2015.01.27国产1000MW级超超临界机组间接空冷设计优化

国产1000MW级超超临界机组间接空冷设计优化

蒋华

（中电神头发电有限公司，山西省朔州市 036011）

Domestic 1000MW ultra-supercritical units indirect air cooling design

optimization

Jianghua

(CPI SHENTOU POWER CO., LTD. Shuozhou City, Shanxi Province 036011)

ABSTRACT： In this paper, an indirect air-cooled super (especially) the CPI SHENTOU 2 × 1000MW ultra-supercritical unit project (reference works) Large Cold Tower (205 meters high tower) of the structure, as well as inter-cooling process optimization design system solutions are briefly elaborated, summed up the experience, put forward relevant proposals to design a similar project to provide reference.

接空冷塔引起了业内各方的高度关注。超（特）大型冷却塔尽管在设计分析计算上不存在困难，但在一些系数的选取上由于受到国内规范的限制和目前国内规范制定时的试验数据均出自以往较小的冷却塔试验结果。鉴于以上情况，中电神头2×1000MW级间接空冷工程委托国内相关科研院所及设计单位进行了多方面的研究分析：数模计算，大量风洞试验，有限元分析和非线性分析等。在超（特）大型间接空冷塔结构以及工艺系统设计方面进行了优化。（目前，参考工程尚处于设计阶段，最终参数以设计院施工蓝图为准）

KEY WORD: 1000MW level; ultra-supercritical;

indirect air cooling; design; optimization

摘要：本文就中电神头2×1000MW级超超临界机组工程（参考工程）间接空冷超（特）大型间冷塔（塔高205米）的结构，以及间冷工艺系统方案的优化设计进行了简要阐述，总结了相关经验，提出了相关建议，给相似工程的设计提供参考和借鉴。 关键词：1000MW级；超超临界；间接空冷；设计；优化

0.前言

目前，因超（特）大型冷却塔的设计多项内容突破了《工业循环冷却水设计规范》（GB/T 50102）、《火力发电厂水工设计规范》（DL/T 5339）和《构筑物抗震设计规范》（GB 50191），世界也尚未有1000MW级超超临界机组间接空冷实际建成投运的实际经验可循（世界上最高冷却塔为德国的Niederaussem 电厂1000MW机组湿冷塔，其塔高为200m,零米直径为152m），所以，国内电力建设单位能否建设超（特）大型间

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1.1000MW级超（特）大型间接空冷塔结构优化

1.1超（特）大型间接空冷塔结构设计 1.1.1风荷载分布及风振系数的适用性 目前，国内有关冷却塔结构设计的规程规范有三本《工业循环冷却水设计规范》（GB/T 50102-2003）、《火力发电厂水工设计规范》（DL/T 5339-2006）和《构筑物抗震设计规范》（GB 50191-93）。在上述前两本规范中均对风振系数的取值限制塔高在165m以内。由于各国规范体系的不同其风荷载的取

值方法有所不同，我国的风荷载标准是取10米高处10分钟的平均最大风速作设计荷载。而一些国家取3秒钟的平均风速例如英国、澳大利亚等；俄罗斯和东欧一些国家取2分钟的平均风速，更多的一些国家以所谓的瞬时风速为标准，美国比较特殊是以英里/小时为标准，也就是以单位里程内的平均风速为标准。由于规范体系的不同，各国的风荷载的计算也就不同。例如德国《冷却塔结构设计》（VGB-R610Ue）标准中就没有风振系数，也没有对塔高的限制。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。所有这些分量在实际应用时可以考虑为准静态的。通过对中电神头1000MW级机组205米高超（特）大型间接空冷塔线性与非线性有限元分析对比，得到如下三点结论：

1）当风载荷为9倍标准风压时，冷却塔开始进入弹塑性状态，当13倍标准风压时，冷却塔大部分区域进入弹塑性状态，且随着冷却塔风载荷的增加，存在明显的内力重新分配现象，并使冷却塔趋于均匀化。

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整体有限元模型

标准风压下的弹塑性模型 0度

10倍风压下的弹塑性模型 0度

10倍风压下的弹塑性模型 180度

1E+0078E+0066E+0064E+0062E+0060-2E+006-4E+006-6E+006-8E+006012345弹塑性线弹性678

13倍风压下的弹塑性模型 0度

90度处支柱上端轴力随时间变化 （横坐标：时间，纵坐标：轴力）

1E+0078E+0066E+0064E+0062E+0060-2E+006-4E+006-6E+006-8E+006012345678弹塑性线弹性

13倍风压下的弹塑性模型 180度 2）在8度地震作用下，冷却塔的大部分区域为线弹性，在支柱与壳体连接处的单元存在着应力集中现象，而进入弹塑性状态。对于8度地震区，用线弹性动力分析结果进行设计是可行的。

2.5E+0062E+0061.5E+0061E+006500,0000-500,000-1E+006-1.5E+006-2E+00601234567890度处支柱上端轴力随时间变化 （横坐标：时间，纵坐标：轴力）

40,00030,00020,00010,0000-10,000-20,000-30,000-40,000012345678弹塑性线弹性

线弹性90度处支柱上端径向弯矩随时间变化 （横坐标：时间，纵坐标：径向弯矩） 3）仅考虑风载作用下冷却塔施工期稳定性分析，该冷却塔的施工期临界风载(或临界风速)远大于设计风速，有足够的安全储

弹塑性

备，且一般情况下随塔高增加，临界载荷降低。

1.1.2抗震特性与稳定性及非线性问题 1.1.2.1在冷却塔的设计分析计算工作中，不论塔体的大小，其计算的力学模型均

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0度处支柱上端轴力随时间变化

（横坐标：时间，纵坐标：轴力）

是相同的。只是塔的高度和直径超过了现行规范的适用范围，当塔的直径和高度的增加使得在以往小塔认为不重要的问题，对超（特）大型塔就变得尖锐起来了。例如：地震力对于小塔不重要，而对超（特）大型塔就相对重要了；由于塔的直径很大，地基的不均匀性更为突出；同样，塔直径加大后在外界荷载和各种外部作用下及砼的内在因素影响下，沿着塔筒圆周在子午向上的裂缝更容易产生，这种裂缝对塔体的动力特性和屈曲稳定性的影响很大；施工缺陷的影响、地震反应的时程分析、地基的不均匀性下沉及风振作用下的稳定性问题等等都是冷却塔变大后面对的新问题。

1.1.2.2冷却塔结构尺寸的加大，非线性问题也将突显。因冷却塔的壁厚很薄，无论从静力还是从动力分析的角度来看，对超（特）大型冷却塔非线性问题是不能忽略的。传统设计中采用线性问题近似求解，在塔小时，相对误差不会很大，对于超（特）大型塔这种误差会变得不可忽视。从结构分析计算理论和设计规范上来看，各国规范标准中结构分析计算的理论是一样的，即在力学分析上没有太大的差别，只是材料的性能、构造要求、系数的选择、荷载的选用和计算工况等不一致。尤其风荷载的选用差距较大，这是各国规范体系不同造成的。但国内规范目前只提出了采用线性分析的方法，而国外规范提出了非线性分析的要求。例如德国《冷却塔结构设计》（VGB-R610Ue）规范中的3.3.3 节的标题是“非线性计算方法”，明确了有关材料的选用和计算原则性的要求。冷却塔薄壳结构存在的最大问题是其屈曲稳定问题比较突出，而屈曲稳定分析

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计算又分为线性分析和非线性分析即分叉问题和极值问题。分叉问题采用求解特征值的方法属于线性问题，就目前的分析和计算手段来说没有什么问题，并且其求解的结果也十分稳定。但极值问题的分析和求解难度相对较大，主要涉及到非线性问题，非线性问题主要是求解有时不能收敛和材料关系的模型选取的合理性及对计算机性能的要求较高。但极值问题求解的结果更接近实际情况。目前，随着计算机技术、计算力学和有限元数值分析技术的发展，在国际上推出了许多商业通用有限元分析软件。例如比较知名的有ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、ADINA、SAP2000、ALGOR等，这些软件都可用来对冷却塔结构进行分析计算，并且都具有非线性分析功能。使得对特大型冷却塔采用非线性分析技术对其进行分析计算成为可能，这使得工程设计更为经济安全。随着分析计算理论的完善和手段的提高，可使设计的冷却塔面积与高度大大增加，设计效率也可大大提高。

1.2超（特）大型冷却塔结构型式 根据间接空冷系统自然通风冷却塔结构的不同，应用于实际工程的空冷塔的主要型式有：钢筋混凝土结构自然通风冷却塔和钢架镶板结构自然通风冷却塔两种型式。目前，国内外火电厂间接空冷系统采用的冷却塔以钢筋混凝土结构的自然通风冷却塔为主；国外有少数火电厂间接空冷系统采用钢架镶板结构自然通风冷却塔，国内目前尚无实际工程采用。钢架镶板结构自然通风冷却塔主体结构全部采用钢结构，可以进行工厂机械化制造、加工，现场焊接、组装，节省人力，但整体消耗金属、钢材数量较大、造