布袋除尘器花板结构有限元分析

布袋除尘器花板结构有限元分析

梁秀广

（中国大唐集团科技工程有限公司北京100097）

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

FiniteAnalysisonTubesheetofBagFilter

LIANGXiuguang

(ChinaDatangTechnologies&EngineeringCo.,Ltd.,Beijing100097,China)

Abstract:Tubesheetistheimportantcomponentsinbagfilter.Optimumanalysisontubesheetofbagfilterina2×300MWpowerplantwasstudiedonwithANSYSsoftwareusedinfiniteelementanalysis.Accordingtotheanalysisresultson3structuralconcept,thestructuresofthetubesheetcanbeoptimized.Aftertheoptimization,theweightofstiffeningribsreducemorethan30percent.Theresultofthispaperhascertainreferencesignificanceinthedesignoftubesheetofbagfilter.

Keywords:bagfilter;tubesheet;finiteelementanalysis

1引言

近年来我国工业发展迅速，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GB13223-2011《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。

2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。

3花板结构优化分析

3.1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。

3.2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）等近二十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。

3.3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）

3.4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。

3.5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，得出了有限元分析结果，见表1所示。

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~图3所示。

4结论

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。

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