蔣 華，馬湖剛，趙海寶，姚宇平，何毓忠，王賢明

(浙江菲達環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆?浙江 諸暨 311800)

旋轉電極式電除塵器強度計算與優(yōu)化

蔣 華，馬湖剛，趙海寶，姚宇平，何毓忠，王賢明

(浙江菲達環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆?浙江 諸暨 311800)

旋轉電極式電除塵器是燃煤電廠粉塵治理主流設備之一。作為大跨度較復雜的鋼結構件，對旋轉電極式電除塵器進行了整機強度計算和優(yōu)化。通過有限元軟件SAP2000建立常規(guī)經驗設計的旋轉電極式電除塵器整機模型，導入中國鋼結構規(guī)范；分析顯示動態(tài)特性良好，對整機鋼結構規(guī)范進行了校核顯示總體應力比符合要求，但存在分布不均，有較大的結構優(yōu)化空間；通過整機分析，尋找過強或過弱的零件，對其設定為由若干個型號組成的待選型材，以鋼結構規(guī)范為計算標準，優(yōu)化分析得出最佳型號組合形式，優(yōu)化后強度分布更合理，用鋼量降低。

旋轉電極式電除塵器;SAP2000;鋼結構;強度計算

近年來隨著環(huán)保要求的不斷提高，對電除塵器的出口粉塵濃度控制越加嚴格，電除塵器的結構越來越多樣化。旋轉電極式電除塵器可有效解決二次揚塵，解決反電暈，具有出口粉塵濃度低等優(yōu)點[1]，已成為燃煤電廠除塵設備的主流之一[2-3]?！暗偷蜏仉姵龎m技術”結合旋轉電極電除塵技術將是國內未來實現(xiàn)“近零排放”的有效技術之一[4]。電除塵器作為大型鋼結構件，每臺除塵器的用鋼量常在兩三千噸左右，因此結構強度計算和優(yōu)化設計在電除塵器的設計中顯得非常重要[5-6]。

1 整體方案

以一臺660MW機組3+1旋轉電極式電除塵器為分析目標，通過浙江菲達環(huán)保科技股份有限公司(以下簡稱菲達公司)引進程序和工程經驗建立常規(guī)的初步方案。優(yōu)化路線如圖1所示，在SAP2000軟件中建立結構模型。為降低建模難度，以部件為單位，建立單個目標的模型，單獨簡單分析以檢驗模型的正確性，再進行模型合并，建立整個旋轉電極式電除塵器模型。

通過整機分析，初步尋找有改進余地的結構件，包括過強和過弱的零件，將這些指定零件設定為組合零件(給某個零件指定5種型號的工字鋼型號，選擇最優(yōu)的一個型號)，以鋼結構規(guī)范為計算標準，以初步方案強度均值為參考目標，以組合零件的類型為優(yōu)化目標，優(yōu)化出指定零件最佳的型號，從而優(yōu)化強度分布的合理性，降低用鋼量。

將最佳型號的質量、鋼結構參數(shù)(應力、應力分布、整體穩(wěn)定性等)與原有型號對比，分析優(yōu)化前后的經濟性和可靠性。

2 SAP2000在電除塵器中的應用特點

SAP2000是CSI公司開發(fā)的結構靜動力有限元分析軟件，適用于大跨空間結構設計與分析。其在電除塵器應用中，建模思路清晰；可直接導入型材，可編輯和自創(chuàng)型材；計算簡單；有限元節(jié)點少，內存占用少，計算速度快；可組合選擇計算，對鋼結構材料進行優(yōu)化；可直接調用鋼結構規(guī)范，作為校核或優(yōu)化的標準。但SAP2000三維顯示沒有SolidWorks、ANSYS等軟件強大，實體細節(jié)不能修改。

3 模型建立

3.1模型建立思路

由于旋轉電極式電除塵器整機模型相對較大[8]，如果采用傳統(tǒng)建模方法，逐個零件依次建立，工作量大，在后續(xù)零件編輯時由于零件數(shù)量很多，計算機內存占用量大，運行緩慢，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部件，每個部件單獨建立模型，單獨分析，不僅可以檢查模型，其分析結果同時還可以為整機分析提供參考，為后續(xù)的部件或構件優(yōu)化提供借鑒。

3.2各部件模型

先進行單個部件的建模，在軸網系統(tǒng)的輔助下建立點、線、面模型，編輯點、線、面的連接形式，導入中國鋼結構型材庫，指定桿件的型材類型和材料，如圖2所示。對于廠標件，比如菲達公司的HE鋼、底梁支柱、頂蓋梁等，自定義相應的桿件截面類型。

各部件結構模型如圖2所示。

在多部件形成整機模型前，需要對幾個部件預先合并，初步處理，從而降低整機合并時出錯的處理難度。將部件導出成格式類型為s2k的文件，然后在整機模型文件中，通過導入部件模型文件，逐個組裝部件，如圖3所示。

3.3整機模型

旋轉電極式電除塵器主要結構強度部件包括鋼支架、底梁、灰斗、殼體、內外頂、進口封頭、出口封頭。與常規(guī)電除塵器不同的是，旋轉電極式電除塵器一般末電場采用旋轉電極電場，相應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極板動力裝置的安裝。旋轉電極式電除塵器整體結構模型及主要強度部件的布置如圖4所示。

4 前處理

4.1約束

進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。包括電除塵器內部掛在頂蓋橫梁上的陽極板和陰極線的質量以及電除塵器本身結構質量兩部分。

b.活載。主要由電除塵器內部負壓引起的表面大氣壓力(如圖5所示)，以及灰斗內積灰引起的灰斗重力組成。另外，根據(jù)中國鋼結構規(guī)范，電除塵器自身質量的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、風載和雪載，具體大小根據(jù)當?shù)匾?guī)范或項目合同要求設定。

4.3鋼結構規(guī)范和分析工況

載荷模式由靜載、活載、地震載荷、風載、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，導入鋼框架設計默認組合類型。設計規(guī)范選擇中國2010規(guī)范，框架體系選擇無側移框架體系NMF，地震等級按當?shù)厍闆r選擇三級。

5 結果分析

5.1部件單獨初步分析

對幾個部件單獨進行分析，通過相對簡單的模型初步探索分析方法，并且初步了解幾個主要部件的強度分布。

5.2整機動態(tài)特性分析

動態(tài)特性分析是大跨空間結構抗震性能分析的最基本內容之一[9]。固有頻率和振型是結構的重要動力特性，對動力荷載下結構的響應有著顯著的影響。使用SAP2000軟件對結構進行模態(tài)分析，提供結構的基本性能參數(shù)，為結構地震響應和相關結構概念設計提供依據(jù)。同時，模態(tài)分析還是動力分析的基礎，也是判斷結構方案設計合理性的重要依據(jù)之一[10]。

對旋轉電極式電除塵器整機結構進行模態(tài)分析，約束類型為鋼支架底部固定約束，分析結果如圖6和表1所示。

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

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

5.3整機強度分析

對電除塵器分析結果進行中國鋼結構規(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，應力比全部小于0.85，大部分零件應力比主要集中在0.50左右，主要強度構件包括大梁、柱、主筋等符合要求，但存在部分零件強度分布不合理、應力比分布不均勻現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在封頭強度過大、殼體的封板強度過低等。

6 結構優(yōu)化分析

通過對整機的應力比進行定量分析，提出相對簡單的主要幾個待優(yōu)化零件，給出優(yōu)化組合型號，對給出的若干個備選型號，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，使應力比分布更加合理，降低材料成本、自身負重、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，進行優(yōu)化組合分析，得出優(yōu)化結構，優(yōu)化結果見表2，優(yōu)化后的應力比云圖如圖8所示。

在表2的設計中，首先分析強度情況，設定需要改進的位置(表2中的部件)，比如對部件進出口封頭和殼體的應力情況進行比較，封頭強度過大，殼體的封板強度過低。對比發(fā)現(xiàn)：在主要承受負壓載荷的工況下，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，強度設計存在不合理現(xiàn)象，因此對該處提出了優(yōu)化組合項(表2中的優(yōu)化組合型號)，在軟件優(yōu)化分析后得出相應角鋼筋的最優(yōu)組合型號(表2中的優(yōu)化結果)。

7 結束語

本文對大跨度不規(guī)則鋼結構件旋轉電極式電除塵器進行了有限元強度計算、分析與優(yōu)化，分析結果如下：

a.電除塵器動態(tài)特性分析結果良好，各階模態(tài)振型反映電除塵器整機整體上不存在概念設計缺陷，結構剛度大致布置合理。

b.對電除塵器進行了中國鋼結構規(guī)范校核，總體符合中國規(guī)范要求。應力比全部小于0.85，大部分零件應力比主要集中在0.50左右，但存在部分零件強度分布不合理，應力比分布不均勻現(xiàn)象。

c.對大跨空間結構的電除塵器進行了抗震分析與設計，避免了只能針對大跨空間結構某一部分，而不能考慮上下部協(xié)同工作的整體分析的弊端，分析結果更加接近結構實際中的受力情況；同時，也直觀地得到結構的動力特性和地震響應。

d.對電除塵器各部件應力比情況進行了定量分析，為簡化計算量，通過應力比定量分析提出了相對簡單的主要幾個待優(yōu)化零件，給出了優(yōu)化組合型號，對給出的若干個備選型號，通過有限元軟件進行排列組合分析，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，使應力比分布更加合理，一臺660MW機組電除塵器大約節(jié)約30 000kg的用鋼量，占分析結構總重的1.5%，具有較好的經濟性。

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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計劃項目(2013AA065002)

蔣華(1975—)，男，浙江諸暨人，浙江菲達環(huán)保科技股份有限公司工程師，主要研究方向為電除塵結構計算。

X701.2; M621.7+3

B

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