某工程自然通风冷却塔的结构优化选型

某工程自然通风冷却塔的结构优化选型

潘静

（中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司安徽合肥230601）

摘要：在冷却塔优化计算确定的冷端参数的基础上，在冷却塔塔型热力优化、壳体结构优化等方面对冷却塔塔型进行进一步的优化。根据优化结果，本工程冷却塔塔型的优化配置方案为：2台660MW机组配1座淋水面积为13500m2的逆流式自然通风冷却塔及具体参数。

关键字：冷却塔，结构优化，有限元分析

一.冷却塔结构选型概述

为了选择冷却塔最佳结构尺寸，本文从结构优化和应力分析的基础上，对冷却塔结构设计进行全面优化，在满足规范的前提下，确定冷却塔结构最佳方案。

冷却塔结构选型计算采用比利时哈蒙公司薄膜理论冷却塔结构选型程序。该程序采用薄膜理论、数解法分析壳体应力，计算时除了可考虑静载、风荷载作用外，还可计算温度及内吸力产生的应力，是初步设计阶段冷却塔选型计算常用的分析程序。该程序壳体屈曲稳定计算采用Mungan公式。根据Hamon公司资料，Mungan屈曲安全系数应≥5。

在塔型优化时，主要热力尺寸由工艺专业通过热力系统优化确定，结构选型主要是确定的冷却塔喉部位置及壳底斜率。优化的过程即通过试算获得较为理想的喉部位置及壳底斜率。

根据Hamon公司资料，喉部至塔顶距离与塔总高的比率I值取0.15～0.30，国内一般取0.15～0.25，它直接影响到壳体的应力和塔基底的上拔力，较高的比率可以降低塔的上拔力，但当I值大于0.25时，须对塔筒应力进行仔细研究。

壳底斜率tgφ为壳体底部边缘线与垂直轴夹角的正切，采用高值壳体上拔力较小而作用在基础上的水平力较大。Hamon公司建议其值取0.20～0.32进行优化，国内一般取0.28～0.36，试算过程中0.3055较合适。

二.优化目标

哈蒙的塔筒局部弹性稳定分析与塔型优化是同时进行的，给定Mungan屈曲安全系数值，哈蒙优化程序能自动选择满足屈曲安全要求塔筒壁厚，优化主要是选择喉部位置及壳底斜率。

根据上述冷却塔结构优化计算方案，考虑到塔筒的应力分布、风产生的上拔力、塔体工程量的大小及施工难易程度等因素，确定为选取I=0.246，tgφ=0.3055本工程的设计方案。

根据塔筒稳定性及冷却塔的防腐要求，综合稳定计算结果，冷却塔结构尺寸定为：

最小壁厚0.229m；

塔筒模板高度按国内使用较为普遍的1.3米/节考虑；

冷却塔人字柱对数取50对，直径1.25m；

三.冷却塔壳体结构优化

本报告对有效淋水面积13500m2的高位自然通风冷却塔（塔高205.00m）的壳体部分进行了详细的结构优化，本工程的结构部分优化以壳体结构工程量最小为优化目标，按此目标我们展开了优化工作，优化的基本程序框架图如下：

对于有效淋水面积13500m2的高位自然通风冷却塔，塔高205.00m，通过整体稳定分析确定壳体的最小壁厚为250mm，通过局部稳定分析部分的优化，最小壁厚调整为229mm。冷却塔的基本结构尺寸如下：冷却塔通风筒采用双曲线型现浇钢筋混凝土结构，塔总的高度205.00m，喉部标高（相对标高，以下同）154.570m，进风口标高为14.50m，喉部内面半径42.40m，通风筒壳体采用基本等厚，最小厚度0.229m，最大厚度1.30m，顶部约19m高度范围内，壳体厚度由0.23m渐变到0.43m。

冷却塔通风筒由50对人字柱与基础连接，人字柱为Φ1250mm现浇钢筋混凝土结构。冷却塔基础采用环板基础，为现浇钢筋混凝土结构，宽度7.0m，厚度2.5m，冷却塔环板基础、淋水构架基础均采用天然地基。冷却塔的立面图具体见下图3.1。

图3.1有效淋水面积13500m2的高位自然通风冷却塔模板图

3.1冷却塔三维模型前处理部分

冷却塔本次采用MIDASGEN通用有限元程序进行建模，进行冷却塔塔筒、人字柱以及环基的一体化分析。塔筒沿高度方向根据模板共分142份，沿环向共分96份，壳体部分共划分13632单元。壳体采用板单元，该单元可施加任意方向的压力荷载；板单元的面外刚度有两种，分别基于薄板理论和厚板理论，可以分别输入计算面内刚度和计算面外刚度所需的厚度。人字柱采用梁单元，梁单元具有6个自由度，且被理想化为线单元；梁单元以铁摩辛柯的梁理论(垂直于中和轴的截面，在变形后保持平面形状，但不一定要继续垂直于中和轴)为基础，分析时考虑剪切变形。环基采用梁单元，共分为96个单元，根据该区地质状况按弹性地基梁进行模拟计算。环基约束采用节点弹性支撑，输入各坐标轴方向的弹性支撑刚度。由此得到的有限元模型：

图3.2MIDAS整体分析模型图

3.2壳体应力变形分析主要结果

本次有限元整体建模计算，分别对自重荷载、风荷载和温度荷载作用下的壳体应力、变形进行了分析，为简单明了地表达整体计算的主要成果，计算结果以应力和变形云图的形式提供，详见以下各图：

图3.8风荷载作用下垂直风向第一主应力图

四.冷却塔结构设计优化结论

根据优化计算结果，13500m2的逆流式自然通风冷却塔采用以下尺寸是合理的。地上部分塔高205.0m，进风口高14.50m，喉部高154.50m，±0.00m处斜支柱中心直径142.50m，喉部直径84.80m，塔顶出口直径89.00m，壳体最小厚度为229mm，最大厚度为1300mm，人字柱采用Φ1250mm，长度为15.827m，环基尺寸为7m×2.5m（高）。

参考文献：

[1]刘明华。双曲线冷却塔结构优化计算与选型。电力建设，2000，10：35-38.

[2]郑付明。ANSYS在冷却塔结构设计中的应用。江汉大学学报：自然科学版，2005，04：87-90.