百萬機(jī)組自然通風(fēng)排煙冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、百萬機(jī)組自然通風(fēng)排煙冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2016-05-29 萬大偉 電力工程水工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與咨詢1、概述徐州某電廠采用“煙塔合一”方案，該排煙塔為國(guó)內(nèi)首臺(tái)百萬機(jī)組排煙冷卻塔。冷卻塔淋水面積為12000m2，總的高度為167.16m，按照目前國(guó)內(nèi)冷卻塔設(shè)計(jì)中的劃分，屬于超大型冷卻塔范疇，冷卻塔高度也超出了現(xiàn)行規(guī)范的限定高度,無論是淋水面積還是高度均為目前國(guó)內(nèi)乃至亞洲最大、最高的排煙冷卻塔。煙道孔洞直徑達(dá)到10.5m，也是目前國(guó)內(nèi)冷卻塔上開孔最大的。玻璃鋼煙道的布置方案為：凈煙氣由脫硫吸收塔側(cè)面出口，經(jīng)非金屬膨脹節(jié)與內(nèi)徑8.50m玻璃鋼煙道連接，水平引出的玻璃鋼煙道直接引向冷卻塔中

2、心轉(zhuǎn)彎向上排放，玻璃鋼煙道水平段以約1%的坡度坡向脫硫吸收塔。玻璃鋼煙道塔外支撐在塔外鋼筋混凝土支架上，塔內(nèi)支撐在鋼筋混凝土中央豎井上，中央豎井和塔外支架間利用淋水構(gòu)架設(shè)置塔內(nèi)支架，每段長(zhǎng)度約為40m。排煙冷卻塔風(fēng)筒采用雙曲線型現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔高167.16m，喉部標(biāo)高(以地面為0.00m的相對(duì)標(biāo)高，下同)129.68m，進(jìn)風(fēng)口標(biāo)高11.70m，塔頂內(nèi)面半徑40.344m，喉部?jī)?nèi)面半徑38.395m，進(jìn)風(fēng)口內(nèi)面半徑62.52m，風(fēng)筒殼體采用分段等厚，最小厚度0.22m，最大厚度1.20m，冷卻塔風(fēng)筒由人字柱與環(huán)板基礎(chǔ)連接，人字柱和環(huán)板基礎(chǔ)均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。冷卻塔塔體開孔直徑為10.

3、50 m，中心標(biāo)高40.50 m。“煙塔合一”方案建成后的圖片如下：圖1：運(yùn)行中的煙塔照片 圖2：運(yùn)行中的煙塔照片2、煙塔合一設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)“煙塔合一”技術(shù)在國(guó)外大機(jī)組已經(jīng)廣泛應(yīng)用，本工程設(shè)計(jì)時(shí)國(guó)內(nèi)尚缺乏600MW、1000MW機(jī)組排煙冷卻塔的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行工程經(jīng)驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度須對(duì)下列一些設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行深入的研究：（1）排煙冷卻塔高度也超出了現(xiàn)行規(guī)范的限定高度，需要對(duì)風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行研究；（2）周邊環(huán)境特別復(fù)雜，需要對(duì)群塔效應(yīng)進(jìn)行研究；（3）煙道在殼體上開的孔洞較大，需研究其對(duì)殼體穩(wěn)定、內(nèi)力的影響以及加固范圍和方式；（4）排煙冷卻塔防腐材料的應(yīng)用研究；（5）超大直徑的玻璃鋼煙道

4、的材料、加工、制作及其安裝要求的研究。3、排煙冷卻塔玻璃鋼煙道設(shè)計(jì)研究玻璃鋼煙道設(shè)計(jì)研究的技術(shù)路線為：首先制作各種材料的試樣進(jìn)行檢驗(yàn)，得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)作為玻璃鋼煙道結(jié)構(gòu)分析的輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行大型有限元分析軟件的分析計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定玻璃鋼煙道的鋪層設(shè)計(jì)和制作工藝。在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行玻璃鋼煙道模擬制作測(cè)試，對(duì)擬定的煙道施工工藝進(jìn)行驗(yàn)證，確保工程應(yīng)用中的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)不低于理論計(jì)算的取值。在試驗(yàn)研究和結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，提出經(jīng)濟(jì)安全可靠的排煙玻璃鋼煙道制作材料、制作工藝、安裝及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等。原材料試驗(yàn)研究具體項(xiàng)目如下：（1）樹脂性能和結(jié)構(gòu)測(cè)試（2）復(fù)合材料性能測(cè)試（3）復(fù)合材料耐腐蝕性能試驗(yàn)（4）

5、復(fù)合材料耐老化性能試驗(yàn)。其中樹脂選用兩家產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比分析。通過試驗(yàn)分析和專家評(píng)審，煙道采用材料為DERAKANE 411-350樹脂、ECR玻璃纖維和AKZONOBEL公司的固化體系。冀州中意、河北可耐特及連云港中復(fù)連眾共3家公司參與了1m長(zhǎng)玻璃鋼煙道試驗(yàn)段的制作，通過對(duì)各家煙道試驗(yàn)段的工藝過程和性能進(jìn)行比較，分析了試驗(yàn)段性能和計(jì)算參數(shù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了本工程玻璃鋼煙道制作工藝規(guī)范、判廢和修復(fù)準(zhǔn)則和原材料的技術(shù)要求。通過試驗(yàn)段制作得出：在嚴(yán)格質(zhì)量控制的條件下，國(guó)內(nèi)能夠設(shè)計(jì)、制作出符合工程要求的DN8.5m玻璃鋼煙道。本工程維數(shù)值計(jì)算采用世界通用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行。以三維模型描述

6、所有的殼體結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)。其中，管道采用殼單元shell99進(jìn)行模擬；加強(qiáng)筋采用三維梁?jiǎn)卧猙eam189進(jìn)行模擬，支撐框架采用三維梁?jiǎn)卧猙eam189進(jìn)行模擬。具體模型見下圖：圖3  玻璃鋼煙道整體三維模型根據(jù)試驗(yàn)和有限元的分析結(jié)果，最終的總壁厚為31mm。在彎頭設(shè)計(jì)的過程中，本院在國(guó)內(nèi)首次采用“蝦米”型彎頭，有效優(yōu)化、改善了氣流條件和完善了煙道外形的流線線型。通過公開招標(biāo)，由河北可耐特玻璃鋼有限公司承擔(dān)本項(xiàng)目煙道的制作與吊裝，武漢理工大學(xué)承擔(dān)監(jiān)造和檢測(cè)，有力地保障了該工程的順利進(jìn)展和工程質(zhì)量。施工過程中的照片如下：圖4 就位后的玻璃鋼煙道整4、排冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1風(fēng)洞試驗(yàn)鑒于冷卻

7、塔周邊環(huán)境較為復(fù)雜，同時(shí)高度超出了出了現(xiàn)行規(guī)范的限定值，需通過風(fēng)洞試驗(yàn)確定群塔效應(yīng)、風(fēng)壓分布曲線和風(fēng)振系數(shù)，為本期冷卻塔提供設(shè)計(jì)依據(jù)。本工程同時(shí)進(jìn)行了剛體模型試驗(yàn)和氣彈模型試驗(yàn)。主要結(jié)論如下：（1）最不利工況出現(xiàn)在期與期雙塔組合90°來流角度，多塔比例系數(shù)取值為1.308；（2）根據(jù)測(cè)壓獲得的多塔比例系數(shù)和對(duì)應(yīng)工況下測(cè)振試驗(yàn)獲得的風(fēng)振系數(shù)組合數(shù)值，不同來流風(fēng)向角下組合結(jié)果最大值為2.426，略小于以最大多塔比例系數(shù)1.308和B類場(chǎng)地規(guī)范規(guī)定的風(fēng)振系數(shù)1.9的組合參考值2.485，考慮到施工狀態(tài)的安全性和排煙冷卻塔結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定性的特殊性，內(nèi)力計(jì)算時(shí)統(tǒng)一取最大多塔比例系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)的組

8、合值2.485。4.2孔洞加固方案比選  冷卻塔采用國(guó)際通用的ANSYS有限元軟件建立有限元模型，沿殼體子午向按模板分107層，沿環(huán)向等分為416份，殼單元采用Shell63單元，人字柱和環(huán)基采用BEAM188梁?jiǎn)卧?，地基按照等效彈簧考慮采用COMBIN14彈簧阻尼單元模擬。在孔口附近的殼單元根據(jù)開孔情況再局部細(xì)化加固。第一種加固方案采取對(duì)邊長(zhǎng)約24×24m的正方形區(qū)域行進(jìn)加厚，這個(gè)區(qū)域原來的厚度是0.26m到0.28m漸變，加厚到0.50m，孔洞周圍劃分為1162個(gè)單元，第二種方案采取肋梁采用0.3×0.8m矩形封閉肋梁加固，環(huán)梁用梁?jiǎn)卧M，共約5萬個(gè)單元及1

9、3萬個(gè)自由度。  圖5 有限元孔洞加固詳圖圖6施工過程中的孔洞照片對(duì)于未開孔冷卻塔進(jìn)行穩(wěn)定分析，在相應(yīng)于排煙冷卻塔的開孔處的筒壁穩(wěn)定性安全因子最小值KB=34.05。對(duì)開孔邊緣的局部穩(wěn)定性進(jìn)行分析，不同的來流風(fēng)載工況組合下的值是不同的，根據(jù)分析，60°來流時(shí)為最不利吹風(fēng)工況角。此時(shí)局部穩(wěn)定性安全因子KB=4.27，低于規(guī)范規(guī)定的最小值5.0。所以必須采取加固方案。采用方案一得到的最小安全因子為35.21，采用方案二得到的最小安全因子為10.64。如果要滿足加固后穩(wěn)定性達(dá)到未開孔前的水平，則必須要采取方案一的加固措施才能滿足要求。對(duì)于加大塔筒壁厚，是國(guó)內(nèi)普

10、遍采用的方案，從效果上看也是最安全的，且可將局部穩(wěn)定性安全因子提升到不開孔下相應(yīng)的部位安全因子之上。所以最終選用方案一的加固方案。5、排冷卻塔防腐設(shè)計(jì)煙氣中含有大量的二氧化碳、二氧化硫等有害成分，即使?jié)穹摿蚝蟮膬魺煔馊院幸欢康亩趸颍⊿O2）、三氧化硫（SO3）、一氧化氮（NO）、氯化物、二氧化碳（CO2）等有害氣體，濕法脫硫后的凈煙氣進(jìn)入冷卻塔后在塔內(nèi)上升過程中與飽和熱濕空氣接觸，部分水蒸氣遇冷凝結(jié)成霧滴，其中一些霧滴會(huì)在冷卻塔筒壁上聚集成較大的液滴，這些液滴因含有煙氣所帶的酸性氣體而呈現(xiàn)出較強(qiáng)的酸性。經(jīng)過脫硫后，煙氣中的二氧化硫的含量大大減少，但是煙氣中的三氧化硫除去效果不理想。當(dāng)

11、煙氣遇到水蒸汽后，煙氣中殘余的三氧化硫溶解進(jìn)入水中，形成腐蝕性很強(qiáng)的稀硫酸，對(duì)冷卻塔混凝土結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的腐蝕性。同時(shí)本工程冷卻塔補(bǔ)充水采用大運(yùn)河水，氯離子含量較高，為了保證排煙冷卻塔的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，必須對(duì)冷卻塔混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐處理。需對(duì)不同涂料的性能進(jìn)行對(duì)比分析，為本工程的防腐設(shè)計(jì)提供依據(jù)。根據(jù)排煙冷卻塔實(shí)際運(yùn)行工況、國(guó)外的工程經(jīng)驗(yàn)、主要的腐蝕因素以及相關(guān)規(guī)程規(guī)范，首先對(duì)排煙冷卻塔的防腐進(jìn)行分區(qū)，具體如下：（1）塔內(nèi)水汽接觸喉部以上和塔外壁喉部以上區(qū)域：硫酸根離子、硝酸根離子、氯離子、紫外線、溫差；（2）塔內(nèi)水汽接觸喉部以下區(qū)域：硫酸根離子、硝酸根離子、氯離子、堿性離子、溫差；（3）塔內(nèi)與循

12、環(huán)水接觸區(qū)域：硫酸根離子、氯離子、堿性離子、溫差；（4）塔外壁喉部以下區(qū)域。硫酸根離子、紫外線、溫差。本次防腐涂料試驗(yàn)的主要內(nèi)容如下：（1）物理性能檢測(cè)，主要包括：附著力；抗碳化性；耐磨性；抗沖擊性；抗?jié)B性；柔韌性；呼吸性；耐凍融性；抗紫外線性能；抗溫變能力（-22.60C800C）；無毒、無味及不燃性；防微生物的能力。（2）化學(xué)性能檢測(cè)，主要包括：耐酸、耐堿及耐熱性能；抗老化能力。特別是此次自主設(shè)計(jì)的酸霧氣流實(shí)驗(yàn)箱和首次應(yīng)用的大面積涂層熱烘酸液噴淋凍熱循環(huán)腐蝕老化試驗(yàn)方法，為模擬出實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中出現(xiàn)的涂層破壞狀況提供了較好地腐蝕老化模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具體見下圖：圖7 酸霧箱示意圖本次試驗(yàn)選取了具有代表性的EVONIK贏創(chuàng)德固賽投資有限公司、廈門七二五所雙瑞船舶涂料公司、優(yōu)龍（南通）重防腐涂料有限公司的煙塔防腐涂料系列進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)