叢培江，錢永豐，李敬生，李春雨，宋良華

(東北電力設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春市130021)

0 引言

雙曲線型冷卻塔筒體的曲線和壁厚精度直接影響冷卻塔的整體質(zhì)量，而能否保證筒體的精度又取決于所使用的模板及其定位控制技術(shù)［1］。在以往的塔體設(shè)計(jì)過(guò)程中，塔筒壁厚通常采用雙指數(shù)參數(shù)變厚的方式，即喉部以上、喉部以下分別采用1個(gè)指數(shù)變厚參數(shù)，即可確定塔筒壁厚［2］。對(duì)于超大塔、間冷塔，由于進(jìn)風(fēng)口高度較高，斜支柱的計(jì)算長(zhǎng)度較長(zhǎng)，要求斜支柱的截面積較大。根據(jù)構(gòu)造要求［3-4］，塔筒下環(huán)梁的壁厚比常規(guī)塔要大得多。以往的指數(shù)變厚方法，喉部以下區(qū)域僅有1個(gè)指數(shù)變厚參數(shù)，通過(guò)單一參數(shù)的調(diào)節(jié)，要么變化過(guò)快，無(wú)法滿足塔筒局部穩(wěn)定要求;要么變化過(guò)慢，雖然滿足了局部穩(wěn)定的要求，但造成塔筒工程量的浪費(fèi)，難以適應(yīng)超大型冷卻塔、間冷塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要。為了解決上述問(wèn)題，本文提出一種改進(jìn)的塔筒壁厚定位計(jì)算方法，對(duì)塔筒喉部以下區(qū)域進(jìn)行分段處理，增加1個(gè)指數(shù)變厚參數(shù)。在滿足塔筒穩(wěn)定性的條件下，改進(jìn)方法能夠有效減少雙曲線冷卻塔塔筒的混凝土用量。

1 壁厚確定方法

1.1 塔筒施工過(guò)程簡(jiǎn)介

塔筒模板施工是由塔筒底逐漸向上循環(huán)交替進(jìn)行的，直至塔頂?？梢詫⑵浜?jiǎn)化為求解雙曲線方程φ和以雙曲線底為圓心、d為半徑的圓方程φ1的交點(diǎn);再以新的交點(diǎn)為圓心、以d為半徑畫(huà)圓φ2，求方程φ2和φ的上部交點(diǎn)，循環(huán)交替，周而復(fù)始，直至雙曲線頂端。設(shè)計(jì)原理示意圖見(jiàn)圖1。

1.2 塔筒曲線方程

冷卻塔塔筒設(shè)計(jì)通常采用移軸雙曲線(以±0.000m為原點(diǎn))，即

圖1 雙曲線冷卻塔塔筒壁厚設(shè)計(jì)原理Fig.1 Wall thickness design principle of hyperbolic cooling tower

式中:r0為喉部半徑;hmin為喉部壁厚;當(dāng)z≤D時(shí)，hmax為塔筒底壁厚;當(dāng)z＞D時(shí)，hmax為塔筒頂壁厚;Δz為距起算邊界的距離;η為變化指數(shù)［6］。

1.3 指數(shù)變厚參數(shù)

雙曲線冷卻塔的殼體厚度按照式(2)進(jìn)行指數(shù)變厚的，假定內(nèi)、外模板端點(diǎn)的連線與殼體中心線垂直。為了在滿足塔筒穩(wěn)定性的前提下，盡可能減少超大塔、間冷塔的塔筒混凝土用量，需要對(duì)其壁厚指數(shù)變化參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)喉部以下的區(qū)域進(jìn)行分段處理。改進(jìn)的塔筒壁厚變化指數(shù)η分區(qū)如圖2所示。將喉部以下區(qū)域分為2部分:假定在塔筒下環(huán)梁N節(jié)模板內(nèi)，壁厚變化參數(shù)為η1，其他模板壁厚變化參數(shù)為η2。喉部以上區(qū)域，壁厚變化參數(shù)對(duì)于塔筒穩(wěn)定性及工程量的影響較小，可以采用單一參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，壁厚變化參數(shù)為η3。通過(guò)改變?chǔ)菂?shù)的數(shù)值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻塔塔筒壁厚的調(diào)整。計(jì)算公式的推導(dǎo)，見(jiàn)文獻(xiàn)［2］。對(duì)調(diào)整結(jié)果，進(jìn)行有限元分析，計(jì)算塔筒屈曲穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算方法參見(jiàn)文獻(xiàn)［7］。

式中:R為殼中面半徑;A為雙曲線短軸值;B為雙曲線長(zhǎng)軸值;C為移軸距;D為喉部標(biāo)高;z為計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)［5］。

塔筒殼體變厚度方程為

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

圖2 改進(jìn)的塔筒壁厚變化指數(shù)η分區(qū)Fig.2 η distribution diagram of improved thickening variability index of tower

以某熱電廠雙曲線冷卻塔為例進(jìn)行塔筒壁厚計(jì)算。該工程安裝4臺(tái)1 000MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2，“三十年一遇”極端最低設(shè)計(jì)氣溫為－8.4℃。工藝專業(yè)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比選，最終推薦冷卻塔主要尺寸為:進(jìn)風(fēng)口高度11.44m，殼底直徑131.44m，塔總高185.00m，殼頂直徑 82.16m，喉部高度 157.25m，喉部直徑78.86m，殼頂傾角 6.0°，殼底傾角 16.0°。

由于該工程冷卻塔塔形尺寸較大(屬于超大型冷卻塔)，進(jìn)風(fēng)口高度較高，斜支柱的計(jì)算長(zhǎng)度較長(zhǎng)，要求斜支柱的截面積較大。經(jīng)計(jì)算分析，斜支柱最小截面直徑為1.0m。根據(jù)構(gòu)造要求，塔筒下環(huán)梁的壁厚取1.12m。為滿足構(gòu)造要求，下環(huán)梁附近區(qū)域壁厚較大，而從結(jié)構(gòu)受力特性分析，該區(qū)域壁厚可適當(dāng)減小。以往喉部以下區(qū)域僅提供1個(gè)指數(shù)變厚參數(shù)，要么變化過(guò)快(η取大值)，雖然減少了下環(huán)梁附近區(qū)域的壁厚，但其他區(qū)域無(wú)法滿足塔筒局部穩(wěn)定要求;要么變化過(guò)慢(η取小值)，雖然滿足了下環(huán)梁及其他區(qū)域的局部穩(wěn)定要求，但造成塔筒工程量巨大。

2.2 計(jì)算分析

下面對(duì)塔筒壁厚改進(jìn)方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)改變?chǔ)菂?shù)的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻塔塔筒壁厚的調(diào)整，建立有限元模型，進(jìn)行屈曲穩(wěn)定分析。喉部最小壁厚260 mm，是通過(guò)有限元分析計(jì)算確定的，滿足塔筒整體穩(wěn)定及局部穩(wěn)定要求。荷載的選取及荷載組合參見(jiàn)文獻(xiàn)［7-13］。經(jīng)計(jì)算，得到冷卻塔的曲線方程參數(shù)如表1、2所示。塔筒應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3。

傳統(tǒng)方法與改進(jìn)方法計(jì)算得到的冷卻塔受力云圖，分布規(guī)律及數(shù)量級(jí)一致，差別很小。這2種方法得到最小局部穩(wěn)定系數(shù)見(jiàn)圖4。由圖4可知:

表1 塔筒雙曲線參數(shù)表Tab.1 Hyperbolic parameters of cooling tower

表2 塔筒壁厚變化參數(shù)Tab.2 Thickening variability parameters of cooling tower

圖3 冷卻塔應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of cooling tower

(1)采用傳統(tǒng)方法，在滿足最小局部穩(wěn)定系數(shù)大于5.0的情況下，η取值為1.65，相應(yīng)的塔筒混凝土量為21 495m3。當(dāng)喉部以下區(qū)域的η1參數(shù)取值大于1.65時(shí)，雖然可以減少塔筒混凝土用量，但是最小局部屈曲穩(wěn)定系數(shù)將小于5.0，不滿足穩(wěn)定性要求。

圖4 傳統(tǒng)方法與改進(jìn)方法塔筒最小局部穩(wěn)定系數(shù)Fig.4 Minimum local stability coefficients in conventional method and improved method

(2)采用改進(jìn)方法，下環(huán)梁附近區(qū)域的4節(jié)模板(單節(jié)模板長(zhǎng)度取1.50m)范圍內(nèi)的塔筒壁厚變化指數(shù)η采用較大的數(shù)值，使其迅速變薄。雖然下環(huán)梁附近區(qū)域的最小局部穩(wěn)定系數(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)方法偏小，但遠(yuǎn)大于5.0，滿足規(guī)范要求。喉部以下的其他區(qū)域采用較小的η參數(shù)值，使得塔筒壁厚變化速度減弱，即塔筒壁厚分布較均勻。經(jīng)計(jì)算分析，在滿足最小局部穩(wěn)定系數(shù)大于5.0的情況下，η1取值為4.5，η2取值為1.5，相應(yīng)的塔筒混凝土量為20 008m3。

(3)采用改進(jìn)方法，在滿足塔筒穩(wěn)定安全的前提下，可以減少塔筒混凝土用量。對(duì)于本工程，一座冷卻塔筒可減少混凝土1 487m3，占塔筒混凝土總量的7.4%。

3 結(jié)論

(1)隨著冷卻塔尺寸的不斷加大，超大型冷卻塔及間冷塔的塔筒下環(huán)梁附近區(qū)域壁厚過(guò)大。在滿足塔筒穩(wěn)定性的條件下，如何有效地減少該區(qū)域的壁厚，并盡可能減少塔筒混凝土用量，成為一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

(2)通過(guò)理論分析及工程實(shí)例計(jì)算，證實(shí)本文提出的雙曲線冷卻塔塔筒壁厚定位計(jì)算的改進(jìn)方法能夠有效解決該問(wèn)題，對(duì)今后超大塔、間冷塔塔筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有一定的參考價(jià)值。

［1］范鐵勇，孫毅.談雙曲線冷卻塔筒體模板施工和中心控制技術(shù)［J］.西部探礦工程，2005(S):408-410.

［2］叢培江，李敬生，柴鳳祥.雙曲線冷卻塔塔筒模板變高研究［J］.電力建設(shè)，2009，30(4):106-109.

［3］叢培江，李敬生，宋良華.雙曲線冷卻塔人子柱定位計(jì)算原理及程序設(shè)計(jì)［J］.電力建設(shè)，2010，31(4):51-54.

［4］李敬生，柴鳳祥，叢培江.冷卻塔斜支柱選型分析［J］.電力建設(shè)，2012，33(9):45-48.

［5］同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)教研室.高等數(shù)學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1998:32-33.

［6］北京大學(xué)固體力學(xué)研究室.旋轉(zhuǎn)殼體的應(yīng)力分析［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1979:51.

［7］叢培江，李敬生，陳德智，等.間接空冷塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.電力建設(shè)，2011，32(4):55-58.

［8］Q/DG1-S012—2011超大型冷卻塔設(shè)計(jì)導(dǎo)則［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2011:17-27.

［9］DL/T 5339—2006火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2006:113.

［10］GB/T 50102—2003工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2003:17-24.

［11］GB/T 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012:8-12.

［12］GB/T 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010:8-11.

［13］叢培江，聶冠松，李敬生，等.間接空冷塔加肋設(shè)計(jì)［J］.電力建設(shè)，2012，33(4):72-75.