2015.01.27国产1000MW级超超临界机组间接空冷设计优化

价较高。与之相比，目前国内劳动力成本相对低廉，钢筋混凝土价格较低，钢筋混凝土结构的空冷塔投资省、造价低，其与常规火电湿冷机组水冷塔基本类似，设计技术及施工经验相对较为成熟丰富，且应用广泛、造价较低。因此，目前在国内钢筋混凝土结构的空冷塔更为适用，参考工程空冷塔结构推荐钢筋混凝土。

1.3超（特）大型冷却塔塔型优化 针对参考工程超（特）大型间冷塔，结合工程实际，从冷却塔的设计、基建、投资、安全等诸多方面考虑，按常规塔型（所谓常规塔型，在此主要是指壳底子午倾角、塔顶扩散倾角、喉部面积与壳底面积等的比例关系遵循通常相关规范要求）和非常规塔型（相比较常规塔型，对以上倾角、比例关系等数据进行了优化、创新）分别进行了深入研究，以钢筋混凝土常规塔型为基础、开发了钢筋混凝土小倾角塔型（非常规塔）。

1.3.1 常规钢筋混凝土冷却塔塔型 经静力、动力、稳定性计算，确定间冷塔的结构尺寸如下：

冷却塔高：200.01m； 冷却塔零米直径：178.18m； 冷却塔出口直径：102.45m； 进风口高度： 28.5m； 冷却塔喉部直径：98.32m 冷却塔喉部高度：170.0m X支柱对数：52对 X支柱尺寸：1.6×1.0m 最小壁厚：0.31m 最大壁厚：1.7m

通过1000MW级机组间冷塔的线性、非线性有限元分析表明，当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行弹塑性状态。该冷却塔的极限风压为13倍标准风压，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，并使冷却塔内力趋于均匀化。

地震动力分析采用时程分析法。分析表明支柱与壳体的连接处有应力集中，且在90度位置应力最大。在任何时刻，在8度地震作用下，冷却塔的大部分区域为线弹性，只是在支柱与塔筒的连接处局部，由于存在较强的应力集中而进入了弹塑性状态。

1.3.2 钢筋混凝土小倾角冷却塔塔型（非常规塔）

对参考工程而言，减小冷却塔零米直径，可以极大改善冷却塔地基条件。工程位于晋北山区，场地沟壑纵横，在挖山填沟开垦出的场地上建设。4号冷却塔范围内有两条冲沟，冷却塔布置在回填土上，最大回填土高度13.4m米，给地基处理带来难度。为了避开冲沟，需要将冷却塔底部直径尽可能减小。对常规塔型，规范要求冷却塔支柱倾

5

角在16～20°，所以减小冷却塔零米直径，塔高随之增加，工程量不降反增。放开支柱倾角16～20°的约束，采用较小的倾角，发现不改变塔出口直径及喉部曲率的前提下，可以大幅度减小冷却塔零米直径，从而减小塔本体钢筋混凝土工程量。

经静力、动力、稳定性计算，确定小倾角冷却塔的结构尺寸如下：

冷却塔高：205m；

冷却塔零米直径：138.50m； 冷却塔出口直径：105m； 进风口高度：32.5m； 冷却塔喉部直径：101.00m 冷却塔喉部高度：155.606m X支柱对数：40对 X支柱尺寸：2.0×1.1m 最小壁厚：0.33m 最大壁厚：2.1m

1.3.3参考工程风洞试验、抗震研究及结构研究等成果如下：

1）非常规塔塔型抗风抗震性能满足规范要求。

2）基于其它工程刚性测压模型试验结果，采用风振响应一致耦合分析方法，得出B类场地单塔条件下该塔型冷却塔结构风振响应敏感部位出现在喉部迎风前缘；喉部断面典型节点风振系数的平均值为1.87；对于仅考虑单塔情况的初步设计，风振系数可按水工规范对于B类场地取1.9。

3）地震性能分析结果表明，小震作用下，该塔型冷却塔保持弹性，大震作用下，满足不倒塌的性能目标，并且有较大的安全余度；同时为确保延性仅发生在支柱中，建议对桩基采用能力保护设计，并注意强化柱端塑性铰区域的箍筋构造细节设计。

4）冷却塔在超越大震作用下产生由于局部破坏引起的倒塌，可能发生局部破坏的相对薄弱部位有X柱底端、X柱上端和塔筒喉部。引起冷却塔倒塌的水平双向峰值加速度在0.7g到1.1g之间，均高于冷却塔所对应的罕遇烈度（大震）的加速度峰值。

5）采用定常和非定常模型对单塔条件下塔筒内、外表面气动力荷载进行分析，给出了塔筒内、外表面以及空冷散热器封闭顶板风压分布系数、气动力系数的时间平均值和均方差值等气动力荷载参数，为塔筒结构

小倾角冷却塔数模分析包括：塔筒表面气动力荷载CFD计算模拟、静力荷载组合条件结构安全性检验和设计分析、动力荷载作用下结构安全性评定、冷却塔倒塌数值模拟分析等研究。

6

设计时风荷载的选取提供参考。

2.1000MW级超（特）大型间接空冷工艺系统配置优化

参考工程1000MW级超（特）大型SCAL间接空冷工艺系统划分为若干个子系统。系

统工艺流程：主要由表面式凝汽器、空冷散热器、循环水泵、循环水补充水系统、散热器冲洗水系统以及空冷塔组成。凝汽器通常采用不锈钢管，循环冷却水为密闭的除盐水循环系统。

2.1 系统主要设计参数

设计气温：

13.5℃

传热系数48 W/m2·k

基管管径×壁厚（mm）：Φ25×1 翅片特征尺寸（mm）： 666×200 翅片厚度（mm）： 0.25 翅片间距（mm）： 3.8 2.4循环水系统

2.4.1 循环水泵给水方式优化

按照循环水泵出口水流方向的不同，循环水泵有两种给水方式：第一种给水方式：循环水泵出水管首先进入空冷散热器，而后再进入表面凝汽器；第二种给水方式：循环水泵出水管首先进入表面凝汽器，而后再进入空冷散热器。从理论上讲，两种给水方式均可行。通过对上述两种不同给水方式循环水系统的分析、计算，系统流量和阻力基本不发生变化，仅循环水泵耗功发生微小变化。以下是两种循环水泵布置的主要特点：第一种循环水泵布置方式：功耗稍小。系统中各管路、设备承受的静压力较小。

设计背压： 11kPa 夏季设计气温： 30℃ 夏季设计背压： 28kPa 空冷散热器形式： 铝制六排管 散热器总散热面积： 约2161806m2 空冷塔座数： 1座 2.2表面式凝汽器

凝汽器采用表面式，单背压、双流程，冷却管材质为不锈钢。系统密闭运行，水质稳定，无污染，不结垢。优化后凝汽器设计数据如下：

循环水流量：88000m3/h 冷却面积：约60000m2

凝汽器本体的设计压力：0.5-0.6MPa 2.3 空冷散热器

空冷散热器采用FORGO第六代铝制6排管。该散热器的基管为圆管，尺寸为φ25.4mm，翅片为大翅片，基管和翅片通过胀接方式连接，材质均为纯铝，表面经特殊工艺防腐处理，运行中不需特殊防护。空冷散热器管束采用双流程设计。

主要设计参数如下：

冷却三角尺寸（mm）：～2800×2740×28750

冷却三角迎面风速(m/s)：～1.96 总迎风面积传23887 m2

第二种循环水泵布置方式：与第一种循环水泵布置方式相比，功耗稍大，且通过表面式凝汽器的压力较大。

7

/ ～126m

喉部高度/喉部直径： ～160m / 101m 出口高度/出口直径： 205m /～105m

3.结论

参考工程205米间接空冷塔作为世界第一大塔，完成了超（特）大型间接空冷塔的动力特性和稳定性研究成果的同时，委托国

对两种布置方式的计算结果，并结合以往大量工程实际经验，考虑到设备管路长期的水压及水锤影响，参考工程循环水泵布置按采用第一种方式作设计——循环水泵布置在热水管路上，向冷却塔空冷散热器方向出水。

2.4.2循环水泵优化：每台机组设置一座循环水泵房，循环水泵布置于塔区循环水泵房内。每台机组设4×25%国产的立式离心循环水泵并联运行。每台机组循环水量88000t/h，循环水主管道直径为DN3400，每台循环水泵的流量Q≈6.11m3/s，H≈25m，电动机铭牌功率N≈2000kW。考虑每台机组设一台间接空冷系统循环水泵变频装置，以降低循环水泵的能耗。 2.5 空气输送系统（空冷塔）

内相关科研院所及设计单位进行的风洞试验及抗震振动台试验结果将进一步确保超（特）大型冷却塔结构的安全。优化后的1000MW级超（特）大型间接空冷塔结构及工艺系统是可行的，随着参考工程建设的推进，必将为推动我国空冷技术的快速发展起到积极的示范作用。

参 考 文 献

[1].《工业循环冷却水设计规范》（GB/T 50102-2003）、 [2].《火力发电厂水工设计规范》（DL/T 5339-2006） [3].《构筑物抗震设计规范》（GB 50191-93） [4].《冷却塔结构设计》德国（VGB-R610Ue）

[5]. 丁尔谋.发电厂空冷技术[M] 北京：水利电力出版社，1992

[6].柴靖宇. 1000MW超超临界机组空冷系统选型设计探讨 电力建设；2009,06；0062-04

[7]. 李润森,张昌斌 1000MW等级空冷机组可行性研究[J]

自然通风冷却塔的空气输送系统由空冷塔、百叶窗及其电动执行机构等组成。利

电力勘测设计，2008,2；43-50

[8].Study of a proposed 200m high natural draught cooling

用双曲线型自然通风冷却塔内外空气密度差形成的抽力满足散热器冷却所需要的空气量。一台机组配置一座冷却塔，空冷塔优化后主要尺寸为：

空冷散热器外围直径： ～150m 空冷塔零米直径： 138.5m 空冷塔总高： 205m 进风口高度/进风口处直径：～32.5m

8

tower at Power plant ，Frimmersdort/Germany D.Busch， R.Harte， H.J.Niemann

作者简介：

蒋华 （1975-- ），男，大学本科，工程师，长期从事火力发电厂生产技术管理，中电神头发电公司生产技术部副经理。

地址：山西朔州市平鲁区 邮编：036011 电话：0349-8153121 E-mail: jianghua204680@163.com