大型冷卻塔高徑比變化對(duì)投資的影響研究

何姜江，饒俊勇

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

1 概述

雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔是火力發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的構(gòu)筑物。冷卻塔體型大、造價(jià)高，對(duì)電廠初期投資影響較大。

在滿足相同的背壓條件下，采用相同特性淋水填料時(shí)，冷卻塔淋水面積的大小受冷卻塔高度的影響，淋水面積越小，冷卻塔越高；采用不同特性淋水填料時(shí)，為滿足相同的背壓，冷卻塔的高度不同。在假定的設(shè)計(jì)條件下，針對(duì)不同的淋水面積，計(jì)算不同高徑比對(duì)冷卻塔的工程量的影響，并進(jìn)一步計(jì)算冷卻塔造價(jià)，得出冷卻塔塔前期設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，找出最優(yōu)高徑比冷卻塔設(shè)計(jì)方案，為冷卻塔前期設(shè)計(jì)提供參數(shù)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范并參考國(guó)外冷卻塔設(shè)計(jì)規(guī)范，借鑒冷卻塔設(shè)計(jì)已有研究成果，從冷卻塔的高徑比著手，運(yùn)用哈蒙程序?qū)に噷I(yè)提供的冷卻塔幾何尺寸進(jìn)行定型計(jì)算，并在在基本相同的安全水準(zhǔn)下，擬定滿足穩(wěn)定和強(qiáng)度要求冷卻塔的各結(jié)構(gòu)尺寸；根據(jù)擬定尺寸計(jì)算冷卻塔造價(jià)，在此基礎(chǔ)上研究冷卻塔幾何尺寸對(duì)造價(jià)的影響，為冷卻塔優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 冷卻塔設(shè)計(jì)

2.1 工藝幾何參數(shù)

根據(jù)工藝專業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)果，冷卻塔高徑比優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要輸入幾何參數(shù)見表1。表中僅列出高徑比H/B=1.25的數(shù)據(jù)，相同淋水面積的冷卻塔，高徑比H/B=1.20～1.60變化時(shí)，僅塔高(H)改變，出口直徑、喉部直徑、零米直徑(B)、進(jìn)風(fēng)口標(biāo)高、進(jìn)風(fēng)口內(nèi)直徑等參數(shù)均不變。

表1 冷卻塔主要工藝幾何參數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)方法

冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)工藝專業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)果，以及風(fēng)荷載、溫度、塔體自重和施工要求等因素，對(duì)塔筒的形狀(包括選用的曲線)、壁厚、塔底傾角、塔頂傾角及人支柱對(duì)數(shù)、直徑、基礎(chǔ)型式和寬度等設(shè)計(jì)參數(shù)以及冷卻塔全部幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化選擇，得出技術(shù)合理及混凝土和鋼筋用量最省的塔型，以保證冷卻塔設(shè)計(jì)的安全、經(jīng)濟(jì)、合理性。在冷卻塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算選型時(shí)一般應(yīng)保證熱力選型所確定的冷卻塔主要尺寸：(1)淋水填料的直徑及其相應(yīng)標(biāo)高；(2)塔的總高度；(3)喉部直徑；(4)進(jìn)風(fēng)口高度。

2.3 荷載

2.3.1 結(jié)構(gòu)自重

根據(jù)《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》及《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算結(jié)構(gòu)自重時(shí)，鋼凝土容重采用 25 kN/m3。

2.3.2 風(fēng)荷載

本次設(shè)計(jì)各參數(shù)取值如下：

(1) 基本風(fēng)壓：按照《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》其設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓可采用 10 m 高五十年一遇 10 min 平均最大風(fēng)壓作為基本設(shè)計(jì)風(fēng)壓。本次研究，冷卻塔設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓按0.50 kN/m2考慮。

(2) 風(fēng)壓高度變化系數(shù)按 B 類地貌采用。

(3) 風(fēng)振系數(shù)按B類地貌，β＝1.9 采用。

(4) 冷卻塔平均風(fēng)壓分布系數(shù)，現(xiàn)階段按《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》及《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》考慮。

(5)群塔效應(yīng)系數(shù)取1.0。

2.3.3 其它荷載

環(huán)板基礎(chǔ)上回填土容重取：19 kN/m3。

重力加速度：9.8 m/s2。

2.3.4 設(shè)計(jì)氣溫

最高氣溫：40.8℃；最低氣溫：－12.4℃；塔內(nèi)相應(yīng)溫度暫按35℃考慮。

2.3.5 抗震設(shè)防

根據(jù)《熱力發(fā)電廠超大型自然通風(fēng)冷卻塔設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》和《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，VI度地區(qū)超大型冷卻塔的抗震等級(jí)為三級(jí)，可不進(jìn)行抗震驗(yàn)算，斜支柱等重要支撐部位按VII度構(gòu)造設(shè)防，尺寸按軸壓比按不大于0.8控制，斜支柱傾斜角ε不小于11°。

2.4 荷載組合

荷載分項(xiàng)系數(shù)和荷載組合系數(shù)按參考文獻(xiàn)中的有關(guān)規(guī)定采用。

對(duì)于塔筒優(yōu)化計(jì)算，其荷載組合如下：

對(duì)于地基承載力驗(yàn)算，其荷載組合如下：

對(duì)于基礎(chǔ)上拔力平衡驗(yàn)算，應(yīng)采用下列組合：

塔筒屈曲穩(wěn)定驗(yàn)算荷載組合：

2.5 設(shè)計(jì)原則

2.5.1 整體穩(wěn)定

塔筒整體穩(wěn)定性分析采用德爾—菲德勒整體穩(wěn)定驗(yàn)算公式(Der—Fiddler Formula)，冷卻塔整體彈性穩(wěn)定安全系數(shù)不小于5.0。

2.5.2 局部穩(wěn)定

塔筒局部彈性穩(wěn)定分析采用屈曲應(yīng)力狀態(tài)方法(BBS)和有限元屈曲分析方法，冷卻塔局部彈性穩(wěn)定安全系數(shù)不小于5.0。

2.5.3 塔筒曲線

塔筒曲線優(yōu)化主要是確定I和殼底斜率tanφ。喉部至塔頂距離與塔總高的比值I一般可取0.15～0.3。tanφ是指殼體底部切線與垂直軸夾角的正切，一般采用值為0.20～0.34，本次研究采用0.32。

2.5.4 斜支柱設(shè)計(jì)

斜支柱為塔筒的支撐結(jié)構(gòu)，主要承受自重、風(fēng)荷載和溫度應(yīng)力等。斜支柱按其幾何形狀有“人”字柱、“I”字柱和“X”字柱，目前國(guó)內(nèi)多采用人字柱，本次研究按人字柱考慮。

3 高徑比變化對(duì)冷卻塔工程量的影響

冷卻塔塔筒工程量與淋水面積關(guān)系趨勢(shì)圖見圖1，冷卻塔斜支柱和支墩工程量與淋水面積關(guān)系趨勢(shì)圖見圖2，冷卻塔環(huán)基工程量與淋水面積關(guān)系趨勢(shì)圖見圖3；冷卻塔塔筒工程量與高徑比H/B關(guān)系趨勢(shì)圖見圖4，冷卻塔斜支柱和支墩工程量與高徑比H/B關(guān)系趨勢(shì)圖見圖5，冷卻塔環(huán)基工程量與高徑比H/B關(guān)系趨勢(shì)圖見圖6。

分析以下圖表數(shù)據(jù)可得出以下規(guī)律：

(1)在淋水面積不變的情況下，冷卻塔塔筒工程量隨高徑比H/B的增大而增大，基本呈線性變化；在高徑比H/B不變的情況下，冷卻塔塔筒工程量隨高淋水面積的增大而增大，基本呈線性變化，當(dāng)淋水面積大于12500 m2后工程量增加明顯加快。

(2)在淋水面積不變的情況下，冷卻塔斜支柱和支墩工程量隨高徑比H/B的增大而增大，基本呈線性變化，當(dāng)高徑比H/B大于1.40后工程量增加明顯加快；在高徑比H/B不變的情況下，冷卻塔斜支柱和支墩工程量隨高淋水面積的增大而增大，基本呈線性變化，當(dāng)淋水面積大于10000 m2后工程量增加明顯加快。

(3)在淋水面積不變的情況下，冷卻塔環(huán)基工程量隨高徑比H/B的增大而增大，基本呈線性變化，當(dāng)高徑比H/B大于1.40后工程量增加明顯加快；在高徑比H/B不變的情況下，冷卻塔環(huán)基工程量隨高淋水面積的增大而增大，基本呈線性變化，當(dāng)淋水面積大于9500 m2后工程量增加明顯加快。

圖1 冷卻塔塔筒工程量與淋水面積關(guān)系趨勢(shì)圖

圖2 冷卻塔斜支柱和支墩工程量與淋水面積關(guān)系趨勢(shì)圖

圖3 冷卻塔環(huán)基工程量與淋水面積關(guān)系趨勢(shì)圖

圖4 冷卻塔塔筒工程量與高徑比H/B關(guān)系趨勢(shì)圖

圖5 冷卻塔斜支柱和支墩工程量與高徑比H/B關(guān)系趨勢(shì)圖

圖6 冷卻塔環(huán)基工程量與高徑比H/B關(guān)系趨勢(shì)圖

4 高徑比變化對(duì)冷卻塔造價(jià)的影響

4.1 造價(jià)定額

采用某工程前期綜合單價(jià)進(jìn)行投資分析，主要數(shù)據(jù)見表2。

表2 工程量綜合單價(jià)

4.2 總造價(jià)計(jì)算

根據(jù)定型計(jì)算結(jié)果，計(jì)算不同高徑比對(duì)冷卻塔的投資的影響，不同冷卻塔設(shè)計(jì)方案的造價(jià)定額見表3。

表3 不同高徑比H/B冷卻塔總造價(jià)(單位：萬(wàn)元)

4.3 總造價(jià)分析

4.3.1 總造價(jià)與淋水面積關(guān)系

冷卻塔總造價(jià)與淋水面積關(guān)系趨勢(shì)圖見圖7，由圖中可以看出冷卻塔總造價(jià)與淋水面積基本呈線性變化。

采用一元線性回歸對(duì)冷卻塔造價(jià)進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表4。由表中可以看出淋水面積每增加500 m2增加的投資隨著高徑比H/B的增加而增大。當(dāng)高徑比H/B=1.20、1.25、1.30、1.35、1.40、1.45、1.50、1.55和 1.60時(shí)，淋水面積每增加500 m2，需增加投資依次為385、403、421、433、439、459、479、503和 528萬(wàn)元。

圖7 冷卻塔總造價(jià)與淋水面積關(guān)系趨勢(shì)圖

4.3.2 總造價(jià)與高徑比H/B關(guān)系

冷卻塔總造價(jià)與高徑比H/B關(guān)系趨勢(shì)圖見圖8。由圖中可以看出冷卻塔總造價(jià)與高徑比H/B基本呈線性變化。

采用一元線性回歸對(duì)冷卻塔造價(jià)進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表5，由表中可以看出高徑比H/B每增加0.05增加的投資隨著淋水面積的增加而增大。當(dāng)淋水面積為7000 m2～15000 m2時(shí)，高徑比每H/B每增加0.05，需增加投資依次為110、130、146、171、188、200、218、232、246、261、282、301、335、357、371、390和418萬(wàn)元。

表4 冷卻塔總造價(jià)與淋水面積相關(guān)性分析

圖8 冷卻塔總造價(jià)與高徑比H/B關(guān)系趨勢(shì)圖

表5 冷卻塔總造價(jià)與高徑比H/B相關(guān)性分析

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)冷卻塔淋水面積從7000 m2到15000 m2，高徑比H/B從1.20到1.60，共153組冷卻塔的工程量和造價(jià)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)在淋水面積不變的情況下，冷卻塔總造價(jià)隨高徑比H/B的增大而增大，基本呈線性變化。

(2)在高徑比H/B不變的情況下，冷卻塔總造價(jià)隨淋水面積的增大而增大，基本呈線性變化。

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