雙曲線冷卻塔

1、雙曲線冷卻塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算與選型(2008-12-14 22:20:52) 轉(zhuǎn)載標簽： 雜談分類： 天力知識 【Optimized Calculation and Model Selection of Double Curved Cooling Towers】摘要目前，火電廠機組容量不斷增大，其冷卻塔亦向超大型方向發(fā)展。對冷卻塔結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化可保證冷卻塔設(shè)計的安全性、經(jīng)濟性、合理性。冷卻塔優(yōu)化包含熱力選型優(yōu)化和結(jié)構(gòu)本體優(yōu)化，其中熱力選型優(yōu)化包括塔高與淋水面積的選配，塔高主要部位幾何尺寸的相關(guān)比值等；結(jié)構(gòu)本體優(yōu)化包括在合適的荷載組合下，保證熱力選型所確定的冷卻塔主要尺寸、風筒幾何尺寸比值、殼底斜率及

2、壁厚等。通過優(yōu)化計算，進行幾個較優(yōu)方案的技術(shù)經(jīng)濟性的比較，找出安全性、經(jīng)濟性、合理性最優(yōu)的方案。關(guān)鍵詞冷卻塔 結(jié)構(gòu)計算 設(shè)計 優(yōu)化 0概論雙曲線逆流式自然通風冷卻塔是火力發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)中應用最廣泛的冷卻設(shè)備。隨著電廠機組容量的不斷增大，冷卻塔的淋水面積和塔高也不斷增大、增高，冷卻塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算和選型顯得十分重要，它是冷卻塔尤其是超大型冷卻塔設(shè)計的經(jīng)濟性、合理性和安全性的基本保證。冷卻塔主要由鋼筋混凝土雙曲線旋轉(zhuǎn)薄殼通風筒、斜支柱、環(huán)型基礎(chǔ)或倒“T”型基礎(chǔ)(含貯水池)及塔芯淋水裝置組成，詳見圖1。冷卻塔通風筒包括下環(huán)梁、筒壁、塔頂剛性環(huán)3部分。下環(huán)梁位于通風筒殼體的下端，風筒的自重及所承受的

3、其他荷載都通過下環(huán)梁傳遞給斜支柱，再傳到基礎(chǔ)。筒壁是冷卻塔通風筒的主體部分，它是承受以風荷載為主的高聳薄殼結(jié)構(gòu)，對風十分敏感。其殼體的形狀、壁厚，必須經(jīng)過殼體優(yōu)化計算和曲屈穩(wěn)定來驗算，是優(yōu)化計算的重要內(nèi)容。塔頂剛性環(huán)位于殼體頂端，是筒殼在頂部的加強箍，它加強了殼體頂部的剛度和穩(wěn)定性。斜支柱為通風筒的支撐結(jié)構(gòu)，主要承受自重、風荷載和溫度應力。斜支柱在空間是雙向傾斜的，按其幾何形狀有“人”字形、“V”字形和“X”字形柱，截面通常有圓形、矩形、八邊形等。基礎(chǔ)主要承受斜支柱傳來的全部荷載，按其結(jié)構(gòu)形式分有環(huán)形基礎(chǔ)(包括倒“T”型基礎(chǔ))和單獨基礎(chǔ)?；A(chǔ)的沉降對殼體應力的分布影響較大、敏感性強。故斜支柱和

4、基礎(chǔ)在冷卻塔優(yōu)化計算和設(shè)計中亦顯得十分重要。1冷卻塔優(yōu)化計算及選型1.1優(yōu)化目的冷卻塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化是根據(jù)工藝專業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)果，以及風荷載、溫度、塔體自重和施工要求等因素，對通風筒的形狀(包括選用的曲線)、壁厚、塔底傾角、塔頂傾角及人支柱對數(shù)、直徑、基礎(chǔ)型式和寬度等設(shè)計參數(shù)以及冷卻塔全部幾何尺寸進行優(yōu)化選擇，得出技術(shù)合理及混凝土和鋼筋用量最省的塔型，以保證冷卻塔設(shè)計的安全、經(jīng)濟、合理性。1.2冷卻塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型冷卻塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型一般分為2個階段：(1)在工藝系統(tǒng)優(yōu)化和熱力選型時，進行冷卻結(jié)構(gòu)總體的前期優(yōu)化，即所謂熱力優(yōu)化選型。(2)冷卻塔經(jīng)熱力計算選型后，應對冷卻塔結(jié)構(gòu)本體進行全面優(yōu)化選型，

5、即所謂結(jié)構(gòu)本體優(yōu)化選型。1.2.1熱力優(yōu)化選型應根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果確定的各基本技術(shù)參數(shù)、水文氣象、場地地質(zhì)等工程具體條件，選擇技術(shù)、經(jīng)濟合理的塔體主要尺寸，即塔體應是工藝設(shè)計與結(jié)構(gòu)計算的良好結(jié)合體，具有技術(shù)可靠性和經(jīng)濟合理性。一般應考慮以下原則：1.2.1.1塔高與淋水面積的合理選配(1)塔芯投資或地基處理費用較貴時，可考慮適當減少塔的淋水面積和相應提高塔的高度。(2)在大風地區(qū)建塔，為了改善結(jié)構(gòu)的受力條件，可考慮適當減少塔的高度和增加塔的淋水面積。(3)在地震烈度高的地區(qū)建塔，為了結(jié)構(gòu)的安全并節(jié)省投資，應充分考慮地基條件和水塔的淋水面積與塔高之間的關(guān)系，通常采用減少塔高，增加淋水面積的方

6、法。1.2.1.2選取合理的塔筒主要部位幾何尺寸的相關(guān)比值(1)水塔總高度與塔底直徑的比值H/Db這是確定塔筒外形比例的基本比值，根據(jù)優(yōu)化計算，一般情況下?。篐/Db=1.21.4低值用于大風地區(qū)；高值用于地基處理費用高、塔的單位面積造價高的塔。(2)進風口的高度與塔底直徑的比值H1/Db該值直接影響進風口高度范圍內(nèi)的空氣流態(tài)和空氣動力阻力，優(yōu)化計算時，該值一般取：H1/Db=0.080.09(3)Da/Db和Ha/H值Da/Db即喉部直徑與塔底直徑的比值，Ha/H為喉部高度與塔總高之比。這2個比值主要影響塔筒出口直徑D0。Da/Db增大，Ha/H減小，會使D0增大，有利于減小出口阻力，但會加

7、大塔筒鋼筋混凝土用量和子午向應力，同時也會干擾塔頂氣流流態(tài)，影響冷卻效率，一般常用比值為：Da/Db=0.50.6Ha/H=0.70.81.2.1.3在本階段中，必須遵循供水系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果，以保證冷卻塔的冷卻效率。熱力選型中確定的塔體尺寸必須再經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算反饋給工藝專業(yè)，再經(jīng)熱力計算定型。1.2.2結(jié)構(gòu)本體優(yōu)化選型在這一階段應根據(jù)冷卻塔熱力選型的計算結(jié)果，對冷卻塔結(jié)構(gòu)本體的全部幾何尺寸進行優(yōu)化選擇，從結(jié)構(gòu)和施工的角度選擇最優(yōu)的塔型。目前一般利用比利時哈蒙公司的結(jié)構(gòu)計算軟件TPH3033S進行優(yōu)化計算分析。該程序可根據(jù)熱力尺寸選擇合適的雙曲線(面)，按屈曲穩(wěn)定選擇壁厚，按薄膜理論計算內(nèi)力，估算塔

8、體混凝土體積、鋼筋數(shù)量，并輸出殼體、斜支柱、支墩詳細幾何尺寸。在冷卻塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算選型時一般應考慮以下原則：1.2.2.1保證熱力選型所確定的冷卻塔主要尺寸(1)淋水填料的直徑及其相應標高；(2)塔的總高度；(3)喉部直徑；(4)進風口高度。1.2.2.2選取風筒幾何尺寸比值II即喉部至塔頂距離與塔總高的比值，它直接影響到殼體的應力和水塔基底的上拔力，在塔筒優(yōu)化時，應慎重選用。一般該值可取0.150.3。采用較高值可降低風應力和水塔基底的上拔力，I=0.15一般用于矮胖形水塔，高塔可以采用較高的值。由于TPH3033S程序中一般采用喉部上下2段不同的雙曲線，因而建議I值采用0.25。當I大于0

9、.25時，考慮到塔頂傾角不宜過大，這時應選用較小的a/b值(a、b為雙曲線頂點的實虛軸坐標值)，但這樣會引起喉部及以下部位應力增大，故選用較大的I時應仔細比較塔體內(nèi)應力狀態(tài)，慎重確定I值。1.2.2.3選擇合理的殼底斜率tan殼底斜率tan是指殼體底部邊緣與垂直軸夾角的正切。采用較大的斜率能降低風應力從而減少殼體和基底的上拔力，但采用過大的斜率tan會使斜支柱建造困難，影響殼體穩(wěn)定并在基礎(chǔ)內(nèi)產(chǎn)生較大的水平力。哈蒙公司一般采用值為0.200.32，經(jīng)常采用值為0.30。我國過去常用塔型為1個雙曲線，無偏置半徑，斜率為0.340.35。西德在設(shè)計中則限制基底傾斜角不大于1920，即tan不大于0.

10、3440.364?？紤]到上述因素，建議在大風地區(qū)采用tan=0.320.35；小風地區(qū)采用tan=0.300.33。在優(yōu)化選型時，應采用多個tan進行比選。1.2.2.4確定殼體的壁厚雙曲線自然通風冷卻塔筒體壁厚主要是根據(jù)強度、屈曲穩(wěn)定及施工條件來確定。火力發(fā)電廠水工設(shè)計技術(shù)規(guī)定(NDGJ5-88)規(guī)定筒壁最小厚度不宜小于表1中的數(shù)值。有關(guān)冷卻塔筒壁的最小厚度還必須根據(jù)冷卻塔的規(guī)模大小、氣象條件和屈曲穩(wěn)定計算來確定。關(guān)于壁厚的選擇，程序中考慮了2個公式復核屈曲穩(wěn)定，即Dunkerly和Mungan公式。但Dunkerly公式僅能復核自重效應，而Mungan公式則同時考慮了風效應，故建議采用Mu

11、ngan公式復核屈曲穩(wěn)定。在程序填數(shù)中屈曲安全系數(shù)應不小于5。塔頂剛性環(huán)處的筒壁厚度應漸變加厚，在程序填數(shù)中應填入塔頂局部加厚段的模板節(jié)數(shù)。殼體底部最大厚度hmax一般等于斜支柱截面高度加2倍的殼底環(huán)梁箍筋、環(huán)筋直徑和保護層厚。程序填數(shù)中必須填入殼體底部最大厚度，并填入其漸變的模板節(jié)數(shù)和變化率。殼體厚度的變化主要有變厚和等厚2種形式。由于等厚塔臨界屈曲應力較變厚塔小，故大塔受穩(wěn)定控制設(shè)計，趨向為變厚塔。但對于中小型塔由于最小構(gòu)造壁厚已在1214cm左右，已滿足一定穩(wěn)定要求，故中小型塔或大塔在小風地區(qū)可考慮采用等厚塔，以便于施工，節(jié)省混凝土和鋼筋量。對于大塔建議采用變厚塔。1.2.2.5確定荷載

12、和荷載組合荷載的準確選取和合理組合是冷卻塔優(yōu)化設(shè)計中重要環(huán)節(jié)和內(nèi)容。火力發(fā)電廠水工設(shè)計技術(shù)規(guī)定(NDGJ5-88)規(guī)定了在設(shè)計冷卻塔塔筒時，應對承載力和正常使用2種極限狀態(tài)分別進行荷載效應組合，并分別取其最不利情況進行設(shè)計。冷卻塔設(shè)計中的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、風、溫度、地震和施工荷載，此外還應考慮由于濕脹、日照和地基不均勻沉降對冷卻塔的影響。我們在進行冷卻塔優(yōu)化計算時，特別是應用哈蒙優(yōu)化程序(TPH3033S)進行計算選型時，應特別注意進行荷載組合計算時荷載和組合系數(shù)的正確選用和填寫。程序中給出了不同荷載和組合計算入口，荷載組合時必須根據(jù)優(yōu)化的對象及內(nèi)容具體確定。1.2.2.6重要荷載的選取和組

13、合風荷載是冷卻塔設(shè)計中的重要設(shè)計荷載，尤其是在大風地區(qū)大型冷卻塔的設(shè)計和計算往往起著控制的作用，有時甚至起決定作用。故此，風荷載的合理選取和與其他荷載間的組合顯得十分重要。作用在雙曲線冷卻塔表面上的等效風荷載按下列公式計算：q(Z，)=Cp()K(Z)q0 (1)式中q(Z，)作用在雙曲線冷卻塔表面上的等效風荷載，kPa；風振系數(shù)；Cp ()平均風壓分布系數(shù)；K(Z)風壓高度變化系數(shù)；q0基本風壓，kPa。基本風壓qo應根據(jù)建塔的區(qū)域位置乘以不同的調(diào)整系數(shù)，特別是對山區(qū)的基本風壓，應通過實際調(diào)查和對比觀測，經(jīng)分析后確定。風振系數(shù)和風壓高度變化系數(shù)K(Z)的計算必須根據(jù)不同的地貌選取不同的值進行

14、計算。在群塔設(shè)計計算時，若塔之間間距較小不滿足規(guī)程規(guī)定的間距時，應考慮風的“屏蔽”作用。建議在塔的優(yōu)化計算中，適當提高風壓計算系數(shù)的值，選擇更合理的塔型。另外，在運用哈蒙優(yōu)化程序(TPH3033S)進行計算分析時還必須考慮風的內(nèi)吸力作用，通常內(nèi)吸力系數(shù)按0.5考慮。關(guān)于風振系數(shù)，在進行塔筒計算分析時必須考慮其作用。鑒于風荷載是瞬時荷載，陣風反應的風振部分更是瞬時影響，加上地基對風振的衰減作用，因而在地基的容許承載力驗算中，不考慮風振系數(shù)的影響，在程序填數(shù)時，必須扣除值。但在進行冷卻塔基礎(chǔ)上拔力平衡驗算時，應考慮風振影響。冷卻塔的溫度作用，是指塔外氣溫、日輻射強度及塔內(nèi)進、出水溫和塔內(nèi)氣溫的作用

15、，使塔體產(chǎn)生內(nèi)外溫度差，因而產(chǎn)生溫度應力。在進行優(yōu)化計算時，冬季塔外計算氣溫按30年一遇的最低氣溫計算，筒壁溫差應按淋水填料上下不同部位分別計算并填入程序中進行計算。地震荷載作用的計算應按構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范(GB5019193)中的規(guī)定進行設(shè)計計算。一般來說，地震基本烈度為8度及以上地區(qū)，冷卻塔應進行抗震驗算。在考慮地震荷載作用時，還應計算斜支柱的軸壓比，斜支柱的軸壓比應滿足表2中的要求。在哈蒙程序TPH3033S中地震分析是將冷卻塔視作懸臂梁，采用質(zhì)量集中的方法進行分析，而且只考慮水平地震的反應，故哈蒙程序TPH3033S在地震分析方面是近似的，僅供優(yōu)化選型和材料估算時參考。但在考慮地震影響

16、時，優(yōu)化選型應保證人支柱間的夾角11。在冷卻塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算時，還應根據(jù)優(yōu)化計算對象的不同，選取不同的荷載組合和組合系數(shù)，優(yōu)化程序可一次輸入并進行計算。塔筒優(yōu)化計算時，其荷載組合如下：S=G+1.4W+tT (2)S=G+1.4Ww+T (3)考慮地震時為：S=G+0.251.4Ww+tT1S12S2 (4)地基承載力計算時，其荷載組合為：S=G+W/+tT (5)基礎(chǔ)上拔力平衡驗算時，應采用下列組合：S=G+1.2W (6)式中S結(jié)構(gòu)作用效應總設(shè)計值；G結(jié)構(gòu)自重荷載引起的內(nèi)力；W包括風振系數(shù)的風荷載引起的內(nèi)力；T包括徐變系數(shù)的溫度荷載引起的內(nèi)力；S1由水平地震作用引起的內(nèi)力；S2由豎向地震作用

17、引起的內(nèi)力；w荷載效應組合系數(shù)，一般地區(qū)可取0.6；t荷載效應組合系數(shù)，一般地區(qū)可取0.6； 1.4風荷載分項系數(shù)；1水平地震作用分項系數(shù)；2豎向地震作用分項系數(shù)。在計算筒壁溫度應力時，混凝土可考慮徐變系數(shù)Ct=0.5。1.2.2.7程序中薄膜分析和有矩分析的比較考慮彎矩的有矩理論在數(shù)學力學上是精確解，適用于任何高階諧波的付氏級數(shù)，但從工程角度看算至a0a8即可收斂。哈蒙程序TPH3033S在塔筒內(nèi)力分析計算中采用的是薄膜理論即無矩理論，數(shù)解法求解，忽略了彎矩，故為近似解，其近似程度隨忽略的彎矩大小而異。在有矩理論分析中，2個方向的彎矩M、M在低階諧波的彎矩較小；n=3后彎矩逐漸增大；n=4以

18、后彎矩急劇增加。N在低階諧波n=02時，有矩理論和無矩理論完全一致，n=3時差別不大，n=4時差別增加較少，n=5以上時差別劇增，形成較大內(nèi)力誤差。故在無矩理論計算中計算截止諧波數(shù)n選為3(最大為4)，可取得與有矩理論近似的解，在程序計算填數(shù)時應注意該項的填寫。2冷卻塔技術(shù)經(jīng)濟性的比選冷卻塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化應進行多個方案的計算分析。優(yōu)化計算完成后，應根據(jù)其優(yōu)化結(jié)果，對水塔的詳細幾何尺寸和技術(shù)參數(shù)以及經(jīng)濟指標進行分析比選，找出最合理、最經(jīng)濟的優(yōu)選方案。哈蒙優(yōu)化程序TPH3033S1次只能進行1組參數(shù)的優(yōu)化計算，在進行多組方案的優(yōu)化比選時，要進行多次的運算，然后才能得出最終結(jié)果，找出合理、經(jīng)濟的優(yōu)選方案，顯得較為繁瑣。筆者針對上述情況對該程序進行了改進，使得其能1次進行多組方案的優(yōu)化計算，1次全部完成優(yōu)化選型全過程，并自動挑選出各方案的優(yōu)化結(jié)果比選參數(shù)，縮短了優(yōu)化時間，提高了計算效率。下面介紹某工程自然通風雙曲線冷卻塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算和技術(shù)經(jīng)濟比選的實例。某火力發(fā)電廠雙曲線冷卻塔淋水面積為6000m2，塔高128.30m，淋水頂處高程為10.15m，進風口高程為8.50m，喉部直徑為53m，殼體最小厚度為0.17m，最大厚度為0.75m，采用人字柱(圓形截面