双曲线冷却塔风筒施工技术图表编制新方法

2011-01-18韦宪辉张明勤

河北电力技术 2011年4期

韦宪辉，张明勤

(1.河北省电力建设第二工程公司，石家庄 050041;2.河北省电力研究院,石家庄 050021)

双曲线冷却塔是火电厂循环水系统中的一个重要构成部分。钢筋混凝土双曲线冷却塔风筒施工技术指标图表是风筒施工的重要依据，它标明每一节施工模板的标高、半径等参数信息。施工之前，能够快捷、准确、多信息地编制一幅技术指标控制图表，可以提高双曲线冷却塔风筒的施工质量和效率。

1 图表编制传统方法

1.1 实地放样法

实地放样法是将风筒以实体大小按1∶1的比例在场地上进行实地放样，再按模板长度截取放样的曲线，然后进行实地测量，记录下标高、半径和厚度3组数字序列，然后再计算出每一节模板所对应的套管数量、混凝土量、表面积等的方法。该方法计算工作繁琐，出错率高，计算精度差。

1.2 CAD编制法

CAD编制法是在CAD的模拟空间中进行放样，按照设计图纸给定的标高、半径、厚度3组数字序列，在模拟空间中打点，再利用样条曲线分别将中面和内外表面点链接成曲线；在此基础上，再以施工钢模板的长度为半径，从中面曲线的低端或顶端开始沿曲线画出系列圆，圆心距即为模板长，完成曲线分割；在每一分割点处做曲线切线的垂直线，分别与内外面曲线相交，其交点即为内外模板的控制点；最后再利用CAD的距离查询功能，对控制点的标高、半径以及该点处的厚度进行测量，人工记录下测量结果，将记录下的数据进行整理制表，再进行大量而繁琐的人工计算，计算出每节模板的混凝土量、内外表面积、套管数量以及这些量的累积。该方法计算过程繁琐，易出差错，但不用再按照风筒实体大小寻找场地。

2 图表编制新方法

2.1 EXCEL工作表编制法介绍

EXCEL工作表编制法是利用电脑EXCEL工作表具备的逻辑函数和数学函数来完成全部过程的计算，首先针对施工作业和施工组织所需的控制参数，利用EXCEL的函数功能，快速、准确地测定水塔风筒的曲线函数，并依此建立其它函数关系以获得施工所需的全部控制参数指标；再针对水塔风筒曲线个体设计间的差异，利用EXCEL逻辑函数建立不同的计算模式，使得本编制模板具有普遍性；为防止操作人员输入错误数据，还利用逻辑函数建立了检错程序。该方法准确、快捷，可大大提高工作效率。

2.2 EXCEL工作表编制法原理

2.2.1 风筒中面曲线函数的确定

双曲线型冷却塔中面曲线，有的设计是严格符合某一双曲线函数，而有的是在一定高度以下为直线，其上是曲线，将后者暂且称为类双曲线形。因此，运算的基本模式也分为双曲线形和类双曲线形2种。对于有些设计图纸给出的内(或外)表面的几何参数(大多数个体设计给出的是中面几何参数)，需要建立相互的对应关系，把内(或外)表面的设计参数换算成中面参数，然后再选择按哪一类线形模式计算。

2.2.2 双曲线型函数的确定

以设计图纸采用的坐标为函数的计算坐标，水塔风筒坐标定位示意见图1。

图1 水塔风筒坐标定位示意

双曲线函数的标准方程为：

(1)

式中：r为中面某点半径；h为中面某点标高；h0为中面曲线喉部标高；a为中面曲线实半轴；b为中面曲线虚半轴。

从式中可看出，只要确定a、b、h0这3个常量，整个曲线的函数关系便可以确定。为确定出这3个常量，可在设计的几何尺寸中任选3点A1(r1,h1)，A2(r2,h2) ，A3(r3,h3) ；代入方程联立求解，

(2)

(3)

(4)

用消元法分别求出h0、a和b，

在EXCEL中确定3个单元格，将关于h0、a、b的函数方程分别输入单元格，再确定6个单元格，将任选3点的函数值输入单元格，利用EXCEL的函数计算功能，求出h0、a、b的值。风筒中面曲线的计算参数是所有控制指标的起算点，对以下计算起着主导和引领作用。

2.2.3 双曲线型中面曲线控制点及混凝土模板标高、半径的确定

在施工方案中，风筒施工配置钢模板方案一般有从上向下和从下向上2种计算方式。从上向下计算的，称为上控型；从下向上计算的称为下控型。在测定出双曲线标准方程后，经过变形、求导，确定曲线任意标高处的切线斜率，因钢模板的长度是固定的，从而便可确定某一标高处的模板高差，曲线斜率随着高度的变化而变化，因此对应模板的高差也随之变化。但只要确定第一节模板的起算标高，起算点斜率随之确定，第一节模板的高差也就确定。起算标高加上第一节模板高差即为第二节模板的计算标高。以此类推，直到将整个曲线推算到距控制点标高正负不大于钢模板的一半为止。推算过程如下：

标准方程为：

(5)

式中：z=h-h0。

将方程变形得，

(6)

(7)

对式(7)两边求导，根据一阶导数与切线斜率的关系，则该式可变为，

假设模板长度为l，模板节高差为Δh，则有，

Δh=lcosa

假定设置一个初始的纵坐标zi，就有Δhi与之对应，从而有

zi+1=zi+Δhi(下控型)，或者zi-1=zi-Δhi(上控型)。

这样可求出一系列中面纵坐标，分别代入式(7)，可求出对应的中面半径。有了标高与半径的关系以及标高与模板节高差的关系后，中面曲线各节模板对应的点便可确定下来。在EXCEL中，对应于中面标高的一组参数，设置tanα、cosα、sinα等必要系列数组，数组中已编辑其计算公式，每一行公式中的参数都用对应输入数据的单元格编号表示，制成用以计算控制参数的数据源。模板参数计算示意见图2。

图2 模板参数计算示意

由图2可知，利用三角函数关系便可分别计算出内外模板的上下沿标高和半径。内外模板各参数确定后，混凝土体积、控制厚度的套管长度及数量、内外表面积等施工参数便可随之确定下来，然后在EXCEL工作表中设置一系列单元格作为施工控制参数的单元格，在这些单元格中设置有计算公式，公式中的参数来源取自上述过程制作的数据源。

2.2.4 类双曲线型中面控制点的确定

当重复用任选3点的方法仍不能找到与施工图设计相符的双曲函数时，就必须采用类双曲线的方法来确定中面曲线的控制参数。类双曲线型实际上是在一定标高以下为直线函数，而该标高以上是双曲函数，确定方法就是插入法。因个体设计不同，必须将图纸设计的中面几何尺寸(标高、半径)系列转换成按钢模板的长度确定的中面几何尺寸系列。插入法进行模板参数计算示意见图3。

图3 插入法进行模板参数计算示意

当模板的起算标高确定后，随着设计点标高、半径的输入，钢模板标高会沿曲线的倾斜角度逐节标高进行累加，用插入法计算出对应的半径。为输入供插入法计算的设计数据，需要在图表中开列三列分别为设计点的标高、半径和厚度的单元格序列，用来填充设计的几何参数。为确保模板计算点的标高位于用来计算的2个设计点之间，规定的输入规则是：输入的设计标高必须是小于(上控型)或大于(下控型)、且最接近于同行中面标高的设计标高。不同算法之间的转换是利用EXCEL的逻辑函数进行的，逻辑函数的基本形式是IF(数据，数据，数据)，它的含义是(如果，则，否则)。例如A1=是，则按双曲线函数计算，否则按插入法计算。下述其它项不同类别间的转换也用此方法。

2.2.5 筒壁厚度的确定

筒壁厚度的确定也分2种方法，厚度随高度变化符合罗比锡计算公式的，可采用自动填充模式；不符合罗比锡计算公式的，采用插入法进行填充。

式中：m=b1/b0；b1为风口处(最大)筒壁厚度；b0为最小筒壁厚度；z1为风口标高；z为计算点标高；θ为用以确定壁厚变化的筒壁长度系数；r0为喉部半径。

由罗比锡计算公式可知，厚度是高度的函数，一但高度确定了，厚度也随之确定。先选择自动填充模式，将结果与设计图纸进行比对，如不吻合，就得采取非自动填充模式(插入法)，插入法是随着设计标高的填充相应填充设计厚度，该编制模板就会按插入法计算钢模板节点处的厚度。

2.2.6 填充错误提示的设置

错误提示只适用于非自动填充模式。利用EXCEL逻辑函数，可以根据已填充数字的规律预测一个数值，再以此数值为基点限制一个误差范围，当填充的数值超出了这一范围时，相关的单元格就显示出错的提示，并停止运算。数值预测及出错检测示意见图4。

图4 数值预测及出错检测示意

图中1、2、3、4点是设计点，3′点是根据1、2点用插入法预测出的点，以3′为圆心的圆是EXCEL的预测范围(4′点和4″点雷同)，利用EXCEL的逻辑函数，只要输入的点超出了电脑预测范围，就会被电脑识别出，给出错误提示，并停止计算。该编制模板将此范围设置为-5～25 mm。正常情况下，人工出错都是随机的，即便输入了范围圆内电脑无法识别的错误数字，其对应于设计数据误差在1/1 000以内。

对于小范围的错误识别，电脑不能给出提示，需要人为进行错误识别。该编制模板采用了三级半径差监测方法，权且叫作“曲线波动值”。曲线波动值的原理就是三级半径差取整的绝对值，曲线波动值见表1。

表1 曲线波动值

对于曲率变化均匀的曲线，三级半径差便可趋于0，或者等于0，根据以往工程实践，趋于0的，一般不大于3。因此波动值大于等于4的，其对应的填充数或其周围的数有可能出现错误，这里说的“有可能”是基于有时设计的数字原本如此，需要人工核对输入的数字是否真的有错。用此办法监测数值的精度能够达到半径在1～3 mm，标高在2～80 mm(处于喉部标高附近的偏差除外)。只要偏差不超过上限，就不影响计算结果。监测厚度填充的小范围的偏差也采用了这种方法。

3 EXCEL工作表编制法的应用

3.1 应用情况介绍

EXCEL工作表编制法先后在石家庄热电厂七期扩建工程、宣化热电一期300 MW供热机组、河北华电石家庄裕华热电一期300 MW供热机组、任丘热电厂350 MW超临界供热机组水塔设计工程中进行了应用。通过在石家庄热电厂七期扩建工程水塔设计中应用该方法得知，它严格符合某一双曲函数，厚度符合罗比锡公式，全部采用自动填充模式，图表编制用时不到30 min；宣化热电一期300 MW供热机组工程水塔设计参数采用了非自动填充模式，由于设计给定的是中面曲线的数据，图表编制用时不到2 h；河北华电石家庄裕华热电一期300 MW供热机组工程、水塔设计给定的参数是内表面的几何参数，利用EXCEL将其换算成中面参数，然后再采用非自动填充模式进行编制，编制用时不超过3 h；目前在建的任丘热电厂350 MW超临界供热机组工程，其水塔设计特点与宣化的一样，给定的是中面参数，采用非自动填充模式，1.5 h编制完成。