大型雙曲線冷卻塔熱力及結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型綜合分析

[摘 要] 大型雙曲線冷卻塔是火電站的必備設(shè)施，可將工業(yè)水中的熱量散出，保持了電力生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。火力發(fā)電是電能產(chǎn)出的重要途徑，其利用燃燒原料燃燒產(chǎn)出熱能，再轉(zhuǎn)換成電能供應(yīng)使用。我國(guó)以火電廠為主的發(fā)電場(chǎng)所，正面臨著大范圍的改造活動(dòng)。大型發(fā)電廠采用的冷卻構(gòu)筑物基本上都是雙曲線冷卻塔，綜合分析，大型雙曲線冷卻塔熱力及結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型，具體設(shè)計(jì)過(guò)程中還要注意相關(guān)指標(biāo)的控制。當(dāng)具備了足夠的分析材料，發(fā)電廠便可以制定相關(guān)的優(yōu)化處理方案，以盡快抑制冷卻塔結(jié)構(gòu)異常問(wèn)題的擴(kuò)大化。文章對(duì)此進(jìn)行分析。

[關(guān)鍵詞] 大型雙曲線冷卻塔；熱力；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；選型

[作者簡(jiǎn)介] 王延?xùn)|，中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院工程師，碩士研究生，研究方向：電廠設(shè)計(jì)，廣東 廣州，510663

[中圖分類號(hào)] TM621[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1007-7723（2012）07-0026-0003

我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展時(shí)期，工業(yè)生產(chǎn)需要消耗的電量逐漸增多，原始電力生產(chǎn)系統(tǒng)日趨呈現(xiàn)了其落后的發(fā)電能力。大型雙曲線冷卻塔是火電站的必備設(shè)施，可將工業(yè)水中的熱量散出，保持了電力生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行?？紤]到發(fā)電廠規(guī)模改造的策劃要求，大型雙曲線冷卻塔應(yīng)注重?zé)崃敖Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化選型。

一、冷卻塔的介紹

電力供應(yīng)是社會(huì)生產(chǎn)的主要活動(dòng)，通過(guò)利用其他能源有效地轉(zhuǎn)換為電能，向企業(yè)或個(gè)人用戶提供了優(yōu)越的供電服務(wù)?；鹆Πl(fā)電是電能產(chǎn)出的重要途徑，其利用燃燒原料燃燒產(chǎn)出熱能，再轉(zhuǎn)換成電能供應(yīng)使用。我國(guó)以火電廠為主的發(fā)電場(chǎng)所，正面臨著大范圍的改造活動(dòng)，如：廠內(nèi)面積、基礎(chǔ)設(shè)施、調(diào)配系統(tǒng)等均實(shí)施了優(yōu)化改造，以進(jìn)一步完善電力生產(chǎn)體系。大型發(fā)電廠采用的冷卻構(gòu)筑物基本上都是雙曲線冷卻塔，其結(jié)構(gòu)、原理、功能等情況如下：

（一）結(jié)構(gòu)

冷卻塔由集水池、支柱、塔身和淋水裝置組成。集水池多為在地面下約2m深的圓形水池。塔身為有利于自然通風(fēng)的雙曲線形無(wú)肋無(wú)梁柱的薄壁空間結(jié)構(gòu)，多用鋼筋混凝土制造。大規(guī)模發(fā)電廠所用的雙曲線冷卻塔，在結(jié)構(gòu)上與上述基本一致，只有外形布局上呈現(xiàn)出“曲線形”，這與其實(shí)際冷卻循環(huán)系統(tǒng)的功能需要存在聯(lián)系。

（二）原理

冷卻塔是利用空氣同水的接觸（直接或間接）來(lái)冷卻水的設(shè)備。具體原理：以水為循環(huán)冷卻劑，從一系統(tǒng)中吸收熱量并排放至大氣中，從而降低塔內(nèi)循環(huán)水的溫度，制造冷卻水可循環(huán)使用的設(shè)備。根據(jù)這一原理，發(fā)電廠保持冷卻塔內(nèi)水量充足，便可以及時(shí)地將工發(fā)電用水的熱能排出，對(duì)整個(gè)電力生產(chǎn)系統(tǒng)具有良好的冷卻作用。伴隨著電力行業(yè)的快速發(fā)展，冷卻塔實(shí)施的功能趨于完善，適應(yīng)了大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)電的需要。

（三）功能

火電廠、核電站的循環(huán)水自然通風(fēng)冷卻是一種大型薄殼型構(gòu)筑物，為了節(jié)約用水，需建造一個(gè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，以使得冷卻器中排出的熱水在其中冷卻后可重復(fù)使用。調(diào)查顯示，國(guó)內(nèi)90%以上的大型電廠，均根據(jù)實(shí)際發(fā)電生產(chǎn)需要選擇了不同形體的雙曲線冷卻塔，設(shè)置于電力生產(chǎn)系統(tǒng)里發(fā)揮了良好的散熱功能。從安全角度考慮，雙曲線冷卻塔對(duì)維持發(fā)電廠內(nèi)環(huán)境的安全性也有幫助。

二、大型雙曲線冷卻塔熱力及結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型

隨著發(fā)電廠電力生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，早期常規(guī)冷卻塔的應(yīng)用功能已滿足不了冷卻水系統(tǒng)的作業(yè)要求，及時(shí)改造冷卻塔才是維持電力系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的根本。專家指出，發(fā)電廠冷卻塔熱力散出情況與其構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)布局存在密切關(guān)聯(lián)，對(duì)冷卻塔結(jié)構(gòu)實(shí)施優(yōu)化選型可提高其冷卻性能。

（一）塔高

雙曲線冷卻塔的高度大小，不僅關(guān)系著構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)布局的合理性，對(duì)塔配水系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行也有影響。估計(jì)到熱力指標(biāo)的要求，塔高設(shè)計(jì)選型要符合發(fā)電廠的生產(chǎn)要求。冷卻塔高度一般為75～150m，底邊直徑65～120m。塔內(nèi)上部為風(fēng)筒，筒壁第一節(jié)以下為配水槽和淋水裝置，統(tǒng)制為淋水構(gòu)架，多用PE或PVC材料制成。

（二）蓄水池

發(fā)電廠電能產(chǎn)出量不斷提高，冷卻塔內(nèi)蓄積的電力用水量也越來(lái)越大，這就要設(shè)計(jì)出一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的蓄水區(qū)域。蓄水池是大型雙曲線冷卻塔的蓄水結(jié)構(gòu)，通常都設(shè)置于冷卻塔的底部。蓄水池優(yōu)化選型應(yīng)詳細(xì)地分析冷卻塔上部結(jié)構(gòu)的重力荷載，防止其對(duì)底部蓄水池造成過(guò)載承壓，損壞了蓄水池的完整性，如：設(shè)計(jì)抗裂、抗震結(jié)構(gòu)等。

（三）淋水裝置

對(duì)于電廠冷卻塔而言，對(duì)其冷卻作用起著決定性作用的是淋水裝置。選擇合適的淋水裝置，能夠讓冷卻塔內(nèi)蓄存的水與空氣充分接觸，擴(kuò)大了蓄水池水循環(huán)的流通效率，促進(jìn)了冷卻水之間的熱力交換。大型發(fā)電廠雙曲線冷卻塔優(yōu)化選型中，需注意淋水裝置的配置，具體要求：超過(guò)冷卻塔表面積，空氣阻力小，填料中的水流持續(xù)流通等，最佳選用填料有木質(zhì)板條、紙蜂窩、石棉水泥板等。

（四）塔筒

冷卻塔通風(fēng)筒包括下環(huán)梁、筒壁、塔頂剛性環(huán)。下環(huán)梁位于通風(fēng)筒殼體的下端，風(fēng)筒的自重及所承受的其他荷載都通過(guò)下環(huán)梁傳遞給斜支柱，再傳到基礎(chǔ)。筒壁是冷卻塔通風(fēng)筒的主體部分，它是承受以風(fēng)荷載為主的高聳薄殼結(jié)構(gòu)。其殼體的形狀、壁厚，必須經(jīng)過(guò)殼體優(yōu)化計(jì)算和曲屈穩(wěn)定來(lái)驗(yàn)算。

（五）斜柱

斜支柱為通風(fēng)筒的支撐結(jié)構(gòu)，主要承受自重、風(fēng)荷載和溫度應(yīng)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。雙曲線冷卻塔熱力結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)人員要按冷卻塔的雙拋物線設(shè)計(jì)，并且保證基礎(chǔ)主要承受斜支柱傳來(lái)的全部荷載。

三、結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

大型發(fā)電廠在生產(chǎn)規(guī)模、電能產(chǎn)量、設(shè)備組合等方面，與中小型電廠存在著明顯的差異，廠內(nèi)冷卻塔承擔(dān)的工作荷載也很大，若不注意控制將會(huì)破壞構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)功能。綜合分析，大型雙曲線冷卻塔熱力及結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型，具體設(shè)計(jì)過(guò)程中還要注意相關(guān)指標(biāo)的控制。當(dāng)具備了足夠的分析材料，發(fā)電廠便可以制定相關(guān)的優(yōu)化處理方案，以盡快抑制冷卻塔結(jié)構(gòu)異常問(wèn)題的擴(kuò)大化。

（一）尺寸

熱力及結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型，一是對(duì)舊冷卻塔進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)改善冷卻功能的目的；二是重新筑造塔體，滿足更大規(guī)模生產(chǎn)的需要。無(wú)論是哪一種形式，雙曲線冷卻塔熱力或結(jié)構(gòu)選型，都要考慮尺寸標(biāo)準(zhǔn)的精準(zhǔn)性，嚴(yán)格保證熱力結(jié)構(gòu)與冷卻塔尺寸一致。如：塔高尺寸應(yīng)以75～150m，底邊直徑65～120m等標(biāo)準(zhǔn)為主，在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)可根據(jù)冷卻塔要求合理地調(diào)整。

（二）荷載

大型發(fā)電廠冷卻塔高度較高，最常見(jiàn)的高度值為80m左右，這就使冷卻塔面臨著沉重的荷載問(wèn)題。為了防止大型冷卻塔荷載超標(biāo)引起的不利影響，改良設(shè)計(jì)中應(yīng)注意風(fēng)筒幾何尺寸、殼底斜率等，都是需要嚴(yán)格控制的標(biāo)準(zhǔn)。此外，冷卻水循環(huán)運(yùn)行過(guò)程中，蓄水池體也承受了較大的沖力合作，當(dāng)超過(guò)承受范圍后則會(huì)引起結(jié)構(gòu)變化，減弱了冷卻塔設(shè)施的應(yīng)用功能。

（三）功能

冷卻塔的根本作用是將水中熱量散去，通過(guò)與空氣充分接觸的方法，降低塔池儲(chǔ)存水的內(nèi)溫。相反，要想使冷卻塔的工作得到最大發(fā)揮，發(fā)電廠在設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮冷卻塔熱力值的控制，最大限度地減小水的熱力值，便能達(dá)到最好的冷卻效果。熱力及結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化要考慮冷卻塔功能的正常發(fā)揮，這是改造方案最基本的要求，否則會(huì)影響冷卻塔功能的發(fā)揮而影響收益。

（四）病害

冷卻塔建筑物組合形式復(fù)雜，遍布于發(fā)電廠內(nèi)的適當(dāng)位置，保證了電力用水的冷卻效果。目前，雙曲線冷卻塔外圍結(jié)構(gòu)采用了鋼筋混凝土與其他配件組合而成，受到冷卻塔結(jié)構(gòu)荷載的影響，混凝土結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)不同程度的病害，影響了冷卻水系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮。為了避免塔體裂縫造成的破壞，雙曲線冷卻塔結(jié)構(gòu)選型應(yīng)考慮防害需要，做好相應(yīng)的防護(hù)工作。

四、大型雙曲線冷卻塔的日常維護(hù)

電力產(chǎn)業(yè)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著密切的關(guān)聯(lián)，電能工藝能夠?yàn)槠髽I(yè)提供生產(chǎn)所需的能源，且滿足了用戶正常用電的電能指標(biāo)。未來(lái)舊火電廠的發(fā)電規(guī)模必將逐漸擴(kuò)大，逐步取代早期建成的小規(guī)模發(fā)電。由此可見(jiàn)，冷卻塔也必將朝著大型化趨勢(shì)改進(jìn)，大型雙曲線冷卻塔是電廠運(yùn)行不可缺少的設(shè)備。鑒于其在發(fā)電廠中的冷卻功能，實(shí)際改造階段應(yīng)加強(qiáng)冷卻塔的管理與維護(hù)，嚴(yán)格防范各種不良事故的發(fā)生。

（一）建筑結(jié)構(gòu)的維護(hù)

大型冷卻塔常采用不同形式的建筑結(jié)構(gòu)為支撐，保證了塔體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因雙曲線冷卻塔多用鋼筋混凝土材料筑造，使用較長(zhǎng)時(shí)間后難免出現(xiàn)裂縫等異常病害。優(yōu)化選型時(shí)要考慮后期搶修處理的操作方便，提前編制有效的病害處理方案。通常，大型冷卻塔裂縫成因包括：受力荷載、塔體結(jié)構(gòu)、筑造材料等，設(shè)計(jì)人員掌握這些因素能夠指導(dǎo)處理方案的設(shè)計(jì)，以保證裂縫現(xiàn)象得到最有效地控制。

（二）日常操作的維護(hù)

電能需求量大幅度增加，對(duì)發(fā)電廠電能產(chǎn)量的要求越來(lái)越多。當(dāng)電力生產(chǎn)系統(tǒng)日常作業(yè)荷載增加之后，雙曲線冷卻塔需要完成更多的冷卻任務(wù)，高負(fù)荷工作條件下冷卻設(shè)備易發(fā)生故障。為了使生產(chǎn)用水里熱量能盡快散發(fā)，應(yīng)注意循環(huán)水系統(tǒng)的維護(hù)與管理，嚴(yán)格要求值班人員根據(jù)發(fā)電廠作業(yè)規(guī)范，調(diào)控冷卻塔與發(fā)電生產(chǎn)系統(tǒng)保持統(tǒng)一性。如：針對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)情況，建立自動(dòng)化控制系統(tǒng)以優(yōu)化冷卻塔的散熱功能。

五、結(jié) 論

總之，未來(lái)我國(guó)發(fā)電廠將朝著“大型化”方向發(fā)展，新型冷卻塔設(shè)施在大規(guī)模電廠中的運(yùn)用越來(lái)越多。大型雙曲線冷卻塔是極為重要的冷卻結(jié)構(gòu)，為電力生產(chǎn)用水的冷卻、散熱等活動(dòng)創(chuàng)造了有利的條件。設(shè)計(jì)人員要立足于發(fā)電廠內(nèi)系統(tǒng)調(diào)度的要求，對(duì)雙曲線冷卻塔熱力及結(jié)構(gòu)實(shí)施優(yōu)化改進(jìn)，保證冷卻循環(huán)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。同時(shí)，對(duì)于雙曲線冷卻塔建筑結(jié)構(gòu)部分出現(xiàn)的病害，應(yīng)提前設(shè)計(jì)針對(duì)性的處理方案。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李輝，歐陽(yáng)新萍，章立新，劉妮，陳建紅.一種新型逆流密閉式冷卻塔[A].中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2007學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2007.

[2]劉濤.基于恒流量壓差法的油液污染在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2008.

[3]陳少雄，楊俊青，潘興，朱前亮，何志剛.中德冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范風(fēng)荷載作用比較分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2010，（S1）.

[4]鄭付明.ANSYS在冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 江漢大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，（4）.