.01.27国产1000MW级超超临界机组间接空冷设计优化_1000mw空冷机组

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国产1000MW级超超临界机组间接空冷设计优化

蒋华

（中电神头发电有限公司，山西省朔州市 036011）

Domestic 1000MW ultra-supercritical units indirect air cooling design

optimization

Jianghua

(CPI SHENTOU POWER CO., LTD.Shuozhou City, Shanxi Province 036011)

ABSTRACT： In this paper, an indirect air-cooled super(especially)the CPI SHENTOU 2 × 1000MW ultra-supercritical unit project(reference works)Large Cold Tower(205 meters high tower)of the structure, as well as inter-cooling proce optimization design system solutions are briefly elaborated, summed up the experience, put forward relevant proposals to design a similar project to provide reference.接空冷塔引起了业内各方的高度关注。超（特）大型冷却塔尽管在设计分析计算上不存在困难，但在一些系数的选取上由于受到国内规范的限制和目前国内规范制定时的试验数据均出自以往较小的冷却塔试验结果。鉴于以上情况，中电神头2×1000MW级间接空冷工程委托国内相关科研院所及设计单位进行了多方面的研究分析：数模计算，大量风洞试验，有限元分析和非线性分析等。在超（特）大型间接空冷塔结构以及工艺系统设计方面进行了优化。（目前，参考工程尚处于设计阶段，最终参数以设计院施工蓝图为准）

KEY WORD: 1000MW level;ultra-supercritical;indirect air cooling;design;optimization

摘要：本文就中电神头2×1000MW级超超临界机组工程（参考工程）间接空冷超（特）大型间冷塔（塔高205米）的结构，以及间冷工艺系统方案的优化设计进行了简要阐述，总结了相关经验，提出了相关建议，给相似工程的设计提供参考和借鉴。关键词：1000MW级；超超临界；间接空冷；设计；优化

0.前言

目前，因超（特）大型冷却塔的设计多项内容突破了《工业循环冷却水设计规范》（GB/T 50102）、《火力发电厂水工设计规范》（DL/T 5339）和《构筑物抗震设计规范》（GB 50191），世界也尚未有1000MW级超超临界机组间接空冷实际建成投运的实际经验可循（世界上最高冷却塔为德国的Niederauem 电厂1000MW机组湿冷塔，其塔高为200m,零米直径为152m），所以，国内电力建设单位能否建设超（特）大型间

1.1000MW级超（特）大型间接空冷塔结构优化

1.1超（特）大型间接空冷塔结构设计 1.1.1风荷载分布及风振系数的适用性目前，国内有关冷却塔结构设计的规程规范有三本《工业循环冷却水设计规范》（GB/T 50102-2003）、《火力发电厂水工设计规范》（DL/T 5339-2006）和《构筑物抗震设计规范》（GB 50191-93）。在上述前两本规范中均对风振系数的取值限制塔高在165m以内。由于各国规范体系的不同其风荷载的取值方法有所不同，我国的风荷载标准是取10米高处10分钟的平均最大风速作设计荷载。而一些国家取3秒钟的平均风速例如英国、澳大利亚等；俄罗斯和东欧一些国家取2分钟的平均风速，更多的一些国家以所谓的瞬时风速为标准，美国比较特殊是以英里/小时为标准，也就是以单位里程内的平均风速为标准。由于规范体系的不同，各国的风荷载的计算也就不同。例如德国《冷却塔结构设计》（VGB-R610Ue）标准中就没有风振系数，也没有对塔高的限制。塔体外形尺寸的确定和风荷载的分布都是非常重要的。特别是需要考虑随着塔的高度增加，塔的特征频率将降低，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。所有这些分量在实际应用时可以考虑为准静态的。通过对中电神头1000MW级机组205米高超（特）大型间接空冷塔线性与非线性有限元分析对比，得到如下三点结论：

1）当风载荷为9倍标准风压时，冷却塔开始进入弹塑性状态，当13倍标准风压时，冷却塔大部分区域进入弹塑性状态，且随着冷却塔风载荷的增加，存在明显的内力重新分配现象，并使冷却塔趋于均匀化。

整体有限元模型

标准风压下的弹塑性模型 0度

10倍风压下的弹塑性模型 0度

10倍风压下的弹塑性模型 180度

1E+0078E+0066E+0064E+0062E+0060-2E+006-4E+006-6E+006-8E+006012345弹塑性线弹性678

13倍风压下的弹塑性模型 0度

90度处支柱上端轴力随时间变化（横坐标：时间，纵坐标：轴力）

1E+0078E+0066E+0064E+0062E+0060-2E+006-4E+006-6E+006-8E+006012345678弹塑性线弹性

13倍风压下的弹塑性模型 180度 2）在8度地震作用下，冷却塔的大部分区域为线弹性，在支柱与壳体连接处的单元存在着应力集中现象，而进入弹塑性状态。对于8度地震区，用线弹性动力分析结果进行设计是可行的。

2.5E+0062E+0061.5E+0061E+006500,0000-500,000-1E+006-1.5E+006-2E+00601234567890度处支柱上端轴力随时间变化（横坐标：时间，纵坐标：轴力）

40,00030,00020,00010,0000-10,000-20,000-30,000-40,000012345678弹塑性线弹性

线弹性90度处支柱上端径向弯矩随时间变化（横坐标：时间，纵坐标：径向弯矩）3）仅考虑风载作用下冷却塔施工期稳定性分析，该冷却塔的施工期临界风载(或临界风速)远大于设计风速，有足够的安全储弹塑性

备，且一般情况下随塔高增加，临界载荷降低。

1.1.2抗震特性与稳定性及非线性问题 1.1.2.1在冷却塔的设计分析计算工作中，不论塔体的大小，其计算的力学模型均0度处支柱上端轴力随时间变化

（横坐标：时间，纵坐标：轴力）是相同的。只是塔的高度和直径超过了现行规范的适用范围，当塔的直径和高度的增加使得在以往小塔认为不重要的问题，对超（特）大型塔就变得尖锐起来了。例如：地震力对于小塔不重要，而对超（特）大型塔就相对重要了；由于塔的直径很大，地基的不均匀性更为突出；同样，塔直径加大后在外界荷载和各种外部作用下及砼的内在因素影响下，沿着塔筒圆周在子午向上的裂缝更容易产生，这种裂缝对塔体的动力特性和屈曲稳定性的影响很大；施工缺陷的影响、地震反应的时程分析、地基的不均匀性下沉及风振作用下的稳定性问题等等都是冷却塔变大后面对的新问题。

1.1.2.2冷却塔结构尺寸的加大，非线性问题也将突显。因冷却塔的壁厚很薄，无论从静力还是从动力分析的角度来看，对超（特）大型冷却塔非线性问题是不能忽略的。传统设计中采用线性问题近似求解，在塔小时，相对误差不会很大，对于超（特）大型塔这种误差会变得不可忽视。从结构分析计算理论和设计规范上来看，各国规范标准中结构分析计算的理论是一样的，即在力学分析上没有太大的差别，只是材料的性能、构造要求、系数的选择、荷载的选用和计算工况等不一致。尤其风荷载的选用差距较大，这是各国规范体系不同造成的。但国内规范目前只提出了采用线性分析的方法，而国外规范提出了非线性分析的要求。例如德国《冷却塔结构设计》（VGB-R610Ue）规范中的3.3.3 节的标题是“非线性计算方法”，明确了有关材料的选用和计算原则性的要求。冷却塔薄壳结构存在的最大问题是其屈曲稳定问题比较突出，而屈曲稳定分析

计算又分为线性分析和非线性分析即分叉问题和极值问题。分叉问题采用求解特征值的方法属于线性问题，就目前的分析和计算手段来说没有什么问题，并且其求解的结果也十分稳定。但极值问题的分析和求解难度相对较大，主要涉及到非线性问题，非线性问题主要是求解有时不能收敛和材料关系的模型选取的合理性及对计算机性能的要求较高。但极值问题求解的结果更接近实际情况。目前，随着计算机技术、计算力学和有限元数值分析技术的发展，在国际上推出了许多商业通用有限元分析软件。例如比较知名的有ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、ADINA、SAP2000、ALGOR等，这些软件都可用来对冷却塔结构进行分析计算，并且都具有非线性分析功能。使得对特大型冷却塔采用非线性分析技术对其进行分析计算成为可能，这使得工程设计更为经济安全。随着分析计算理论的完善和手段的提高，可使设计的冷却塔面积与高度大大增加，设计效率也可大大提高。

1.2超（特）大型冷却塔结构型式根据间接空冷系统自然通风冷却塔结构的不同，应用于实际工程的空冷塔的主要型式有：钢筋混凝土结构自然通风冷却塔和钢架镶板结构自然通风冷却塔两种型式。目前，国内外火电厂间接空冷系统采用的冷却塔以钢筋混凝土结构的自然通风冷却塔为主；国外有少数火电厂间接空冷系统采用钢架镶板结构自然通风冷却塔，国内目前尚无实际工程采用。钢架镶板结构自然通风冷却塔主体结构全部采用钢结构，可以进行工厂机械化制造、加工，现场焊接、组装，节省人力，但整体消耗金属、钢材数量较大、造价较高。与之相比，目前国内劳动力成本相对低廉，钢筋混凝土价格较低，钢筋混凝土结构的空冷塔投资省、造价低，其与常规火电湿冷机组水冷塔基本类似，设计技术及施工经验相对较为成熟丰富，且应用广泛、造价较低。因此，目前在国内钢筋混凝土结构的空冷塔更为适用，参考工程空冷塔结构推荐钢筋混凝土。

1.3超（特）大型冷却塔塔型优化针对参考工程超（特）大型间冷塔，结合工程实际，从冷却塔的设计、基建、投资、安全等诸多方面考虑，按常规塔型（所谓常规塔型，在此主要是指壳底子午倾角、塔顶扩散倾角、喉部面积与壳底面积等的比例关系遵循通常相关规范要求）和非常规塔型（相比较常规塔型，对以上倾角、比例关系等数据进行了优化、创新）分别进行了深入研究，以钢筋混凝土常规塔型为基础、开发了钢筋混凝土小倾角塔型（非常规塔）。

1.3.1 常规钢筋混凝土冷却塔塔型经静力、动力、稳定性计算，确定间冷塔的结构尺寸如下：

冷却塔高：200.01m；冷却塔零米直径：178.18m；冷却塔出口直径：102.45m；进风口高度： 28.5m；冷却塔喉部直径：98.32m 冷却塔喉部高度：170.0m X支柱对数：52对 X支柱尺寸：1.6×1.0m 最小壁厚：0.31m 最大壁厚：1.7m

通过1000MW级机组间冷塔的线性、非线性有限元分析表明，当9倍标准风压时，冷却塔开始进入弹塑性状态，当13倍标准风压时，冷却塔大部分区域进行弹塑性状态。该冷却塔的极限风压为13倍标准风压，且随着冷却塔风载荷的增加，存在明显的内力重新分配现象，并使冷却塔内力趋于均匀化。

地震动力分析采用时程分析法。分析表明支柱与壳体的连接处有应力集中，且在90度位置应力最大。在任何时刻，在8度地震作用下，冷却塔的大部分区域为线弹性，只是在支柱与塔筒的连接处局部，由于存在较强的应力集中而进入了弹塑性状态。

1.3.2 钢筋混凝土小倾角冷却塔塔型（非常规塔）

对参考工程而言，减小冷却塔零米直径，可以极大改善冷却塔地基条件。工程位于晋北山区，场地沟壑纵横，在挖山填沟开垦出的场地上建设。4号冷却塔范围内有两条冲沟，冷却塔布置在回填土上，最大回填土高度13.4m米，给地基处理带来难度。为了避开冲沟，需要将冷却塔底部直径尽可能减小。对常规塔型，规范要求冷却塔支柱倾角在16～20°，所以减小冷却塔零米直径，塔高随之增加，工程量不降反增。放开支柱倾角16～20°的约束，采用较小的倾角，发现不改变塔出口直径及喉部曲率的前提下，可以大幅度减小冷却塔零米直径，从而减小塔本体钢筋混凝土工程量。

经静力、动力、稳定性计算，确定小倾角冷却塔的结构尺寸如下：

冷却塔高：205m；

冷却塔零米直径：138.50m；冷却塔出口直径：105m；进风口高度：32.5m；冷却塔喉部直径：101.00m 冷却塔喉部高度：155.606m X支柱对数：40对 X支柱尺寸：2.0×1.1m 最小壁厚：0.33m 最大壁厚：2.1m

1.3.3参考工程风洞试验、抗震研究及结构研究等成果如下：

1）非常规塔塔型抗风抗震性能满足规范要求。

2）基于其它工程刚性测压模型试验结果，采用风振响应一致耦合分析方法，得出B类场地单塔条件下该塔型冷却塔结构风振响应敏感部位出现在喉部迎风前缘；喉部断面典型节点风振系数的平均值为1.87；对于仅考虑单塔情况的初步设计，风振系数可按水工规范对于B类场地取1.9。

3）地震性能分析结果表明，小震作用下，该塔型冷却塔保持弹性，大震作用下，满足不倒塌的性能目标，并且有较大的安全余度；同时为确保延性仅发生在支柱中，建议对桩基采用能力保护设计，并注意强化柱端塑性铰区域的箍筋构造细节设计。

4）冷却塔在超越大震作用下产生由于局部破坏引起的倒塌，可能发生局部破坏的相对薄弱部位有X柱底端、X柱上端和塔筒喉部。引起冷却塔倒塌的水平双向峰值加速度在0.7g到1.1g之间，均高于冷却塔所对应的罕遇烈度（大震）的加速度峰值。

5）采用定常和非定常模型对单塔条件下塔筒内、外表面气动力荷载进行分析，给出了塔筒内、外表面以及空冷散热器封闭顶板风压分布系数、气动力系数的时间平均值和均方差值等气动力荷载参数，为塔筒结构

小倾角冷却塔数模分析包括：塔筒表面气动力荷载CFD计算模拟、静力荷载组合条件结构安全性检验和设计分析、动力荷载作用下结构安全性评定、冷却塔倒塌数值模拟分析等研究。

设计时风荷载的选取提供参考。

2.1000MW级超（特）大型间接空冷工艺系统配置优化

参考工程1000MW级超（特）大型SCAL间接空冷工艺系统划分为若干个子系统。系统工艺流程：主要由表面式凝汽器、空冷散热器、循环水泵、循环水补充水系统、散热器冲洗水系统以及空冷塔组成。凝汽器通常采用不锈钢管，循环冷却水为密闭的除盐水循环系统。

2.1 系统主要设计参数

设计气温：

13.5℃

传热系数48 W/m2·k

基管管径×壁厚（mm）：Φ25×1 翅片特征尺寸（mm）： 666×200 翅片厚度（mm）： 0.25 翅片间距（mm）： 3.8 2.4循环水系统

2.4.1 循环水泵给水方式优化

按照循环水泵出口水流方向的不同，循环水泵有两种给水方式：第一种给水方式：循环水泵出水管首先进入空冷散热器，而后再进入表面凝汽器；第二种给水方式：循环水泵出水管首先进入表面凝汽器，而后再进入空冷散热器。从理论上讲，两种给水方式均可行。通过对上述两种不同给水方式循环水系统的分析、计算，系统流量和阻力基本不发生变化，仅循环水泵耗功发生微小变化。以下是两种循环水泵布置的主要特点：第一种循环水泵布置方式：功耗稍小。系统中各管路、设备承受的静压力较小。设计背压：

11kPa 夏季设计气温：

30℃ 夏季设计背压：

28kPa 空冷散热器形式：

铝制六排管散热器总散热面积：

约2161806m2 空冷塔座数：

1座 2.2表面式凝汽器

凝汽器采用表面式，单背压、双流程，冷却管材质为不锈钢。系统密闭运行，水质稳定，无污染，不结垢。优化后凝汽器设计数据如下：

循环水流量：88000m3/h 冷却面积：约60000m2 凝汽器本体的设计压力：0.5-0.6MPa 2.3 空冷散热器

空冷散热器采用FORGO第六代铝制6排管。该散热器的基管为圆管，尺寸为φ25.4mm，翅片为大翅片，基管和翅片通过胀接方式连接，材质均为纯铝，表面经特殊工艺防腐处理，运行中不需特殊防护。空冷散热器管束采用双流程设计。

主要设计参数如下：

冷却三角尺寸（mm）：～2800×2740×28750 冷却三角迎面风速(m/s)：～1.96 总迎风面积传23887 m2

第二种循环水泵布置方式：与第一种循环水泵布置方式相比，功耗稍大，且通过表面式凝汽器的压力较大。

/ ～126m

喉部高度/喉部直径：

～160m / 101m 出口高度/出口直径：

205m /～105m

3.结论

参考工程205米间接空冷塔作为世界第一大塔，完成了超（特）大型间接空冷塔的动力特性和稳定性研究成果的同时，委托国

对两种布置方式的计算结果，并结合以往大量工程实际经验，考虑到设备管路长期的水压及水锤影响，参考工程循环水泵布置按采用第一种方式作设计——循环水泵布置在热水管路上，向冷却塔空冷散热器方向出水。

2.4.2循环水泵优化：每台机组设置一座循环水泵房，循环水泵布置于塔区循环水泵房内。每台机组设4×25%国产的立式离心循环水泵并联运行。每台机组循环水量88000t/h，循环水主管道直径为DN3400，每台循环水泵的流量Q≈6.11m3/s，H≈25m，电动机铭牌功率N≈2000kW。考虑每台机组设一台间接空冷系统循环水泵变频装置，以降低循环水泵的能耗。2.5 空气输送系统（空冷塔）

内相关科研院所及设计单位进行的风洞试验及抗震振动台试验结果将进一步确保超（特）大型冷却塔结构的安全。优化后的1000MW级超（特）大型间接空冷塔结构及工艺系统是可行的，随着参考工程建设的推进，必将为推动我国空冷技术的快速发展起到积极的示范作用。

参考文献

[1].《工业循环冷却水设计规范》（GB/T 50102-2003）、[2].《火力发电厂水工设计规范》（DL/T 5339-2006）[3].《构筑物抗震设计规范》（GB 50191-93）[4].《冷却塔结构设计》德国（VGB-R610Ue）

[5].丁尔谋.发电厂空冷技术[M] 北京：水利电力出版社，1992

[6].柴靖宇.1000MW超超临界机组空冷系统选型设计探讨电力建设；2009,06；0062-04

[7].李润森,张昌斌 1000MW等级空冷机组可行性研究[J] 自然通风冷却塔的空气输送系统由空冷塔、百叶窗及其电动执行机构等组成。利

电力勘测设计，2008,2；43-50

[8].Study of a proposed 200m high natural draught cooling 用双曲线型自然通风冷却塔内外空气密度差形成的抽力满足散热器冷却所需要的空气量。一台机组配置一座冷却塔，空冷塔优化后主要尺寸为：

空冷散热器外围直径：

～150m 空冷塔零米直径：

138.5m 空冷塔总高：

205m 进风口高度/进风口处直径：～32.5m