构类型、支座和支架体系结构。其中，脱硝反应器结构要能够承载催化剂、提供脱硝反应开展的有效空间和相应条件；支架结构要能够承载反应器本体及其内部催化剂和其他附属设备等的荷载；支座主要起连接反应器本体与支架并传力的作用，能够有效的释放反应器本体的温度变形。脱硝反应器宜采用钢结构并充分考虑耐热、膨胀等设计。鉴于，目前没有专门的脱硝反应器设计规范，在设计时可以参考借鉴烟囱/塔类，储存罐/压力容器类，锅炉类火电厂烟道等薄壁壳体结构设计规范。例如借鉴锅炉钢结构设计规范，脱硝反应器与支架之间可以采用支撑式或者悬吊式来连接；

[0052] 2.2)根据烟气净化要求，选择催化剂种类、布置方式对脱硝反应器大致定型；

[0053] 2.3)按照催化剂入口处的气体条件要求，初步确定脱硝反应器中导流、整流结构及吹灰设备等的布置参数；该催化剂入口处的气体条件要求包括烟气流速最大偏差小于15％、烟气温度最大偏差小于±15℃、烟气含氮摩尔比最大偏差小于5％、为烟气流向偏差小于10°；

[0054] 2.4)综合考虑烟气净化要求和催化剂效率等因素，估算出催化剂模块大小、数量以及布置层数，再结合各附加设备的几何尺寸，获得脱硝反应器的主要结构特征参数；

[0055] 3)脱硝反应器框架设计：

[0056] 3.1)在步骤2)的基础上提取出脱硝反应器结构的主要荷载，包括温度差、催化剂荷载、导流和整流结构荷载、吹灰设备以及其他附属设备荷载等；

[0057] 3.2)在步骤2的基础上确定本次设计的反应器框架构型，按照确定的催化剂布置要求和框架结构中各组成部分的几何关系，得到表示框架各组成部分的各个结构参数间的约束关系；

[0058] 3.3)根据约束关系提取出结构参数中的关键驱动参数，并根据关键驱动参数确定其他从动参数；

[0059] 典型脱硝反应器框架结构平面图和立面图分别如图1和2所示，结构参数包括：框架梁1截面类型、框架柱2截面类型、加劲肋3类型、框架梁1跨度和框架梁1间距，框架的层高，加劲肋3间距。根据实际的约束关系，输入以上这些参数可以实现反应器框架的参数化建模，大大提高设计效率；

[0060] 3.4)基于前两步中确定的结构参数进行脱硝反应器的有限元建模，并在该有限元模型中添加材料属性、设置边界条件和约束条件，并施加相关荷载进行计算分析；

[0061] 3.5)对脱硝反应器有限元模型进行仿真分析并输出仿真结果，进行脱硝反应器结构强度设计，引入强度要求，以各个截面许用应力为优化目标，分别以框架结构中框架梁、立柱和加劲肋的主要结构参数为设计变量进行参数优化，得到最优组合，给出框架梁、立柱和加劲肋合理的选型空间；

[0062] 4)壳体设计：

[0063] 4.1)在步骤3)的基础上对脱硝反应器框架结构进行壳体布置，壳体主要起围护作用不做承重考虑，但要承受脱硝反应器中气体压力并传递给加劲肋再传递到反应器框架上；

[0064] 4.2)对壳体进行关键参数提取包括壳体的厚度和加劲位置及截面，建立包含壳体和反应器框架的一体模型，引入强度和变形要求，以壳体厚度、加劲位置及截面为设计变量进行参数优化，给出壳体厚度和加劲合理的选型空间。

[0065] 5)支架设计:

[0066] 选定支架结构类型，提取脱硝反应器模型中的约束反力，该反力将作为支架结构的外荷载。对支架结构进行关键参数提取，并进行有限元建模分析，给出支架结构中关键参数的取值范围；

[0067] 6)整体分析和设计：

[0068] 6.1)利用步骤3)、4)及步骤5)中确定的结构参数进行脱硝反应器及其支架一体化有限元模型创建，并在有限元模型中添加材料参数属性、定义荷载、设置反应器与支架间的耦合关系(即支座)、设定支架结构的固定约束，最终形成脱硝反应器及其支架一体化分析模型；

[0069] 6.2)对该一体化模型进行优化分析，引入强度和变形要求，以步骤3)～5)得到的各关键参数取值范围作为限定的解空间，进一步缩小满足要求的解的范围，最终得到合理的设计方案。

[0070] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

[0071] 本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

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