冷卻塔導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)布置形式及受力特性研究

陳政清++田靜瑩++牛華偉 陳謹(jǐn)林++羅樹(shù)青

摘要：為了獲得自然通風(fēng)冷卻塔進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流板在風(fēng)荷載作用下的受力特性以指導(dǎo)導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用ANSYS對(duì)其進(jìn)行了有限元仿真分析。結(jié)果表明：導(dǎo)流板的位移與應(yīng)力隨剪刀撐的增多而減小，但減小的速度會(huì)逐漸減慢；導(dǎo)流板的位移與應(yīng)力和導(dǎo)流板底部與基礎(chǔ)連接的螺栓數(shù)量無(wú)關(guān)，但與其布置的位置有明顯關(guān)系，螺栓位置越向外，導(dǎo)流板應(yīng)力與位移越?。粚?dǎo)流板位移與應(yīng)力的最大值集中在最底部2根橫梁和2根豎向立柱處；在設(shè)計(jì)時(shí)剪刀撐的最優(yōu)數(shù)量為12對(duì)，底部固定螺栓只需4～5排，且應(yīng)盡量靠外布置，最底部2根橫梁和2根豎向立柱的尺寸應(yīng)比其余桿件大。

關(guān)鍵詞：冷卻塔；導(dǎo)流裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元仿真；ANSYS

中圖分類號(hào)：TU279.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

冷卻塔作為發(fā)電廠重要的冷端設(shè)備被廣泛使用，其作用是將挾帶廢熱的冷卻水在塔內(nèi)與空氣進(jìn)行熱交換，將廢熱傳輸給空氣并散入大氣。冷卻塔的分類方式有多種，[HJ]按通風(fēng)方式分為自然通風(fēng)冷卻塔、機(jī)械通風(fēng)冷卻塔與混合通風(fēng)冷卻塔。自然通風(fēng)冷卻塔因運(yùn)行費(fèi)用低而更為經(jīng)濟(jì)，所以被廣泛使用[1]，它利用受熱空氣的自然浮力所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)帶走熱量，這一工作特性使得冷卻效率必然明顯受到環(huán)境條件的影響（如環(huán)境大氣溫度、自然風(fēng)等），尤其是橫向自然風(fēng)的影響[2]。各國(guó)進(jìn)行了大量自然風(fēng)對(duì)冷卻塔冷卻性能影響的研究。趙元賓等[3]的研究表明側(cè)風(fēng)會(huì)使塔縱向通風(fēng)量降低，對(duì)填料區(qū)傳熱傳質(zhì)強(qiáng)度形成不利影響，使出塔水溫升高，而通過(guò)改善進(jìn)風(fēng)口空氣動(dòng)力場(chǎng)可以降低環(huán)境側(cè)風(fēng)的影響。高明等[4]的研究表明側(cè)風(fēng)環(huán)境下冷卻數(shù)隨側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。為降低環(huán)境側(cè)風(fēng)的不利影響，白俄羅斯國(guó)家科學(xué)院發(fā)明了空氣動(dòng)力渦流調(diào)節(jié)裝置（導(dǎo)流板）用來(lái)提高冷卻塔的效率。戴振會(huì)等[5]對(duì)比了某電廠采用導(dǎo)流板和未采用導(dǎo)流板的冷卻塔運(yùn)行性能數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了在進(jìn)風(fēng)口安裝導(dǎo)流板后冷卻塔的冷卻性能得到了改善。徐士倩等[6]通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，加裝導(dǎo)流板后冷卻塔背對(duì)來(lái)流的一側(cè)也有很大一部分氣流進(jìn)入冷卻塔底部，增加了進(jìn)氣量，且導(dǎo)流板改變了氣流的流向，產(chǎn)生氣流的正切扭轉(zhuǎn)，在冷卻塔內(nèi)部形成了穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)上升氣流，使空氣旋轉(zhuǎn)上升，可以增加中心區(qū)域空氣擾動(dòng)，增強(qiáng)換熱能力，改善冷卻塔的冷卻性能。周昊等[7]對(duì)導(dǎo)流板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了其結(jié)構(gòu)參數(shù)與安裝角度，結(jié)果表明加裝導(dǎo)流板后冷卻塔內(nèi)水的溫降平均增加了1.2 ℃。為了使導(dǎo)流板達(dá)到最好的效果，金童[8]計(jì)算了導(dǎo)流板的安裝角度對(duì)冷卻塔性能的影響，當(dāng)導(dǎo)流板與雨區(qū)圓周切線成45°放置時(shí)冷卻效果最好。胡丹梅等[9]對(duì)導(dǎo)流板的安裝角度、長(zhǎng)度、安裝數(shù)量和形狀進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

之前的研究都是針對(duì)導(dǎo)流板對(duì)冷卻塔冷卻性能的優(yōu)化研究，而當(dāng)冷卻塔處于沿海臺(tái)風(fēng)區(qū)時(shí)，在風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)本身的受力情況與優(yōu)化設(shè)計(jì)極其重要。相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范條文與研究成果的缺乏致使導(dǎo)流板設(shè)計(jì)缺乏有效參考，對(duì)導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大不便。鑒于此，本文以沿海某電廠冷卻塔導(dǎo)流裝置為研究背景，選取常見(jiàn)靜風(fēng)作用形式對(duì)導(dǎo)流板進(jìn)行受力分析，指出導(dǎo)流板的受力薄弱區(qū)，并在不影響導(dǎo)流板導(dǎo)流作用情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)的受力優(yōu)化。

1工程概況

1.1導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)布置

某電廠冷卻塔位于浙江東南沿海島嶼丘陵區(qū)，屬于臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)，累計(jì)年平均風(fēng)速5.27 m·s-1，為中國(guó)同類型工程之最，自然側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔冷卻效果影響更大。為了減小自然側(cè)風(fēng)的影響，在冷卻塔進(jìn)風(fēng)口人字柱外設(shè)置導(dǎo)流裝置。冷卻塔導(dǎo)流邊界導(dǎo)流裝置形式為玻璃鋼面板與鋼結(jié)構(gòu)骨架組成的復(fù)合體，整體結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)流板本體、環(huán)向連桿、板間剪刀撐、安裝螺栓及預(yù)埋件等。

該電廠冷卻塔導(dǎo)流板平面如圖1所示，沿環(huán)向共設(shè)置72片導(dǎo)流板，且每片導(dǎo)流板與圓周的夾角均為85°。單片導(dǎo)流板鋼骨架如圖2所示，每片導(dǎo)流板鋼結(jié)構(gòu)骨架由6根橫梁、2根豎向立柱以及1根斜向立柱組成，在鋼骨架中使用玻璃鋼面板填充成整體。所有橫梁、斜向立柱以及外側(cè)的豎向立柱均為工字梁，內(nèi)側(cè)的豎向立柱為圓管鋼。導(dǎo)流板之間通過(guò)環(huán)向連桿連接成整體，環(huán)向連桿穿過(guò)工字型橫梁的腹板將各片導(dǎo)流板連為整體，見(jiàn)圖3。為提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性，在導(dǎo)流板之間環(huán)向等間距設(shè)置剪刀撐，并在相同部位內(nèi)外共同布置2道交叉支撐，剪刀撐和單片導(dǎo)流板的連接點(diǎn)為圖2上的點(diǎn)1～6，其布置形式如圖4所示。導(dǎo)流板通過(guò)在底部橫梁上設(shè)置螺栓與地面連接，螺栓布置見(jiàn)圖5。

針對(duì)邊界條件難以準(zhǔn)確界定的特點(diǎn)，計(jì)算分析中通過(guò)選擇較不利的支撐邊界條件來(lái)模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的最不利狀態(tài)，主要包括：①環(huán)向連桿、剪刀撐與立柱和橫梁的連接、橫梁與立柱的連接采用鉸接，即形成支撐在承重梁或柱上的簡(jiǎn)支梁構(gòu)件；②底部?jī)H約束螺栓所在的節(jié)點(diǎn)，分別計(jì)算這些節(jié)點(diǎn)鉸支與固支狀態(tài)下的結(jié)果以確定底部邊界支撐的影響；③剪刀撐下端支點(diǎn)部位會(huì)承受較大的荷載，約束方式與螺栓部位的節(jié)點(diǎn)約束一致。結(jié)構(gòu)的橫梁、立柱、剪刀撐與環(huán)向連桿采用Beam188單元模擬，分別采用sectype，id，beam，I（工字型）與sectype，id，beam，ctube（圓管型）命令定義Beam188的梁截面，并使用secdata命令輸入截面的尺寸。結(jié)構(gòu)的玻璃鋼面板采用Shell63單元模擬，實(shí)際中玻璃鋼面板幾乎不能提供剛度，所以常數(shù)與彈性模量應(yīng)定義得盡量小。

建立1片導(dǎo)流板的單元后，將坐標(biāo)系原點(diǎn)移動(dòng)至冷卻塔圓心位置并在柱坐標(biāo)系下分別復(fù)制已建立的導(dǎo)流板節(jié)點(diǎn)與單元，完成所有導(dǎo)流板單元的建立。

使用endrelease，，-1，ball命令使環(huán)向連桿、剪刀撐與立柱和橫梁的連接、橫梁與立柱的連接變?yōu)殂q接。先選擇2種構(gòu)件單元的共節(jié)點(diǎn)，再選擇使用此節(jié)點(diǎn)的單元，通常會(huì)有3個(gè)單元，需要從中任意選擇2個(gè)屬于不同構(gòu)件的單元再使用endrelease命令，此時(shí)原節(jié)點(diǎn)處會(huì)自動(dòng)生成另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，取代被選擇的其中一個(gè)單元的原節(jié)點(diǎn)，新生成的節(jié)點(diǎn)與原節(jié)點(diǎn)之間只耦合了線位移，2個(gè)構(gòu)件單元就從共節(jié)點(diǎn)的固接變?yōu)榱算q接。