某1000MW级电厂间接空冷塔结构设计研究

某1000MW级电厂间接空冷塔结构设计研究
发布时间：2021-05-18T02:59:46.511Z 来源：《中国电业》（发电）》2021年第2期作者：杨乐1李海瑞1
[导读] 在此前提下一机一塔方案比一机两塔方案造价低、占地少且塔群效应小，综合以上优势，推荐采用一机一塔方案。

中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司山西太原 030001
摘要：以某2×1000MW级电厂工程间接空冷塔为例，对机组配置一机一塔、一机两塔两个方案进行研究。

研究结果认为在保证冷却塔的屈曲稳定、安全的前提下，一机一塔方案比一机两塔方案造价低、占地少且塔群效应影响小，该1000MW级电厂间接空冷塔推荐一机一塔方案。

关键词：火力发电厂；间接空冷塔；一机一塔；一机两塔
0引言
某2×1000MW空冷发电机组，循环冷却系统采用表凝式间接空冷系统，机组与冷却塔的配置推荐一机一塔、一机两塔两个方案，布置方式均为表凝式散热器塔外竖向布置，其立面、剖面图见图1。

图1 间接空冷塔立面及剖面图
为获得安全可靠、经济合理的最优方案，对一机一塔、一机两塔两个方案展开分析研究。

根据设计基础条件，工艺专业进行热力优化计算，确定一机一塔、一机两塔两个方案的空冷塔几何尺寸。

根据间接空冷散热器的布置和进风要求，空冷塔的进风口比湿冷塔高很多，对一机一塔而言，其进风口高达28米，零米直径达到170多米，其稳定问题十分突出，是制约特大型空冷塔结构设计的关键问题。

计算分析方法主要利用冷却塔静、动力整体分析程序LBS和LBSD，并利用结构有限元分析程序SAP2000对冷却塔结构进行静、动力验算分析以及塔体稳定性分析。

通过分析得出结论，采用一机一塔、一机两塔方案均可以做到安全可靠，在此基础上对两方案进行比较，推荐一机一塔方案。

1 地质条件及地基处理
1.1地形地貌
拟建区域地形平坦，地貌成因类型风积高原，地貌类型为平地。

1.2 地层结构及承载力特征值
拟建区域上覆地层为第四系风积层（Q4eol）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）构成，岩性主要为为细砂、粘性土；下伏基岩地层为中生界白垩系（K）砂质泥岩、泥质砂岩。

第四系地层厚度一般为20.00～40.00m。

①细砂（Q4eol）：层厚为6.00～9.80m。

地基承载力特征值：fak＝120～140kPa。

②粘性土（Q4al+pl）：层厚为10.00～15.80m。

地基承载力特征值：fak＝120～150kPa。

③细砂（Q4al+pl）：层厚为10.00～23.00m。

地基承载力特征值：fak＝200～260kPa。

强风化砂质泥岩、泥质砂岩：fak＝250～300kPa；
中等风化砂质泥岩、泥质砂岩：fak＝550～700kPa。

1.3 地下水条件
建设场地的地下水稳定水位埋深20.00～22.00m，年变化幅度为1.00～2.00m。

可不考虑地下水对拟建建（构）筑物的影响。

1.4 冻土深度
最大冻土深度为1.50m。

1.5 地基处理方案
冷却塔属高耸旋转薄壳结构，对地基的沉降变形十分敏感，对地基的承载力要求较高。

根据前述第①和②层土层承载力低，不宜作持力层，需进行处理，从地表算起①和②层土层平均厚度约为21m。

冷却塔结构主要承受风荷载，风荷载会在冷却塔的基底产生很大的水平推力。

若采用桩基进行地基处理，则可能由于单桩水平承载力太低而需要打部分斜桩或采用大直径的灌注桩，这将增加地基处理的难度和费用。

因此优先采用复合地基处理方式，利用塔体自重与地基的摩察力来满足水平推力的要求。

经过计算，处理后的地基承载力特征值应达到300kN/m2以上，在各种复合地基处理方式中，孔内深层强夯灰土挤密法（DDC）能大幅度的提高地基的承载力，根据以往工程经验，采用DDC桩处理后地基承载力特征值可达400kN/m2以上，可以满足要求。

综上所述，地基处理方案采用孔内深层强夯灰土挤密法（DDC），DDC桩成桩后的直径为600mm，桩间距1.1m，桩长16m左右，正三角形布置，在桩顶设置0.5m厚灰土垫层。

2 空冷塔主要几何尺寸
2.1 空冷塔几何尺寸的选择
工艺专业经初步的热力计算及结合冷却塔型的比例，拟定的塔体主要尺寸见表1。

表1 空冷塔基本尺寸
3 空冷塔结构设计
3.1 结构布置
空冷塔结构由环板基础、X柱支墩、X支柱、塔筒、散热器支撑构架和散热器与塔筒之间封闭设施等构成。

塔筒、X支柱、环型基础和散热器支撑架构为现浇钢筋砼结构，封闭设施采用型钢、压型钢板形成散热器与塔体之间的封闭。

3.2 冷却塔塔筒设计
塔筒包括下环梁、筒壁及塔顶刚性环（上环梁）三部分，为双曲面薄壳结构。

塔筒内力计算必须考虑结构自重、风、温度作用、地震、施工及不均匀沉降影响等荷载，并分别按承载能力和正常使用两种极限状态进行荷载组合计算。

3.2.1 主要设计荷载
（1）结构自重
计算结构自重时，钢筋混凝土容重采用25kN/m3。

（2）风荷载
由于冷却塔主体结构是典型的空间旋转薄壳结构，对风荷载极为敏感，风荷载是冷却塔主要作用荷载之一。

该塔型体积庞大，对塔体的内力和屈曲稳定较为不利，为改善此问题，设计时选取风压为加肋双曲面的风压分布曲线，这对塔体无论是内力还是稳定都有好处。

从图二中可看出，无加肋双曲面的最大负压约在73°的位置风压系数为-1.51834，加肋双曲面的最大负压约在70°的位置风压系数为-1.316。

无加肋双曲面的最大负压系数是加肋双曲面的1.1538倍，即要大15％左右。

故塔体采用子午向加肋的双曲面，沿塔筒外表面子午线方向均匀加90条纵肋。

(a)基本风压：按照《火力发电厂水工设计技术规范》（DL/T 5339-2018）其设计基本风压可采用10m高五十年一遇10min平均最大风压作为基本设计风压，本工程冷却塔设计基本风压按0.5kN/m2考虑。

(b)风压高度变化系数按B类地貌采用。

(c)风振系数按β＝1.9采用。

(d)冷却塔平均风压分布系数，按《火力发电厂水工设计技术规范》（DL/T 5339-2018）及《工业循环水冷却设计规范》（GB 50050-2017）规定的8项式取值，按加肋双曲面考虑。

图2 风压沿环向分布展开图
3.2.2 温度作用取值
塔外极端最低气温为-28.0℃。

根据工艺资料，塔内最高气温为60℃。

3.2.3 地震
抗震设防烈度按Ⅶ度考虑，地震动峰值加速度为0.1g，地震动反应谱特征周期0.45s。

3.2.4 设计工况
对于塔筒计算，其荷载组合如下：
不考虑地震作用时
S=G+1.4W+0.6T
S=G+0.84W＋T
考虑地震作用时
S=G+1.3E＋0.35W+0.6T
上述式中：
S—结构作用效应总设计值；
G—由自重荷载作用标准效应值；
E—塔筒地震作用标准效应值；
W—包括风振系数的风荷载作用标准效应值；
T—包括徐变系数的温度作用标准效应值；
3.3 塔筒结构选型与优化
目前国内常用的塔筒有线形分段变厚度和指数变厚度的两种塔。

本次设计采用线形分段变厚度塔，该塔型塔筒结构厚度相对较小，且基本为等厚度，便于施工及质量控制，并能节省钢筋砼方量。

下环梁处于塔筒最下端，塔筒所有荷载均通过它传给X型柱，该处受力状态最为复杂，钢筋布置也最为集中。

筒壁厚度主要由在荷载作用下屈曲稳定验算确定。

塔顶刚性环（上环梁）位于壳体顶部，是筒壳在顶部的一个加强箍对塔体的屈曲稳定性影响很大，施工和检修时又可以作步道用。

刚性环厚度主要也受荷载作用下结构的稳定验算确定。

塔筒整体计算采用北京大学力学系为主编制的冷却塔整体静、动力分析软件LBS和LBSD进行计算，采用SAP2000通用有限元分析软件进行校核。

3.4 稳定分析及塔型优化
冷却塔塔筒作为薄壳结构，满足屈曲稳定是壳体设计的重要工作，需对冷却塔塔筒进行整体稳定分析和塔筒局部弹性稳定分析，二者必须同时满足规范稳定要求。

3.4.1 塔筒整体稳定分析
（1）塔筒整体稳定分析公式
式中：
σ1、σ2——由SGK+SWK+Swsog组合产生的环向、子午向压应力，其中Swsog为内吸力引起的压应力(kPa)；σcr1、σcr2——塔筒环向、子午向的临界压力值(kPa)；
h —— 塔筒壁厚(m);
vc——混凝土泊松比；
K1、K2——几何参数；
表4 几何参数表
图4整体屈曲第1阶模态V on mises应力分布
3.5 塔筒X柱支撑系统设计
由于空冷塔进风口高度较大，因而采用常用的人字柱难以满足要求，故采用X型支柱，对一机一塔方案采用60对X支柱，对一机两塔采用48对X支柱。

一机一塔的柱截面为1.0m×1.5m，一机两塔柱截面为0.9m×1.3m。

3.6 冷却塔基础设计及防裂缝措施
3.6.1环型基础
对于地基承载力验算，其荷载组合如下：
S=1.1G+W/1.9+0.6T
对于基础上拔力平衡验算，应采用下列组合：
S=G+1.2W
式中符号意义同上。

冷却塔环型基础采用矩形截面，地基采用复合地基处理方案。

表5 空冷塔环基主要特征参数
一机两塔方案比一机一塔方案高出约456万元，从工程造价方面比较，一机一塔方案优于一机两塔方案。

2）从技术先进性、占地面积及运行管理方面比较，一机一塔方案明显优于一机两塔方案。

同时一机两塔方案在总平面布置上塔群效应较大，而塔群效应对塔的结构影响较大，英国渡桥(Ferrybridge)电站塔群中下风向的冷却塔倒塌就和塔群效应有一定的关系。

3）从技术可靠性方面比较，目前我们有完善、先进的分析计算手段，有2×600MW机组间接空冷塔、2×350MW机组间接空冷塔施工图设计经验，为1000MW机组特大型间冷塔的设计提供支撑和保证；另外，我院有200米以上的冷却塔建成投产，在施工建造方面也有可借鉴
的经验。

通过建模分析计算，1000MW级特大型冷却塔的屈曲稳定在技术上是有保证的，在此前提下一机一塔方案比一机两塔方案造价低、占地少且塔群效应小，综合以上优势，推荐采用一机一塔方案。

参考文献：
[1]中国电力企业联合会. 工业循环水冷却设计规范：GB 50050-2017 [S].北京：中国计划出版社，2017.
[2]中国电力企业联合会. 火力发电厂水工设计技术规范：DL/T 5339-2018[S]. 北京：中国计划出版社，2018.
[3]中华人民共和国住房和城乡建设部. 大体积混凝土施工规范：GB 50496－2018[S].北京：中国建筑工业出版社，2018.
[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范：GB 50011-2010（2016）[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2016. Structural Design of Indirect Air Cooling Tower for 1000MW Power Plant
Yang Le Li Hairui
（SHANXI ELECTRC POWER ENGINEERING CO., LTD., Taiyuan 030001,China）
Abstract:For the indirect air cooling tower of 2 * 1000MW grade power plant, two schemes of one machine and one tower, one machine and two towers are equipped. The research results show that, under the premise of stability and safety of the cooling tower, the cost of one machine and one tower is lower than that of one machine and two towers, with less land occupation and no tower group effect. Therefore, one tower and one tower scheme is recommended for the indirect air cooling tower of 1000MW power plant.
Key words: thermal power plant; indirect air cooling tower; one machine and one tower; one machine and two towers.。