“三塔合一”超大型空冷塔结构优化设计

“三塔合一”超大型空冷塔结构优化设计

来源：1. 中南电力设计院2. 中南电力设计院2013年10月25日点击：

【文摘】本文简单介绍了超大型冷却塔结构设计现状，针对某工程空冷系统中“三塔合一”超大型空冷塔，通过结构选型，局部稳定性分析和整体稳定性分析对空冷塔结构进行优化设计，在保证结构安全可靠的前提下，减少空冷塔混凝土工程量，节省投资。

【关键词】超大型空冷塔;局部稳定性分析;整体稳定性分析;塔型优化

1、我院超大型冷却塔结构设计简介

双曲线型自然通风冷却塔的建造历史国内已有几十年的经验，在已建和在建的大型自然通风冷却塔项目方面，国内淋水面积最大的宁海电厂13000 m2冷却塔已投运。我院设计的汉川电厂三期工程、华润贺州电厂工程淋水面积13000 m2超大型冷却塔设计工作已全部完成，冷却塔正在建设中。

淋水面积13000 m2冷却塔主要几何尺寸如下：

塔总高度 175 m 进风口高度 12.10 m

塔顶部中面直径 81.252 m 塔筒底部中面直径 129.358 m

塔零米人字柱中心直径 138.80 m “人”字型柱对数 48对

图1 华润贺州电厂淋水面积13000 m2冷却塔施工到顶

2、本工程超大型空冷塔结构优化设计通用有限元分析

空冷塔布置情况，混合式间接空冷系统采用一台机配置一座自然通风空冷塔，冷却单元布置在空冷塔的外侧，全塔共176个冷却单元。空冷塔参数为：

底部直径(散热器外沿)：161 m X柱处的底部直径 ~149 m

喉部直径 98 m 塔筒出口直径 100 m

塔筒底部直径 137 m 进风口高度 26 m

空冷塔高度 175 m

2.1 有限元建模

该空冷塔采用钢筋混凝土结构，塔筒、斜支柱混凝土为C35，环基混凝土为C30；基本参数为：塔总高度为175 m，喉部半径为49 m。进风口高度26m，进风口半径为68.5 m。支柱为“X”支柱，40对，尺寸①B×H=1.2×1.6 m；②B×H=1.1×1.7 m。地基尺寸：B×H=13.0×2.0 m。

支柱：使用ANSYS中的BEAM188梁单元；在支柱形式为“X形支柱”时，支柱为矩形截面，需要输入截面的宽度和高度，其中高度为空冷塔半径方向；

支墩：使用ANSYS中的BEAM188梁单元；等效为圆形截面，截面半径为“X形支柱”宽度的3倍；

塔顶刚性环：使用ANSYS中的BEAM189梁单元；是截面形状如L字形的梁，需要输入四个参数；

壳体：使用ANSYS中的SHELL93壳单元；由于壳体是旋转壳，需要输入壳体母线的形式（包括壁厚）；

地基与环梁：基础环梁在本计算中被简化为梁单元，使用ANSYS中的BEAM188梁单元；

图2 典型的有限元模型图

2.2 结构选型

空冷塔坐标系取为：喉部水平为横轴r轴，铅锤线为竖轴z轴。考虑两种曲线组合型式，曲线组合1：喉部以上和喉部以下分别用两条双曲线的塔型；曲线组合2：喉部以上双曲线，进风口以上一段圆锥曲线，圆锥和喉部之间双曲线。喉部高度分别取150 m、155 m和160 m进行分析，支柱截面尺寸的变化只对壳体进风口附近部分的局部稳定性有较大的影响，但这一部分的壳体局部稳定性Kb本身就比较大，而对壳体局部稳定性的薄弱环节部分的影响是很小的。

对于壳体以上和壳体以下两段双曲线的塔型，喉部高度150 m、155 m、160 m三种情况下，喉部高度增加会提高壳体的局部稳定性，但整体稳定性略有下降。喉部高度155 m时壳体总体积比较小，综合对比之下，喉部高度155 m的塔型更有优势。调整了壳体厚度变化的指数后，壳体体积有了4~5%左右的下降，当然，局部稳定性的Kb最小值也有明显的下降，但最小厚度0.3 m以上的情况下最小Kb值仍大于5，实际设计的过程中，可以根据壳体Kb值的余量调整壳体厚度的变化。

2.3 局部稳定性分析

由于空冷塔是很薄的壳体结构，其稳定性是设计必须考虑的因素，按《工业循环水冷却设计规范》[1]，自然通风空冷塔的局部稳定性按下式验算：

对于最终选中的塔型和壁厚参数，根据ANSYS计算得到的内力结果，并根据规范可得各壳体点的局部稳定性系数KB，见表一：

表1 局部稳定性系数KB（75 m~90 m区域）

2.4 整体稳定性分析

考虑空冷塔的整体稳定性，应用自重载荷、风载荷和内吸力载荷，并在保持自重载荷不变的情况下增大风载荷和内吸力载荷的倍数，得到临界载荷的倍数为34.227，与之相对应的临界风速为148 m/s，整体稳定性模态如图3：

图3 空冷塔整体稳定性

2.5 壳体选型初步结论

2.5.1 三种不同喉部高度的塔型中，综合考虑局部稳定性和整体稳定性的计算结果，优先选择喉部高度155 m的塔型；

2.5.2 在塔型的局部稳定性Kb值有足够余量的情况下，可以在保持壳体最大、最小厚度的情况下，通过优化壳体厚度，进一步减少壳体体积。

参考文献：

[1] GB/T 50102-2003. 工业循环水冷却设计规范[s]. 吉林：东北电力设计院，2003