大型冷却塔高径比变化对投资的影响研究

2018-05-25何姜江饶俊勇

电力勘测设计 2018年5期

何姜江，饶俊勇

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川成都 610021)

1 概述

双曲线自然通风冷却塔是火力发电厂循环水系统中应用最广泛的构筑物。冷却塔体型大、造价高，对电厂初期投资影响较大。

在满足相同的背压条件下，采用相同特性淋水填料时，冷却塔淋水面积的大小受冷却塔高度的影响，淋水面积越小，冷却塔越高；采用不同特性淋水填料时，为满足相同的背压，冷却塔的高度不同。在假定的设计条件下，针对不同的淋水面积，计算不同高径比对冷却塔的工程量的影响，并进一步计算冷却塔造价，得出冷却塔塔前期设计的一般规律，找出最优高径比冷却塔设计方案，为冷却塔前期设计提供参数。

根据国内现行规范并参考国外冷却塔设计规范，借鉴冷却塔设计已有研究成果，从冷却塔的高径比着手，运用哈蒙程序对工艺专业提供的冷却塔几何尺寸进行定型计算，并在在基本相同的安全水准下，拟定满足稳定和强度要求冷却塔的各结构尺寸；根据拟定尺寸计算冷却塔造价，在此基础上研究冷却塔几何尺寸对造价的影响，为冷却塔优化设计提供依据。

2 冷却塔设计

2.1 工艺几何参数

根据工艺专业循环水系统优化的结果，冷却塔高径比优化设计的主要输入几何参数见表1。表中仅列出高径比H/B=1.25的数据，相同淋水面积的冷却塔，高径比H/B=1.20～1.60变化时，仅塔高(H)改变，出口直径、喉部直径、零米直径(B)、进风口标高、进风口内直径等参数均不变。

表1 冷却塔主要工艺几何参数

2.2 设计方法

冷却塔结构设计是根据工艺专业循环水系统优化的结果，以及风荷载、温度、塔体自重和施工要求等因素，对塔筒的形状(包括选用的曲线)、壁厚、塔底倾角、塔顶倾角及人支柱对数、直径、基础型式和宽度等设计参数以及冷却塔全部几何尺寸进行优化选择，得出技术合理及混凝土和钢筋用量最省的塔型，以保证冷却塔设计的安全、经济、合理性。在冷却塔结构优化计算选型时一般应保证热力选型所确定的冷却塔主要尺寸：(1)淋水填料的直径及其相应标高；(2)塔的总高度；(3)喉部直径；(4)进风口高度。

2.3 荷载

2.3.1 结构自重

根据《火力发电厂水工设计规范》及《钢筋混凝土结构设计规范》，计算结构自重时，钢凝土容重采用 25 kN/m3。

2.3.2 风荷载

本次设计各参数取值如下：

(1) 基本风压：按照《工业循环水冷却设计规范》其设计基本风压可采用 10 m 高五十年一遇 10 min 平均最大风压作为基本设计风压。本次研究，冷却塔设计基本风压按0.50 kN/m2考虑。

(2) 风压高度变化系数按 B 类地貌采用。

(3) 风振系数按B类地貌，β＝1.9 采用。

(4) 冷却塔平均风压分布系数，现阶段按《火力发电厂水工设计规范》及《工业循环水冷却设计规范》考虑。

(5)群塔效应系数取1.0。

2.3.3 其它荷载

环板基础上回填土容重取：19 kN/m3。

重力加速度：9.8 m/s2。

2.3.4 设计气温

最高气温：40.8℃；最低气温：－12.4℃；塔内相应温度暂按35℃考虑。

2.3.5 抗震设防

根据《热力发电厂超大型自然通风冷却塔设计技术导则》和《构筑物抗震设计规范》，VI度地区超大型冷却塔的抗震等级为三级，可不进行抗震验算，斜支柱等重要支撑部位按VII度构造设防，尺寸按轴压比按不大于0.8控制，斜支柱倾斜角ε不小于11°。

2.4 荷载组合

荷载分项系数和荷载组合系数按参考文献中的有关规定采用。

对于塔筒优化计算，其荷载组合如下：

对于地基承载力验算，其荷载组合如下：

对于基础上拔力平衡验算，应采用下列组合：

塔筒屈曲稳定验算荷载组合：

2.5 设计原则

2.5.1 整体稳定

塔筒整体稳定性分析采用德尔—菲德勒整体稳定验算公式(Der—Fiddler Formula)，冷却塔整体弹性稳定安全系数不小于5.0。

2.5.2 局部稳定

塔筒局部弹性稳定分析采用屈曲应力状态方法(BBS)和有限元屈曲分析方法，冷却塔局部弹性稳定安全系数不小于5.0。

2.5.3 塔筒曲线

塔筒曲线优化主要是确定I和壳底斜率tanφ。喉部至塔顶距离与塔总高的比值I一般可取0.15～0.3。tanφ是指壳体底部切线与垂直轴夹角的正切，一般采用值为0.20～0.34，本次研究采用0.32。

2.5.4 斜支柱设计

斜支柱为塔筒的支撑结构，主要承受自重、风荷载和温度应力等。斜支柱按其几何形状有“人”字柱、“I”字柱和“X”字柱，目前国内多采用人字柱，本次研究按人字柱考虑。

3 高径比变化对冷却塔工程量的影响

冷却塔塔筒工程量与淋水面积关系趋势图见图1，冷却塔斜支柱和支墩工程量与淋水面积关系趋势图见图2，冷却塔环基工程量与淋水面积关系趋势图见图3；冷却塔塔筒工程量与高径比H/B关系趋势图见图4，冷却塔斜支柱和支墩工程量与高径比H/B关系趋势图见图5，冷却塔环基工程量与高径比H/B关系趋势图见图6。

分析以下图表数据可得出以下规律：

(1)在淋水面积不变的情况下，冷却塔塔筒工程量随高径比H/B的增大而增大，基本呈线性变化；在高径比H/B不变的情况下，冷却塔塔筒工程量随高淋水面积的增大而增大，基本呈线性变化，当淋水面积大于12500 m2后工程量增加明显加快。

(2)在淋水面积不变的情况下，冷却塔斜支柱和支墩工程量随高径比H/B的增大而增大，基本呈线性变化，当高径比H/B大于1.40后工程量增加明显加快；在高径比H/B不变的情况下，冷却塔斜支柱和支墩工程量随高淋水面积的增大而增大，基本呈线性变化，当淋水面积大于10000 m2后工程量增加明显加快。

(3)在淋水面积不变的情况下，冷却塔环基工程量随高径比H/B的增大而增大，基本呈线性变化，当高径比H/B大于1.40后工程量增加明显加快；在高径比H/B不变的情况下，冷却塔环基工程量随高淋水面积的增大而增大，基本呈线性变化，当淋水面积大于9500 m2后工程量增加明显加快。

图1 冷却塔塔筒工程量与淋水面积关系趋势图

图2 冷却塔斜支柱和支墩工程量与淋水面积关系趋势图

图3 冷却塔环基工程量与淋水面积关系趋势图

图4 冷却塔塔筒工程量与高径比H/B关系趋势图

图5 冷却塔斜支柱和支墩工程量与高径比H/B关系趋势图

图6 冷却塔环基工程量与高径比H/B关系趋势图

4 高径比变化对冷却塔造价的影响

4.1 造价定额

采用某工程前期综合单价进行投资分析，主要数据见表2。

表2 工程量综合单价

4.2 总造价计算

根据定型计算结果，计算不同高径比对冷却塔的投资的影响，不同冷却塔设计方案的造价定额见表3。

表3 不同高径比H/B冷却塔总造价(单位：万元)

4.3 总造价分析

4.3.1 总造价与淋水面积关系

冷却塔总造价与淋水面积关系趋势图见图7，由图中可以看出冷却塔总造价与淋水面积基本呈线性变化。

采用一元线性回归对冷却塔造价进行分析，分析结果见表4。由表中可以看出淋水面积每增加500 m2增加的投资随着高径比H/B的增加而增大。当高径比H/B=1.20、1.25、1.30、1.35、1.40、1.45、1.50、1.55和 1.60时，淋水面积每增加500 m2，需增加投资依次为385、403、421、433、439、459、479、503和 528万元。

图7 冷却塔总造价与淋水面积关系趋势图

4.3.2 总造价与高径比H/B关系

冷却塔总造价与高径比H/B关系趋势图见图8。由图中可以看出冷却塔总造价与高径比H/B基本呈线性变化。

采用一元线性回归对冷却塔造价进行分析，分析结果见表5，由表中可以看出高径比H/B每增加0.05增加的投资随着淋水面积的增加而增大。当淋水面积为7000 m2～15000 m2时，高径比每H/B每增加0.05，需增加投资依次为110、130、146、171、188、200、218、232、246、261、282、301、335、357、371、390和418万元。