双曲线冷却塔

(2008-12-14 22:20:52) 

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［摘要］目前，火电厂机组容量不断增大，其冷却塔亦向超大型方向发展。对冷却塔结构进行优化可保证冷却塔设计的安全性、经济性、合理性。冷却塔优化包含热力选型优化和结构本体优化，其中热力选型优化包括塔高与淋水面积的选配，塔高主要部位几何尺寸的相关比值等；结构本体优化包括在合适的荷载组合下，保证热力选型所确定的冷却塔主要尺寸、风筒几何尺寸比值、壳底斜率及壁厚等。通过优化计算，进行几个较优方案的技术经济性的比较，找出安全性、经济性、合理性最优的方案。

［关键词］冷却塔  结构计算  设计  优化  

0概论

双曲线逆流式自然通风冷却塔是火力发电厂循环水系统中应用最广泛的冷却设备。随着电厂机组容量的不断增大，冷却塔的淋水面积和塔高也不断增大、增高，冷却塔的结构优化计算和选型显得十分重要，它是冷却塔尤其是超大型冷却塔设计的经济性、合理性和安全性的基本保证。

冷却塔主要由钢筋混凝土双曲线旋转薄壳通风筒、斜支柱、环型基础或倒“T”型基础(含贮水池)及塔芯淋水装置组成，详见图1。

冷却塔通风筒包括下环梁、筒壁、塔顶刚性环3部分。下环梁位于通风筒壳体的下端，风筒的自重及所承受的其他荷载都通过下环梁传递给斜支柱，再传到基础。筒壁是冷却塔通风筒的主体部分，它是承受以风荷载为主的高耸薄壳结构，对风十分敏感。其壳体的形状、壁厚，必须经过壳体优化计算和曲屈稳定来验算，是优化计算的重要内容。塔顶刚性环位于壳体顶端，是筒壳在顶部的加强箍，它加强了壳体顶部的刚度和稳定性。

斜支柱为通风筒的支撑结构，主要承受自重、风荷载和温度应力。斜支柱在空间是双向倾斜的，按其几何形状有“人”字形、“V”字形和“X”字形柱，截面通常有圆形、矩形、八边形等。基础主要承受斜支柱传来的全部荷载，按其结构形式分有环形基础(包括倒“T”型基础)和单独基础。基础的沉降对壳体应力的分布影响较大、敏感性强。故斜支柱和基础在冷却塔优化计算和设计中亦显得十分重要。

1冷却塔优化计算及选型

1.1优化目的

冷却塔结构优化是根据工艺专业循环水系统优化的结果，以及风荷载、温度、塔体自重和施工要求等因素，对通风筒的形状(包括选用的曲线)、壁厚、塔底倾角、塔顶倾角及人支柱对数、直径、基础型式和宽度等设计参数以及冷却塔全部几何尺寸进行优化选择，得出技术合理及混凝土和钢筋用量最省的塔型，以保证冷却塔设计的安全、经济、合理性。

1.2冷却塔结构优化选型

冷却塔结构优化选型一般分为2个阶段：

(1)在工艺系统优化和热力选型时，进行冷却结构总体的前期优化，即所谓热力优化选型。

(2)冷却塔经热力计算选型后，应对冷却塔结构本体进行全面优化选型，即所谓结构本体优化选型。

1.2.1热力优化选型

应根据循环水系统优化结果确定的各基本技术参数、水文气象、场地地质等工程具体条件，选择技术、经济合理的塔体主要尺寸，即塔体应是工艺设计与结构计算的良好结合体，具有技术可靠性和经济合理性。一般应考虑以下原则：

1.2.1.1塔高与淋水面积的合理选配

(1)塔芯投资或地基处理费用较贵时，可考虑适当减少塔的淋水面积和相应提高塔的高度。

(2)在大风地区建塔，为了改善结构的受力条件，可考虑适当减少塔的高度和增加塔的淋水面积。

(3)在地震烈度高的地区建塔，为了结构的安全并节省投资，应充分考虑地基条件和水塔的淋水面积与塔高之间的关系，通常采用减少塔高，增加淋水面积的方法。

1.2.1.2选取合理的塔筒主要部位几何尺寸的相关比值

(1)水塔总高度与塔底直径的比值H/Db

这是确定塔筒外形比例的基本比值，根据优化计算，一般情况下取：

H/Db=1.2～1.4

低值用于大风地区；高值用于地基处理费用高、塔的单位面积造价高的塔。

(2)进风口的高度与塔底直径的比值H1/Db

该值直接影响进风口高度范围内的空气流态和空气动力阻力，优化计算时，该值一般取：

H1/Db=0.08～0.09

(3)Da/Db和Ha/H值

Da/Db即喉部直径与塔底直径的比值，Ha/H为喉部高度与塔总高之比。这2个比值主要影响塔筒出口直径D0。Da/Db增大，Ha/H减小，会使D0增大，有利于减小出口阻力，但会加大塔筒钢筋混凝土用量和子午向应力，同时也会干扰塔顶气流流态，影响冷却效率，一般常用比值为：

Da/Db=0.5～0.6

Ha/H=0.7～0.8

1.2.1.3在本阶段中，必须遵循供水系统优化结果，以保证冷却塔的冷却效率。热力选型中确定的塔体尺寸必须再经结构优化计算反馈给工艺专业，再经热力计算定型。

1.2.2结构本体优化选型在这一阶段应根据冷却塔热力选型的计算结果，对冷却塔结构本体的全部几何尺寸进行优化选择，从结构和施工的角度选择最优的塔型。目前一般利用比利时哈蒙公司的结构计算软件TPH3033S进行优化计算分析。该程序可根据热力尺寸选择合适的双曲线(面)，按屈曲稳定选择壁厚，按薄膜理论计算内力，估算塔体混凝土体积、钢筋数量，并输出壳体、斜支柱、支墩详细几何尺寸。在冷却塔结构优化计算选型时一般应考虑以下原则：

1.2.2.1保证热力选型所确定的冷却塔主要尺寸

(1)淋水填料的直径及其相应标高；(2)塔的总高度；(3)喉部直径；(4)进风口高度。

1.2.2.2选取风筒几何尺寸比值I

I即喉部至塔顶距离与塔总高的比值，它直接影响到壳体的应力和水塔基底的上拔力，在塔筒优化时，应慎重选用。一般该值可取0.15～0.3。采用较高值可降低风应力和水塔基底的上拔力，I=0.15一般用于矮胖形水塔，高塔可以采用较高的值。由于TPH3033S程序中一般采用喉部上下2段不同的双曲线，因而建议I值采用0.25。当I大于0.25时，考虑到塔顶倾角不宜过大，这时应选用较小的a/b值(a、b为双曲线顶点的实虚轴坐标值)，但这样会引起喉部及以下部位应力增大，故选用较大的I时应仔细比较塔体内应力状态，慎重确定I值。

1.2.2.3选择合理的壳底斜率tanφ

壳底斜率tanφ是指壳体底部边缘与垂直轴夹角的正切。采用较大的斜率能降低风应力从而减少壳体和基底的上拔力，但采用过大的斜率tanφ会使斜支柱建造困难，影响壳体稳定并在基础内产生较大的水平力。哈蒙公司一般采用值为0.20～0.32，经常采用值为0.30。我国过去常用塔型为1个双曲线，无偏置半径，斜率为0.34～0.35。西德在设计中则基底倾斜角不大于19°～20°，即tanφ不大于0.344～0.3。考虑到上述因素，建议在大风地区采用tanφ=0.32～0.35；小风地区采用tanφ=0.30～0.33。在优化选型时，应采用多个tanφ进行比选。

1.2.2.4确定壳体的壁厚

双曲线自然通风冷却塔筒体壁厚主要是根据强度、屈曲稳定及施工条件来确定。火力发电厂《水工设计技术规定》(NDGJ5-88)规定筒壁最小厚度不宜小于表1中的数值。

有关冷却塔筒壁的最小厚度还必须根据冷却塔的规模大小、气象条件和屈曲稳定计算来确定。关于壁厚的选择，程序中考虑了2个公式复核屈曲稳定，即Dunkerly和Mungan公式。但Dunkerly公式仅能复核自重效应，而Mungan公式则同时考虑了风效应，故建议采用Mungan公式复核屈曲稳定。在程序填数中屈曲安全系数应不小于5。

塔顶刚性环处的筒壁厚度应渐变加厚，在程序填数中应填入塔顶局部加厚段的模板节数。壳体底部最大厚度hmax一般等于斜支柱截面高度加2倍的壳底环梁箍筋、环筋直径和保护层厚。程序填数中必须填入壳体底部最大厚度，并填入其渐变的模板节数和变化率。

壳体厚度的变化主要有变厚和等厚2种形式。由于等厚塔临界屈曲应力较变厚塔小，故大塔受稳定控制设计，趋向为变厚塔。但对于中小型塔由于最小构造壁厚已在12～14cm左右，已满足一定稳定要求，故中小型塔或大塔在小风地区可考虑采用等厚塔，以便于施工，节省混凝土和钢筋量。对于大塔建议采用变厚塔。

1.2.2.5确定荷载和荷载组合

荷载的准确选取和合理组合是冷却塔优化设计中重要环节和内容。火力发电厂《水工设计技术规定》(NDGJ5-88)规定了在设计冷却塔塔筒时，应对承载力和正常使用2种极限状态分别进行荷载效应组合，并分别取其最不利情况进行设计。

冷却塔设计中的荷载主要有结构自重、风、温度、地震和施工荷载，此外还应考虑由于湿胀、日照和地基不均匀沉降对冷却塔的影响。

我们在进行冷却塔优化计算时，特别是应用哈蒙优化程序(TPH3033S)进行计算选型时，应特别注意进行荷载组合计算时荷载和组合系数的正确选用和填写。程序中给出了不同荷载和组合计算入口，荷载组合时必须根据优化的对象及内容具体确定。

1.2.2.6重要荷载的选取和组合

风荷载是冷却塔设计中的重要设计荷载，尤其是在大风地区大型冷却塔的设计和计算往往起着控制的作用，有时甚至起决定作用。故此，风荷载的合理选取和与其他荷载间的组合显得十分重要。

作用在双曲线冷却塔表面上的等效风荷载按下列公式计算：

q(Z，θ)=βCp(θ)K(Z)q0  (1)

式中q(Z，θ)——作用在双曲线冷却塔表面上的等效风荷载，kPa；

β——风振系数；

Cp (θ)——平均风压分布系数；

K(Z)——风压高度变化系数；

q0——基本风压，kPa。

基本风压qo应根据建塔的区域位置乘以不同的调整系数，特别是对山区的基本风压，应通过实际调查和对比观测，经分析后确定。风振系数β和风压高度变化系数K(Z)的计算必须根据不同的地貌选取不同的值进行计算。在群塔设计计算时，若塔之间间距较小不满足规程规定的间距时，应考虑风的“屏蔽”作用。建议在塔的优化计算中，适当提高风压计算系数的值，选择更合理的塔型。另外，在运用哈蒙优化程序(TPH3033S)进行计算分析时还必须考虑风的内吸力作用，通常内吸力系数按0.5考虑。

关于风振系数β，在进行塔筒计算分析时必须考虑其作用。鉴于风荷载是瞬时荷载，阵风反应的风振部分更是瞬时影响，加上地基对风振的衰减作用，因而在地基的容许承载力验算中，不考虑风振系数的影响，在程序填数时，必须扣除β值。但在进行冷却塔基础上拔力平衡验算时，应考虑风振影响。

冷却塔的温度作用，是指塔外气温、日辐射强度及塔内进、出水温和塔内气温的作用，使塔体产生内外温度差，因而产生温度应力。在进行优化计算时，冬季塔外计算气温按30年一遇的最低气温计算，筒壁温差应按淋水填料上下不同部位分别计算并填入程序中进行计算。

地震荷载作用的计算应按《构筑物抗震设计规范》(GB50191—93)中的规定进行设计计算。一般来说，地震基本烈度为8度及以上地区，冷却塔应进行抗震验算。在考虑地震荷载作用时，还应计算斜支柱的轴压比，斜支柱的轴压比应满足表2中的要求。

在哈蒙程序TPH3033S中地震分析是将冷却塔视作悬臂梁，采用质量集中的方法进行分析，而且只考虑水平地震的反应，故哈蒙程序TPH3033S在地震分析方面是近似的，仅供优化选型和材料估算时参考。但在考虑地震影响时，优化选型应保证人支柱间的夹角ε≥11°。

在冷却塔结构优化计算时，还应根据优化计算对象的不同，选取不同的荷载组合和组合系数，优化程序可一次输入并进行计算。

塔筒优化计算时，其荷载组合如下：

S=G+1.4W+ΨtT                    (2)

S=G+1.4WΨw+T                    (3)

考虑地震时为：

S=G+0.25×1.4WΨw+ΨtT＋γ1S1γ2S2  (4)

地基承载力计算时，其荷载组合为：

S=G+W/β+ΨtT                    (5)

基础上拔力平衡验算时，应采用下列组合：

S=G+1.2W                         (6)

式中S——结构作用效应总设计值；

G——结构自重荷载引起的内力；

W——包括风振系数的风荷载引起的内力；

T——包括徐变系数的温度荷载引起的内力；

S1——由水平地震作用引起的内力；

S2——由竖向地震作用引起的内力；

Ψw——荷载效应组合系数，一般地区可取0.6；

Ψt——荷载效应组合系数，一般地区可取0.6；

   1.4 ——风荷载分项系数；

γ1——水平地震作用分项系数；

γ2——竖向地震作用分项系数。

在计算筒壁温度应力时，混凝土可考虑徐变系数Ct=0.5。

1.2.2.7程序中薄膜分析和有矩分析的比较

考虑弯矩的有矩理论在数学力学上是精确解，适用于任何高阶谐波的付氏级数，但从工程角度看算至a0～a8即可收敛。哈蒙程序TPH3033S在塔筒内力分析计算中采用的是薄膜理论即无矩理论，数解法求解，忽略了弯矩，故为近似解，其近似程度随忽略的弯矩大小而异。在有矩理论分析中，2个方向的弯矩Mφ、Mθ在低阶谐波的弯矩较小；n=3后弯矩逐渐增大；n=4以后弯矩急剧增加。Nφ在低阶谐波n=0～2时，有矩理论和无矩理论完全一致，n=3时差别不大，n=4时差别增加较少，n=5以上时差别剧增，形成较大内力误差。故在无矩理论计算中计算截止谐波数n选为3(最大为4)，可取得与有矩理论近似的解，在程序计算填数时应注意该项的填写。

2冷却塔技术经济性的比选

冷却塔结构优化应进行多个方案的计算分析。优化计算完成后，应根据其优化结果，对水塔的详细几何尺寸和技术参数以及经济指标进行分析比选，找出最合理、最经济的优选方案。

哈蒙优化程序TPH3033S1次只能进行1组参数的优化计算，在进行多组方案的优化比选时，要进行多次的运算，然后才能得出最终结果，找出合理、经济的优选方案，显得较为繁琐。笔者针对上述情况对该程序进行了改进，使得其能1次进行多组方案的优化计算，1次全部完成优化选型全过程，并自动挑选出各方案的优化结果比选参数，缩短了优化时间，提高了计算效率。

下面介绍某工程自然通风双曲线冷却塔结构优化计算和技术经济比选的实例。

某火力发电厂双曲线冷却塔淋水面积为6000m2，塔高128.30m，淋水顶处高程为10.15m，进风口高程为8.50m，喉部直径为53m，壳体最小厚度为0.17m，最大厚度为0.75m，采用人字柱(圆形截面)，基础为环板基础。优化参数的选取和优化计算结果见表3。

根据表3进行冷却塔的技术经济性的比选，可以看出，方案1和方案4较为理想，但考虑到塔顶倾角和有限元计算结果，最终选定喉部至塔顶距离与塔总高的比值I=0.250，壳底倾角tanφ=0.320，方案1为最终优选方案。

3结论

根据上述冷却塔的优化过程和我对10多个工程的双曲线冷却塔的优化计算表明，我们在进行冷却塔优化计算和选型时，不仅要考虑其经济性，而且更重要的是在经济的范围内，比选出技术合理的塔型。故此，冷却塔的优化选型应首先考虑满足工艺的要求，然后对多个重要参数进行调整，得出数个优化方案，最终进行技术经济比选，找出最合理、经济的优选方案。