旋转电极式电除尘器强度计算与优化

蒋 华，马湖刚，赵海宝，姚宇平，何毓忠，王贤明

(浙江菲达环保科技股份有限公司， 浙江 诸暨 311800)

旋转电极式电除尘器强度计算与优化

蒋 华，马湖刚，赵海宝，姚宇平，何毓忠，王贤明

(浙江菲达环保科技股份有限公司， 浙江 诸暨 311800)

旋转电极式电除尘器是燃煤电厂粉尘治理主流设备之一。作为大跨度较复杂的钢结构件，对旋转电极式电除尘器进行了整机强度计算和优化。通过有限元软件SAP2000建立常规经验设计的旋转电极式电除尘器整机模型，导入中国钢结构规范；分析显示动态特性良好，对整机钢结构规范进行了校核显示总体应力比符合要求，但存在分布不均，有较大的结构优化空间；通过整机分析，寻找过强或过弱的零件，对其设定为由若干个型号组成的待选型材，以钢结构规范为计算标准，优化分析得出最佳型号组合形式，优化后强度分布更合理，用钢量降低。

旋转电极式电除尘器;SAP2000;钢结构;强度计算

近年来随着环保要求的不断提高，对电除尘器的出口粉尘浓度控制越加严格，电除尘器的结构越来越多样化。旋转电极式电除尘器可有效解决二次扬尘，解决反电晕，具有出口粉尘浓度低等优点[1]，已成为燃煤电厂除尘设备的主流之一[2-3]。“低低温电除尘技术”结合旋转电极电除尘技术将是国内未来实现“近零排放”的有效技术之一[4]。电除尘器作为大型钢结构件，每台除尘器的用钢量常在两三千吨左右，因此结构强度计算和优化设计在电除尘器的设计中显得非常重要[5-6]。

1 整体方案

以一台660MW机组3+1旋转电极式电除尘器为分析目标，通过浙江菲达环保科技股份有限公司(以下简称菲达公司)引进程序和工程经验建立常规的初步方案。优化路线如图1所示，在SAP2000软件中建立结构模型。为降低建模难度，以部件为单位，建立单个目标的模型，单独简单分析以检验模型的正确性，再进行模型合并，建立整个旋转电极式电除尘器模型。

通过整机分析，初步寻找有改进余地的结构件，包括过强和过弱的零件，将这些指定零件设定为组合零件(给某个零件指定5种型号的工字钢型号，选择最优的一个型号)，以钢结构规范为计算标准，以初步方案强度均值为参考目标，以组合零件的类型为优化目标，优化出指定零件最佳的型号，从而优化强度分布的合理性，降低用钢量。

将最佳型号的质量、钢结构参数(应力、应力分布、整体稳定性等)与原有型号对比，分析优化前后的经济性和可靠性。

2 SAP2000在电除尘器中的应用特点

SAP2000是CSI公司开发的结构静动力有限元分析软件，适用于大跨空间结构设计与分析。其在电除尘器应用中，建模思路清晰；可直接导入型材，可编辑和自创型材；计算简单；有限元节点少，内存占用少，计算速度快；可组合选择计算，对钢结构材料进行优化；可直接调用钢结构规范，作为校核或优化的标准。但SAP2000三维显示没有SolidWorks、ANSYS等软件强大，实体细节不能修改。

3 模型建立

3.1模型建立思路

由于旋转电极式电除尘器整机模型相对较大[8]，如果采用传统建模方法，逐个零件依次建立，工作量大，在后续零件编辑时由于零件数量很多，计算机内存占用量大，运行缓慢，编辑难度大。

参考电除尘器工程出图思路，将电除尘器分为若干个部件，每个部件单独建立模型，单独分析，不仅可以检查模型，其分析结果同时还可以为整机分析提供参考，为后续的部件或构件优化提供借鉴。

3.2各部件模型

先进行单个部件的建模，在轴网系统的辅助下建立点、线、面模型，编辑点、线、面的连接形式，导入中国钢结构型材库，指定杆件的型材类型和材料，如图2所示。对于厂标件，比如菲达公司的HE钢、底梁支柱、顶盖梁等，自定义相应的杆件截面类型。

各部件结构模型如图2所示。

在多部件形成整机模型前，需要对几个部件预先合并，初步处理，从而降低整机合并时出错的处理难度。将部件导出成格式类型为s2k的文件，然后在整机模型文件中，通过导入部件模型文件，逐个组装部件，如图3所示。

3.3整机模型

旋转电极式电除尘器主要结构强度部件包括钢支架、底梁、灰斗、壳体、内外顶、进口封头、出口封头。与常规电除尘器不同的是，旋转电极式电除尘器一般末电场采用旋转电极电场，相应电场的灰斗一般需下沉以利于清灰刷的布置，顶盖需上凸以利于旋转极板动力装置的安装。旋转电极式电除尘器整体结构模型及主要强度部件的布置如图4所示。

4 前处理

4.1约束

进出口封头与烟道通过膨胀节连接，该处约束忽略。钢支架底端通过膨胀螺栓连接且焊死固定，因此钢支架底端为固定约束。电除尘器相关支撑部件之间通过焊接固定，因此其他各部件为固定连接。

4.2载荷

a.静载。包括电除尘器内部挂在顶盖横梁上的阳极板和阴极线的质量以及电除尘器本身结构质量两部分。

b.活载。主要由电除尘器内部负压引起的表面大气压力(如图5所示)，以及灰斗内积灰引起的灰斗重力组成。另外，根据中国钢结构规范，电除尘器自身质量的0.5倍需加载到活载中。

c.其他载荷。电除尘器其他载荷包括地震载荷、风载和雪载，具体大小根据当地规范或项目合同要求设定。

4.3钢结构规范和分析工况

载荷模式由静载、活载、地震载荷、风载、雪载组成，载荷工况包括以上载荷和模态。定义载荷组合时，导入钢框架设计默认组合类型。设计规范选择中国2010规范，框架体系选择无侧移框架体系NMF，地震等级按当地情况选择三级。

5 结果分析

5.1部件单独初步分析

对几个部件单独进行分析，通过相对简单的模型初步探索分析方法，并且初步了解几个主要部件的强度分布。

5.2整机动态特性分析

动态特性分析是大跨空间结构抗震性能分析的最基本内容之一[9]。固有频率和振型是结构的重要动力特性，对动力荷载下结构的响应有着显著的影响。使用SAP2000软件对结构进行模态分析，提供结构的基本性能参数，为结构地震响应和相关结构概念设计提供依据。同时，模态分析还是动力分析的基础，也是判断结构方案设计合理性的重要依据之一[10]。

对旋转电极式电除尘器整机结构进行模态分析，约束类型为钢支架底部固定约束，分析结果如图6和表1所示。

从旋转电极式电除尘器的整机模态分析结果可知，电除尘器存在平动振型和扭转振型，如表1所示，第1阶振型为左右平动，第2阶振型为前后平动，第3阶振型为左右扭转，第4阶振型为顶部凸出的旋转电极顶盖部分的局部平动。从第4阶之后电除尘器的振型为局部振动。

在整机模态振型中可以看出，前几阶振型不存在影响整机稳定性的平扭联动振型，并且首先出现的振型是最稳定的平动振型。因此，从以上分析可知，旋转电极式电除尘器动力特性良好。

5.3整机强度分析

对电除尘器分析结果进行中国钢结构规范校核，总体符合中国规范要求，如图7所示。

由图7可知，应力比全部小于0.85，大部分零件应力比主要集中在0.50左右，主要强度构件包括大梁、柱、主筋等符合要求，但存在部分零件强度分布不合理、应力比分布不均匀现象，主要表现在封头强度过大、壳体的封板强度过低等。

6 结构优化分析

通过对整机的应力比进行定量分析，提出相对简单的主要几个待优化零件，给出优化组合型号，对给出的若干个备选型号，通过有限元软件SAP2000排列组合分析，以提高钢材利用率，得出最佳的零件选择组合，使应力比分布更加合理，降低材料成本、自身负重、加工和安装难度。

综合分析后，提出具体零件的优化组合型号，进行优化组合分析，得出优化结构，优化结果见表2，优化后的应力比云图如图8所示。

在表2的设计中，首先分析强度情况，设定需要改进的位置(表2中的部件)，比如对部件进出口封头和壳体的应力情况进行比较，封头强度过大，壳体的封板强度过低。对比发现：在主要承受负压载荷的工况下，封头的筋板采用尺寸为100mm×63mm×8mm的角钢，间距800mm，相比壳体的筋板同样采用尺寸为100mm×63mm×8mm的角钢，间距为1 380mm，强度设计存在不合理现象，因此对该处提出了优化组合项(表2中的优化组合型号)，在软件优化分析后得出相应角钢筋的最优组合型号(表2中的优化结果)。

7 结束语

本文对大跨度不规则钢结构件旋转电极式电除尘器进行了有限元强度计算、分析与优化，分析结果如下：

a.电除尘器动态特性分析结果良好，各阶模态振型反映电除尘器整机整体上不存在概念设计缺陷，结构刚度大致布置合理。

b.对电除尘器进行了中国钢结构规范校核，总体符合中国规范要求。应力比全部小于0.85，大部分零件应力比主要集中在0.50左右，但存在部分零件强度分布不合理，应力比分布不均匀现象。

c.对大跨空间结构的电除尘器进行了抗震分析与设计，避免了只能针对大跨空间结构某一部分，而不能考虑上下部协同工作的整体分析的弊端，分析结果更加接近结构实际中的受力情况；同时，也直观地得到结构的动力特性和地震响应。

d.对电除尘器各部件应力比情况进行了定量分析，为简化计算量，通过应力比定量分析提出了相对简单的主要几个待优化零件，给出了优化组合型号，对给出的若干个备选型号，通过有限元软件进行排列组合分析，通过初步的优化分析，提高了钢材利用率，得出了最佳的零件选择组合，使应力比分布更加合理，一台660MW机组电除尘器大约节约30 000kg的用钢量，占分析结构总重的1.5%，具有较好的经济性。

[1] Gaylord W Penney. Adhesive behavior of dust in electrostatic precipitation [J]. Journal of the Air Pollution Control Association, 1975(2):113-117.[2] 郦建国，王自宽，舒英钢，等. 旋转电极式电除尘器的应用与技术经济性分析[J]. 科技导报, 2011(8):91-99.

[3] 薮田宏昭.移動電極形電気式集塵装置(集塵技術<特集>)[J]. 日立評論，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的大型结构可靠度分析[D].大连:大连理工大学, 2013.

[8] 王登峰，王元清，戴海金，等.电除尘器壳体的整体承载性能分析[J].机械强度, 2013, 35(5): 646-651.

[9] 张国玲，刘炳强.谈SAP2000 在空间构架式动力机器基础中的应用[J]. 山西建筑, 2013, 39(7):57-59.

[10] 吴凤林，任黎明.电除尘器本体结构的优化设计[J].太原理工大学学报, 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

国家863计划项目(2013AA065002)

蒋华(1975—)，男，浙江诸暨人，浙江菲达环保科技股份有限公司工程师，主要研究方向为电除尘结构计算。

X701.2; M621.7+3

B

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