北京国电华北电力工程有限公司 2009 年 04 月 21 日 南京

1. 超大型冷却塔结构设计 值得关注的问题 北京国电华北电力工程有限公司 2009年04月21日 南京

2. 主要内容 １　工程概况 ２　冷却塔的总体尺寸 ３　风荷载的非轴对称 ４　地基土的非轴对称 ５　有限元分析 ６　非线性缺陷分析 ７　高性能砼的技术特性 ８　上环梁无粘结预应力加强 ９　预应力钢筋砼构件 10　冷却塔结构的监测

3. 引 言 随着单机容量的扩展、大型间接空冷塔的需求及内陆核电站建设的需要，自然通风冷却塔正在向超大型方向发展。为此，我们将面临值得思考的一系列问题：多项突破《火力发电厂水工设计规范》中关于冷却塔规定的依据是什么；超大型冷却塔的设计能否按照常规尺寸冷却塔线性放大；超大型塔风荷载取值的合理性；排烟冷却塔或海水塔防腐措施的研究；建成的冷却塔安全裕度有多大，运行中如何监测等等。

4. 1 工程概况 Nideraussem是位于德国科隆附近燃烧褐煤的火电厂，业主为RWE公司，目前共有10台机组，4×150MW+3×300MW+2×600MW +1×1000MW（K号），其中K号机组为近期扩建的1000MW超临界机组

5. 1 工程概况 由于环保要求和主导风向的关系，全厂冷却塔均布置在炉后，位于厂区主导风向的下风侧，烟气采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺,烟气经过脱硫装置后,直接进入自然通风冷却塔排放,不设置旁路烟道。另外，由于1000MW机组紧邻社会道路，环保要求高，冷却塔设置了防噪音墙

6. 1 工程概况 先前的3×300＋2×600MW机组的冷却塔周围烟道支架较多，与国内规范中规定的冷却塔与各建（构）筑物的最小间距相比，冷却塔与其它设施布置的间距相当紧凑，几乎无空地，因此，塔区用地面积较小

7. 1 工程概况 与1000MW机组配套的为无旁路排烟冷却塔。脱硫装置采用两个吸收塔并用轻型铝合金板全封闭。从该排烟冷却塔运行效果来看，由于在进风口处安装了防噪音墙，尾水溅落的噪音被阻隔了，与其它机组的冷却塔相比，噪音明显减小，效果较好，冷却塔出口处羽烟浓密，整个塔区云雾缭绕

8. 2 冷却塔的总体尺寸 塔 高：200m（池壁顶0m） 出口直径： 88.41m 喉部标高： 142.0m 喉部直径： 85.0m 下环梁高： 12.18m 下环梁直径：136.0m 基础直径： 152.54m 水池深度： 2.5m 壳体最小厚度：0.24m 子午向立柱： 48根 立柱高度： 14.68m 淋水面积： ～14000m2 塔筒表面积：～60000m2

9. 2 冷却塔的总体尺寸 冷却塔壳体子午线是由两条双曲线组成并在喉部相切,基本等厚塔，最小厚度0.24m，在烟道入口处局部加厚至0.45m。塔顶上环梁设计的相当刚性，这个刚性环为一个U型断面，向塔内悬挑，通风方面具有收口塔的作用，壳体下部厚度逐步增加，形成锥体，最大厚度1.16m。塔筒支柱采用是48根子午向立柱，与下环梁正交连接。 为了排放脱硫后的净烟气，在离地面49m处预留两个高度9.0m的门型洞，两根直径6.5 m，长度约120m的玻璃钢排烟道通入冷却塔内部，每一根排烟管道施加给塔筒的竖向力为2000KN,水平向力为±400KN。在两个开孔周围塔筒的厚度由0.24m增加到0.45m，进行局部加强。

10. 2 冷却塔的总体尺寸 为防止塔筒从上边缘开裂，后期用4根预应力钢缆施加预应力予以加强。

11. 3 风荷载的非轴对称 塔体外形尺寸的确定需要考虑随着塔的高度增加，塔的特征频率降低，会进到风频谱的更高能量部分。风荷载的作用可以分解为静态、动态和谐振分量。这些分量在实际应用时可以考虑为准静态的。本冷却塔设计时是按照德国《建筑技术规定》BTR(VGB1996)执行，应用这个规定，塔的高度建造至170m高没有出现失败或损坏的（此前，法国最大塔高182m）。 　　技术规定BTR的概念是针对于单独冷却塔的，如果风场受到周围高耸建筑物或冷却塔的影响，则风的分布和变化是复杂的。Niederaussem电厂新建冷却塔虽然是单塔，但受到老厂现存高大建（构）筑物的遮挡（西侧老塔群100～130m高），特别是本期锅炉为本生塔式直流炉，高度167m，风场和风势非常复杂。为了考虑周围环境造成风场所有的负面影响，在1996年以前完成了一系列风洞试验，其中，不考虑遮挡物的有利影响。因为现存老厂的建(构)筑物已经30多年了，在200m塔的寿命期内，有可能全部拆除。

12. 3 风荷载的非轴对称 风洞试验的目的是为了确定风压分布形态和塔体设计控制的关键极值应力。由于周围环境的干扰，使得风的环向分布出现很大不同。因此该塔设计时在环向考虑了两个不同的风压区,在东南方向按照风洞试验的结果提高了环向风压。在基本设计阶段，塔筒采用了加肋塔（小糙度），风压分布曲线使用尼曼曲线K1.4。

13. 4　地基土的非轴对称 Niederaussem的高塔座落在一个连续的钢筋砼环板基础上。水池深度2.5m。然而，旋转对称的环板基础在两个位置上受到阻碍：一处是冷却塔的进、出水口处，另一处是受到周围建筑物的限制，这两部分的基础深度要加深3.1m。土壤特性调查结果显示：一般区域地基土的刚度是9MN/m3,而加深基础地段土的刚度是11MN/m3。一般区域环基宽度是6.5m,在加深基础部位土的刚度较高,环基宽度是8.84m。因此，使得塔筒上的应力－受拉部位呈现非轴对称分布。为了模拟真实情况，数学模型包括了塔体结构的所有部分：地基，环形基础，立柱和塔筒。图8显示了该非轴对称性对地基土压力分布所产生的不同影响。

14. 4　地基土的非轴对称

15. ４ 　地基土的非轴对称

16. 5 有限元分析 　　按照有限元分析的标准，对该超大型塔使用FEMAS软件进行了所有单项荷载的应力和应变分析。由于考虑了风荷载受到周围建（构）筑物的影响及烟道入口和不均匀地基的非轴对称性，最终设计模型共有50919个自由度；包括塔筒，支柱，环基和地基土的刚度。右图给出了FE简化模型，一个实用离散化的概念。

17. 5 有限元分析 荷载组合：正常使用极限状态, 采用总安全系数法 G+W G+W+T G+W/3+T+E G+0.7W+T 用于验算裂缝宽度 (砼抗压γ=1.75^2.10,钢材γ=1.75) 破坏极限状态，采用分项安全系数 G+1.75W G+1.75W+T （γg＝1.0 γw＝1.75,钢材γms=1.0，砼γmc=1.5 ） 稳极限状态荷载组合为：G+W 最小稳定安全系数λ≥5.0,风荷载W包括内吸力的影响。 上述式中:G-自重,W-风荷载,T-温度荷载,E-地震荷载。

18. 5 有限元分析 　　通过对该塔的有限元分析，得到所有内力，确定了需要的配筋，验证了安全度，对于塔筒和支柱容许裂缝宽度限定为0.2mm，钢材选用为BSt500 S。 　　通过内力计算，确定塔筒需要采用高性能砼，即要求其抗压强度fc≥85N/mm2, 　　另一方面，要求砼的杨氏模量EC和抗拉强度fc务必控制在C34/45的强度等级，由此限制温度应力，限制塔筒钢筋量，并减小外表面的裂缝宽度。

19. ６　非线性缺陷分析 • 从世界范围看，早期冷却塔的损坏之一是在子午线方向塔筒外表面发生裂缝，这是由于风，温度和渗水冻融作用的组合加之环向配筋不足造成的。缺陷分析的目标是： • 增强耐久性，以避免塔筒过早老化或维修 • 作为一种风险预防采用适当的和实用技术保证可靠性 • 作为一种判别标准对结构寿命予以评估 • 　　对裂损状态进行评价远远超越现行的技术标准，要求计算机模拟真实的非线性响应。为了掌握这种时耗分析法，原来的FE模型自由度减少到40222个，其中忽略了烟气入口和基础，使该塔成为一个承受风载的单独结构。本冷却塔的非线性分析结果指出：重要的是最优的塔筒设计，而且上环梁要施加预应力。 • 损坏的积累是非线性的过程，静态计算不能完成，必须采用非线性的数学模型，计算真实的荷载作用，真实的钢筋砼材料模型，这样可以更实际地再现塔筒承载能力特性。

20. ６　非线性缺陷分析 • 　　为了裂缝开展的最小化，全塔务必作为一个整体的钢筋砼结构进行模拟，并且考虑： • 砼在受压时，非线性的拉－压关系 • 超过砼拉伸强度后产生的张拉裂缝 • 钢筋的弹－塑性的拉压特性 • 钢筋和砼之间的非线性粘结关系 • 　　由于各种结构的损坏都是非线性的过程，应用计算机模拟是高度的非线性和遵循多级模拟技术。德国标准DIN 1045-1允许使用高性能砼结构采用非线性方法效验其极限状态。

21. ６　非线性缺陷分析 荷载－变位曲线（比较砼B35，B85和SRB85/35） 　　本工程塔筒最终采用的是新命名的特种砼SRB85/35，非线性分析时材料模型按照高性能砼进行了调整。对于荷载组合 G+λW,一部分非线性计算机模拟的结果如上图和下图所示。

22. ６　非线性缺陷分析 　　在图10荷载－变位曲线中，比较了塔筒使用三种不同等级砼的情况：B35,B85和SRB85/35。在风荷载增加的初始阶段，荷载－变位是线性的，直到超过张拉强度，则出现了初始裂缝。当使用B35强度的砼时，很容易达到初始裂缝状态，继而减小了结构刚度，但能达到最终λ=2.54的荷载水平。当使用SRB85/35或B85强度的砼时，显示了比较高的初始裂缝水平，当然低于倒塌时的最终安全度。更高的能量潜藏在无裂缝的结构中，这个能量在裂缝发生的瞬间被突然释放了，继而变形突然增加，承载能力降低。在稳定的平衡趋势再次建立之前，该结构不能把应力重新分配到没有发生局部不稳定或没有开裂的区域。

23. ６　非线性缺陷分析 裂缝图形 　 当λ＝1.85 (比较砼B35和B85)

24. ６　非线性缺陷分析 上图比较了B35和B85两种砼强度等级的裂缝开展。由图可见：B35的塔筒比B85塔筒在全塔具有更规律的裂缝分布，表明使用高性能砼具有比较低的延性和应力重分配的能力。 　　该塔使用的是混和型砼SRB85/35，这种砼抗压强度高，抗拉强度比较低，表现出较低的裂缝水平，但最终的荷载水平不低于λ=2.45。 　　裂缝宽度计算在正常使用荷载G+T+1.0W下，明显的小于容许的裂缝宽度0.2mm，这意味着混合型砼不会影响冷却塔的安全性和适用性。 　　该塔开始建设于1998年秋季，1999年末时上环梁尚未完成浇注，没有来得急施加预应力，此时遭遇了“lothar”暴风的袭击而没有发生任何损坏，对塔筒的安全和可靠性来说，经历第一次真实的考验，也证明设计概念完全成功

25. ７　高性能砼的技术特性 　　该冷却塔最引人关注的新技术之一是塔筒采用了高性能砼。 八十年代，RWE公司根据西德国家环保部的决定，着手在其所属的四个电厂33台烧煤机组进行脱硫改造工程。采用湿法脱硫。当时比利时哈蒙公司与REW共同研究了一项新技术－将洗涤后的烟气用烟道送入冷却塔。但是，脱硫后的清洁烟气仍含低量的SO2 和NOX，烟气进入冷却塔后，塔筒内壁上部接触稀酸性(PH=3.5-6.0),下部在寒冬运行时还有凝结水浸入筒壁，在设计寿命55年里腐蚀性液体不间断地腐蚀塔筒内外表面砼。此前，德国传统的防腐蚀措施是用乙烯基树脂作基层，喷涂Co-polymers。总结已往经验，本工程塔筒表面积60000m2,超过四个英式足球场，喷涂实属不易，也是非常昂贵和费时的，观察了几座在这方面出了麻烦的冷却塔，涂层平均寿命12年左右。

26. ７　高性能砼的技术特性 　　柏林科技大学和RWE等共同组成研究小组，目标是：研制出抵御烟气腐蚀的砼，不用防腐涂料，保障冷却塔设计寿命超过40年。对此，研究小组提出了两个前提： —获得最密实的砼配合比 —获得最大的能力抵御氯化物，酸类腐蚀，水和烟气的渗透 根据Fuller和Thompson的完美的级配曲线备制骨料（下图）。 骨料级配曲线

27. ７　高性能砼的技术特性 　　粘结材料的粒径≤63μm。为了得到最致密的粘结料，在高标号水泥中添加了粉煤灰和微粒硅土（microsilica）,通过大量试验得到最佳配合比。试验过程中总共试配过40种水泥，7种粉煤灰，5种微粒硅土和15种水泥塑化剂。最终粘结材料用量为350kg/m3,微粒硅土占7－8.5%。新的砼配合比大大增加了其机械强度：抗拉，抗压和杨氏模量 砼材料性能（德国标准）

28. ７　高性能砼的技术特性 由于新型砼的力学特性在B70/85和B35/45 之间变化，用于该塔的新型砼被命名为SRB85/35（抗酸砼）。 　　该冷却塔的保护层厚度确定为40mm，为此，德国波洪大学作了两年模拟测试。针对这次试验，在冷却塔壳体建造期间同时浇注了砼试块，然后将其切割成10×10×5cm3的试件，材料为SRB85/35 ,将5cm的短边密封，以45o角放置在密封箱子里，模拟烟气，蒸汽作用的条件，使试件表面通过烟气，保持PH值3－4，湿度自始至终95％，这一条件比将来冷却塔的实际运行条件要苛刻得多。每6个月取出试件进行测试研究，通过两年的试验最终结果告诉我们：40mm的砼保护层在烟气的作用下，没有涂层保护，可以持续保护作用40年以上。

29. ８　上环梁无粘结预应力的加强 为了改进塔筒结构特性和动力特性，设计一个高稳定性的冷却塔，在该塔上环梁使用了无粘结预应力技术加强。 1999年9月该塔砼浇注到上环梁200m标高，2000年3月开始施加上环梁预应力。预应力钢缆设置在上环梁底板内，以避免初始阶段塔筒发生屈曲破坏。沿上环梁底板，在环向布置了四组预应力锚头，每组8根冷拉钢缆，冷拉钢缆的强度等级是ST 1570/1770。无粘结预应力的选择了低摩阻力μ=0.06这样可以减少锚具数量，仅沿环向对称布置四组锚具。每一套锚具重量约2640kg,环向长度约270m，而且，每一根冷拉钢缆单独布置，预应力张拉点的布置见下图。

30. ８ 上环梁无粘结预应力加强

31. 9　预应力钢筋砼构件 该塔内的预应力构件包括淋水构架和防噪墙构架，必须采取涂层防腐措施，涂层材料采用丙稀酸树脂或共聚物，涂层厚度>80μm。这意味着制作这些构件过程中要增加费用和耗时；脱模后要对每一根构件进行存储,翻转并喷涂每一面，这需要相当大的场地，这在该塔现场是不好实现的，而且制作工效很低。考虑到上述原因,与使用高强抗酸砼的方案相比，通过技术和经济比较，承包商决定使用抗酸砼来生产预应力构件，并得到了业主的批准。 　　与塔筒相比，对构件的砼配合比作了少许调整，称作SRB45/85，因为B45是预应力单元所要求的并与塔筒砼予以区别。这个调整在于微粒硅土的掺加量和调整骨料级配曲线。在施工期间,预应力构件的生产地在北部巴伐利亚地区，装卸速度每天20根，运输到现场并进行安装。

32. 10　冷却塔结构的监测 　　该塔的监测有两个关键点:首先要检查烟气或湿气渗入砼后的状况。为此，沿塔筒外侧的高度方向在四个位置布置了测点，放置砼试件，为便于监测，试件放置在上塔爬梯休息平台附近，其它的砼试件放在淋水填料格栅和下环梁处，一年两次定期检测并将结果与以前的检测结果进行比较。第二是检查塔筒的静态工况，沿塔筒高度方向和圆周方向安装12支地震检波仪，根据测量结果可得到冷却塔的自振频率。连续测量塔筒自振频率，如果发生了变化说明冷却塔结构有损坏，比如:出现了裂缝。 　　为了弄清这些变化的起因，还要进行三方面的测量：第一是每年检查冷却塔塔筒的支柱是否发生沉降。第二是连续不断地测量风向和风速，并记录这些数据。第三是在测风速的同样位置测温。 　　要求这些监测连续不断的进行,一旦连续测量的风速和温度显示超过了极限值，则安装的地震检波议就会立刻测定其自振频率。无此情况发生时,每年检测一次或两年检测一次。这样，运行人员可以不断地获得有关冷却塔壳体状况的信息,并对下一步检查采取可能的措施。

33. 愿与新老朋友携手合作 共创辉煌！ 2009年04月21日 南京