百万机组自然通风排烟冷却塔结构设计

1、百万机组自然通风排烟冷却塔结构设计2016-05-29 万大伟 电力工程水工系统的设计与咨询1、概述徐州某电厂采用“烟塔合一”方案，该排烟塔为国内首台百万机组排烟冷却塔。冷却塔淋水面积为12000m2，总的高度为167.16m，按照目前国内冷却塔设计中的划分，属于超大型冷却塔范畴，冷却塔高度也超出了现行规范的限定高度,无论是淋水面积还是高度均为目前国内乃至亚洲最大、最高的排烟冷却塔。烟道孔洞直径达到10.5m，也是目前国内冷却塔上开孔最大的。玻璃钢烟道的布置方案为：净烟气由脱硫吸收塔侧面出口，经非金属膨胀节与内径8.50m玻璃钢烟道连接，水平引出的玻璃钢烟道直接引向冷却塔中

2、心转弯向上排放，玻璃钢烟道水平段以约1%的坡度坡向脱硫吸收塔。玻璃钢烟道塔外支撑在塔外钢筋混凝土支架上，塔内支撑在钢筋混凝土中央竖井上，中央竖井和塔外支架间利用淋水构架设置塔内支架，每段长度约为40m。排烟冷却塔风筒采用双曲线型现浇钢筋混凝土结构，塔高167.16m，喉部标高(以地面为0.00m的相对标高，下同)129.68m，进风口标高11.70m，塔顶内面半径40.344m，喉部内面半径38.395m，进风口内面半径62.52m，风筒壳体采用分段等厚，最小厚度0.22m，最大厚度1.20m，冷却塔风筒由人字柱与环板基础连接，人字柱和环板基础均为现浇钢筋混凝土结构。冷却塔塔体开孔直径为10.

3、50 m，中心标高40.50 m。“烟塔合一”方案建成后的图片如下：图1：运行中的烟塔照片 图2：运行中的烟塔照片2、烟塔合一设计方案结构设计难点“烟塔合一”技术在国外大机组已经广泛应用，本工程设计时国内尚缺乏600MW、1000MW机组排烟冷却塔的设计、施工及运行工程经验，从结构设计角度须对下列一些设计难点进行深入的研究：（1）排烟冷却塔高度也超出了现行规范的限定高度，需要对风振系数进行研究；（2）周边环境特别复杂，需要对群塔效应进行研究；（3）烟道在壳体上开的孔洞较大，需研究其对壳体稳定、内力的影响以及加固范围和方式；（4）排烟冷却塔防腐材料的应用研究；（5）超大直径的玻璃钢烟道

4、的材料、加工、制作及其安装要求的研究。3、排烟冷却塔玻璃钢烟道设计研究玻璃钢烟道设计研究的技术路线为：首先制作各种材料的试样进行检验，得到的各项数据作为玻璃钢烟道结构分析的输入数据，进行大型有限元分析软件的分析计算，然后根据计算结果，确定玻璃钢烟道的铺层设计和制作工艺。在此基础上，再进行玻璃钢烟道模拟制作测试，对拟定的烟道施工工艺进行验证，确保工程应用中的各项技术指标不低于理论计算的取值。在试验研究和结构分析的基础上，提出经济安全可靠的排烟玻璃钢烟道制作材料、制作工艺、安装及验收标准等。原材料试验研究具体项目如下：（1）树脂性能和结构测试（2）复合材料性能测试（3）复合材料耐腐蚀性能试验（4）

5、复合材料耐老化性能试验。其中树脂选用两家产品进行了对比分析。通过试验分析和专家评审，烟道采用材料为DERAKANE 411-350树脂、ECR玻璃纤维和AKZONOBEL公司的固化体系。冀州中意、河北可耐特及连云港中复连众共3家公司参与了1m长玻璃钢烟道试验段的制作，通过对各家烟道试验段的工艺过程和性能进行比较，分析了试验段性能和计算参数、实验数据，确定了本工程玻璃钢烟道制作工艺规范、判废和修复准则和原材料的技术要求。通过试验段制作得出：在严格质量控制的条件下，国内能够设计、制作出符合工程要求的DN8.5m玻璃钢烟道。本工程维数值计算采用世界通用大型有限元分析软件ANSYS进行。以三维模型描述

6、所有的壳体结构和支撑结构。其中，管道采用壳单元shell99进行模拟；加强筋采用三维梁单元beam189进行模拟，支撑框架采用三维梁单元beam189进行模拟。具体模型见下图：图3  玻璃钢烟道整体三维模型根据试验和有限元的分析结果，最终的总壁厚为31mm。在弯头设计的过程中，本院在国内首次采用“虾米”型弯头，有效优化、改善了气流条件和完善了烟道外形的流线线型。通过公开招标，由河北可耐特玻璃钢有限公司承担本项目烟道的制作与吊装，武汉理工大学承担监造和检测，有力地保障了该工程的顺利进展和工程质量。施工过程中的照片如下：图4 就位后的玻璃钢烟道整4、排冷却塔结构设计4.1风洞试验鉴于冷却

7、塔周边环境较为复杂，同时高度超出了出了现行规范的限定值，需通过风洞试验确定群塔效应、风压分布曲线和风振系数，为本期冷却塔提供设计依据。本工程同时进行了刚体模型试验和气弹模型试验。主要结论如下：（1）最不利工况出现在期与期双塔组合90°来流角度，多塔比例系数取值为1.308；（2）根据测压获得的多塔比例系数和对应工况下测振试验获得的风振系数组合数值，不同来流风向角下组合结果最大值为2.426，略小于以最大多塔比例系数1.308和B类场地规范规定的风振系数1.9的组合参考值2.485，考虑到施工状态的安全性和排烟冷却塔结构局部稳定性的特殊性，内力计算时统一取最大多塔比例系数和风振系数的组

8、合值2.485。4.2孔洞加固方案比选  冷却塔采用国际通用的ANSYS有限元软件建立有限元模型，沿壳体子午向按模板分107层，沿环向等分为416份，壳单元采用Shell63单元，人字柱和环基采用BEAM188梁单元，地基按照等效弹簧考虑采用COMBIN14弹簧阻尼单元模拟。在孔口附近的壳单元根据开孔情况再局部细化加固。第一种加固方案采取对边长约24×24m的正方形区域行进加厚，这个区域原来的厚度是0.26m到0.28m渐变，加厚到0.50m，孔洞周围划分为1162个单元，第二种方案采取肋梁采用0.3×0.8m矩形封闭肋梁加固，环梁用梁单元模拟，共约5万个单元及1

9、3万个自由度。  图5 有限元孔洞加固详图图6施工过程中的孔洞照片对于未开孔冷却塔进行稳定分析，在相应于排烟冷却塔的开孔处的筒壁稳定性安全因子最小值KB=34.05。对开孔边缘的局部稳定性进行分析，不同的来流风载工况组合下的值是不同的，根据分析，60°来流时为最不利吹风工况角。此时局部稳定性安全因子KB=4.27，低于规范规定的最小值5.0。所以必须采取加固方案。采用方案一得到的最小安全因子为35.21，采用方案二得到的最小安全因子为10.64。如果要满足加固后稳定性达到未开孔前的水平，则必须要采取方案一的加固措施才能满足要求。对于加大塔筒壁厚，是国内普

10、遍采用的方案，从效果上看也是最安全的，且可将局部稳定性安全因子提升到不开孔下相应的部位安全因子之上。所以最终选用方案一的加固方案。5、排冷却塔防腐设计烟气中含有大量的二氧化碳、二氧化硫等有害成分，即使湿法脱硫后的净烟气仍含有一定量的二氧化硫（SO2）、三氧化硫（SO3）、一氧化氮（NO）、氯化物、二氧化碳（CO2）等有害气体，湿法脱硫后的净烟气进入冷却塔后在塔内上升过程中与饱和热湿空气接触，部分水蒸气遇冷凝结成雾滴，其中一些雾滴会在冷却塔筒壁上聚集成较大的液滴，这些液滴因含有烟气所带的酸性气体而呈现出较强的酸性。经过脱硫后，烟气中的二氧化硫的含量大大减少，但是烟气中的三氧化硫除去效果不理想。当

11、烟气遇到水蒸汽后，烟气中残余的三氧化硫溶解进入水中，形成腐蚀性很强的稀硫酸，对冷却塔混凝土结构具有较强的腐蚀性。同时本工程冷却塔补充水采用大运河水，氯离子含量较高，为了保证排烟冷却塔的长期安全运行，必须对冷却塔混凝土结构进行防腐处理。需对不同涂料的性能进行对比分析，为本工程的防腐设计提供依据。根据排烟冷却塔实际运行工况、国外的工程经验、主要的腐蚀因素以及相关规程规范，首先对排烟冷却塔的防腐进行分区，具体如下：（1）塔内水汽接触喉部以上和塔外壁喉部以上区域：硫酸根离子、硝酸根离子、氯离子、紫外线、温差；（2）塔内水汽接触喉部以下区域：硫酸根离子、硝酸根离子、氯离子、碱性离子、温差；（3）塔内与循

12、环水接触区域：硫酸根离子、氯离子、碱性离子、温差；（4）塔外壁喉部以下区域。硫酸根离子、紫外线、温差。本次防腐涂料试验的主要内容如下：（1）物理性能检测，主要包括：附着力；抗碳化性；耐磨性；抗冲击性；抗渗性；柔韧性；呼吸性；耐冻融性；抗紫外线性能；抗温变能力（-22.60C800C）；无毒、无味及不燃性；防微生物的能力。（2）化学性能检测，主要包括：耐酸、耐碱及耐热性能；抗老化能力。特别是此次自主设计的酸雾气流实验箱和首次应用的大面积涂层热烘酸液喷淋冻热循环腐蚀老化试验方法，为模拟出实际现场中出现的涂层破坏状况提供了较好地腐蚀老化模拟实验平台，具体见下图：图7 酸雾箱示意图本次试验选取了具有代表性的EVONIK赢创德固赛投资有限公司、厦门七二五所双瑞船舶涂料公司、优龙（南通）重防腐涂料有限公司的烟塔防腐涂料系列进行了对比试验。根据本次试验结