超大型冷却塔结构设计与研究

董胜宪

(华东电力设计院，上海 200063)

超大型冷却塔结构设计与研究

董胜宪

(华东电力设计院，上海 200063)

双曲线自然通风冷却塔是电力建设中的一项重要工程，随着我国国民经济的飞速发展，发电厂单机装机容量的增大，“十二五”期间在内陆要新建一批核电厂，电厂内的冷却塔已从过去的大中型冷却塔转为超大型冷却塔。超大型冷却塔的结构设计与研究工作已提到我们议事日程上，因此应该引起各方面的重视。

超大型冷却塔；结构设计。

1 概述

双曲线自然通风冷却塔是电力建设中的一项重要工程，在1973年以前，我们国内对双曲线自然通风冷却塔结构分析大部分是基于旋转壳的无矩理论，即薄膜理论。它是将壳体平衡方程中忽略弯距与剪力的简化模型。因此在工程中大部分都采用手算或用手摇计算机进行计算。

1973年～1975年，我院委托北京大学固体力学系编制了冷却塔结构静力分析BSZ程序和冷却塔结构动力分析BSD程序。

两个程序投入运行以后，被移植到各种计算机上，80年代后又改编为Fortran语言，这几年又经过不断地更新补充，我院用它们已成功地设计了上百座以上的冷却塔。

2 冷却塔结构形式与大小分类

2.1 冷却塔结构形式

冷却塔通风筒采用双曲线形现浇钢筋混凝土结构，为加强壳体顶部刚度，塔顶设有刚性环。冷却塔通风筒底部采用人字支柱与环板基础或倒T型基础联结，冷却塔人字支柱一般为园形或方形截面，预制或现浇钢筋混凝土结构。环板基础或倒T型基础采用现浇钢筋混凝土结构。

中、小型冷却塔在天然地基较差的条件下，一般宜采用倒T型基础。大、中型冷却塔一般宜采用环板基础。当地基为岩石时，一般宜采用单独基础。

冷却塔塔内淋水构架和主水槽一般全部采用预制钢筋混凝土结构，中央竖井及构架基础为现浇钢筋混凝土结构。水池底板采用分离式现浇钢筋混凝土结构。

2.2 冷却塔大小分类

双曲线自然通风冷却塔按淋水面积一般大致可分为：

小于1000m2双曲线自然通风冷却塔属于小型冷却塔。1000m2～5000m2属于中型冷却塔。5000m2～10000m2属于大型冷却塔。大于10000m2双曲线自然通风冷却塔属于超大型冷却塔。

3 冷却塔结构设计

冷却塔的通风筒是一种典型的薄壳结构。它的厚度最薄处与其直径之比，如果将冷却塔成比例地缩小到鸡蛋直径大小，则它比鸡蛋壳还要薄。在风荷载作用下冷却塔顶部的位移可以达到几十厘米，超过厚度的数倍。

1965年11月1日，英国渡桥电厂(装机容量200MW)，配8座高为114m的冷却塔，为双排梅花形布置，在8级风中倒掉了3座，造成了一起严重的倒塌事故。事故后，关于风载作用下冷却塔的空气动力和结构强度问题，曾经引起过世界上的普遍注意。英国渡桥电厂冷却塔倒塌事故，现在看来其原因是多方面的，主要有：①冷却塔平面布置不合理；②塔型不是连续的双曲线；③冷却塔结构设计按照无矩理论且单层配筋；④冷却塔塔壁较薄塔顶未设刚性环。但大量研究成果表明，认为大风通过塔群内的塔与塔之间时，(包括厂房)受其影响，风的频谱有较大的变化这是倒塌的主要原因之一。

冷却塔通风筒壳体母线形状确定之后，关于壳壁厚度，一般为指数变厚壳、基本等厚壳和分段等厚壳，综合我院以往设计的冷却塔经验，小型冷却塔一般我们均按照指数变厚壳设计。中型冷却塔我们均按照基本等厚壳厚壳设计。对于大型冷却塔和超大型冷却塔我们则按照分段等厚壳设计。

众所周知，风荷载是双曲线自然通风冷却塔的主要荷载之一，关于风压沿塔高的分布，我们过去在设计小塔时，大都是以塔顶最大风压作为全塔的设计风压，而实际上，风压沿塔高是变化的，也可以按照上下阶梯形分布或上下连续变化来计算，国外按阶梯形分布用得较多，我们对上述三种情况，在洛河电厂一期工程7000m2冷却塔设计中，曾经作过比较，阶梯形分布子午向薄膜力T1比上下连续分布时小10%左右，纬向薄膜力T2比上下连续分布时小16%左右，因此我们现在设计的冷却塔采用的风压沿塔高均按阶梯形分布来计算。

随着我国国民经济的飞速发展，发电厂单机装机容量的增大， “十二五”期间在内陆要新建一批核电厂，电厂内的冷却塔已从过去的大中型冷却塔转为超大型冷却塔。我们在多个工程已设计了数个淋水面积超过10000m2的超大型冷却塔。其中徐州彭城三期工程淋水面积12000m2冷却塔已投产使用。在徐州发电有限公司2×1000MW机组(上大压小)工程中，我院设计的目前我们国家最大的“烟塔合一”淋水面积12000m2自然通风排烟冷却塔也于2010年12月1日实现结构封顶。现在我们正在着手做湖南桃花江核电厂双曲线自然通风冷却塔淋水面积达到18000m2，塔高200m。

由于发电厂单机装机容量的增大，核电厂用水量的增加。冷却塔也愈宜向高大方向发展。由此产生的问题是：冷却塔是否越高大越划得来一般来说冷却塔越高大，成本也就越高。我自己设计以及参与设计和校核的冷却塔，曾经做过比较，小型冷却塔配筋通风筒筒壁混凝土的含钢量在100kg/m3以下，中型冷却塔配筋通风筒筒壁的混凝土含钢量在100kg/m3～120kg/m3之间，大型冷却塔配筋风筒筒壁的混凝土含钢量在150kg/m3左右。而目前超大型冷却塔配筋风筒筒壁的混凝土含钢量在160kg/m3～170kg/m3之间。小型塔对地基承载力要求不是很高，一般天然地基也能满足。中型塔和大型塔以及超大型塔就需要地基处理。而冷却塔地基处理的费用，过去一般占冷却塔总造价的10% ～15% ，而现在有的20%都包不住。因此冷却塔淋水面积到达某一大小之后，自然会产生建一个大塔不如建两个小塔合算的问题，这就要做总体的技术经济比较。由于我们的冷却塔结构设计优化还存在着一定的缺陷，因此，进一步从省成本、安全、热效率、结构力学、水力学、流体力学等各个方面，冷却塔整体优化设计问题已提到我们的日程上来了。

《火力发电厂水工设计规范》DL/T5339-2006冷却塔结构设计的冷却塔高度目前限制在165m。无可置疑现行的《火力发电厂水工设计规范》DL/T5339-2006风压分布系数也是根据单塔来制订的。而我们现在做的超大型冷却塔结构设计早已突破了当前规范的高度限制。

冷却塔结构的非线性问题。冷却塔的厚度很小，无论从静力还是从动力分析的角度来看，非线性问题是迫切的。在风荷载作用下冷却塔顶部的位移可以达到几十厘米，超过厚度的数倍。这在数量上早已超出了线性理论的适用范围。线性问题要求位移比厚度小很多，传统设计中采用线性问题近似，在塔小时相差不会很大，而对于大塔或者超大型冷却塔，这种误差会变得不可忽略。

为了考虑非线性效果，在塔变形时引起的风压变化也将成为不可忽略的因素。何况这个风压的变化可以与变形耦合产生积累，对于大塔或者超大型冷却塔，这种因素是不能省略的。

冷却塔结构设计中，在遇到塔群的情况下，是否要考虑群塔的影响现行的《火力发电厂水工设计规范》DL/T5339-2006没有明确规定。我的意见还是应该考虑塔群的影响。英国渡桥电厂冷却塔倒塌事故的大量研究成果，认为大风通过塔群内的塔与塔之间时，(包括厂房)受其影响，风的频谱有较大的变化这是倒塌的主要原因之一。我们在多个工程中委托有关大学做的《冷却塔风洞试验》和《冷却塔塔群试验研究》报告的结论意见，也都充分说明了这一点。另外，现在设计高层建筑时，碰到两楼之间的净距小于楼宽的2倍时，都要考虑群楼效应，风压值经风洞试验测定后，两楼之间的风速将增大1.3～1.5倍，连体建筑也应考虑。在《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》JGJ 3-91，第2.2.2条写明“高层建筑的平面宜选用风压较小的形状，并应考虑邻近高层建筑对其风压分布的影响”。

另外冷却塔也愈宜向高大方向发展，而随之带来新的问题也就越复杂。小塔认为不重要的问题，对于大塔和超大型塔就显得非常尖锐。例如：施工初缺陷的影响、地基的不均匀沉降、地震反应的时程分析、风震问题、在冷却塔施工时抽掉几对人字柱对筒体的影响以及“烟塔合一”的冷却塔在通风筒壁上预留大孔洞的应力分析问题等等。

4 结语

随着电子计算机技术的高速发展，我国电力建设事业已取得了日新月异地变化。冷却塔CAD软件的研制与开发也取得了长足的进步。自我院设计的平圩电厂后，我们国家从比利时哈蒙公司引进了冷却塔设计计算程序，并用其计算程序也设计了一些双曲线型自然通风冷却塔。由于计算机环境的不断改变，有的冷却塔CAD软件虽然也有配筋计算与绘图功能，但功能不够完善，使用不便。因此，在这方面，我们还有很多工作需要去做。

[1]武际可．大型冷却塔结构分析的回顾与展望[J].力学与实践，1996，18(6)．

[2]董胜宪．吴泾电厂八期工程9000m2冷却塔结构设计探讨[J]．电力建设，1999，(8).

[3]董胜宪．大型冷却塔结构设计技术[A]．上海市水利学会第十一届学术年会论文集(2001～2002)[C]．2002．

[4]DL/T5339-2006，火力发电厂水工设计规范[S].

Structural Design and Research of Super Large Cooling Towers

DONG Sheng-xian
(East China Electric Power Design Institute, Shanghai 200063, China)

Hyperbola natural ventilation cooling tower is one of the important projects in the electric power construction.With the rapid development of our national economy and the increase of single installed capacity in power plants, a lot of nuclear power plants will be built in the inland during the 12th Five-Year Plan period. Cooling towers of the plant have turned from past large and medium ones to super large ones. Structural design and research of super large cooling towers which has been referred to our agenda should arouse the attention of all aspects.

super large cooling towers; structural design and research.

TM621

B

1671-9913(2011)02-0044-03

2011-01-26

董胜宪(1954- )，男，山东海阳人，高级工程师。