電廠主廠房結構優化設計的探討

常秀端

隨著我國現代電力行業的不斷快速發展,電廠主廠房的建筑類型及規模也在不斷變化,新型的主廠房建筑結構設計越來越廣泛。同時，主廠房的承重負載較大,跨度和層高都很大，而且根據工藝使用要求，對結構設計安全可靠和經濟性都提出了非常高的要求。主廠房的結構設計質量對于保證電廠系統的正常運行也會起到至關重要的作用,需要將主廠房的整體建筑設計方案作為一項重要的設計工作之一來進行優化研究。

1.主廠房建筑結構中存在的技術問題

對于電廠主廠房的內部建筑主體結構設計,建筑的類型分區繁多,結構也是復雜多樣[1],而且主部分廠房建筑中的施工設備比較重要,投資比較大,設計相對比較難,主部分廠房建筑施工過程中的設計技術也是直接影響主部分廠房施工質量的重要因素。主廠房內的配套設備布置及荷載都需要各專業提資，各專業設計相互交叉進行。各種相關專業之間的相互融合也一直是整個項目設計的一個重要環節。只有專業之間高效地互動結合，才能夠有效保證整個建筑主體結構設計的優化。對于建筑結構設計人員，只有充分了解相關設備的實際使用情況和技術要求,才能做好主廠房的結構設計優化。

2.優化設計原則和目的

圖1 某發電廠廠房效果圖

工程設計結構優化主要圍繞“循環經濟發電、節約能源、提高效率、提高安全可靠性”的基本設計要求[2],以“經濟適用、系統簡單、合理備用、安全可靠、高效環保、以人為本”為工程設計的最基本原則,并堅持依靠工程技術的不斷進步,積極穩妥地深入推廣國內外先進工程技術,因地制宜地大量采用新建筑材料、新建筑設備、新建筑工藝、新建筑布置、新建筑結構等作為技術手段,以大大提高電廠的生產可靠性、可用率、勞動生產率,降低電廠造價、綜合煤耗、水耗、廠用電等費率,節約能源,節約電廠占地。

3.主廠房結構優化設計

3.1 工藝需求

在電廠中主要設備包括三大發電設備:鍋爐、發電機和動力汽輪機,這三大發電設備主要分別布置在三個主要的廠房中,它們具有不同的技術原理和性能特點。由于電廠的各個鍋爐大多數都是采用半露天式的建筑形式,鍋爐的頂部運轉室底層以下部分的門需要定期做好完全封閉式的管理,運轉室底層以上部分的門需要完全敞開。而且電廠需要根據不同氣候地區的寒冷氣候變化條件,對電廠鍋爐房的運轉層部分加強安全防護進行保障,以防在一些寒冷氣候地區對電廠鍋爐房的質量運行造成不良影響。另外電廠鍋爐與各個鍋爐之間還需要分別設置一部可以通往各個鍋爐頂部的電梯。同時也需要考慮工藝及各專業的需求，并結合項目場地基本抗震烈度及場地類別，綜合現場形式，找出主廠房最優布置方案。

3.2 主廠房的結構形式優化

常規來講，我國電廠主廠房的建筑結構布置基本以最常見的框架結構形式，但主廠房布局中的建筑布置由于建筑物的體積比較大,空間的綜合利用率相對比較小,而且結構設計人員還需要根據實際使用情況合理進行空間分布,進行更加科學合理的整體結構設計布置。

大型發電廠的廠房整體布置一般都會考慮選擇主體鋼結構框架再加上其他支撐帶的結構。在發生較大地震時,這種廠房結構能夠較好地協調主體鋼結構框架和其他支撐結構受力點,具有良好的機械抗震傳動性能和較大的地震抗側性和剛度。如果廠房中各種抗震設備整體布置過于緊密集中，也可能會容易造成很多的地震問題,需要將各種抗震設備的整體布置空間做好合理分配,能夠同時起到完全保護抗震廠房的主要效果,也就是能夠很好滿足大型抗震廠房設計的基本要求。

整個廠房的橫截面上的結構,在整個廠房的整體結構過于復雜時,也可能會直接增加整個廠房整體結構的內部地震支撐,在廠房鋼結構的地震支撐下,減少廠房支撐的力和面積,能夠有效增加整個廠房內部鋼結構的支撐剛度,有效地保護整個廠房。廠房內的鋼結構支撐面積大小會因為受到很多客觀因素的直接影響,廠房的整體結構設計時就需要充分考慮到整個廠房的結構支撐力和面積,保證整個廠房結構整體的穩定。例如在研究確定地下主發電廠房主體結構及加熱鍋爐等主要用電設備的建筑標高時[3],需要充分考慮地下排水設施以及電纜等主要設備的地理位置,要保證留有進行調整的空間余地。

3.3 結構設計優化措施

在整個主廠房的設計中，主體結構的設計進行優化是至關重要的。只有做好了主廠房的結構設計的優化才能提高電廠的實用性與安全性。通常結構設計中的優化方法可借助“體系空間優化法”方法，根據每個房間的建筑使用性能和功能需求,對其建筑內部空間進行優化。

由于不同的建筑結構設計體系類型可以為其提供的建筑內部空間的面積大小不同,在進行建筑主體結構設計第一階段[4],應該首先根據各專業提資的工藝流程和實際功能需求,選用合適的建筑結構體系類型。

在非重大地震自然災害多發區進行主廠房抗風結構的裝修方案設計選型時,應該要優先考慮選用地震抗風變化性能比較好的抗風結構設計體系,也就是說要選用地震風壓大和體型變化系數較小的抗風結構設計體系。

在對整個結構整體進行內部平面布置時,應考慮選取整個結構內部平面整體形狀和整個結構整體剛度之間分布均勻對稱的一種結構外力體系設計類型,這樣也就可以在很大一定程度上有效減小螺旋風荷載外力作用下的結構扭轉外力效應及其引起的機體結構外力變形和機體內力的相互影響。

3.4 結構節點優化

在主廠房結構設計中，在充分注重建筑整體效果的同時,也應特別注重加強結構上的整體以及對結構構件的精細優化設計。為有效減少底部混凝土截面,可選擇采用一些高強度的混凝土標號,這樣既可以滿足其承受力度的要求,也可大大節約施工成本。

對于主廠房結構件，主要承受壓彎變形，因此在選擇結構構件時應特別關注壓彎構件的相關性能。影響構件壓彎能力構件的影響因素主要有:構件截面寬度尺寸、混凝土構件強度壓力等級、縱向配筋、軸壓比、箍筋量等[5],其主要影響因素分別是橫向軸壓力對比和縱向配箍筋量的比值。建筑構件的配筋剛度不斷增大必將直接使得建筑結構的內部地震振動作用增大,這樣建筑之間分配出的內力也許就相應地會增大,此時必須適當增大結構構件的配筋使用量，滿足與建筑構造的活動約束力和使用條件。

4.結束語

由于國家對大型投資項目的工程造價成本及項目的經濟性提出越來越高的要求，發電廠的結構優化設計也面臨更精細化的要求。傳統的定額設計或者標準化設計需要不斷改變思路，更多設計優化和創新的思路有待更深入地探討和研究。本著節約設備占地、節能、環保、減排、節水和有效提高發電機組總體經濟效益的目的，五大主題已逐漸成為電廠的性能優化系統設計。設計中，應通過對發電設備性能特性和發電系統優化設計規范的全面系統分析和深入研究,在保證設備安全穩定正常運行的技術基礎上,突破以往傳統的優化設計管理思維,以設備總體經濟效益最高為設計出發點,追求設計投資和設備運行期間經濟效益最大的優化。