電廠布袋除塵器花板結構有限元分析

梁秀廣

摘 要：花板是布袋除塵器的重要部件。本文以某電廠2×300MW機組布袋除塵器花板為研究對象，利用ANSYS有限元分析軟件進行了優化分析。對3種結構方案進行了詳細計算分析，優化后的加固肋重量下降了30%以上，為布袋除塵器花板設計和工程實踐提供了可靠依據。

關鍵詞：布袋除塵器 花板 有限元分析

中圖分類號：TU391 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）09（c）-0091-03

Abstract： Tubesheet is the important components in bag filter. Optimum analysis on tubesheet of bag filter in a 2×300MW power plant was studied on with ANSYS software used in finite element analysis. According to the analysis results on 3 structural concept， the structures of the tubesheet can be optimized. After the optimization， the weight of stiffening ribs reduce more than 30 percent. The result of this paper has certain reference significance in the design of tubesheet of bag filter.

Key Words： Bag filter； Tubesheet； Finite element analysis

近年來我國工業發展迅速，使大氣污染也日趨嚴重，其中粉塵是大氣污染的主要因素之一。粉塵污染直接威脅人們的身體健康，越來越受到人們的關注。因此用于燃煤電廠的除塵技術也得到了快速發展。隨著GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》最新版的頒布和實施，燃煤電廠煙塵排放濃度要求十分嚴格。這對于火電企業來說，原有的電除塵器越來越不能滿足排放要求。布袋除塵器作為一種高效除塵設備，在燃煤電廠中得到了越來越廣泛的應用。

布袋除塵器本體結構的可靠性設計才能保證其安全運行，尤其是花板等局部結構的設計。由于花板結構較復雜，其結構參數和性能直接關系到濾袋的性能，進而影響布袋除塵器的除塵效率和后期使用維護。目前，國內布袋除塵器花板的設計大多采用類比經驗設計，然而由于不同項目的布袋除塵器的工況條件不同，采用類比設計容易造成與實際工況相差較大，設計人員為確保安全，往往留有較大余量，這樣就造成了不必要的浪費。本文利用ANSYS 有限元分析軟件分析了某電廠 2×300MW機組布袋除塵器花板結構承載能力情況，能為結構設計與優化提供一定的參考。

1 布袋除塵器花板簡述

布袋除塵器花板是布袋除塵器的重要部件之一，其結構為平板，位于中箱體與上箱體之間，用于懸掛袋籠和濾袋、隔離凈煙氣和原煙氣?；ò迤矫嫔习凑展に囈笠幝摄@孔，為保證鉆孔后花板的強度和剛度，花板面上焊接有加固肋。在燃煤電廠用的大型布袋除塵器中，花板數量可達20塊以上?；ò逯饕艽\、濾袋及其粘附顆粒的重力和除塵器工作負壓的作用，容易發生彎曲變形?；ò褰Y構設計合理性對結構安全和經濟性具有重要意義。因此有必要對布袋除塵器花板結構進行研究。

2 花板結構優化分析

2.1 分析方法與原則

在進行布袋除塵器花板結構設計時，應在確保結構安全的前提下，使結構的用鋼量最省，造價最低，這是優化目標。首先分析花板結構所承受的各種荷載，根據其受力情況，選擇經濟合理的截面尺寸。經過優化分析使其在滿足強度、剛度等要求的前提下，截面面積最小。采用有限元分析軟件建立模型，通過改變扁鋼加固肋布置方式進行多次計算，以達到優化分析的目的。

2.2 分析軟件

本分析采用大型通用有限元分析軟件ANSYS。該軟件是集結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件，是美國機械工程師協會（ASME）、美國核安會（NRC）、美國宇航局（NASA）、中國鐵路機車車輛工業總公司、全國壓力容器標準化技術委員會（CNSCPV）等近20種專業技術協會認可的標準分析軟件。本分析中使用了其中的多物理場分析模塊。

2.3 荷載分析

花板焊接于除塵器殼體上，荷載主要由袋籠、濾袋、積灰以及運行壓力產生。所考慮荷載如下。

（1）自重：包括花板本身自重及加固肋重量。

（2）袋籠：袋籠自重為每個15kg，共計224個。

（3）濾袋：濾袋自重為600g/m2，濾袋直徑D=165mm，長8000mm。

（4）濾袋積灰荷載：積灰密度800kg/m3，按濾袋表面積灰厚度3mm考慮。

（5）溫差載荷：認為花板溫度為110℃，花板周邊殼體溫度為40℃（保守估計）。

2.4 結構模型建立

花板結構鋼板壁厚較薄，加固肋較多，使用三維實體單元做數值模擬計算結果最為精確，但有限元模型節點數龐大，計算時間長、效率低，甚至無法計算；將結構簡化為梁、殼結構進行計算，同樣具有很好的收斂特性，且能在保證計算精度的同時節省計算時間。所以，最終選擇做數值模擬的單元類型為殼單元SHELL181，和梁單元BEAM188。SHELL181單元是用于模擬三維殼結構的4節點四邊形單元，該單元是一次單元，每個節點有六個自由度，即X、Y和Z方向的平動以及繞X、Y和Z軸的轉動，該單元適合于分析薄殼和中等厚度的殼體結構，它比較好的適用于分析塑性、應力剛化、大轉動、大變形及大應變問題。BEAM188單元基于鐵木辛柯梁理論，它考慮了剪切變形的影響，其使用方法及后處理比起傳統的梁單元來說，更加直觀方便，具有更廣泛的通用性。該單元是2節點三維梁單元，最大特點是支持梁截面形狀顯示，可以考慮剪切變形和翹曲，可以直接顯示梁截面上的應力和變形。

利用ANSYS軟件建立的花板結構模型如圖1所示。

根據本項目布袋除塵器花板結構尺寸，對加固肋的布置形式進行優化分析。依據橫向、縱向加固肋不同，優化分析計算了3種方案。

2.5 分析結果

使用ANSYS軟件建立不同的分析方案模型，施加所考慮的各種荷載，得出了有限的分析結果（見表1）。

本工程方案1為最初設計方案，結構設計的各方面指標均能滿足要求，但是加固肋用鋼量較大，經濟性較差；方案2為初步優化后所得布置方案，加固肋用鋼量明顯減少，但是花板撓度過大，影響濾袋安全運行，因此不能采用；方案3綜合考慮了前兩種布置方案分析結果，對加固肋布置作出了合理調整，分析結果顯示結構設計的各方面指標均能滿足安全性要求，用鋼量比方案1減小了30%以上，達到了優化分析的目的，該項目最終采用了方案3進行結構設計。

優化后的計算方案3應力分布云圖和撓度分布云圖如圖2到圖3所示。

3 結語

本文利用ANSYS有限元分析軟件，對某電廠 2×300MW機組布袋除塵器花板結構進行了結構靜力分析和優化，最終得到了花板加固肋最優布置方案并且減少了鋼材用量。對3種結構方案進行了詳細計算分析，優化后的結構重量下降了30%以上，為布袋除塵器花板設計和工程實踐提供了可靠依據。

參考文獻

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