双曲线冷却塔

双曲线冷却塔结构优化计算与选型

(2008-12-14 22:20:52)

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分类：天力知识

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杂谈

【Optimized Calculation and Model Selection of Double Curved Cooling Towers】

［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。西德在设计中则限制基底倾斜角不大于19°～20°，即tanφ不大于0.344～0.364。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。