电厂布袋除尘器花板结构有限元分析

梁秀广

摘 要：花板是布袋除尘器的重要部件。本文以某电厂2×300MW机组布袋除尘器花板为研究对象，利用ANSYS有限元分析软件进行了优化分析。对3种结构方案进行了详细计算分析，优化后的加固肋重量下降了30%以上，为布袋除尘器花板设计和工程实践提供了可靠依据。

关键词：布袋除尘器 花板 有限元分析

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：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

近年來我国工业发展迅速，使大气污染也日趋严重，其中粉尘是大气污染的主要因素之一。粉尘污染直接威胁人们的身体健康，越来越受到人们的关注。因此用于燃煤电厂的除尘技术也得到了快速发展。随着GB 13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》最新版的颁布和实施，燃煤电厂烟尘排放浓度要求十分严格。这对于火电企业来说，原有的电除尘器越来越不能满足排放要求。布袋除尘器作为一种高效除尘设备，在燃煤电厂中得到了越来越广泛的应用。

布袋除尘器本体结构的可靠性设计才能保证其安全运行，尤其是花板等局部结构的设计。由于花板结构较复杂，其结构参数和性能直接关系到滤袋的性能，进而影响布袋除尘器的除尘效率和后期使用维护。目前，国内布袋除尘器花板的设计大多采用类比经验设计，然而由于不同项目的布袋除尘器的工况条件不同，采用类比设计容易造成与实际工况相差较大，设计人员为确保安全，往往留有较大余量，这样就造成了不必要的浪费。本文利用ANSYS 有限元分析软件分析了某电厂 2×300MW机组布袋除尘器花板结构承载能力情况，能为结构设计与优化提供一定的参考。

1 布袋除尘器花板简述

布袋除尘器花板是布袋除尘器的重要部件之一，其结构为平板，位于中箱体与上箱体之间，用于悬挂袋笼和滤袋、隔离净烟气和原烟气。花板平面上按照工艺要求规律钻孔，为保证钻孔后花板的强度和刚度，花板面上焊接有加固肋。在燃煤电厂用的大型布袋除尘器中，花板数量可达20块以上。花板主要受袋笼、滤袋及其粘附颗粒的重力和除尘器工作负压的作用，容易发生弯曲变形。花板结构设计合理性对结构安全和经济性具有重要意义。因此有必要对布袋除尘器花板结构进行研究。

2 花板结构优化分析

2.1 分析方法与原则

在进行布袋除尘器花板结构设计时，应在确保结构安全的前提下，使结构的用钢量最省，造价最低，这是优化目标。首先分析花板结构所承受的各种荷载，根据其受力情况，选择经济合理的截面尺寸。经过优化分析使其在满足强度、刚度等要求的前提下，截面面积最小。采用有限元分析软件建立模型，通过改变扁钢加固肋布置方式进行多次计算，以达到优化分析的目的。

2.2 分析软件

本分析采用大型通用有限元分析软件ANSYS。该软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安会（NRC）、美国宇航局（NASA）、中国铁路机车车辆工业总公司、全国压力容器标准化技术委员会（CNSCPV）等近20种专业技术协会认可的标准分析软件。本分析中使用了其中的多物理场分析模块。

2.3 荷载分析

花板焊接于除尘器壳体上，荷载主要由袋笼、滤袋、积灰以及运行压力产生。所考虑荷载如下。

（1）自重：包括花板本身自重及加固肋重量。

（2）袋笼：袋笼自重为每个15kg，共计224个。

（3）滤袋：滤袋自重为600g/m2，滤袋直径D=165mm，长8000mm。

（4）滤袋积灰荷载：积灰密度800kg/m3，按滤袋表面积灰厚度3mm考虑。

（5）温差载荷：认为花板温度为110℃，花板周边壳体温度为40℃（保守估计）。

2.4 结构模型建立

花板结构钢板壁厚较薄，加固肋较多，使用三维实体单元做数值模拟计算结果最为精确，但有限元模型节点数庞大，计算时间长、效率低，甚至无法计算；将结构简化为梁、壳结构进行计算，同样具有很好的收敛特性，且能在保证计算精度的同时节省计算时间。所以，最终选择做数值模拟的单元类型为壳单元SHELL181，和梁单元BEAM188。SHELL181单元是用于模拟三维壳结构的4节点四边形单元，该单元是一次单元，每个节点有六个自由度，即X、Y和Z方向的平动以及绕X、Y和Z轴的转动，该单元适合于分析薄壳和中等厚度的壳体结构，它比较好的适用于分析塑性、应力刚化、大转动、大变形及大应变问题。BEAM188单元基于铁木辛柯梁理论，它考虑了剪切变形的影响，其使用方法及后处理比起传统的梁单元来说，更加直观方便，具有更广泛的通用性。该单元是2节点三维梁单元，最大特点是支持梁截面形状显示，可以考虑剪切变形和翘曲，可以直接显示梁截面上的应力和变形。

利用ANSYS软件建立的花板结构模型如图1所示。

根据本项目布袋除尘器花板结构尺寸，对加固肋的布置形式进行优化分析。依据横向、纵向加固肋不同，优化分析计算了3种方案。

2.5 分析结果

使用ANSYS软件建立不同的分析方案模型，施加所考虑的各种荷载，得出了有限的分析结果（见表1）。

本工程方案1为最初设计方案，结构设计的各方面指标均能满足要求，但是加固肋用钢量较大，经济性较差；方案2为初步优化后所得布置方案，加固肋用钢量明显减少，但是花板挠度过大，影响滤袋安全运行，因此不能采用；方案3综合考虑了前两种布置方案分析结果，对加固肋布置作出了合理调整，分析结果显示结构设计的各方面指标均能满足安全性要求，用钢量比方案1减小了30%以上，达到了优化分析的目的，该项目最终采用了方案3进行结构设计。

优化后的计算方案3应力分布云图和挠度分布云图如图2到图3所示。

3 结语

本文利用ANSYS有限元分析软件，对某电厂 2×300MW机组布袋除尘器花板结构进行了结构静力分析和优化，最终得到了花板加固肋最优布置方案并且减少了钢材用量。对3种结构方案进行了详细计算分析，优化后的结构重量下降了30%以上，为布袋除尘器花板设计和工程实践提供了可靠依据。

参考文献

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