PDF《超大型冷却塔结构设计中值得关注的问题》

超大型冷却塔结构设计中值得关注的问题 郭维胜 (北京国电华北电力工程有限公司, 北京

100011 ) 【摘要】为了满足德国 Niederaussem 电厂 K 号机组(1*1000MW)循环冷却水的要求,德国的工程师们建造了 目前世界第一的超大型冷却塔.

塔的高度 200m,底部直径约 152m. 在工程前期和实施阶段,进行了多方面的 研究分析:优化总体尺寸,大量风洞试验,有限元分析和非线性分析,并且采取了多项工程措施,如:上环梁施加 预应力,研制特种混凝土,为了在线监测冷却塔在长期运行中的状况掌握第一手数据周密制定了相应的监测 纲要.有的技术创新值得国内同行参考和借鉴. 【关键词】超大型;

冷却塔;

结构问题 前言 自然通风冷却塔是最大和最薄的工业建构筑物之一. 国内已经建设和正在建设的淋水面 积达到 12000m2 的冷却塔有五,六座,趋势表明:随着单机容量的扩展、大型间接空冷塔的 需求及内陆核电站厂址的需要,国内自然通风冷却塔正在向超大型方向发展.为此,我们将 面临值得思考的一系列问题:多项突破《火力发电厂水工设计规范》中关于冷却塔规定的依 据是什么;

超大型冷却塔的设计能否按照常规尺寸冷却塔线性放大;

超大型塔风荷载取值的 合理性;

烟塔合一或海水塔防腐措施的研究;

建成的冷却塔安全裕度有多大,运行中如何监 测等等. 最近,译读了四篇文章,载于自然通风冷却塔第五届国际研讨会论文集,都是介绍目前 世界第一高塔-德国 Niederaussem 电厂 1000MW 机组冷却塔设计和研究成果的.笔者

1986 年曾到该厂参观学习,当时该厂 2*300MW 机组正在进行脱硫改造工程,改建原冷却塔为 烟塔合一功能. 因此, 对本期扩建 1*1000MW 机组, 新建 200m 高, 淋水面积超过 14000m2 排烟冷却塔项目给予了关注,并摘译了上述文章的主要内容,归纳为值得关注的若干问题, 供大家在实际工程中参考和借鉴.翻译或理解有误之处,请不吝赐教.

1 工程概况 Nideraussem 电厂位于德国科隆附近的 Niederaussem,是燃烧褐煤的火电厂,业主为 RWE 公司,该厂目前共有

10 台机组,4*150MW(A、B、C

1、C2 号)+3*300MW(D、E、F 号) +2*600MW(G、H 号)+1*1000MW(K 号) ,其中 K 号机组为近期扩建的 1000MW 超临界机组. 其中前

9 台机组的主厂房是连在一起的,脱硫设施都是后期改造建设的.A、B、C

1、C2 号机组原冷却塔设

6 座, 每两台炉设

1 个烟囱, 脱硫后烟气通过新建的

2 座双管集束烟囱排 放.D、E、F 号机组是七十年代建设的,设有

3 座冷却塔,脱硫后的烟气改造通过原有的冷 却塔(烟塔合一)的方式排入大气,原有的烟囱仍然保留.G、H 号机组是八十年代建设的, 设有

2 座冷却塔,脱硫后的烟气通过改造原有的冷却塔(烟塔合一)的方式排入大气,原有 的烟囱仍然保留.上述五台机组脱硫改造是根据

1984 年4月德国国家环保部会议的决定进 行脱硫改造的, 五台机组均采用了烟塔合一的排烟方式, 使得炉后的玻璃钢管道布置很复杂. 图1Nideraussem 厂貌 NideraussemK 号机组(1*1000MW),由Alstom 公司作为咨询工程师,燃料为莱茵河的褐 煤,含水达到 50%,采用自然通风冷却塔循环冷却方式,1996 年签订合同,2002 年8月投 产.机组的锅炉效率 94.4%,发电效率 45.2%,厂用电率 4.6%,供电效率 43.2%,成为 当时机械效率最高的机组(见图 1). 冷却塔区的布置: 由于环保要求和主导风向的关系, 全厂冷却塔均布置在炉后, 位于厂区主导风向的下风 侧,烟气采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺,烟气经过脱硫装置后,直接进入自然通风冷却塔排 放,不设置旁路烟道.另外,由于 1000MW 机组紧邻社会道路,环保要求高,1000MW 机组冷 却塔增加设置了防噪音墙(见图 2) . 图2排烟塔周围设有防噪音墙 先前的 3*300+2*600MW 机组的冷却塔周围烟道支架较多, 与国内规范中规定的冷却 塔与各建(构)筑物的最小间距相比,冷却塔周围与其它设施布置的间距相当紧凑,几乎无 空地,因此,冷却塔区用地面积较小(见图 3) . 图3冷却塔周围布置的烟道和栈桥

一、

二、三期原设计为常规自然通风冷却塔,八十年代完成的脱硫改造,三种不同类型 的机组集中布置脱硫装置,但150MW 机组脱硫后新建两座烟囱,300MW 和600MW 的5台机组 脱硫改造的净烟气利用原自然通风冷却塔改造为排烟塔后排放. 原冷却塔全部布置在原烟囱 外侧,且呈两排平行布置.因为脱硫改造设计时此前炉后没有预留脱硫场地,脱硫装置均集 中布置在两排塔的外侧, 造成

5 台机组的原烟气及净烟气烟道穿过塔区, 烟道系统相当复杂, 重叠布置.5 台机组的原烟囱废弃,顶部作了封顶,但未拆除(见图 4) . 本期

1 台1000MW 机组直接设计为无烟气旁路的排烟冷却塔. 脱硫装置采用两个吸收塔, 整个脱硫装置外墙采用轻型铝合金板全封闭. 从该 200m 高的排烟冷却塔运行效果来看,由于在进风口处安装了防噪音墙,尾水溅 落的噪音被阻隔了,与其它机组的冷却塔相比,噪音明显减小,效果较好,冷却塔出口处羽 烟浓密,整个塔区云雾缭绕. 图4Nideraussem 厂区总平面布置 这座 200m 高的冷却塔于

1996 年签订设计合同,1998 年7月开始最终设计(施工图) ,

1999 年3月壳体模板开始爬升, 九个月以后达到上环梁 200m 标高处.

2000 年3月开始施加 上环梁预应力,2000 年4月全塔土建施工完成,2000 年8月K号机组投入正式运行.至今, 冷却塔本体没有出现任何损坏.

2 冷却塔的总体尺寸 Nideraussem 电厂 K 号机组冷却塔的场地条件受到了严格限制,锅炉后面(北侧)场地 狭小,只能够建造一座冷却塔,而且,冷却塔的水池直径也受到限制-150m 左右.热力和 水力计算按照当地气象条件,循环水量,水温,循环水系统的运行方式,结合场地布置和施 工条件等,优化计算的结果,该冷却塔总体几何尺寸确定为(见图 5) : 图5冷却塔的总体尺寸 塔高: 200m(池壁顶 0m) 出口直径: 88.41m 喉部标高: 142.0m 喉部直径: 85.0m 下环梁高: 12.18m 下环梁直径:136.0m 基础直径: 152.54m 水池深度: 2.5m 壳体最小厚度:0.24m 子午向立柱:

48 根 立柱高度: 14.68m 倾角 φ :

18 o 淋水面积: ~14000m

2 塔筒体积: ~17000m

3 塔筒表面积:~60000m

2 该冷却塔壳体子午线是由两条双曲线组成, 两条双曲线在喉部连接的必要条件是-在喉 部处直径和曲率相等.壳体设计为基本等厚塔,最小厚度为 0.24m,在烟道入口处局部加厚 至0.45m.塔顶上环梁设计的相当刚性,这个刚性环为一个 U 型断面,向塔内悬挑,通风方 面具有收口塔的作用,为了防止塔筒从上边缘开裂,后期用 4SUSPA 预应力钢缆施加预应力 予以加强.壳体下部厚度逐步增加,形成锥体,最大厚度 1.16m.塔筒支柱没有采用斜支柱, 采用的是

48 根子午向立柱,与下环梁正交连接(见图 6). 为了排放脱硫后的净烟气,在离地面 49m 处预留两个孔,高度 9.0m 的门型洞,两根 直径 6.5 m,长度约 120m 的玻璃钢排烟管道通入冷却塔内部,每一根排烟管道施加给塔筒 的竖向力为2000KN,水平向力为±400KN. 在两个开孔周围塔筒的厚度由0.24m增加到0.45m, 进行局部加强. 图6上环梁和下环梁的尺寸

3 风荷载的非轴对称 塔体外形尺寸的确定和风荷载的分布都是非常重要的. 特别是需要考虑随着塔的高度增 加,塔的特征频率将降低,会进到风频谱的更高能量部分.风荷载的作用可以分解为静态、 动态和谐振分量. 所有这些分量在........