钢结构冷却塔（通用10篇）
钢结构冷却塔 篇1
1 概述
在火力发电厂中, 根据供水方式的不同可以确定电厂是否需要建设冷却塔。对于允许采用直流排水方式的电厂, 则可以不考虑建设冷却塔。然而考虑到我国水资源的日益严峻, 建设冷却塔, 保证水资源的重复循环利用是非常重要的。
钢筋混凝土双曲线自然通风冷却塔为目前世界上通用的塔形, 目前设计的冷却塔基本都是这种结构形式。钢筋混凝土双曲线冷却塔的计算原理及理论依据都十分的成熟, 国内外学者和工程师已经针对这种结构形式开展了各种各样的研究工作, 形成了大量的试验数据和分析结果, 理论非常的完备。近年来, 钢结构在工业建筑领域的应用越来越广泛, 与混凝土结构相比, 钢结构拥有许多混凝土结构无法比拟的优势, 如施工简便、建设周期短、结构轻巧, 抗震性能好等。
目前国内外正在研究的钢结构冷却塔塔形众多, 有双曲线形、直筒形等, 稍加变化还可以演化出很多种, 如构件采用桁架、型钢或钢管。本文旨在钢结构冷却塔的设计过程进行一种有效的分析, 特选取双曲线形式钢结构冷却塔进行分析, 对于不同形状结构均可以采取以下计算方式。
2 设计输入
本次选取的冷却塔为干式自然通风冷却塔, 其双曲线原型基于按照混凝土结构设计的混凝土结构冷却塔, 空冷塔底部直径144.5m, 出口直径101m, 喉部直径91m, 喉部高度148m, 空冷塔总高189m。抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度值为0.20g, 场地特征周期0.38s;基本风压取值0.45KPa (按百年一遇考虑) , 考虑塔群效应系数1.1, 实际计算风压为0.495KPa, 地面粗糙度为B类, 风荷载的风振系数根据以往混凝土双曲线模型考虑, 根据南航的风洞实验以及参考规范取值, 取为2.05。本文采用大型有限元分析软件SAP2000进行计算, 计算时恒荷载考虑结构自重, 活荷载考虑施工荷载, 但由于其数值较小, 所以对结构影响很小, 冷却塔主要是由风荷载及地震荷载控制。具体结构布置见图1。
3 计算说明
3.1 结构布置
本次设计钢结构冷却塔采用单层网壳-双曲抛物面形式。由于冷却塔高度高, 体型大, 根据网壳结构的受力特点, 在高度方向上每隔一段距离设置一圈刚性环以加强结构在水平面内的刚度。本次钢结构冷却塔刚性环共5层, 高度分别为31.5m、70.875m、110.5m、149.625m、189m。刚性环为环形桁架结构, 单个桁架形式类似双层网壳结构上较为常用的四面锥体, 如图2所示。
3.2 参数说明
由于钢结构冷却塔在以往工程中出现较少, 对其一些参数的控制存在着一些较大的争议, 本文抛砖引玉对其中一些参数的选取做出说明。
⑴塔顶最大位移要求:
在高层结构设计中, 对结构顶部的位移、倾斜, 结构的整体稳定型系数都有明确的规定, 设计中只要按照合理的计算, 满足要求即可。但是, 对于钢结构冷却塔结构等复杂结构并没有相应的规定, 设计中位移等限制的选取需要专门研究, 限制取得太高, 则造成结构造价提高;经济性下降, 限制取得太低, 又会造成安全系数过小, 结构不安全。有鉴于广州塔在设计过程中, 曾对位移限制问题进行了专门的研究, 最终确定冷却塔塔顶最大位移限值为塔高的1/300。
⑵长细比要求:
按照《空间网格结构技术规程》[1]5.1.3要求, 控制在150以内;根据抗震规范要求, 二级抗震要求的框架柱长细比80, 本文建议按照抗震规范柱间支撑控制, Q345B钢材的长细比限值为99, 下部通风口下人字柱按照框架柱控制, Q345B钢材的长细比限值为49.5。
⑶计算长度:
根据《空间网格结构技术规程》[1]5.1.2要求, 单层网壳壳体曲面外为1.6L, 曲面内为1.0L, 由于冷却塔为圆形结构, 构件在平面内与平面外的方向不易轻易判断, 并且考虑设计构件截面为圆形截面, 因此考虑两个方向均为1.6L。
⑷径厚比:
由于塔身主体构件均采用圆钢管, 根据《钢结构规范》[6]10.1.2, 径厚比不应超过100 (235/fy) , 根据10.3.3要求计算焊接节点承载力时, 适用范围:相贯焊的支管径厚比小于60, 故建议径厚比均按照60来控制, 并且通过与钢构公司交流, 60能够满足施工运输过程中对径厚比的要求。
3.3 计算结果
⑴周期:1、2阶X, Y方向平动周期均为0.86s, 3阶扭转周期约为0.53s。
⑵位移:该冷却塔在荷载作用下最大位移为0.2m (风荷载组合) , 最大位移约为塔高的1/950, 远小于规范限值。
⑶对于网壳结构钢结构冷却塔, 钢结构的稳定性是计算中的重要部分。本文对冷却塔模型考虑初始缺陷进行几何非线性屈曲分析。初始缺陷根据一阶屈曲模态, 对其正则化, 取L/300为峰值, 作为结构的初始几何缺陷。最终计算得到模型中的屈曲因子为7.8, 满足规范中大于4的要求。
⑷支座反力:共30个支座, 最大竖向力约300t;水平力约110t;最大弯矩约260KN.m。
⑸主体结构构件用钢量5240T。
3.4 围护结构
围护结构对于钢结构冷却塔是一个重要的部分, 因为其用钢量在总体结构中占比能达到20%~30%, 本工程主体结构水平环梁在考虑主体结构受力的情况下, 同时需考虑梁受到的均布风荷载作用。围护结构具体布置见图4。
4 结语
根据有限元分析的结果, 可以得知钢结构冷却塔与相同尺寸混凝土塔相比可显著节省材料, 用钢量大体上和混凝土塔的配筋用量相当, 相比起混凝土冷却塔, 更适合中等烈度或高烈度地震区域;同时基底反力减小, 地基和土方开挖工程量显著减少, 基础工程量也可以相应减小。施工单位施工时, 安装便捷, 塔筒部件可在地面预组装, 相比较混凝土冷却塔, 可以极大地缩短施工工期。
但是目前钢结构冷却塔设计中存在一些问题需要继续研究, 首先, 围护结构的防腐量比较大, 一旦围护的压型钢板或者檩条防腐层被破坏, 对其检修需要停机, 并且由于塔身太高, 不方便检修;再次, 钢结构冷却塔的风振系数还需进一步通过风洞试验根据钢塔形状的不同进行研究来确定;最后就是构件局部稳定安全性计算中, 构件计算长度选取与塔体结构所选取的结构体系有关, 在单层网壳结构中, 这方面建议根据构件的边界条件采用弹性/弹塑性分析方法对一些代表性构件来进行计算。
摘要：随着经济的发展, 钢结构在各个领域的应用越来越广泛, 钢结构冷却塔作为火力电厂的一种特种结构也逐步发展起来。本文通过对双曲线形钢结构冷却塔各个部分的构造以及计算进行有限元分析, 在保证结构合理稳定的情况下, 对一些计算取值参数提出自己的看法, 以期把它作为未来冷却塔形式的一种备选方式。
关键词：冷却塔,钢结构冷却塔,有限元分析
参考文献
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[4]黄本才.结构抗风分析原理及应用[M].上海:同济大学出版社, 2001.
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[6]GB 50017-2003钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社, 2003.
钢结构冷却塔 篇2
燃烧室新型迷宫复合冷却结构的壁温计算
燃烧室迷宫复合冷却结构是一种集冲击、对流换热和近似发散冷却于一身,结构合理,冷却效率高,具有创新性的新型冷却结构.在对其气膜冷却结构进行换热机理分析研究的基础上,建立了计算模型,获得了其沿程参数及多层壁温的.分布规律.计算结果表明,该冷却结构可节省冷却空气量25%左右,并且能大大降低壁温梯度.因此,该冷却结构能较大地提高燃烧室的冷却效率,提高发动机性能,延长燃烧室的使用寿命.
作 者：李名魁 何立明 原和朋 Li Mingkui He Liming Yuan Hepeng 作者单位：空军工程大学,工程学院,西安710038刊 名：机械科学与技术 ISTIC PKU英文刊名：MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：25(10)分类号：V23关键词：燃烧室 迷宫复合冷却结构 壁温计算 换热分析模型
让冷却塔不再扰民 篇3
随着社会的进步和物质生活水平的提高，中央空调、冷库、工业制冷等遍布大中小城市的各个角落，作为制冷系统必不可少的冷却塔与居民参差杂处，冷却塔所带来的噪声、废水等问题开始影响广大城镇居民，各种投诉与上访事件频频发生，成为城市管理者急需解决的难题之一。
冷却塔成扰民大问题
位于广州市天河路533号的华兴银行，原是广州市天河区政府办公大楼，该建筑9层楼顶安装有5台冷却塔。华兴银行附近的中辰广场B1栋商住楼为高层建筑，两楼之接的间距不足10米，冷却塔运行时产生的噪声及湿热空气等对中辰广场B1栋商住楼9至11层的住户带来了非常大的影响。
受影响的居民对此进行了多番投诉，天河区环保局敦促相关物业部门对冷却塔进行改造。物业部门在冷却塔出风口加装简易导流装置，将湿热气流引向偏离居民楼的方向，这次改造虽然起到一定的定向排气作用，但是不具有降噪效果，更没有做任何水处理措施。因此不仅没有解决居民投诉问题，反而使得居民投诉越来越激烈。天河区环保局此后通过引入专业环保公司对冷却塔进行了全面改造，才最终把这个问题平息下来。
实际上，近年来类似的投诉并不少见。冷却塔作为制冷配套设备，虽然解决了设备的冷却问题，但运行时由于风机的转动、巨量气流排出、巨量水流循环、布水和滴水等因素，极易造成环境污染，其中噪声污染、振动污染、水污染、大气污染、细菌病毒污染等问题越来越突出。
环保部噪声与振动控制专家邵斌指出，在工业和民用建筑的制冷系统设计和安装过程中，很少有人会考虑到冷却塔运行时产生的环境影响，一般情况下冷却塔的设计和使用是割裂开来的，只要能够正常使用即可，至于后期可能产生的影响并不在考虑范畴。冷却塔运行过程中所产生的环境问题被推向了社会，不仅严重影响了居民的身心健康，也为环保行政管理部门带来了大量的工作负担，有时还会酿成群体性事件。
随着冷却塔带来的社会问题不断出现，人们在工业、民用制冷系统中，开始对冷却塔的环保危害采用了一些应对措施，但是在专业人士看来，这些基本上都属于“头痛医头，脚痛医脚”的被动式治理，治理效果有限，投资费用大，且不能从根本上彻底消除环境危害。
“在制冷系统设计中，人们对冷却塔可能产生的低频振动关注较少，有的要求安装冷却塔减振材料，却很少考虑到冷却塔运行中的振动频率。”邵斌表示，低频振动虽然没有巨大的噪声，但是其振动往往会影响人们的睡眠等，给人们的生活带来极大的不便。更有甚者，持续的低频振动从微观上严重伤害建筑体结构，缩短建筑物的寿命。
而在噪声方面，几乎所有冷却塔生产厂家都声称自己的产品在噪声控制上是达标的，但他们说的标准只是一种“工业机械标准”，而不是“环境标准”。此外，冷却塔中冷却水的长期使用，细菌、藻类、金属离子、盐分矿物质等浓度越来越高，细菌病毒繁殖、蚊蝇滋生，对居民健康带来潜在威胁。加上冷却塔冷却时产生大量湿热空气，也让居民大为反感，这导致很多投诉者坚决要求“拆除冷却塔以绝后患”。
一体化技术全方位性解决问题
针对冷却塔带来的一系列问题，广东太昌环保科技有限公司专门成立广东太昌冷却塔环保技术研究所，聘请国内多所高校（如清华大学、同济大学、华南理工大学等）噪声与振动方面的教授对冷却塔环保问题开展专门研究，该研究所也是国内唯一一家专门研究冷却塔环保技术的科研机构。通过多年的研究，“城市绿塔”正式面世，为冷却塔问题开辟了解决之道。
“城市绿塔”对噪声治理、湿热空气导流、冷却循环水除垢、抑垢、杀菌等环保节能治理技术进行了有机结合，使各项技术相辅相承而创造出一套全方位的环保节能冷却系统成套设备，可以有效应用于传统冷却塔节能环保改造。
“城市绿塔”的一项关键技术是针对冷却塔噪声特性，在消声结构设计和消声材料配比、组合方面做加强处理，在不影响包围式结构整体外观的情况下，对中、低频噪声进行了卓有成效的处理。
低频噪音与高频噪音不同，高频噪音随着距离越远或遭遇障碍物，能迅速衰减。而低频噪音却递减得很慢，声波又较长，能轻易穿越障碍物，长距离奔袭和穿墙透壁直入人耳。低频噪音的治理是噪声治理领域的公认难题之一。
针对低频噪声的特点，“城市绿塔”采用复合式降噪技术，以钢结构为主体，将隔声阻尼材料以及吸声材料有机组合连接为一体，对声能量进行吸收、消除和隔断，从而将噪声锁定在特定的空间范围内，达到锁声效果。这款技术还可以根据不同的频带特性，按照实际需要进行模块的组合，满足各等级的隔声量要求，彻底解决中低频噪声扰民问题。
冷却水在循环系统中不断循环使用，由于水的蒸发以及外界灰尘大量进入水中，造成各种无机离子和有机物质的富集，从而为细菌及微生物的生长提供了丰富的“养料”，而循环冷却水的温度及湿度又特别适于细菌及微生物的生长，微生物的代谢产物会造成严重的沉积物的附着、设备腐蚀和菌藻微生物的大量滋生，以及由此形成的粘泥污垢堵塞填料内风路等问题。同时会滋生几十种细菌、病毒，特别是嗜肺军团菌等致命微生物，这些细菌会随空气四处飘散，对空气造成严重的生物污染，威胁人的生命健康。
ORP平衡装置做为冷却循环水处理系统是“城市绿塔”的另一项核心技术。该系统改变了以往采用投放化学药物消毒的原理，选用O3对循环水进行处理。系统主机将经过加压干燥处理的O2送进臭氧发生器反应室发生反应生成O3，O3通过混合泵与经过滤处理的冷却塔水混合进行消毒。另外，ORP监测传感装置在此过程中通过对冷却水的ORP值（水溶液氧化还原能力的测量指标）进行监测，由配电控制系统及时调整臭氧发生器功率，从而确保臭氧产量足够维持水体氧化性能，保证臭氧的杀菌、缓蚀性能达到最大效果。
nlc202309082339
与传统处理技术相比，ORP平衡装置通过杀菌消毒、抑垢、解垢等消除生物粘泥，使填料内的通风空间免受生物粘泥的阻塞，同时减低风速，降低整机的低频噪声还能够提升热交换效率。实践证明，采用ORP平衡系统臭氧处理冷却塔循环水，冷却塔污水排放量减少50%以上；不需要化学药剂，可完全满足环保要求；可以有效的杀灭细菌及病毒，包括军团菌，去除生物粘泥、藻类、霉菌等。
广州市光华制药厂的实践表明，使用该平衡系统对冷却塔进行改造，中央空调冷却系统平均每月节省电耗超过5%，年总节约（含节电、节费、节水等）超过10%。
推广前景可期
实践表明，“城市绿塔”是兼具环境效益和社会效益的有效装置。
装置根据冷却塔噪声情况进行量化设计，可以使环境噪声满足GB12348-2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》Ⅱ类声环境功能区昼间噪声限值的要求，彻底解决传统冷却塔烦人的噪声。
装置还能灭杀水体中的细菌、病毒，防止细菌、病毒随水体蒸发飘散至大气中，造成空气生物性污染。ORP平衡系统具有除垢抑垢功能，提高了系统整体工作效率，减少水资源的使用量，同时降低污水排放量。
装置中的ORP平衡系统能软化水垢使其脱落排除并抑制水垢的生成，使冷却系统维持在优异的换热状态下，降低电能消耗，减少电费支出。据测算，ORP平衡系统平均可为冷却塔节能5%。正常运行时启动2台120冷吨的空调机组运行，每台机组功耗约为86千瓦，每天运行10小时，按节电5%计算，每天节电86度，每月节电为2580度，每度电按1元计算，每年可节约30960元。
ORP平衡系统具有杀菌灭藻功能，不需投加药剂进行水处理，大大节省加药费用；冷却塔循环水达到一定浓度就必须排除，采用ORP平衡系统后，由于良好的处理效果，可大大减少污水排放量，大幅降低用水费用。
“城市绿塔”还可以降低冷却塔设备、管道、填料等腐蚀速率50%以上，延长设备、管道及填料使用寿命，其中冷却塔填料的使用寿命延长10倍以上，管路的使用寿命延长3～5倍，中央空调主机换热装置使用寿命减少3～5倍，大大降低设备折旧费。
在现代建筑中，写字楼、商场、餐厅、剧场等商业和办公区，都离不开大型通风冷却塔。为了使水体、噪声、大气方面满足环保要求，几乎每台冷却塔都需要采用降噪措施、隔振措施、水治理措施等进行处理。随着国家环保要求越来越严格，人们的环保意识也越来越强，冷却塔综合治理技术的市场需求也将越来越大。
冷却塔挡水板结构改进 篇4
关键词：冷却塔,挡水板,结构,改进
1 存在问题
山东鲁抗医药股份有限公司现有30余台大型制冷机, 建有多台配套冷却塔对冷却水降温。冷却塔挡水板为百叶窗结构, 春、秋、冬三季凉水效果较好, 到了夏季由于太阳能直射到百叶窗内的淋水, 使其温度升高, 凉水效果大大降低, 冷却水温度很难凉到机组要求范围 (32℃以下) 。为了降低冷却水温, 只好大量置换一次水, 浪费了大量水资源。
2 改进措施
利用遮阳降温的原理, 可将冷却塔挡水板的结构进行改进:对位于冷却塔东面、南面、西面 (易被阳光照射的部位) 的挡水板, 在每一块挡水板的外檐水平延伸出10～20cm, 延伸挡板能挡住太阳直射凉水塔内淋水, 淋水因避免照射相对降低了大气传导热对水温的影响。这种结构的改变只是遮挡了阳光, 挡水、通风效果并未降低。因挡板延伸, 漂水量会比原先更低;挡板延伸, 也等于延长了风筒, 通风效果会更好。挡水板改进前后对比如图1所示。
3 效果对比
为了验证挡水板改造后的效果, 制作了两个冷却塔模型, 一个模型以目前塔体挡水板为原形, 另一模型为改进后的塔体挡水板。将两模型同时放在阳光下, 测定模型塔内水温, 测量结果如表1所示。
从以上实验看出, 气温在35℃以上时, 原塔模型水温达到32℃, 冷却水一旦高于32℃, 制冷机制冷效率将明显下降。改进后的冷却塔模型的水温明显低于原塔模型水温, 温差在2 ℃左右, 最高达2.8℃, 且气温越高, 温差越大, 即凉水效果会越好, 这对于夏季制冷运行非常有利, 提高了机组制冷效率 (冷却水每降低1 ℃, 制冷量约提高3%) , 从而满足用冷需求。
冷却塔挡板改进后, 夏季阳光强烈时, 凉水不再被直射, 明显减少了因太阳辐射热对凉水的影响, 对蒸发散热可能有影响, 但影响不大, 以上实验结果综合传导散热和蒸发散热的结果, 是传导散热和蒸发散热的权衡对比的温降。
4 结论
冷却塔维修工程协议 篇5
甲方：*********************************
乙方：*********************************
甲、乙双方经友好协商，就甲方冷却塔维修工程达成如下协议需共同遵守：
一、在***************有限公司维修钢结构工业型冷却塔1500T*4台。
二、维修项目：
1、4台冷却塔钢结构加固。
2、全部钢结构除锈防腐刷环氧煤沥青底漆两遍，面漆一遍。
3、要求整体拆除及恢复玻璃钢面板及填料。
4、更换损坏玻璃钢面板，填料，收水板及其他需要更换的设备配套配件。
三、验收标准：保证冷却塔设备正常运行，积水盘无滴漏水现象，达到甲方使用要求。
四、甲乙双方的责任：
1、甲方责任：
（1）甲方派专职人员做好与乙方的协调工作，并监督检查安装质量及进展，应及时验收和评估。
（2）甲方免费提供乙方施工所需水、电，甲方负责安装所需电源，可供乙方直接使用。
（3）甲方有责任配合乙方工作，以便施工顺利进行。
2、乙方责任：
（1）乙方提供安装工程所需的一切工具。在施工过程中，乙方人员因为损坏甲方财物，乙方应赔偿。
（2）乙方应强化安全规范，安装过程的安全防火工作由乙方负责，乙方必须采取严格的安全措施，尽到全面安全保障义务。
（3）甲方为乙方购买意外人身保险，乙方保证具有高空作业专业经验人员上岗安装。
（4）在安装过程中发生的安全事故及由此导致的甲方或第三人或乙方作业人员人身、财产损害由乙方承担全部法律及经济责任，甲方不承担任何责任和赔偿。
五、协议签订之日起，甲方付定金*******元，施工过程中每完成一台验收合格后付******元，余款********元设备运行正常30日内付清。
六、工程工期30天，工程总额为人民币大写：********元整（小写：********元）。
七、本合同自签订之日起至工程完工结清安装款前有效，安装款结清后此合同终止。
八、设备及工程质量保证期为一年，一年内免费维修服务。
九、本合同未尽事宜，双方协商解决。本合同一式二份，双方各执一份，签订即生效。
甲方：乙方：
身份证号码：身份证号码：
电话：电话：
火电厂冷却塔的结构选型优化探讨 篇6
关键词：冷却塔,结构选型,优化,塔筒,斜支柱,基础
引言
冷却塔作为火力发电厂中循环水系统的冷端系统的重要构筑物, 具有体积大, 高度高、壳壁薄, 属于典型的建设工程特种结构, 是电厂重要的大型构筑物。冷却塔的安全性与电厂运行的安全可靠紧密相关, 同时由于冷却塔土建投资费用较高, 其经济性对电厂投资经济指标也有较大的影响。因此, 对自然通风冷却塔的优化选型和计算分析十分必要, 它是冷却塔结构设计的安全、合理、经济的基础。
1 冷却塔的结构及受力特点
冷却塔一般为现浇钢筋混凝土双曲线型薄壳结构, 主要由塔筒、人字柱、环基、淋水装置构架及底部水池等部分构成。塔筒由钢筋混凝土圆形人字支柱支承, 柱下为现浇钢筋混凝土环板基础;冷却塔水池及虹吸竖井为现浇钢筋混凝土结构;冷却塔淋水装置为装配式预制钢筋混凝土结构。冷却塔塔筒作为薄壁壳体结构, 在运行过程中, 主要承受不同方向的风荷载的作用, 而风荷载的作用效应很大程度上除了风荷载本身大小外, 塔筒的几何体型也是影响因素之一。人字柱作为塔筒的支撑结构, 需要承受横向的自重以及水平向传递过来的风荷载的作用, 属于偏心受压及受弯构件。环基作为承受冷却塔塔筒及人字柱传递荷载的基础, 直接将上部结构荷载传递至地基。冷却塔淋水装置构架为装配式预制钢筋混凝土结构, 由上百根支柱、主梁及次梁组成双层纵横方格网架上架设铸铁托架以支承淋水填料及配水管。
2 结构选型优化的原则、思路及技术路线
笔者认为, 应按照国内现行规范并参考国外冷却塔设计规范, 结合工程实际, 分别对冷却塔的塔筒、斜支柱及环基做多方案的计算分析, 进而进行方案优化, 在满足工程安全、可靠的基础上最大限度的节省投资。在选定优化塔型方案后, 对优化后的塔型进行初步的结构静、动力计算分析, 论证所选塔型的可靠性, 并为下一步的结构详图设计奠定基础。作为直接承受最复杂的风荷载的塔筒这种大体积薄壳结构, 屈曲稳定对结构的安全至关重要, 并且占冷却塔工程量的比重较大。因此, 需要重点对塔筒结构选型进行优化。
3 结构选型优化内容及方法
3.1 结构选型计算准则
根据《工业循环水冷却设计规范》 (GB/T 50102-2003) 及《火力发电厂水工技术规范》 (DL/T 5339-2006) 规定塔筒必须进行整体和局部屈曲性稳定验算, 且屈曲稳定安全系数KB不小于5.0。
根据以上规范, 塔筒整体屈曲稳定可按德尔-菲德勒整体稳定验算公式进行验算, 局部屈曲稳定可按屈曲应力状态法 (BSS) 验算。
(1) 德尔-菲德勒整体稳定验算公式 (Der-Fiddler Formula) :
式中:E———为壳体混凝土弹性模量,
C———为经验系数, 取为0.052;
h、r0———分别为塔筒喉部壁厚与半径;
qcr———为塔筒屈曲临界压力值;
q———为塔顶风压设计值, 不包括内吸力。
(2) 屈曲应力状态法 (Buckling stress state (BSS) approach) :
应满足KB≥5
式中:σcr1、σcr2———环向、子午向的临界压力;
σ1、σ2———分别是由“恒载+风载+内吸力”标准组
合计算的环向与子午向压力;
h、r0———分别为塔筒喉部壁厚与半径;
E、v———分别为壳体混凝土的弹性模量和泊松比;
K1、K2———是由塔筒几何参数由表1插值得到;
KB———为局部稳定性安全系数。
注:ru-塔筒壳底半径 (m) ;Zr-塔筒喉部至壳底的距离 (m) 。
冷却塔结构优化选型就是在主要基本荷载组合的条件下, 选择不同的结构几何参数, 使得冷却塔塔筒满足整体屈曲稳定安全系数及最小局部屈曲稳定安全系数大于5.0, 且塔筒混凝土工程量 (塔壳体积) 最小的方案。冷却塔结构几何参数的选择即是选择塔筒的母线型式及壁厚。
3.2 塔筒曲线及厚度优化比选
冷却塔零米直径或进风口直径、喉部直径、塔筒出口直径、进风口高度、冷却塔高度等塔型几何尺寸由热力计算确定, 冷却塔塔筒曲线及其它几何尺寸由结构计算确定。其中在确定塔筒曲线型式时, 受控制的参数是喉部的高度、塔筒壳底子午线的倾角及塔筒出口扩散角, 塔筒曲线优化选型即确定喉部的高度、塔筒壳底子午线的倾角及塔顶扩散角。
在选择塔型曲线时, 为使选择的塔型更具有普遍性和全面性, 应选择喉部以下、喉部以上2段双曲线进行拟合, 如图1所示。
根据《工业循环水冷却设计规范》规范对国内外意见工程冷却塔塔型控制尺寸的统计, 对塔筒壳体的几何尺寸给出了推荐范围, 如表2所示。
塔筒的壁厚参数, 对于最大壁厚应由进风口壳底壁厚确定, 该处塔筒与斜支柱直接相连, 按施工及构造要求:塔筒内外两侧表面至斜支柱内外侧表面的距离应不小于50mm;对于最小壁厚, 应由塔筒喉部壁厚确定, 喉部壁厚根据“德尔-菲德勒整体稳定验算公式”按整体稳定性安全系数取最小值5.0反算得到。实际计算中应经过多组喉高比的试算, 得到喉部最小壁厚, 即塔筒最小壁厚Tmin。
3.3 斜支柱结构优化比选
斜支柱为冷却塔上部风筒的支撑结构, 主要承受自重、风荷载和温度应力。斜支柱在空间是双向倾斜的, 按其几何形状有“人”型柱、“I”型柱和“X”型柱, 常用的截面形状有圆形和矩形。
对于常规的湿冷塔, 进风口高度较低, 一般采用“人”字型或“I”型支撑柱, 对于间接空冷塔, 其进风口高度较高, 为减小支撑柱的长细比以增强其稳定性, 支撑柱一般均采用“X”型;且为方便施工, 柱截面采用矩形截面。
在国外冷却塔有采用“I”字柱。“I”字柱无论是预制放样, 还是安装定位均比人字柱简单快捷;同时由于其支撑柱间空隙较大, 便于大型施工机具进入塔内施工。但在国内冷却塔很少采用“I”字柱, “I”字柱在我国的应用水平有待实践进一步检验。
3.4 塔筒基础结构优化比选
双曲线型自然通风冷却塔基础可采用单独基础、倒T型基础以及环板基础。单独基础只适用于岩石地基而采用较少, 倒T型基础在早期的小机组中电厂中有所使用, 对于300MW级及以上机组的大、中型冷却塔一般均采用环板基础。
根据《火力发电厂水工设计规范》及《工业循环水冷却塔设计规范》要求, 冷却塔的地基承载力计算时, 其荷载组合为:S=1.1·SGK+SWK/β+ψt·STK。另外, 冷却塔塔筒基础还应进行上拔力平衡验算, 商拔力验算的荷载组合为:S=SGK+1.2·SWK, 且基础底面出现的上拔力的平面范围应控制在圆心角小于或等于30°内。
4 结语
冷却塔结构选型优化是确保作为火力发电厂冷端优化的重要构筑物的安全性和经济型的宏观基础, 也是在冷却塔结构设计中的最有效措施, 在结构选型优化后, 需要采用Ansys等有限元分析程序, 对冷却塔结构进行整体计算, 并进行内力分析。值得注意的是, 冷却塔作为火电厂大型特种结构, 其安全性光从设计优化层面来考虑是远远不够的, 施工过程中采用先进的施工方法、工艺、材料以及施工质量控制都是确保冷却塔安全可靠运行的必要基础。
参考文献
[1]刘宁, 程静, 宋涛, 等.循环水冷却塔节能技术改造方案[J].中国高新技术企业, 2011.
[2]章立新, 陈岩永, 沈艳, 等.湿球温度与闭式冷却塔蒸发冷却能力关系的研究[J].工业用水与废水, 2011 (2) .
[3]陈少雄, 杨俊青, 潘兴, 等.中德冷却塔结构设计规范风荷载作用比较分析[J].武汉大学学报 (工学版) , 2010 (S1) .
[4]郑付明.ANSYS在冷却塔结构设计中的应用[J].江汉大学学报 (自然科学版) , 2005 (4) .
浅谈冷却塔结构安全性检测与鉴定 篇7
该电厂建于1984年6月, 隶属于中国华电集团公司, 位于哈尔滨市区, 厂区环境优美、空气清新, 为哈尔滨市乃至黑龙江省的工农业生产和经济振兴提供了强大的能源支持。冷却塔是电厂工业循环水冷却的重要设施, 同时也是电厂内重要的标志性构筑物。
3#冷却塔建于1996年, 位于主厂区院内, 到目前已经运行15年, 该塔主体结构为混凝土结构双曲线冷却塔, 地震设防为6度, 塔筒和斜支柱为300#混凝土, 且抗冻标号为D250、抗渗标号为S6。塔筒高度为135m。
2检测与鉴定依据
2.1《建设工程质量鉴定委托申请表》
2.2设计规范
《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001 (2006版)
《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010
《混凝土结构加固设计规范》GB 50367-2006
《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2002
《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010
3现场检测及工程质量现状勘查
我单位依据委托方委托的内容于2011年11月22日起, 安排了专业的检测技术人员进驻现场, 分别对各检测内容进行了细致排查检测, 现将所检测的具体内容做如下阐述:
3.1结构质量现状调查
3.1.1冷却塔人字柱、下环梁
经实际勘查检测, 塔筒下环梁, 由于长期受水冲蚀, 加之多年的冻融循环等不利因素影响, 检测过程中发现下环梁靠近塔筒内侧的钢筋保护层已经成片开裂脱落, 同时有析碱泛白现象, 并且环梁下排钢筋已经完全暴漏出来。经实际检测其碳化深度, 碳化深度已经达到20mm~32mm之间, 碳化深度已至钢筋表面, 钢筋钝化膜开始遭到了破坏, 严重影响了钢筋抗腐蚀程度。
由于破坏位置多为下环梁角部, 此部位钢筋由于受氧气双向扩散, 锈蚀速率更快, 因此实际检测过程中发现, 塔筒下环梁内侧角部钢筋锈蚀更为严重, 产生很多延筋裂缝, 甚至有部分角部钢筋已经蹦开, 主要是由于箍筋锈蚀断裂引起的。
3.1.2淋水构件梁、柱
经实际勘查检测, 塔筒内8.1m标高处的淋水构件梁, 由于长期受水侵蚀, 构件混凝土的毛细孔内使终充满水, 很难与外界空气相接处, 所以碳化也较人字柱和下环梁位置轻微, 淋水构件梁存在较完好, 只是梁构件端头位置受水流长期冲刷, 混凝土有剥落现象。
3.1.3冷却塔内、外壁检测
经实际勘查检测, 塔筒内壁碳化较轻微, 主要是由于塔筒内壁湿度很大, 内壁几乎一直处于湿的状态, 所以碳化深度同上部所提到的淋水构件基本相同。而塔筒外侧则与内壁截然相反, 碳化较严重, 塔筒外部混凝土受降雨和内部循环水流的影响, 已经产生溶蚀性混凝土腐蚀。
由于该冷却塔附近有排烟系统, SO2、CO2等一些酸性气体浓度较高, 对冷却塔产生酸性腐蚀, 所以塔体损坏最严重的部位, 也就出现在上述所提及的部位, 人字柱、塔筒外壁等部位。
在钻芯法进行混凝土强度取芯过程中发现, 混凝土芯样沿筒壁水平方向有逐层破坏迹象, 并且断面处有析碱泛白现象, 这主要是由于混凝土在一定压力流动软水作用下, 形成的软水腐蚀。
软水腐蚀的主要原因是水泥在水化过程中产生大量Ca (OH) 2。密实性较差、渗透性较大的混凝土, 在一定压力的流动软水作用下, Ca (OH) 2会不断溶出并流失。这一方面使水泥石变得孔隙增多, 变得酥松;另一方面使水泥石的碱度降低。而水泥水化物如水化硅酸钙、水化铝酸钙等只有在一定的碱度环境中才能稳定存在。所以, Ca (OH) 2的不断溶出又导致其他水化物的分解熔融, 最终使水泥石破坏。
随着Ca (OH) 2的不断流失, 混凝土的抗压强度不断下降。当以Ca O计的Ca (OH) 2溶出量为25%时, 抗压强度将下降35.8%, 溶出量更大, 抗拉强度下降更大, 最大达66.4%。
雨水、雪水、蒸馏水、工厂冷凝水都属于软水。在流动及压力水作用下的软水才会引起水溶性侵蚀, 这种腐蚀在多种建筑物中都能看到。
结论
根据现场实际检测、勘察与计算结果对比分析, 现对既有冷却塔结构现状做如下阐述:根据实际检测数据得出, 塔壁混凝土强度等级可评定为C20, 人字柱混凝土强度等级可评定为C25;根据《工业厂房可靠性鉴定标准》GBJ 144-90规定, 该冷却塔鉴定等级可评定为C级, 也就是:主要子项略低于或不符合国家现行标准规范要求, 应采取适当措施;个别次要子项严重不符合国家现行标准规范要求, 应采取措施。
建议
我方对3#冷却塔进行检测鉴定过程, 委托方正安排专业的施工队伍进行塔筒内壁涂刷氰凝防水、防腐材料进行维修, 我方建议维修过程应着重加强塔壁孔洞和模板接缝等处的处理, 涂刷防水、防腐涂料前应用微膨胀的胶凝材料进行孔洞灌缝封堵, 然后进行防水、防腐涂料的涂刷。
建议加强施工过程中的检查, 对冷却塔内壁做好防水、防腐工作, 以避免流水对冷却塔内壁混凝土造成进一步的软水腐蚀。对已产生沿筋裂缝的混凝土构件 (如冷却塔下环梁) 进行耐久性加固, 加固前需对原有钢筋进行除锈或是替换处理。冷却塔人字柱应采取耐久性修复措施, 建议彩挂网喷涂高强聚合物砂浆方式进行耐久性修复。冷却塔内部淋水构件, 破坏严重的预制构件梁, 应立即进行替换。内部柱应进行可靠性恢复处理, 建议采取同人字柱相同的处理方式。塔筒外壁喷涂砂浆脱落或不稳定部分应铲除重新进行修复。建议至少每隔三年对3#冷却塔进行一次安全性、耐久性检测鉴定耐久性加固维修设计、加固维修施工应聘请有相应资质的单位进行。
摘要：哈尔滨市某电厂3#冷却塔, 建于1996年, 到目前已正常运行15年, 2011年8月份起, 电厂开始对3#栈桥的塔筒内壁和其附属配套设施进行检修维护, 同时委托单位鉴于大修期间的便利条件, 决定对3#冷却塔主体结构部分, 也就是自然地面以上的结构部分进行结构耐久性检测鉴定, 检测其是否满足继续使用要求, 达到安全生产目的。
关键词：裂缝,可靠性,鉴定与加固
参考文献
[1]民用建筑可靠性鉴定标准 (GBJ144-90) , 北京:中国建筑工业出版社.
钢结构冷却塔 篇8
自然通风冷却塔的主要功能是完成被冷却介质 (热水) 和冷却介质 (空气) 之间的热交换, 其是普遍用于火电厂和核电厂中循环水冷却的重要构筑物。自然通风冷却塔一般采用双曲线型钢筋混凝土薄壁壳结构, 由于其体型庞大、形状复杂、壁厚较薄, 风荷载是其主要的控制荷载之一。目前, 随着单机容量不断增加, 很多冷却塔高度超出了国内现行冷却塔设计规范的适用范围, 而且国内核电项目中一些国外有经验的专业冷却塔设计公司也涉足到超大型冷却塔的设计研究中, 因此, 越来越多的冷却塔项目中需要专业设计人员参考学习国外的冷却塔设计规范, 研究其哪些规定和方法可以借鉴采用。我国冷却塔结构设计中的风荷载的确定主要依据GB/T 50102-2003工业循环水冷却设计规范 (以下简称《工业》) 。欧洲拥有国际很强的专业冷却塔公司, 欧洲的冷却塔结构设计中采用的规范主要为德国的Structural Design for Cooling Tower VGB-R 610Ue (2010) (以下简称VGB导则) 以及英国的BS 4485-4:1996 Water cooling towers, 其中VGB导则应用的最为广泛。因此, 本文主要对《工业》和VGB导则这两本规范在风荷载的定义取值方面进行比较, 并结合具体实例进行计算分析, 得到一些结论和建议, 以供相关的冷却塔结构设计人员参考。
2 中国和欧洲规范对比
根据气象部门对风的大量实际观测资料, 通常风分为平均风 (稳定风) 和脉动风 (阵风) 来进行分析。平均风是在给定的时间间隔内, 把风对建筑物作用的速度、方向以及其他物理量都看成不随时间变化的量, 周期比较长, 远远大于一般结构的自振周期, 其作用性质相当于静力。脉动风是由于风的不规则性引起的, 其速度和方向是随时间和空间变化的, 具有很强的随机性, 周期常在几秒左右, 其作用性质完全是动力的。《工业》对冷却塔的风荷载有非常明确的规定, 但是其只适用于塔高小于165 m的冷却塔, 不能满足目前超大型双曲面冷却塔设计和施工的要求;且认为满足规范间距的要求可以不考虑多塔之间的干扰效应, 这一结论在不同国家荷载规范定义不同, 在许多风洞试验中也证明还不够完善。
我国规范《工业》中规定作用在双曲线冷却面的等效设计风荷载按式 (1) 计算:
其中, w0为基本风压, k Pa;CP (θ) 为平均风压分布系数;β为风振系数;μZ为风压高度变化系数。欧洲的VGB导则没有塔高的限制, 应用这个技术规定, 至今塔的高度建造至200 m高没有出现失败或损坏的。VGB导则规定外部风压按式 (2) 计算:
其中, z为距离地面的高度;θ为水平截面上距驻点线的角度;qb为阵风风压;CPe (θ) 为外部风压分布系数;φ为动力增大系数;FI为群塔效应干扰系数。可以看出, 两国规范在风荷载取值的考虑因素方面有相同之处也有不同之处, 以下详细进行对比分析:
1) 重现期。《工业》和VGB导则都是采取50年一遇的风荷载作为基本荷载, 这是相同之处。
2) 风压。《工业》中, 冷却塔风荷载计算公式中的风压采用的是基本风压w0, 是以当地空旷平坦的地面上, 离地10 m高度上经统计所得的50年一遇及10 min平均最大风速Vm为标准, w0=Vm2/1 600, 但不得小于0.3 k N/m2。VGB导则采用阵风 (脉动风) 风速产生的风压qb (z) 。我国规范的μzw0与VGB中的qb (z) 相当, 但是相同厂址相同标高处的脉动风速Vb大于平均风速Vm。VGB导则在计算Ⅰ, Ⅱ类场地风速时, 采用和我国规范中A, B类地面粗糙度类别相同的指数型风速剖面:
对应Ⅰ, Ⅱ类场地, 计算平均风速时指数α分别为0.12, 0.16。选取VGB导则中德国Ⅰ, Ⅱ类场地, 4区风速和风压的计算公式, 见表1。分别按两国规范计算风压值, 表2为计算结果的对比情况。Ⅰ, Ⅱ类场地分别对应于我国规范中的A, B类地面粗糙度类别。从中可以看出, 随着高度的增加, 两种方式计算出来的和高度相关的风压值的比值减小。
3) 风振系数β和动力增大系数φ。《工业》采用风振系数β来考虑脉动风对结构的影响, β实际上是脉动风系数和共振系数的综合体现。β对于不同地面粗糙度类别A, B, C分别取1.6, 1.9和2.3。VGB导则中采用动力增大系数φ来考虑冷却塔共振的动力影响, 其与冷却塔的尺寸、塔顶风压和最小自然频率nmin有关, 可以按照图1进行计算, 1.0≤φ≤1.2。
从表2Ⅰ, Ⅱ类场地 (A, B类粗糙度) 的对比结果, 结合考虑本节内容, 可以看出, 我国规范对于A类场地的风振系数β (1.6) 取值保守, 不考虑塔间干扰的情况下, 对于相同厂址参数, 我国规范计算出的风荷载会比VGB的结果要大。
4) 风压分布系数。《工业》中CP (θ) 为平均风压分布系数, 与VGB中CPe (θ) 外部风压分布系数, 性质是一样的, 都是确定在不同标高处沿冷却塔环向的风压分布。我国规范规定风压分布系数对应两种冷却塔情况:无肋双曲面和加肋双曲面。VGB导则中对应六种标准风压分布曲线K1.0, K1.1, K1.2, K1.3, K1.5, K1.6, 如表3所示。国内的冷却塔塔筒多采用无肋双曲面, 对应于VGB导则中常采用的无肋光滑表面K1.6, 因此, 以下对比无肋双曲面塔筒的风压分布系数。我国规范中规定, 。对于无肋双曲面, ak依次为-0.442 6, 0.245 1, 0.675 2, 0.535 6, 0.061 5, -0.138 4, 0.001 4, 0.065 0。一般取m=7。VGB导则中, 对应无肋光滑表面K1.6 (考虑目前的施工技术等, 欧洲设计常采用K1.6) :
图2为两个系数的曲线对比图。可以看出, 曲线趋势类似, 我国规范是在70°附近的吸力最大, VGB是在76°附近的吸力最大, 差别不大;VGB计算的最大吸力值为1.6, 我国规范最大吸力值为1.52;此外, 100°~180°之间, VGB导则和我国规范的计算值相差比较大, 最大相差42.2%;总之, VGB导则的风压分布系数绝大部分是可以包络我国规范的数值。
5) 群塔效应。《工业》只是对冷却塔的间距有一定的要求。当其间距满足规范要求时可以不考虑塔群对风压的影响。塔群的相互影响造成的风压分布变化目前规范尚未考虑。这是我国冷却塔设计规范中有待改进的部分。目前, 群塔效应多采用风洞试验的方法来解决。
VGB导则中引用FI来考虑塔间干扰效应, 其和距离的参数a/dm与相邻建筑物的类别有关。如图3a) 所示的冷却塔间的干扰系数FI的取值可以根据图4a) 确定。其他相邻建筑物对图3b) 所示冷却塔风荷载影响的干扰系数可以采用下式进行计算:
FI=1+0.1 (a1/dm-a/dm) ≥1.0 (1.0≤FI≤1.3) , 其中, 上限值a1/dm根据图4确定。
如果图3b) 中建筑物的高度小于冷却塔高度的40%, 可以忽略塔间干扰。如果冷却塔周围有很多建筑物, 应进行详细的调查, 如果存在多于一个干扰物时, 应考虑最不利的情况。
6) 内吸力。《工业》中没有内吸力的具体计算公式, VGB导则规定内吸力按式 (4) 计算:
其中, Cpi为内吸力系数, 取-0.50;qb (H) 为高度z=H处的阵风风压 (H见图1) 。
3 结语
根据以上两国规范对风荷载取值的对比, 可以看出:对于风压, 我国规范中采用的是平均风压, VGB导则采用的阵风风压, 随着高度的增加, 两者相差的数值减小;两国规范中的风压分布系数的曲线趋势类似, VGB导则的风压分布系数绝大部分是可以包络我国规范的数值;对于塔间干扰效应和内吸力的计算公式, 我国规范暂无明确规定, 建议在冷却塔的结构设计中适当参考VGB导则的相关规定。
参考文献
[1]张相庭.结构风工程理论规范实践[M].北京:中国建筑工业出版社, 2006.
[2]GB/T 50102-2003, 工业循环水冷却设计规范[S].
钢结构冷却塔 篇9
关键词：冷却塔,ANSYS,风荷载,抗震
逆流式自然通风冷却塔是火力发电厂循环水系统中应用最广泛的冷却设备。近年来,随着电厂机组容量的不断增大,冷却塔的淋水面积和塔高也在不断增大、增高,这为冷却塔结构设计带来了一定的挑战,特别是高耸壳体的结构计算问题尤为突出,如何进行合理、正确的结构计算是冷却塔尤其是超大型冷却塔运行安全的基本保证。
冷却塔结构计算一般采用专门的电算程序进行,然而许多计算程序存在计算精度较差、计算适应性不强、计算原理不尽合理等缺点,有鉴于此,本报告拟采用三维有限单元法对冷却塔结构进行计算分析,相对传统计算方法,三维有限元法具有如下优点:
1)有限元法全面满足了静力许可、应变相容和应力、应变之间的本构关系,不需过多假设,有严密的理论体系。
2)不受冷却塔几何形状的限制,能对任何形状的冷却塔进行计算分析。而薄膜理论、弹性薄壳理论均对几何形状有严格要求。
3)能正确计算温度应力,并可考虑混凝土的徐变模型。
4)能进行较严密合理的地震作用效应分析。可采用反应谱、时程法等抗震计算方法进行地震作用效应计算。
5)能给出整体或局部的应力、应变结果。对应力分布特异区,可依据计算结果进行优化配筋。
6)能给出关键部位的主拉应力方向,可以预估钢筋混凝土的荷载裂缝。
基于上述原因,本文对某电厂2×600 MW机组工程自然通风冷却塔进行了三维有限元分析。
1 工程概况
“某电厂2×600 MW机组工程”拟采用8 500 m2双曲线型钢筋混凝土自然通风冷却塔。冷却塔由塔筒、人字柱、淋水构架装置、水池等组成,其中塔筒为双曲线型钢筋混凝土薄壳结构。冷却塔总高145.000 m,进风口高度9.700 m,壳体底部斜率0.320,斜支柱对数48,±0.000 m直径112.840 m,喉部直径63.942 m,喉部标高108.750 m,斜支柱直径900 mm。本工程的基本风压0.4 kPa,拟建场地抗震设防烈度为6度、地震动峰值加速度为0.079 5g;结构阻尼比0.05;设计地震分组为第一组,场地类别为四类,地震动反应谱特征周期为0.65 s。
2 有限元模型
在物理模型基础上,采用ANSYS空间六面体等参单元对整体结构进行网格剖分。剖分原则如下:
1)在现有计算机内存和硬盘等外部条件限制下,尽可能地增加单元和节点数量,以提高计算精度。
2)有限元模型全部剖成六面体单元,以提高精度。
3)沿壁厚方向至少存在两个高斯点,以提高精度。
4)单元的长厚比最大值控制在3以内。
5)单元剖分能反映构筑物的轮廓形状、荷载分布等情况。
按照上述网格剖分原则,冷却塔整体结构的总单元数为91 730个,节点数为141 359个。详细的网格剖分见图1。
3 重力荷载作用分析
冷却塔的重力荷载作用通过对冷却塔施加加速度实现。值得注意的是,施加加速度的方向必须与重力作用方向相反。
计算结果表明,冷却塔在自重作用下,塔筒的第一主应力基本为压应力,仅在塔顶和下环梁部分部位出现了拉应力,主拉应力最大值出现在塔筒底部人字柱支点中间部位,最大主拉应力为0.40 MPa。
4 风荷载作用分析
风沿X负向吹拂冷却塔,计算结果表明,在风荷载作用下,塔筒的第一主应力基本为拉应力,最大值出现在迎风面等厚偏下部位,最大值为2.6 MPa。
5 冬季温度荷载作用下的计算结果
冬季温度荷载作用下的结构温度计算结果表明,在温度荷载作用下,塔筒外表面的第一主应力全为拉应力,最大值为2.8 MPa,塔筒内表面的第一主应力基本为压应力。
6 模态分析
通过模态分析可以得到冷却塔的动力特性,是结构抗震分析的重要过程,对冷却塔进行了模态分析,并提取了冷却塔的前2阶振型。
7 地震反应谱分析
采用振型分解反应谱法进行结构的抗震性能分析。计算结果表明,塔体的地震作用效应很小,最大主拉应力尚不足0.000 2 MPa,因此,在荷载组合时,可不计地震荷载的作用。
8 荷载工况分析
工况自重+温度荷载+风荷载组合下的计算结果表明,塔筒外部的第一主应力全为拉应力,在风荷载吹拂方向的双曲等厚部位以及与吹拂方向成±90°的塔体顶部部位均出现了较大的主拉应力区,主拉应力最大值出现在风荷载吹拂方向的双曲等厚偏下部位,最大值为3.0 MPa,塔筒内部的第一主应力除风吹拂方向的等厚部位外,其他部位基本为压应力。
9 结语
1)冷却塔是二次循环冷却系统中的重要构筑物,对于大塔应采用不少于两种力学模型计算,ANSYS可以方便高效地求出冷却塔在各种作用下的效应。2)风荷载是冷却塔结构设计中非常重要的荷载,应引起足够重视。冷却塔结构设计往往是风荷载起控制作用。3)冷却塔结构自重轻、刚度大,地震作用一般较小,设计地震6度时可以不作抗震验算仅采取抗震构造措施。
参考文献
[1]GB/T 50102-2003,工业循环水冷却设计规范[S].
[2]GB 50009-2001,建筑结构荷载规范(2006年版)[S].
[3]邓思华.双曲冷却塔在自重及集中荷载作用下的内力分析[J].北京建筑工程学院学报,1998(2):10-12.
UPFC水冷却系统结构分析 篇10
换流阀是UPFC最关键的部件之一[7],换流阀中的核心部件是电力电子器件,电力电子器件是温度敏感器件,温度对其影响十分巨大,主要表现在以下两方面:首先,每个电力电子器件都有工作温度的限制,例如硅(Si)芯片的安全工作温度一般为-40~150 ℃,当器件结温处于安全工作温度范围内时,超过芯片最高允许结温时(Si芯片的最高允许结温一般为175℃),芯片将会失效,所以高温对于器件的危害是致命的。 其次,电力电子器件本身对温度变化非常敏感,例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT),有实验表明,当器件结温为150 ℃时,其关断时间约为25 μs,而当结温为室温时,其关断时间仅为18 μs,所以器件的关断时间随着结温的升高而延长,造成关断损耗的增大。 温度的变化影响器件的稳态特性和开关特性,会使功率变换器的运行指标偏离设计目标,一旦器件发生不可恢复性失效,将直接导致系统的故障,造成巨大的生命危险和经济损失。因此,散热系统对UPFC中换流阀设备的安全健康运行至关重要。 文中建立了UPFC水冷却系统结构的电路结构,对串联水路和并联水路进行了对比分析。
1 水冷却系统基本结构
1.1 总体结构
目前常用的散热方式有自然空冷散热、强迫风冷散热、液冷散热和热管散热等,图1 给出了不同散热方式下表面热流密度与器件温升的关系,为电力电子设备冷却方式的选择提供了依据。 对于大功率换流阀而言,由于其器件的热流密度很大,需要采用高性能的散热方式。 强迫水冷换热是一种换热能力强、换热效率高的散热方式,在汽车工业中被广泛应用,但在换流阀设备中的应用才刚刚起步。
换流阀水冷却系统一般分为内冷却系统和外冷却系统,内冷却系统是对换流阀本体进行换热,外冷却系统是对内冷却水进行换热,总体结构如图2 所示。
换流阀水冷却系统其工作原理为: 恒定压力和流量的冷却介质通过内冷却系统源源不断流进大功率电力电子装置被冷却器件, 温度上升并将被冷却器件产生的热量带出, 经过主循环泵后与室外外冷却系统进行热交换, 使冷却介质温度降低至合理范围后再次流入被冷却器件,形成冷却介质的闭式循环。
1.2 内冷却系统
内冷却系统主要由主循环冷却回路、水处理回路、氮气稳压回路、补水回路等构成。
1.2.1 主循环冷却回路
主循环冷却回路是内冷却系统的核心, 它主要由主循环水泵、管道回路、储气罐等构成。 通过主循环水泵将冷却水输送到换流阀中, 通过内冷却管道回路中的逆止阀、截止阀、三通阀、电动蝶阀、排气阀和排水阀等来控制冷却水的流向和流量, 这样冷却水便在主泵和换流阀之间构成了一个封闭的回路, 保证换流阀持续散热要求。储气罐作用是自动排除系统的残留气体。
1.2.2 水处理回路
水处理回路一般由离子交换器和精密过滤器构成,通过对冷却水中离子的不断脱除,达到长期维持冷却水极低电导率的目的。
1.2.3 氮气稳压回路
氮气稳压回路一般由氮气瓶、脱气罐、缓冲罐等构成。 其工作原理为:当冷却水因少量外渗、电解而损失时, 稳压系统会将冷却水压入循环管路系统以保持管路的压力稳定和冷却水的充满; 当冷却水因温度变化而产生体积变化时, 稳压系统会缓冲其对循环管路系统的影响,保证系统的正常运行。
1.2.4 补水回路
补水回路主要由补水罐和补水泵组成。 其工作原理为:当水箱液位降低至补水液位时,系统启动补水泵自动补水; 当补水罐液位降低至低值时, 发出报警信号,提示操作人员向补水罐加水,以保持其液位正常。
1.3 外冷却系统
外冷却系统主要用来冷却主循环冷却水, 使其下降到规定温度重新进入内冷却系统。 外冷却系统是一个开放式的水循环系统, 使用经过软化处理的水通过冷却塔持续对内冷却系统管道进行冷却, 降低内水冷温度。 外冷水系统一般包括冷却塔、喷淋泵、水处理单元、平衡水池等。外冷却系统通常有风冷结构和喷淋冷却结构2 种。
1.3.1 冷却塔
冷却塔的作用是通过喷淋水和风扇对阀内水冷散热管进行冷却。 多数直流输电工程每极配有3 台蒸发式密闭循环型冷却塔,2 台冷却塔就能满足直流系统额定负荷时的冷却需求。 在正常情况下,系统运行时3台冷却塔均可投入运行。
1.3.2 喷淋泵
喷淋泵为外冷水提供循环动力, 一般每极配置4台喷淋泵,用于分别向3 台冷却塔提供喷淋水,1 台作为备用, 当其中任意1 台喷淋泵故障时会通过旁通阀将故障隔离,并将备用喷淋泵接入该台冷却塔。
1.3.3 水处理单元
外冷水使用的水对水质的要求不如内冷水高,但在实际运行中还是需要进行相应的水质处理。 因为自来水中的铁、镁等离子会逐渐沉淀散热片表面,日积月累会导致散热效果下降; 自来水中的微生物也会腐烛外冷水管道,在使用前必须对其进行过滤。因此在工程中外冷水处理单位基本分为软化和灭菌两大功能。
1.3.4 平衡水池
平衡水池的水由主、备2 台工业泵进行补给,由喷淋泵将平衡水池内的水抽到冷却塔对内水冷管道中的散热管进行喷淋冷却,然后回流到平衡水池中。平衡水池一部分的水经过水处理单元进行软化和灭菌后流入平衡水池中。
2 南京UPFC中的水冷却系统结构
2.1 整体结构
2.1.1 主要技术参数
南京UPFC工程采用3 组容量为60 MV·A的换流阀,其单组换流阀的损耗功率不超过600 k W。 针对3 组换流阀采用了常州博瑞制造的3 套结构相同的水冷却系统,每套水冷却系统的主要参数如表1 所示。
从表1 中知, 单台水冷却系统的额定冷却容量为660 k W,是单组换流阀损耗功率的1.1 倍,具有一定的裕度。
2.1.2 基本构成
UPFC水冷却系统结构如图3 所示, 主要由主循环冷却回路、去离子水处理回路、稳压系统(氮气稳压系统或高位水箱稳压系统)、 补水装置、外循环冷却系统(水风换热器形式)、冷却介质及管路、电气控制系统等组成。
与常规水冷却系统采用冷却塔的形式不同,UPFC外冷却系统直接采用干式空气冷却方式, 该方式配置N+1 台直联风机,冷却容量设置留有一定的余量,具有如下优点:(1) 适用于较低环境温度或缺水地区,节能节水;(2) 采用不锈钢轧铝翅片作为散热主体,高效洁净;(3) 风机系统成本低,可靠性高。
UPFC水冷却屏柜系统主要用来对水冷却系统进行监视、控制和保护,包括主水泵控制、补水泵控制、风机控制、电动三通阀控制、缓冲罐气压控制、过电流保护、过电压保护、欠电压保护、相不平衡保护、相序保护、缺相保护和时间管理等。
2.1.3 工作原理
UPFC水冷却系统主要工作原理如下: 主循环冷却水在主循环泵动力作用下, 通过外冷却系统进行散热后,流经大功率电力电子装置被冷却器件,带走被冷却器件的热量后流回主循环泵入口。
通过在主循环冷却回路上设置的供水温度变送器反馈的信号, 控制装置电动三通阀调节进入外冷却系统的冷却水流量及外冷却系统投入冷却的数量, 达到精确控制冷却系统冷却水温度的目的。 被冷却器件通过内冷却系统带走热量,并在外冷却系统散出热量,实现连续冷却的功能。
由于主循环冷却水先流经外循环冷却系统, 再进入大功率电力电子装置被冷却器件进行冷却, 其具有2 个明显的优点: 一是减小冷却水经主循环泵加压后对大功率电力电子装置的冲击作用; 二是保证整个系统运行时,大功率电力电子装置进口处的水温最低,冷却效果较好。
2.1.4 冷却介质
由于被冷却器件在高电压条件下工作[8,9],为避免冷却介质中存在杂质离子, 导致各元件之间形成漏电流,UPFC水冷却系统中采用高纯水,循环管路均采用304 不锈钢管, 接触部分金属材质均为304 不锈钢及以上,非金属材质为聚四氟乙烯、硅橡胶等性能稳定的材料。
2.2 水路结构
如果将水泵类比为电源,将水流类比为电流,将每种设备的存在阻力可以类比为电阻, 则水冷系统的水路可以表示为电路的形式。
图4 以电路结构形式建立了UPFC中水冷却系统的水路结构。与普通电路不同的是,该电路结构具有明确的方向性,如图中箭头方向所示。从图4 中可以清晰地看出,UPFC工程中的主循环冷却回路从主水泵出发经过外冷却风冷机组、主过滤器到达换流阀单元,之后经由脱气罐和加热器构成的脱气加热系统回到主水泵。 主循环回路采用了2 台主水泵的冗余设计,1 台运行,另1 台作为备用,提高了系统的可靠性。
由氮气瓶和缓冲罐构成的氮气稳压回路并联于主循环冷却回路中。 而以离子交换器和精密过滤器构成的水处理回路, 和由储水罐和补水泵构成的补水回路则串联于氮气稳压回路中。
UPFC工程中的每套外冷却系统配置6 台风机组,采用并联连接方式。 该水冷却系统用来冷却UPFC工程中的1 个阀厅单元, 每个阀厅由4 组阀塔构成,4组阀塔之间采用并联水路连接。每组阀塔内部由84 个换流阀子模块构成, 各个子模块之间也采用并联水路连接。
从上面的分析可知, 无论是外冷风机还是换流阀模块,UPFC水冷却系统的水路全都采用了并联水道方式连接。
3 串联和并联水道
根据水力学知识可知:
式中:Q为流量;u为流量系数; A为面积;ΔP为压力差; ρ 为流体密度。 因此,流体流动的动力为管路两端的压差,压差越大,流速越高,即流量越大。
然而管道中的流速是有一定限制的, 因为管道内部粗糙,而所有的流体都有一定的黏度,所以流体在管道中流动有一定的阻力,流速越快,阻力越大。
根据Darcy公式,沿程水头损失为:
式中:hf为沿程水头损失;λ 为水头损失系数;l为管道长度;D为管道内径;v为管道流速;g为重力加速度。
3.1 串联水道特点
当水道串联时,由流体力学理论可知,管道的阻力损失与流量成平方关系。由于采用串联管道,势必会增加管路的长度,造成管道阻力的增大,因此串联系统中的水泵压力需要增大。
串联水道的优点是管路相对简单, 管道内流量不变,不存在分配问题,最主要的缺点是串联水道的可靠性低, 前端水道的损坏会导致其全部后端水道失去功能, 其次由于串联水道流过各个换流阀存在先后顺序,会造成其温度分布不均匀, 末端的散热效果会变得极差。因此,串联水道已经很少单独应用于换流阀系统中。
3.2 并联水道特点
水道采用并联连接时,并联水道中的水流量增加,而水道两端的压差不变。
采用并联水道能保证每个水冷元件都得到冷却,具有管路布置相对简单,冷却效果也较好,可靠性高的优点。但是存在并联管路中流量分布不均匀的缺点,而且系统规模越大其流量分布就越不均匀, 其次是接口多而杂且管道成本高于串联。
并联水道的结构通常有以下2 种布置方式, 如图5 所示。
无论哪种布置方式都存在水道内每个并联支路流量分布不均匀的问题。 图6 给出了一种典型的Z型水道压力分布,从图中可以看出,其压差分布呈现进口和出口压力大、中间压力小的分布趋势。这将造成水流量主要从靠近进口和出口的并联支路中流过, 从而影响中间换流阀的散热效果。
为解决并联水道中水流量分布不均匀的问题,图7 给出了理想情况下水道压力分布, 如果设计阶段能根据该压力分布设计水道, 则可以减小分布不均匀的问题。
4 结束语
分析了换流阀水冷却系统组成、结构和功能,建立了UPFC水冷却系统结构的电路形式结构, 该结构极大方便了电气工程师对于水冷却系统结构的理解,指出了并联水道存在流量分布不均匀的优化问题, 并给出了优化思路, 对水冷却系统的结构优化具有一定的意义,为提高UPFC中换流阀的可靠性提供了参考。
摘要：换流阀是统一潮流控制器(UPFC)的核心,而水冷却系统则对保证换流阀的安全可靠运行具有十分重要的作用。以换流阀水冷却系统为研究对象,从内冷却系统和外冷却系统两方面对其结构进行了详细分析,采用类比法搭建了UPFC水冷却系统结构的电路结构,明确了系统中各个模块的结构和组成,最后对串联水路和并联水路进行了比较,讨论了并联水道流量分布不均匀的问题。
关键词：统一潮流控制器,水冷系统,串联水路,并联水路
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