排烟冷却塔动力特性能分析

排烟冷却塔动力特性能分析
杜　伟　张广怀
(1.
西安金地置业投资有限公司　710075　西安)
摘　要:本文结合国内某电厂“烟塔合一”改造工程,采用有限元方法,探讨了开孔前后双曲线冷却塔动力学性
能的影响,其结论可供工程参考。

关键词:“烟塔合一”动力性能有限元方法
双曲线冷却塔是以承受风荷载为主的高耸空间薄壳结构。

近一个世纪里,人们对双曲线冷却塔进行了大量的理论计算、现场实测与模型实验工作。

特别是1965年英国渡桥(Ferrybridge )电站三座大型冷却塔(高114m ,底部直径91.5m )倒塌事故之后以及核电的日益发展,冷却塔的结构安全引起工程界的广泛关注。

“烟塔合一”即取消火电厂中的烟囱,将除尘脱硫后的净烟气经自然通风冷却塔排放。

国外在70年代已开始研究和使用该技术,通过不断地试验、研究和改进,目前该技术已日趋成熟,近年来,在西方国家特别是西欧的新建闭式循环发电厂中,几乎无一例外的采用了“烟塔合一”技术排放脱硫后的烟气(图1)。

国内这方面的研究则刚刚起步。

特别是采用“烟塔合一”技术在冷却塔筒壁上预留或开凿大尺寸孔洞对冷却塔本体动力学性能影响的研究基本上处于空白。

鉴于现场实测与模型实验往往费用过高,利用有限元方法无疑是有效的手段之一。

本文结合国内某电厂既建双曲线冷却塔的塔筒改造(结构开孔)工程,采用有限元方法探讨了开孔前后双曲线冷却塔整体力学性能的影响,以及受洞口尺寸、位置、高度、洞口形状及与主导风向夹角等因素的影响,洞口边缘的应力集中问题,以期有益于“烟塔合一”的应用。

图1　某电厂“烟塔合一”工程净烟气管道实例
1.概况
某电厂既建的双曲线冷却塔,1994年竣工,塔筒及斜支柱均采用C30混凝土(普通硅酸盐水泥)。

原结构有关几何参数如下:
塔筒底部(斜支柱顶部)标高7.402m ,喉部标高84.575m ,顶部标高103.373m 。

塔筒底部半径38.7970m;喉部半径21.660m;顶部半径23.262m 。

塔筒厚度自底部由0.65m 递减至喉部0.17m ,喉部至塔筒顶部则由0.17m 渐增至0.34m 。

塔筒由40对直径为600mm 的人字形斜支柱支撑。

2.有限元分析模型2.1.基本假定
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2008年11月总第161期 陕西建筑
斜支柱与塔筒底部刚性环梁为刚性连接,斜支柱与基础亦为理想刚性连接。

塔筒从底部到喉部、喉部到顶部,其厚度按线性规律变化(图2)。

图2　有限元模型
2.2.单元选用与材料常数
双曲线冷却塔塔筒为旋转壳结构,将塔筒离散为弹性平面四边形壳单元,每个单元有四个节点,每个节点有6个自由度,即x,y,z 位移方向及绕x,y,z 轴旋转方向。

可以承受与平面同方向或者法线方向的荷载。

同时,考虑壳单元的弯曲及薄膜特性,单元每一节点的厚度可通过节点空间相对坐标进行计算。

斜支柱则采用空间梁单元,具有拉、压、扭转和弯曲能力,每个节点有6个自由度,包括x,y,z 方向的位移自由度和绕x,y,z 轴旋转方向的自由度。

塔筒及斜支柱弹性模量取为E =2.8e10Pa,泊松比v =0.2,密度为ρ=2500kg/m 3。

3.排烟冷却塔动力学特性分析
塔筒开孔后降低了冷却塔结构的整体刚度,引起结构刚度中心和重心的分离,这些因素将影响到结构的动力特性。

本文通过对比开孔前后及不同洞口高度时结构的动力特性(频率、振型、振幅)的变化,探讨开孔及洞口高度对结构动力特性的影响。

3.1.频率
图3对比未开孔、15m 标高开孔和35m 标高开孔时的前18阶频率,计算数据表明:
(1)开孔后冷却塔的自振频率降低,较之未开孔
时,频率降低不超过3%。

(2)冷却塔的最低自振频率一般为0.5～2Hz 范
围,本文计算结果表明该冷却塔的前六阶频率介于0.80～1.30Hz 之间。

(3)冷却塔的最低几个自振周期比较接近,计算
时应考虑多振型的影响。

如只考虑最小自振频率的影响,总效应应增加小于10%的值。

本文的计算结果验证了这一结论。

(4)塔底边界条件对自振频率的影响。

塔底愈刚硬,自振频率也就愈低,对结构抗风性能有利。

(5)子午线形状对自振频率的影响。

双曲冷却塔的中面双曲线方程可写成:
r 2
=r 2
mm +
αz 2
r m in 式中r m in 为最小半径,即喉部半径。

上式决定
于α,由于α值的不同,塔的子午线形状也不同,当α=0时退化为圆柱壳。

计算结果表明,圆柱壳的自振
频率最低,对抗风最为不利,所以,优化子午线形状可以提高冷却塔的抗风能力。

图3　三种状况下频率比较
3.2.振型与振幅分析
计算表明,较之未开孔,分别在15m 标高开孔和35m 标高开设直径为8m 的孔洞时,可以忽略其对振
型的影响,图4给出了双曲线冷却塔的前六阶振型。

图5比较了未开孔、在15m 标高开孔和在35m 标高开孔的三种状况下双曲线冷却塔(下转第29页)
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用钢筋混凝土管道。

(2)立面造型设计
二府庄医院设计在满足功能的前提下,采用对称的造型手法,以主入口的中心线为对称轴,左右对称;竖向方面将立面分成三段式,一层为第一段,由大门及方窗组成,最下部为黄褐色花岗岩勒脚;第二段为二层至七层,主要由条形窗和方窗组成,八层为玻璃幕墙为第三段;整个立面形成从点到线到面有韵律有秩序的过渡变化,立面的两侧一至八层采用竖向方窗压线的做为收尾,形成整个立面在错列有序变化中的参照物。

细部装饰方面顶层设备间的檐口采用重檐弧角檐口,并在每层设有双层深灰色色带与其呼应;
使整个立面虚实对比强烈,错落变化有致,形成典雅、
清新、脱俗的立面效果。

(下附二府庄医院效果图)
(上接第40页)的振幅,由于已经证实,可以忽略对振型的影响,所以振幅的对比一定程度上反映了开孔对结构整体性的影响。

计算数据及对比图表明,开孔后冷却塔的振幅有所增大,较之未开孔增大不超
过4%。

较之未开孔,35m
标高开孔时振幅最大;15m 标
高开孔时,次之。

图4　第一～六阶振型
图5　三种状况下频率比较
4.结论
本文通过数值分析方法,对比了开洞前后(洞口直径为8m )双曲线冷却塔的动力学性能,其主要结论可归纳如下:
(1)较之未开孔,开孔后冷却塔的自振频率有所
降低,但不超过3%。

(2)可以忽略开洞对双曲线冷却塔的振型的影
响。

(3)较之未开孔,开孔后冷却塔的振幅有所增大,
但不超过4%;其中,35m 标高开孔时振幅最大,15m 次之。

依据标准及参考文献:
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of Cooling Towers at Ferrybridge on Monday,1Nove mber 1965[R ],Central Electricity Generating B r oad ,H.M.Stati onary Office,London,England,1966,1-9.[2]国家标准《建筑结构荷载规范[S ]》,G B50009-2001.
[3]坎米尔・希缪.罗伯特.H.斯坎伦著,刘尚培,项
海帆等译,《风对结构的作用———风工程导论(第二版)[M ]》.上海:同济大学出版社,1992,278-288
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