eAAA超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計值得關(guān)注的問題教學(xué)課件

1、北京國電華北電力工程有限公司 2009年04月21日 南京超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計值得關(guān)注的問題 Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第1頁，共33頁。主要內(nèi)容工程概況冷卻塔的總體尺寸風(fēng)荷載的非軸對稱地基土的非軸對稱有限元分析非線性缺陷分析高性能砼的技術(shù)特性上環(huán)梁無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加強預(yù)應(yīng)力鋼筋砼構(gòu)件10冷卻塔結(jié)構(gòu)的監(jiān)測Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .

2、NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第2頁，共33頁。引 言 隨著單機(jī)容量的擴(kuò)展、大型間接空冷塔的需求及內(nèi)陸核電站建設(shè)的需要，自然通風(fēng)冷卻塔正在向超大型方向發(fā)展。為此，我們將面臨值得思考的一系列問題：多項突破火力發(fā)電廠水工設(shè)計規(guī)范中關(guān)于冷卻塔規(guī)定的依據(jù)是什么；超大型冷卻塔的設(shè)計能否按照常規(guī)尺寸冷卻塔線性放大；超大型塔風(fēng)荷載取值的合理性；排煙冷卻塔或海水塔防腐措施的研究；建成的冷卻塔安全裕度有多大，運行中如何監(jiān)測等等。Evaluation only.Created with Aspose.Slides

3、 for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第3頁，共33頁。1 工程概況Nideraussem是位于德國科隆附近燃燒褐煤的火電廠，業(yè)主為RWE公司，目前共有10臺機(jī)組，4150MW+3300MW+2600MW +11000MW（K號），其中K號機(jī)組為近期擴(kuò)建的1000MW超臨界機(jī)組Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pt

4、y Ltd.第4頁，共33頁。1 工程概況由于環(huán)保要求和主導(dǎo)風(fēng)向的關(guān)系，全廠冷卻塔均布置在爐后，位于廠區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)，煙氣采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝,煙氣經(jīng)過脫硫裝置后,直接進(jìn)入自然通風(fēng)冷卻塔排放,不設(shè)置旁路煙道。另外，由于1000MW機(jī)組緊鄰社會道路，環(huán)保要求高，冷卻塔設(shè)置了防噪音墻Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第5頁，共33頁。1 工程概況先前的33002600MW機(jī)組的冷卻塔周圍煙道支架

5、較多，與國內(nèi)規(guī)范中規(guī)定的冷卻塔與各建（構(gòu)）筑物的最小間距相比，冷卻塔與其它設(shè)施布置的間距相當(dāng)緊湊，幾乎無空地，因此，塔區(qū)用地面積較小Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第6頁，共33頁。1 工程概況與1000MW機(jī)組配套的為無旁路排煙冷卻塔。脫硫裝置采用兩個吸收塔并用輕型鋁合金板全封閉。從該排煙冷卻塔運行效果來看，由于在進(jìn)風(fēng)口處安裝了防噪音墻，尾水濺落的噪音被阻隔了，與其它機(jī)組的冷卻塔相比，噪音明顯減小，

6、效果較好，冷卻塔出口處羽煙濃密，整個塔區(qū)云霧繚繞Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第7頁，共33頁。2 冷卻塔的總體尺寸塔 高： 200m（池壁頂0m）出口直徑： 88.41m喉部標(biāo)高： 142.0m喉部直徑： 85.0m下環(huán)梁高： 12.18m下環(huán)梁直徑：136.0m 基礎(chǔ)直徑： 152.54m 水池深度： 2.5m殼體最小厚度：0.24m子午向立柱： 48根立柱高度： 14.68m淋水面積： 140

7、00m2塔筒表面積：60000m2Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第8頁，共33頁。2 冷卻塔的總體尺寸 冷卻塔殼體子午線是由兩條雙曲線組成并在喉部相切,基本等厚塔，最小厚度0.24m，在煙道入口處局部加厚至0.45m。塔頂上環(huán)梁設(shè)計的相當(dāng)剛性，這個剛性環(huán)為一個U型斷面，向塔內(nèi)懸挑，通風(fēng)方面具有收口塔的作用，殼體下部厚度逐步增加，形成錐體，最大厚度1.16m。塔筒支柱采用是48根子午向立柱，與下環(huán)梁正

8、交連接。 為了排放脫硫后的凈煙氣，在離地面49m處預(yù)留兩個高度9.0m的門型洞，兩根直徑6.5 m，長度約120m的玻璃鋼排煙道通入冷卻塔內(nèi)部，每一根排煙管道施加給塔筒的豎向力為2000KN,水平向力為400KN。在兩個開孔周圍塔筒的厚度由0.24m增加到0.45m，進(jìn)行局部加強。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第9頁，共33頁。2 冷卻塔的總體尺寸為防止塔筒從上邊緣開裂，后期用4根預(yù)應(yīng)力鋼纜施加預(yù)應(yīng)

9、力予以加強。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第10頁，共33頁。3 風(fēng)荷載的非軸對稱塔體外形尺寸的確定需要考慮隨著塔的高度增加，塔的特征頻率降低，會進(jìn)到風(fēng)頻譜的更高能量部分。風(fēng)荷載的作用可以分解為靜態(tài)、動態(tài)和諧振分量。這些分量在實際應(yīng)用時可以考慮為準(zhǔn)靜態(tài)的。本冷卻塔設(shè)計時是按照德國建筑技術(shù)規(guī)定BTR(VGB2019)執(zhí)行，應(yīng)用這個規(guī)定，塔的高度建造至170m高沒有出現(xiàn)失敗或損壞的（此前，法國最大塔高1

10、82m）。 技術(shù)規(guī)定BTR的概念是針對于單獨冷卻塔的，如果風(fēng)場受到周圍高聳建筑物或冷卻塔的影響，則風(fēng)的分布和變化是復(fù)雜的。Niederaussem電廠新建冷卻塔雖然是單塔，但受到老廠現(xiàn)存高大建（構(gòu)）筑物的遮擋（西側(cè)老塔群100130m高），特別是本期鍋爐為本生塔式直流爐，高度167m，風(fēng)場和風(fēng)勢非常復(fù)雜。為了考慮周圍環(huán)境造成風(fēng)場所有的負(fù)面影響，在2019年以前完成了一系列風(fēng)洞試驗，其中，不考慮遮擋物的有利影響。因為現(xiàn)存老廠的建(構(gòu))筑物已經(jīng)30多年了，在200m塔的壽命期內(nèi)，有可能全部拆除。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET

11、3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第11頁，共33頁。3 風(fēng)荷載的非軸對稱風(fēng)洞試驗的目的是為了確定風(fēng)壓分布形態(tài)和塔體設(shè)計控制的關(guān)鍵極值應(yīng)力。由于周圍環(huán)境的干擾，使得風(fēng)的環(huán)向分布出現(xiàn)很大不同。因此該塔設(shè)計時在環(huán)向考慮了兩個不同的風(fēng)壓區(qū),在東南方向按照風(fēng)洞試驗的結(jié)果提高了環(huán)向風(fēng)壓。在基本設(shè)計階段，塔筒采用了加肋塔（小糙度），風(fēng)壓分布曲線使用尼曼曲線K1.4。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.

12、0.Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第12頁，共33頁。4地基土的非軸對稱Niederaussem的高塔座落在一個連續(xù)的鋼筋砼環(huán)板基礎(chǔ)上。水池深度2.5m。然而，旋轉(zhuǎn)對稱的環(huán)板基礎(chǔ)在兩個位置上受到阻礙：一處是冷卻塔的進(jìn)、出水口處，另一處是受到周圍建筑物的限制，這兩部分的基礎(chǔ)深度要加深3.1m。土壤特性調(diào)查結(jié)果顯示：一般區(qū)域地基土的剛度是9MN/m3,而加深基礎(chǔ)地段土的剛度是11MN/m3。一般區(qū)域環(huán)基寬度是6.5m,在加深基礎(chǔ)部位土的剛度較高,環(huán)基寬度是8.84m。因此，使得塔筒上的應(yīng)力受拉部位呈現(xiàn)非軸對稱分布。為了模擬真實情況，數(shù)學(xué)模型包括了塔體結(jié)構(gòu)的所

13、有部分：地基，環(huán)形基礎(chǔ)，立柱和塔筒。圖8顯示了該非軸對稱性對地基土壓力分布所產(chǎn)生的不同影響。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第13頁，共33頁。4地基土的非軸對稱Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第14頁，共3

14、3頁。 地基土的非軸對稱Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第15頁，共33頁。 5 有限元分析按照有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)，對該超大型塔使用FEMAS軟件進(jìn)行了所有單項荷載的應(yīng)力和應(yīng)變分析。由于考慮了風(fēng)荷載受到周圍建（構(gòu)）筑物的影響及煙道入口和不均勻地基的非軸對稱性，最終設(shè)計模型共有50919個自由度；包括塔筒，支柱，環(huán)基和地基土的剛度。右圖給出了FE簡化模型，一個實用離散化的概念。Evaluation onl

15、y.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第16頁，共33頁。 5 有限元分析荷載組合：正常使用極限狀態(tài), 采用總安全系數(shù)法G+WG+W+TG+W/3+T+EG+0.7W+T 用于驗算裂縫寬度(砼抗壓=1.752.10,鋼材=1.75)破壞極限狀態(tài)，采用分項安全系數(shù)G+1.75WG+1.75W+T（g1.0 w1.75,鋼材ms=1.0，砼mc=1.5 ） 穩(wěn)極限狀態(tài)荷載組合為：G+W最小穩(wěn)定安全系數(shù)5.0,風(fēng)荷載W包括內(nèi)吸力的影響。上述

16、式中:G-自重,W-風(fēng)荷載,T-溫度荷載,E-地震荷載。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第17頁，共33頁。 5 有限元分析通過對該塔的有限元分析，得到所有內(nèi)力，確定了需要的配筋，驗證了安全度，對于塔筒和支柱容許裂縫寬度限定為0.2mm，鋼材選用為BSt500 S。通過內(nèi)力計算，確定塔筒需要采用高性能砼，即要求其抗壓強度fc85N/mm2,另一方面，要求砼的楊氏模量EC和抗拉強度fc務(wù)必控制在C34/

17、45的強度等級，由此限制溫度應(yīng)力，限制塔筒鋼筋量，并減小外表面的裂縫寬度。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第18頁，共33頁。非線性缺陷分析從世界范圍看，早期冷卻塔的損壞之一是在子午線方向塔筒外表面發(fā)生裂縫，這是由于風(fēng)，溫度和滲水凍融作用的組合加之環(huán)向配筋不足造成的。缺陷分析的目標(biāo)是：增強耐久性，以避免塔筒過早老化或維修作為一種風(fēng)險預(yù)防采用適當(dāng)?shù)暮蛯嵱眉夹g(shù)保證可靠性作為一種判別標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)構(gòu)壽命予以評估對

18、裂損狀態(tài)進(jìn)行評價遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，要求計算機(jī)模擬真實的非線性響應(yīng)。為了掌握這種時耗分析法，原來的FE模型自由度減少到40222個，其中忽略了煙氣入口和基礎(chǔ)，使該塔成為一個承受風(fēng)載的單獨結(jié)構(gòu)。本冷卻塔的非線性分析結(jié)果指出：重要的是最優(yōu)的塔筒設(shè)計，而且上環(huán)梁要施加預(yù)應(yīng)力。損壞的積累是非線性的過程，靜態(tài)計算不能完成，必須采用非線性的數(shù)學(xué)模型，計算真實的荷載作用，真實的鋼筋砼材料模型，這樣可以更實際地再現(xiàn)塔筒承載能力特性。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright

19、 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第19頁，共33頁。非線性缺陷分析為了裂縫開展的最小化，全塔務(wù)必作為一個整體的鋼筋砼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，并且考慮：砼在受壓時，非線性的拉壓關(guān)系超過砼拉伸強度后產(chǎn)生的張拉裂縫鋼筋的彈塑性的拉壓特性鋼筋和砼之間的非線性粘結(jié)關(guān)系由于各種結(jié)構(gòu)的損壞都是非線性的過程，應(yīng)用計算機(jī)模擬是高度的非線性和遵循多級模擬技術(shù)。德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 1045-1允許使用高性能砼結(jié)構(gòu)采用非線性方法效驗其極限狀態(tài)。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyri

20、ght 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第20頁，共33頁。非線性缺陷分析本工程塔筒最終采用的是新命名的特種砼SRB85/35，非線性分析時材料模型按照高性能砼進(jìn)行了調(diào)整。對于荷載組合 G+W,一部分非線性計算機(jī)模擬的結(jié)果如上圖和下圖所示。荷載變位曲線（比較砼B35，B85和SRB85/35）Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第21頁，共33頁。非線性缺陷分析在圖10荷載變位曲線中，比

21、較了塔筒使用三種不同等級砼的情況：B35,B85和SRB85/35。在風(fēng)荷載增加的初始階段，荷載變位是線性的，直到超過張拉強度，則出現(xiàn)了初始裂縫。當(dāng)使用B35強度的砼時，很容易達(dá)到初始裂縫狀態(tài)，繼而減小了結(jié)構(gòu)剛度，但能達(dá)到最終=2.54的荷載水平。當(dāng)使用SRB85 /35或B85強度的砼時，顯示了比較高的初始裂縫水平，當(dāng)然低于倒塌時的最終安全度。更高的能量潛藏在無裂縫的結(jié)構(gòu)中，這個能量在裂縫發(fā)生的瞬間被突然釋放了，繼而變形突然增加，承載能力降低。在穩(wěn)定的平衡趨勢再次建立之前，該結(jié)構(gòu)不能把應(yīng)力重新分配到?jīng)]有發(fā)生局部不穩(wěn)定或沒有開裂的區(qū)域。Evaluation only.Created with

22、Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第22頁，共33頁。非線性缺陷分析裂縫圖形 當(dāng)1.85(比較砼B35和B85)Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第23頁，共33頁。非線性缺陷分析上圖比較了B35和B85兩種砼強度等級的裂縫開展。由圖可見：B35的塔筒比B85塔筒在全塔

23、具有更規(guī)律的裂縫分布，表明使用高性能砼具有比較低的延性和應(yīng)力重分配的能力。該塔使用的是混和型砼SRB85/35，這種砼抗壓強度高，抗拉強度比較低，表現(xiàn)出較低的裂縫水平，但最終的荷載水平不低于=2.45。裂縫寬度計算在正常使用荷載G+T+1.0W下，明顯的小于容許的裂縫寬度0.2mm，這意味著混合型砼不會影響冷卻塔的安全性和適用性。該塔開始建設(shè)于2019年秋季，2019年末時上環(huán)梁尚未完成澆注，沒有來得急施加預(yù)應(yīng)力，此時遭遇了“l(fā)othar”暴風(fēng)的襲擊而沒有發(fā)生任何損壞，對塔筒的安全和可靠性來說，經(jīng)歷第一次真實的考驗，也證明設(shè)計概念完全成功Evaluation only.Created with

24、 Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第24頁，共33頁。高性能砼的技術(shù)特性該冷卻塔最引人關(guān)注的新技術(shù)之一是塔筒采用了高性能砼。八十年代，RWE公司根據(jù)西德國家環(huán)保部的決定，著手在其所屬的四個電廠33臺燒煤機(jī)組進(jìn)行脫硫改造工程。采用濕法脫硫。當(dāng)時比利時哈蒙公司與REW共同研究了一項新技術(shù)將洗滌后的煙氣用煙道送入冷卻塔。但是，脫硫后的清潔煙氣仍含低量的SO2 和NOX，煙氣進(jìn)入冷卻塔后，塔筒內(nèi)壁上部接觸稀酸性(PH=3.5-6.0),下部在寒冬運行時還有凝結(jié)水浸入

25、筒壁，在設(shè)計壽命55年里腐蝕性液體不間斷地腐蝕塔筒內(nèi)外表面砼。此前，德國傳統(tǒng)的防腐蝕措施是用乙烯基樹脂作基層，噴涂Co-polymers?？偨Y(jié)已往經(jīng)驗，本工程塔筒表面積60000m2,超過四個英式足球場，噴涂實屬不易，也是非常昂貴和費時的，觀察了幾座在這方面出了麻煩的冷卻塔，涂層平均壽命12年左右。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第25頁，共33頁。高性能砼的技術(shù)特性柏林科技大學(xué)和RWE等共同組成研究

26、小組，目標(biāo)是：研制出抵御煙氣腐蝕的砼，不用防腐涂料，保障冷卻塔設(shè)計壽命超過40年。對此，研究小組提出了兩個前提：獲得最密實的砼配合比獲得最大的能力抵御氯化物，酸類腐蝕，水和煙氣的滲透根據(jù)Fuller和Thompson的完美的級配曲線備制骨料（下圖）。骨料級配曲線Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第26頁，共33頁。高性能砼的技術(shù)特性粘結(jié) 材料的粒徑63m。為了得到最致密的粘結(jié)料，在高標(biāo)號水泥中添加了粉煤

27、灰和微粒硅土（microsilica）,通過大量試驗得到最佳配合比。試驗過程中總共試配過40種水泥，7種粉煤灰，5種微粒硅土和15種水泥塑化劑。最終粘結(jié)材料用量為350kg/m3,微粒硅土占78.5%。新的砼配合比大大增加了其機(jī)械強度：抗拉，抗壓和楊氏模量砼標(biāo)號B35B85SRB85/35中值抗壓強度fcm (N/mm2) 35.085.082.03中值抗拉強度fctm (N/mm2) 2.657 4.7732.880楊氏模量 (N/mm2)340004300040400砼材料性能（德國標(biāo)準(zhǔn)）Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET

28、 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第27頁，共33頁。高性能砼的技術(shù)特性由于新型砼的力學(xué)特性在B70/85和B35/45 之間變化，用于該塔的新型砼被命名為SRB85/35（抗酸砼）。該冷卻塔的保護(hù)層厚度確定為40mm，為此，德國波洪大學(xué)作了兩年模擬測試。針對這次試驗，在冷卻塔殼體建造期間同時澆注了砼試塊，然后將其切割成10105cm3的試件，材料為SRB85/35 ,將5cm的短邊密封，以45o角放置在密封箱子里，模擬煙氣，蒸汽作用的條件，使試件表面通過煙氣，保持PH值34，濕度自始至終95，這一條件

29、比將來冷卻塔的實際運行條件要苛刻得多。每6個月取出試件進(jìn)行測試研究，通過兩年的試驗最終結(jié)果告訴我們：40mm的砼保護(hù)層在煙氣的作用下，沒有涂層保護(hù)，可以持續(xù)保護(hù)作用40年以上。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第28頁，共33頁。上環(huán)梁無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的加強為了改進(jìn)塔筒結(jié)構(gòu)特性和動力特性，設(shè)計一個高穩(wěn)定性的冷卻塔，在該塔上環(huán)梁使用了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)加強。2019年9月該塔砼澆注到上環(huán)梁200m標(biāo)高，2000

30、年3月開始施加上環(huán)梁預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力鋼纜設(shè)置在上環(huán)梁底板內(nèi)，以避免初始階段塔筒發(fā)生屈曲破壞。沿上環(huán)梁底板，在環(huán)向布置了四組預(yù)應(yīng)力錨頭，每組8根冷拉鋼纜，冷拉鋼纜的強度等級是ST 1570/1770。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的選擇了低摩阻力=0.06這樣可以減少錨具數(shù)量，僅沿環(huán)向?qū)ΨQ布置四組錨具。每一套錨具重量約2640kg,環(huán)向長度約270m，而且，每一根冷拉鋼纜單獨布置，預(yù)應(yīng)力張拉點的布置見下圖。Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第29頁，共33頁。 上環(huán)梁無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加強Evaluation only.Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile .Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.第30頁，共33頁。9預(yù)應(yīng)力鋼筋砼構(gòu)件該塔內(nèi)的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件包括淋水構(gòu)架和防噪墻構(gòu)架，必須采取涂層防腐措施，涂層材料采用丙稀酸樹脂或共聚物，涂層厚度80m。這意味著制作這些構(gòu)件過程中要增加費用和耗時；脫模后要對每一根構(gòu)件進(jìn)行存儲,翻轉(zhuǎn)并噴涂每一面，這需要相當(dāng)大的場地，這在該塔現(xiàn)場是不好實現(xiàn)的，