大型冷卻塔高徑比變化對投資的影響研究

何姜江，饒俊勇

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

1 概述

雙曲線自然通風冷卻塔是火力發電廠循環水系統中應用最廣泛的構筑物。冷卻塔體型大、造價高，對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，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，為滿足相同的背壓，冷卻塔的高度不同。在假定的設計條件下，針對不同的淋水面積，計算不同高徑比對冷卻塔的工程量的影響，并進一步計算冷卻塔造價，得出冷卻塔塔前期設計的一般規律，找出最優高徑比冷卻塔設計方案，為冷卻塔前期設計提供參數。

根據國內現行規范并參考國外冷卻塔設計規范，借鑒冷卻塔設計已有研究成果，從冷卻塔的高徑比著手，運用哈蒙程序對工藝專業提供的冷卻塔幾何尺寸進行定型計算，并在在基本相同的安全水準下，擬定滿足穩定和強度要求冷卻塔的各結構尺寸；根據擬定尺寸計算冷卻塔造價，在此基礎上研究冷卻塔幾何尺寸對造價的影響，為冷卻塔優化設計提供依據。

2 冷卻塔設計

2.1 工藝幾何參數

根據工藝專業循環水系統優化的結果，冷卻塔高徑比優化設計的主要輸入幾何參數見表1。表中僅列出高徑比H/B=1.25的數據，相同淋水面積的冷卻塔，高徑比H/B=1.20～1.60變化時，僅塔高(H)改變，出口直徑、喉部直徑、零米直徑(B)、進風口標高、進風口內直徑等參數均不變。

表1 冷卻塔主要工藝幾何參數

2.2 設計方法

冷卻塔結構設計是根據工藝專業循環水系統優化的結果，以及風荷載、溫度、塔體自重和施工要求等因素，對塔筒的形狀(包括選用的曲線)、壁厚、塔底傾角、塔頂傾角及人支柱對數、直徑、基礎型式和寬度等設計參數以及冷卻塔全部幾何尺寸進行優化選擇，得出技術合理及混凝土和鋼筋用量最省的塔型，以保證冷卻塔設計的安全、經濟、合理性。在冷卻塔結構優化計算選型時一般應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標高；(2)塔的總高度；(3)喉部直徑；(4)進風口高度。

2.3 荷載

2.3.1 結構自重

根據《火力發電廠水工設計規范》及《鋼筋混凝土結構設計規范》，計算結構自重時，鋼凝土容重采用 25 kN/m3。

2.3.2 風荷載

本次設計各參數取值如下：

(1) 基本風壓：按照《工業循環水冷卻設計規范》其設計基本風壓可采用 10 m 高五十年一遇 10 min 平均最大風壓作為基本設計風壓。本次研究，冷卻塔設計基本風壓按0.50 kN/m2考慮。

(2) 風壓高度變化系數按 B 類地貌采用。

(3) 風振系數按B類地貌，β＝1.9 采用。

(4) 冷卻塔平均風壓分布系數，現階段按《火力發電廠水工設計規范》及《工業循環水冷卻設計規范》考慮。

(5)群塔效應系數取1.0。

2.3.3 其它荷載

環板基礎上回填土容重取：19 kN/m3。

重力加速度：9.8 m/s2。

2.3.4 設計氣溫

最高氣溫：40.8℃；最低氣溫：－12.4℃；塔內相應溫度暫按35℃考慮。

2.3.5 抗震設防

根據《熱力發電廠超大型自然通風冷卻塔設計技術導則》和《構筑物抗震設計規范》，VI度地區超大型冷卻塔的抗震等級為三級，可不進行抗震驗算，斜支柱等重要支撐部位按VII度構造設防，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

荷載分項系數和荷載組合系數按參考文獻中的有關規定采用。

對于塔筒優化計算，其荷載組合如下：

對于地基承載力驗算，其荷載組合如下：

對于基礎上拔力平衡驗算，應采用下列組合：

塔筒屈曲穩定驗算荷載組合：

2.5 設計原則

2.5.1 整體穩定

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

2.5.2 局部穩定

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

2.5.3 塔筒曲線

塔筒曲線優化主要是確定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 斜支柱設計

斜支柱為塔筒的支撐結構，主要承受自重、風荷載和溫度應力等。斜支柱按其幾何形狀有“人”字柱、“I”字柱和“X”字柱，目前國內多采用人字柱，本次研究按人字柱考慮。

3 高徑比變化對冷卻塔工程量的影響

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

分析以下圖表數據可得出以下規律：

(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，冷卻塔環基工程量隨高徑比H/B的增大而增大，基本呈線性變化，當高徑比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，冷卻塔環基工程量隨高淋水面積的增大而增大，基本呈線性變化，當淋水面積大于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系趨勢圖

圖2 冷卻塔斜支柱和支墩工程量與淋水面積關系趨勢圖

圖3 冷卻塔環基工程量與淋水面積關系趨勢圖

圖4 冷卻塔塔筒工程量與高徑比H/B關系趨勢圖

圖5 冷卻塔斜支柱和支墩工程量與高徑比H/B關系趨勢圖

圖6 冷卻塔環基工程量與高徑比H/B關系趨勢圖

4 高徑比變化對冷卻塔造價的影響

4.1 造價定額

采用某工程前期綜合單價進行投資分析，主要數據見表2。

表2 工程量綜合單價

4.2 總造價計算

根據定型計算結果，計算不同高徑比對冷卻塔的投資的影響，不同冷卻塔設計方案的造價定額見表3。

表3 不同高徑比H/B冷卻塔總造價(單位：萬元)

4.3 總造價分析

4.3.1 總造價與淋水面積關系

冷卻塔總造價與淋水面積關系趨勢圖見圖7，由圖中可以看出冷卻塔總造價與淋水面積基本呈線性變化。

采用一元線性回歸對冷卻塔造價進行分析，分析結果見表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，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 528萬元。

圖7 冷卻塔總造價與淋水面積關系趨勢圖

4.3.2 總造價與高徑比H/B關系

冷卻塔總造價與高徑比H/B關系趨勢圖見圖8。由圖中可以看出冷卻塔總造價與高徑比H/B基本呈線性變化。

采用一元線性回歸對冷卻塔造價進行分析，分析結果見表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。當淋水面積為7000 m2～15000 m2時，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418萬元。

表4 冷卻塔總造價與淋水面積相關性分析

圖8 冷卻塔總造價與高徑比H/B關系趨勢圖

表5 冷卻塔總造價與高徑比H/B相關性分析

5 結論

通過對冷卻塔淋水面積從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進行分析，得出以下結論：

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

參考文獻:

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