旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器強(qiáng)度計(jì)算與優(yōu)化

蔣 華，馬湖剛，趙海寶，姚宇平，何毓忠，王賢明

(浙江菲達(dá)環(huán)保科技股份有限公司， 浙江 諸暨 311800)

旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器強(qiáng)度計(jì)算與優(yōu)化

蔣 華，馬湖剛，趙海寶，姚宇平，何毓忠，王賢明

(浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?， 浙江 諸暨 311800)

旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器是燃煤電廠粉塵治理主流設(shè)備之一。作為大跨度較復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)件，對(duì)旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器進(jìn)行了整機(jī)強(qiáng)度計(jì)算和優(yōu)化。通過有限元軟件SAP2000建立常規(guī)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器整機(jī)模型，導(dǎo)入中國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范；分析顯示動(dòng)態(tài)特性良好，對(duì)整機(jī)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范進(jìn)行了校核顯示總體應(yīng)力比符合要求，但存在分布不均，有較大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間；通過整機(jī)分析，尋找過強(qiáng)或過弱的零件，對(duì)其設(shè)定為由若干個(gè)型號(hào)組成的待選型材，以鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化分析得出最佳型號(hào)組合形式，優(yōu)化后強(qiáng)度分布更合理，用鋼量降低。

旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器;SAP2000;鋼結(jié)構(gòu);強(qiáng)度計(jì)算

近年來隨著環(huán)保要求的不斷提高，對(duì)電除塵器的出口粉塵濃度控制越加嚴(yán)格，電除塵器的結(jié)構(gòu)越來越多樣化。旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器可有效解決二次揚(yáng)塵，解決反電暈，具有出口粉塵濃度低等優(yōu)點(diǎn)[1]，已成為燃煤電廠除塵設(shè)備的主流之一[2-3]?！暗偷蜏仉姵龎m技術(shù)”結(jié)合旋轉(zhuǎn)電極電除塵技術(shù)將是國內(nèi)未來實(shí)現(xiàn)“近零排放”的有效技術(shù)之一[4]。電除塵器作為大型鋼結(jié)構(gòu)件，每臺(tái)除塵器的用鋼量常在兩三千噸左右，因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)在電除塵器的設(shè)計(jì)中顯得非常重要[5-6]。

1 整體方案

以一臺(tái)660MW機(jī)組3+1旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器為分析目標(biāo)，通過浙江菲達(dá)環(huán)保科技股份有限公司(以下簡稱菲達(dá)公司)引進(jìn)程序和工程經(jīng)驗(yàn)建立常規(guī)的初步方案。優(yōu)化路線如圖1所示，在SAP2000軟件中建立結(jié)構(gòu)模型。為降低建模難度，以部件為單位，建立單個(gè)目標(biāo)的模型，單獨(dú)簡單分析以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性，再進(jìn)行模型合并，建立整個(gè)旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器模型。

通過整機(jī)分析，初步尋找有改進(jìn)余地的結(jié)構(gòu)件，包括過強(qiáng)和過弱的零件，將這些指定零件設(shè)定為組合零件(給某個(gè)零件指定5種型號(hào)的工字鋼型號(hào)，選擇最優(yōu)的一個(gè)型號(hào))，以鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，以初步方案強(qiáng)度均值為參考目標(biāo)，以組合零件的類型為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化出指定零件最佳的型號(hào)，從而優(yōu)化強(qiáng)度分布的合理性，降低用鋼量。

將最佳型號(hào)的質(zhì)量、鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)(應(yīng)力、應(yīng)力分布、整體穩(wěn)定性等)與原有型號(hào)對(duì)比，分析優(yōu)化前后的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

2 SAP2000在電除塵器中的應(yīng)用特點(diǎn)

SAP2000是CSI公司開發(fā)的結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力有限元分析軟件，適用于大跨空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。其在電除塵器應(yīng)用中，建模思路清晰；可直接導(dǎo)入型材，可編輯和自創(chuàng)型材；計(jì)算簡單；有限元節(jié)點(diǎn)少，內(nèi)存占用少，計(jì)算速度快；可組合選擇計(jì)算，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行優(yōu)化；可直接調(diào)用鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范，作為校核或優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)。但SAP2000三維顯示沒有SolidWorks、ANSYS等軟件強(qiáng)大，實(shí)體細(xì)節(jié)不能修改。

3 模型建立

3.1模型建立思路

由于旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器整機(jī)模型相對(duì)較大[8]，如果采用傳統(tǒng)建模方法，逐個(gè)零件依次建立，工作量大，在后續(xù)零件編輯時(shí)由于零件數(shù)量很多，計(jì)算機(jī)內(nèi)存占用量大，運(yùn)行緩慢，編輯難度大。

參考電除塵器工程出圖思路，將電除塵器分為若干個(gè)部件，每個(gè)部件單獨(dú)建立模型，單獨(dú)分析，不僅可以檢查模型，其分析結(jié)果同時(shí)還可以為整機(jī)分析提供參考，為后續(xù)的部件或構(gòu)件優(yōu)化提供借鑒。

3.2各部件模型

先進(jìn)行單個(gè)部件的建模，在軸網(wǎng)系統(tǒng)的輔助下建立點(diǎn)、線、面模型，編輯點(diǎn)、線、面的連接形式，導(dǎo)入中國鋼結(jié)構(gòu)型材庫，指定桿件的型材類型和材料，如圖2所示。對(duì)于廠標(biāo)件，比如菲達(dá)公司的HE鋼、底梁支柱、頂蓋梁等，自定義相應(yīng)的桿件截面類型。

各部件結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

在多部件形成整機(jī)模型前，需要對(duì)幾個(gè)部件預(yù)先合并，初步處理，從而降低整機(jī)合并時(shí)出錯(cuò)的處理難度。將部件導(dǎo)出成格式類型為s2k的文件，然后在整機(jī)模型文件中，通過導(dǎo)入部件模型文件，逐個(gè)組裝部件，如圖3所示。

3.3整機(jī)模型

旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度部件包括鋼支架、底梁、灰斗、殼體、內(nèi)外頂、進(jìn)口封頭、出口封頭。與常規(guī)電除塵器不同的是，旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器一般末電場采用旋轉(zhuǎn)電極電場，相應(yīng)電場的灰斗一般需下沉以利于清灰刷的布置，頂蓋需上凸以利于旋轉(zhuǎn)極板動(dòng)力裝置的安裝。旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器整體結(jié)構(gòu)模型及主要強(qiáng)度部件的布置如圖4所示。

4 前處理

4.1約束

進(jìn)出口封頭與煙道通過膨脹節(jié)連接，該處約束忽略。鋼支架底端通過膨脹螺栓連接且焊死固定，因此鋼支架底端為固定約束。電除塵器相關(guān)支撐部件之間通過焊接固定，因此其他各部件為固定連接。

4.2載荷

a.靜載。包括電除塵器內(nèi)部掛在頂蓋橫梁上的陽極板和陰極線的質(zhì)量以及電除塵器本身結(jié)構(gòu)質(zhì)量兩部分。

b.活載。主要由電除塵器內(nèi)部負(fù)壓引起的表面大氣壓力(如圖5所示)，以及灰斗內(nèi)積灰引起的灰斗重力組成。另外，根據(jù)中國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范，電除塵器自身質(zhì)量的0.5倍需加載到活載中。

c.其他載荷。電除塵器其他載荷包括地震載荷、風(fēng)載和雪載，具體大小根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)范或項(xiàng)目合同要求設(shè)定。

4.3鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范和分析工況

載荷模式由靜載、活載、地震載荷、風(fēng)載、雪載組成，載荷工況包括以上載荷和模態(tài)。定義載荷組合時(shí)，導(dǎo)入鋼框架設(shè)計(jì)默認(rèn)組合類型。設(shè)計(jì)規(guī)范選擇中國2010規(guī)范，框架體系選擇無側(cè)移框架體系NMF，地震等級(jí)按當(dāng)?shù)厍闆r選擇三級(jí)。

5 結(jié)果分析

5.1部件單獨(dú)初步分析

對(duì)幾個(gè)部件單獨(dú)進(jìn)行分析，通過相對(duì)簡單的模型初步探索分析方法，并且初步了解幾個(gè)主要部件的強(qiáng)度分布。

5.2整機(jī)動(dòng)態(tài)特性分析

動(dòng)態(tài)特性分析是大跨空間結(jié)構(gòu)抗震性能分析的最基本內(nèi)容之一[9]。固有頻率和振型是結(jié)構(gòu)的重要?jiǎng)恿μ匦?，?duì)動(dòng)力荷載下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)有著顯著的影響。使用SAP2000軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，提供結(jié)構(gòu)的基本性能參數(shù)，為結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)和相關(guān)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時(shí)，模態(tài)分析還是動(dòng)力分析的基礎(chǔ)，也是判斷結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)合理性的重要依據(jù)之一[10]。

對(duì)旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，約束類型為鋼支架底部固定約束，分析結(jié)果如圖6和表1所示。

從旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器的整機(jī)模態(tài)分析結(jié)果可知，電除塵器存在平動(dòng)振型和扭轉(zhuǎn)振型，如表1所示，第1階振型為左右平動(dòng)，第2階振型為前后平動(dòng)，第3階振型為左右扭轉(zhuǎn)，第4階振型為頂部凸出的旋轉(zhuǎn)電極頂蓋部分的局部平動(dòng)。從第4階之后電除塵器的振型為局部振動(dòng)。

在整機(jī)模態(tài)振型中可以看出，前幾階振型不存在影響整機(jī)穩(wěn)定性的平扭聯(lián)動(dòng)振型，并且首先出現(xiàn)的振型是最穩(wěn)定的平動(dòng)振型。因此，從以上分析可知，旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器動(dòng)力特性良好。

5.3整機(jī)強(qiáng)度分析

對(duì)電除塵器分析結(jié)果進(jìn)行中國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范校核，總體符合中國規(guī)范要求，如圖7所示。

由圖7可知，應(yīng)力比全部小于0.85，大部分零件應(yīng)力比主要集中在0.50左右，主要強(qiáng)度構(gòu)件包括大梁、柱、主筋等符合要求，但存在部分零件強(qiáng)度分布不合理、應(yīng)力比分布不均勻現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在封頭強(qiáng)度過大、殼體的封板強(qiáng)度過低等。

6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

通過對(duì)整機(jī)的應(yīng)力比進(jìn)行定量分析，提出相對(duì)簡單的主要幾個(gè)待優(yōu)化零件，給出優(yōu)化組合型號(hào)，對(duì)給出的若干個(gè)備選型號(hào)，通過有限元軟件SAP2000排列組合分析，以提高鋼材利用率，得出最佳的零件選擇組合，使應(yīng)力比分布更加合理，降低材料成本、自身負(fù)重、加工和安裝難度。

綜合分析后，提出具體零件的優(yōu)化組合型號(hào)，進(jìn)行優(yōu)化組合分析，得出優(yōu)化結(jié)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)果見表2，優(yōu)化后的應(yīng)力比云圖如圖8所示。

在表2的設(shè)計(jì)中，首先分析強(qiáng)度情況，設(shè)定需要改進(jìn)的位置(表2中的部件)，比如對(duì)部件進(jìn)出口封頭和殼體的應(yīng)力情況進(jìn)行比較，封頭強(qiáng)度過大，殼體的封板強(qiáng)度過低。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在主要承受負(fù)壓載荷的工況下，封頭的筋板采用尺寸為100mm×63mm×8mm的角鋼，間距800mm，相比殼體的筋板同樣采用尺寸為100mm×63mm×8mm的角鋼，間距為1 380mm，強(qiáng)度設(shè)計(jì)存在不合理現(xiàn)象，因此對(duì)該處提出了優(yōu)化組合項(xiàng)(表2中的優(yōu)化組合型號(hào))，在軟件優(yōu)化分析后得出相應(yīng)角鋼筋的最優(yōu)組合型號(hào)(表2中的優(yōu)化結(jié)果)。

7 結(jié)束語

本文對(duì)大跨度不規(guī)則鋼結(jié)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器進(jìn)行了有限元強(qiáng)度計(jì)算、分析與優(yōu)化，分析結(jié)果如下：

a.電除塵器動(dòng)態(tài)特性分析結(jié)果良好，各階模態(tài)振型反映電除塵器整機(jī)整體上不存在概念設(shè)計(jì)缺陷，結(jié)構(gòu)剛度大致布置合理。

b.對(duì)電除塵器進(jìn)行了中國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范校核，總體符合中國規(guī)范要求。應(yīng)力比全部小于0.85，大部分零件應(yīng)力比主要集中在0.50左右，但存在部分零件強(qiáng)度分布不合理，應(yīng)力比分布不均勻現(xiàn)象。

c.對(duì)大跨空間結(jié)構(gòu)的電除塵器進(jìn)行了抗震分析與設(shè)計(jì)，避免了只能針對(duì)大跨空間結(jié)構(gòu)某一部分，而不能考慮上下部協(xié)同工作的整體分析的弊端，分析結(jié)果更加接近結(jié)構(gòu)實(shí)際中的受力情況；同時(shí)，也直觀地得到結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和地震響應(yīng)。

d.對(duì)電除塵器各部件應(yīng)力比情況進(jìn)行了定量分析，為簡化計(jì)算量，通過應(yīng)力比定量分析提出了相對(duì)簡單的主要幾個(gè)待優(yōu)化零件，給出了優(yōu)化組合型號(hào)，對(duì)給出的若干個(gè)備選型號(hào)，通過有限元軟件進(jìn)行排列組合分析，通過初步的優(yōu)化分析，提高了鋼材利用率，得出了最佳的零件選擇組合，使應(yīng)力比分布更加合理，一臺(tái)660MW機(jī)組電除塵器大約節(jié)約30 000kg的用鋼量，占分析結(jié)構(gòu)總重的1.5%，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

[1] Gaylord W Penney. Adhesive behavior of dust in electrostatic precipitation [J]. Journal of the Air Pollution Control Association, 1975(2):113-117.[2] 酈建國，王自寬，舒英鋼，等. 旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器的應(yīng)用與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2011(8):91-99.

[3] 藪田宏昭.移動(dòng)電極形電気式集塵裝置(集塵技術(shù)<特集>)[J]. 日立評(píng)論，1982,64(2):105-110.

[4] Toshiaki Misaka，Yoshihiko，Mochizuki. Recent application and running cost of moving electrode type electrostatic precipitator [C] // 11th International Conference on Electrostatic Precipitation. Hangzhou: Chinese Society of Electrostatic Precipitation, 2008:518-522.

[5] Misaka T, Oura T, Yamazaki M. Improvement of Reliability for Moving Electrode Type Electrostatic Precipitator [C] // 12th International Conference of Electrostatic Precipitation. Nuremberg (Germany): The International Electric Committee, 2011:1-10.

[6] Ando H, Shiromaru N,Mochizuki Y. Recent technology of moving electrode electrostatic precipitator [J]. International Journal of Plasma Environmental Science & Technology, 2011(5):130-134.

[7] 于忠翰.基于SAP2000的大型結(jié)構(gòu)可靠度分析[D].大連:大連理工大學(xué), 2013.

[8] 王登峰，王元清，戴海金，等.電除塵器殼體的整體承載性能分析[J].機(jī)械強(qiáng)度, 2013, 35(5): 646-651.

[9] 張國玲，劉炳強(qiáng).談SAP2000 在空間構(gòu)架式動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)中的應(yīng)用[J]. 山西建筑, 2013, 39(7):57-59.

[10] 吳鳳林，任黎明.電除塵器本體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 31(3):263-266.

Strength calculation and optimization on MEEP

JIANG Hua, MA Hugang, ZHAO Haibao, YAO Yuping, HE Yuzhong, WANG Xinming

(Zhejiang Feida Environmental Science & Technology Co.,Ltd., Zhejiang Zhuji, 311800, China)

Mobile electrode electrostatic precipitator(MEEP)is one of the mainstream methods for smoke-gas treatment in goal-fired power plants. It establishes a large span steel structure for normal MEEP model and calculations the strength of MEEP. The result shows that it has a good dynamic property and the stress ratios meet the specification. But the stress ratios are not uniformity enough. Then, it optimizes the MEEP after setting the stronger and weaker part several appointed steel types. With a better combination, the MEEP gets better stress and lower steel consumption.

MEEP; SAP2000; steel structure; strength calculation

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.04.019

2015-02-27

國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA065002)

蔣華(1975—)，男，浙江諸暨人，浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰竟こ處?，主要研究方向?yàn)殡姵龎m結(jié)構(gòu)計(jì)算。

X701.2; M621.7+3

B

2095-509X(2015)04-0081-05