超大型冷卻塔結構設計與研究

董勝憲

(華東電力設計院，上海 200063)

超大型冷卻塔結構設計與研究

董勝憲

(華東電力設計院，上海 200063)

雙曲線自然通風冷卻塔是電力建設中的一項重要工程，隨著我國國民經濟的飛速發展，發電廠單機裝機容量的增大，“十二五”期間在內陸要新建一批核電廠，電廠內的冷卻塔已從過去的大中型冷卻塔轉為超大型冷卻塔。超大型冷卻塔的結構設計與研究工作已提到我們議事日程上，因此應該引起各方面的重視。

超大型冷卻塔；結構設計。

1 概述

雙曲線自然通風冷卻塔是電力建設中的一項重要工程，在1973年以前，我們國內對雙曲線自然通風冷卻塔結構分析大部分是基于旋轉殼的無矩理論，即薄膜理論。它是將殼體平衡方程中忽略彎距與剪力的簡化模型。因此在工程中大部分都采用手算或用手搖計算機進行計算。

1973年～1975年，我院委托北京大學固體力學系編制了冷卻塔結構靜力分析BSZ程序和冷卻塔結構動力分析BSD程序。

兩個程序投入運行以后，被移植到各種計算機上，80年代后又改編為Fortran語言，這幾年又經過不斷地更新補充，我院用它們已成功地設計了上百座以上的冷卻塔。

2 冷卻塔結構形式與大小分類

2.1 冷卻塔結構形式

冷卻塔通風筒采用雙曲線形現澆鋼筋混凝土結構，為加強殼體頂部剛度，塔頂設有剛性環。冷卻塔通風筒底部采用人字支柱與環板基礎或倒T型基礎聯結，冷卻塔人字支柱一般為園形或方形截面，預制或現澆鋼筋混凝土結構。環板基礎或倒T型基礎采用現澆鋼筋混凝土結構。

中、小型冷卻塔在天然地基較差的條件下，一般宜采用倒T型基礎。大、中型冷卻塔一般宜采用環板基礎。當地基為巖石時，一般宜采用單獨基礎。

冷卻塔塔內淋水構架和主水槽一般全部采用預制鋼筋混凝土結構，中央豎井及構架基礎為現澆鋼筋混凝土結構。水池底板采用分離式現澆鋼筋混凝土結構。

2.2 冷卻塔大小分類

雙曲線自然通風冷卻塔按淋水面積一般大致可分為：

小于1000m2雙曲線自然通風冷卻塔屬于小型冷卻塔。1000m2～5000m2屬于中型冷卻塔。5000m2～10000m2屬于大型冷卻塔。大于10000m2雙曲線自然通風冷卻塔屬于超大型冷卻塔。

3 冷卻塔結構設計

冷卻塔的通風筒是一種典型的薄殼結構。它的厚度最薄處與其直徑之比，如果將冷卻塔成比例地縮小到雞蛋直徑大小，則它比雞蛋殼還要薄。在風荷載作用下冷卻塔頂部的位移可以達到幾十厘米，超過厚度的數倍。

1965年11月1日，英國渡橋電廠(裝機容量200MW)，配8座高為114m的冷卻塔，為雙排梅花形布置，在8級風中倒掉了3座，造成了一起嚴重的倒塌事故。事故后，關于風載作用下冷卻塔的空氣動力和結構強度問題，曾經引起過世界上的普遍注意。英國渡橋電廠冷卻塔倒塌事故，現在看來其原因是多方面的，主要有：①冷卻塔平面布置不合理；②塔型不是連續的雙曲線；③冷卻塔結構設計按照無矩理論且單層配筋；④冷卻塔塔壁較薄塔頂未設剛性環。但大量研究成果表明，認為大風通過塔群內的塔與塔之間時，(包括廠房)受其影響，風的頻譜有較大的變化這是倒塌的主要原因之一。

冷卻塔通風筒殼體母線形狀確定之后，關于殼壁厚度，一般為指數變厚殼、基本等厚殼和分段等厚殼，綜合我院以往設計的冷卻塔經驗，小型冷卻塔一般我們均按照指數變厚殼設計。中型冷卻塔我們均按照基本等厚殼厚殼設計。對于大型冷卻塔和超大型冷卻塔我們則按照分段等厚殼設計。

眾所周知，風荷載是雙曲線自然通風冷卻塔的主要荷載之一，關于風壓沿塔高的分布，我們過去在設計小塔時，大都是以塔頂最大風壓作為全塔的設計風壓，而實際上，風壓沿塔高是變化的，也可以按照上下階梯形分布或上下連續變化來計算，國外按階梯形分布用得較多，我們對上述三種情況，在洛河電廠一期工程7000m2冷卻塔設計中，曾經作過比較，階梯形分布子午向薄膜力T1比上下連續分布時小10%左右，緯向薄膜力T2比上下連續分布時小16%左右，因此我們現在設計的冷卻塔采用的風壓沿塔高均按階梯形分布來計算。

隨著我國國民經濟的飛速發展，發電廠單機裝機容量的增大， “十二五”期間在內陸要新建一批核電廠，電廠內的冷卻塔已從過去的大中型冷卻塔轉為超大型冷卻塔。我們在多個工程已設計了數個淋水面積超過10000m2的超大型冷卻塔。其中徐州彭城三期工程淋水面積12000m2冷卻塔已投產使用。在徐州發電有限公司2×1000MW機組(上大壓小)工程中，我院設計的目前我們國家最大的“煙塔合一”淋水面積12000m2自然通風排煙冷卻塔也于2010年12月1日實現結構封頂。現在我們正在著手做湖南桃花江核電廠雙曲線自然通風冷卻塔淋水面積達到18000m2，塔高200m。

由于發電廠單機裝機容量的增大，核電廠用水量的增加。冷卻塔也愈宜向高大方向發展。由此產生的問題是：冷卻塔是否越高大越劃得來一般來說冷卻塔越高大，成本也就越高。我自己設計以及參與設計和校核的冷卻塔，曾經做過比較，小型冷卻塔配筋通風筒筒壁混凝土的含鋼量在100kg/m3以下，中型冷卻塔配筋通風筒筒壁的混凝土含鋼量在100kg/m3～120kg/m3之間，大型冷卻塔配筋風筒筒壁的混凝土含鋼量在150kg/m3左右。而目前超大型冷卻塔配筋風筒筒壁的混凝土含鋼量在160kg/m3～170kg/m3之間。小型塔對地基承載力要求不是很高，一般天然地基也能滿足。中型塔和大型塔以及超大型塔就需要地基處理。而冷卻塔地基處理的費用，過去一般占冷卻塔總造價的10% ～15% ，而現在有的20%都包不住。因此冷卻塔淋水面積到達某一大小之后，自然會產生建一個大塔不如建兩個小塔合算的問題，這就要做總體的技術經濟比較。由于我們的冷卻塔結構設計優化還存在著一定的缺陷，因此，進一步從省成本、安全、熱效率、結構力學、水力學、流體力學等各個方面，冷卻塔整體優化設計問題已提到我們的日程上來了。

《火力發電廠水工設計規范》DL/T5339-2006冷卻塔結構設計的冷卻塔高度目前限制在165m。無可置疑現行的《火力發電廠水工設計規范》DL/T5339-2006風壓分布系數也是根據單塔來制訂的。而我們現在做的超大型冷卻塔結構設計早已突破了當前規范的高度限制。

冷卻塔結構的非線性問題。冷卻塔的厚度很小，無論從靜力還是從動力分析的角度來看，非線性問題是迫切的。在風荷載作用下冷卻塔頂部的位移可以達到幾十厘米，超過厚度的數倍。這在數量上早已超出了線性理論的適用范圍。線性問題要求位移比厚度小很多，傳統設計中采用線性問題近似，在塔小時相差不會很大，而對于大塔或者超大型冷卻塔，這種誤差會變得不可忽略。

為了考慮非線性效果，在塔變形時引起的風壓變化也將成為不可忽略的因素。何況這個風壓的變化可以與變形耦合產生積累，對于大塔或者超大型冷卻塔，這種因素是不能省略的。

冷卻塔結構設計中，在遇到塔群的情況下，是否要考慮群塔的影響現行的《火力發電廠水工設計規范》DL/T5339-2006沒有明確規定。我的意見還是應該考慮塔群的影響。英國渡橋電廠冷卻塔倒塌事故的大量研究成果，認為大風通過塔群內的塔與塔之間時，(包括廠房)受其影響，風的頻譜有較大的變化這是倒塌的主要原因之一。我們在多個工程中委托有關大學做的《冷卻塔風洞試驗》和《冷卻塔塔群試驗研究》報告的結論意見，也都充分說明了這一點。另外，現在設計高層建筑時，碰到兩樓之間的凈距小于樓寬的2倍時，都要考慮群樓效應，風壓值經風洞試驗測定后，兩樓之間的風速將增大1.3～1.5倍，連體建筑也應考慮。在《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程》JGJ 3-91，第2.2.2條寫明“高層建筑的平面宜選用風壓較小的形狀，并應考慮鄰近高層建筑對其風壓分布的影響”。

另外冷卻塔也愈宜向高大方向發展，而隨之帶來新的問題也就越復雜。小塔認為不重要的問題，對于大塔和超大型塔就顯得非常尖銳。例如：施工初缺陷的影響、地基的不均勻沉降、地震反應的時程分析、風震問題、在冷卻塔施工時抽掉幾對人字柱對筒體的影響以及“煙塔合一”的冷卻塔在通風筒壁上預留大孔洞的應力分析問題等等。

4 結語

隨著電子計算機技術的高速發展，我國電力建設事業已取得了日新月異地變化。冷卻塔CAD軟件的研制與開發也取得了長足的進步。自我院設計的平圩電廠后，我們國家從比利時哈蒙公司引進了冷卻塔設計計算程序，并用其計算程序也設計了一些雙曲線型自然通風冷卻塔。由于計算機環境的不斷改變，有的冷卻塔CAD軟件雖然也有配筋計算與繪圖功能，但功能不夠完善，使用不便。因此，在這方面，我們還有很多工作需要去做。

[1]武際可．大型冷卻塔結構分析的回顧與展望[J].力學與實踐，1996，18(6)．

[2]董勝憲．吳涇電廠八期工程9000m2冷卻塔結構設計探討[J]．電力建設，1999，(8).

[3]董勝憲．大型冷卻塔結構設計技術[A]．上海市水利學會第十一屆學術年會論文集(2001～2002)[C]．2002．

[4]DL/T5339-2006，火力發電廠水工設計規范[S].

Structural Design and Research of Super Large Cooling Towers

DONG Sheng-xian
(East China Electric Power Design Institute, Shanghai 200063, China)

Hyperbola natural ventilation cooling tower is one of the important projects in the electric power construction.With the rapid development of our national economy and the increase of single installed capacity in power plants, a lot of nuclear power plants will be built in the inland during the 12th Five-Year Plan period. Cooling towers of the plant have turned from past large and medium ones to super large ones. Structural design and research of super large cooling towers which has been referred to our agenda should arouse the attention of all aspects.

super large cooling towers; structural design and research.

TM621

B

1671-9913(2011)02-0044-03

2011-01-26

董勝憲(1954- )，男，山東海陽人，高級工程師。