冷却塔导流装置结构布置形式及受力特性研究

陈政清++田静莹++牛华伟 陈谨林++罗树青

摘要：为了获得自然通风冷却塔进风口导流板在风荷载作用下的受力特性以指导导流板的结构设计，采用ANSYS对其进行了有限元仿真分析。结果表明：导流板的位移与应力随剪刀撑的增多而减小，但减小的速度会逐渐减慢；导流板的位移与应力和导流板底部与基础连接的螺栓数量无关，但与其布置的位置有明显关系，螺栓位置越向外，导流板应力与位移越小；导流板位移与应力的最大值集中在最底部2根横梁和2根竖向立柱处；在设计时剪刀撑的最优数量为12对，底部固定螺栓只需4～5排，且应尽量靠外布置，最底部2根横梁和2根竖向立柱的尺寸应比其余杆件大。

关键词：冷却塔；导流装置；结构设计；有限元仿真；ANSYS

中图分类号：TU279.7文献标志码：A

0引言

冷却塔作为发电厂重要的冷端设备被广泛使用，其作用是将挟带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，将废热传输给空气并散入大气。冷却塔的分类方式有多种，[HJ]按通风方式分为自然通风冷却塔、机械通风冷却塔与混合通风冷却塔。自然通风冷却塔因运行费用低而更为经济，所以被广泛使用[1]，它利用受热空气的自然浮力所产生的运动带走热量，这一工作特性使得冷却效率必然明显受到环境条件的影响（如环境大气温度、自然风等），尤其是横向自然风的影响[2]。各国进行了大量自然风对冷却塔冷却性能影响的研究。赵元宾等[3]的研究表明侧风会使塔纵向通风量降低，对填料区传热传质强度形成不利影响，使出塔水温升高，而通过改善进风口空气动力场可以降低环境侧风的影响。高明等[4]的研究表明侧风环境下冷却数随侧风风速的增加呈现先减小后增大的趋势。为降低环境侧风的不利影响，白俄罗斯国家科学院发明了空气动力涡流调节装置（导流板）用来提高冷却塔的效率。戴振会等[5]对比了某电厂采用导流板和未采用导流板的冷却塔运行性能数据，验证了在进风口安装导流板后冷却塔的冷却性能得到了改善。徐士倩等[6]通过数值模拟发现，加装导流板后冷却塔背对来流的一侧也有很大一部分气流进入冷却塔底部，增加了进气量，且导流板改变了气流的流向，产生气流的正切扭转，在冷却塔内部形成了稳定的旋转上升气流，使空气旋转上升，可以增加中心区域空气扰动，增强换热能力，改善冷却塔的冷却性能。周昊等[7]对导流板进行了优化设计，得到了其结构参数与安装角度，结果表明加装导流板后冷却塔内水的温降平均增加了1.2 ℃。为了使导流板达到最好的效果，金童[8]计算了导流板的安装角度对冷却塔性能的影响，当导流板与雨区圆周切线成45°放置时冷却效果最好。胡丹梅等[9]对导流板的安装角度、长度、安装数量和形状进行了结构参数优化。

之前的研究都是针对导流板对冷却塔冷却性能的优化研究，而当冷却塔处于沿海台风区时，在风荷载作用下结构本身的受力情况与优化设计极其重要。相关设计规范条文与研究成果的缺乏致使导流板设计缺乏有效参考，对导流板的设计带来了极大不便。鉴于此，本文以沿海某电厂冷却塔导流装置为研究背景，选取常见静风作用形式对导流板进行受力分析，指出导流板的受力薄弱区，并在不影响导流板导流作用情况下进行结构的受力优化。

1工程概况

1.1导流装置结构布置

某电厂冷却塔位于浙江东南沿海岛屿丘陵区，属于台风多发区，累计年平均风速5.27 m·s-1，为中国同类型工程之最，自然侧风对冷却塔冷却效果影响更大。为了减小自然侧风的影响，在冷却塔进风口人字柱外设置导流装置。冷却塔导流边界导流装置形式为玻璃钢面板与钢结构骨架组成的复合体，整体结构包括导流板本体、环向连杆、板间剪刀撑、安装螺栓及预埋件等。

该电厂冷却塔导流板平面如图1所示，沿环向共设置72片导流板，且每片导流板与圆周的夹角均为85°。单片导流板钢骨架如图2所示，每片导流板钢结构骨架由6根横梁、2根竖向立柱以及1根斜向立柱组成，在钢骨架中使用玻璃钢面板填充成整体。所有横梁、斜向立柱以及外侧的竖向立柱均为工字梁，内侧的竖向立柱为圆管钢。导流板之间通过环向连杆连接成整体，环向连杆穿过工字型横梁的腹板将各片导流板连为整体，见图3。为提高结构的整体刚度和稳定性，在导流板之间环向等间距设置剪刀撑，并在相同部位内外共同布置2道交叉支撑，剪刀撑和单片导流板的连接点为图2上的点1～6，其布置形式如图4所示。导流板通过在底部横梁上设置螺栓与地面连接，螺栓布置见图5。

针对边界条件难以准确界定的特点，计算分析中通过选择较不利的支撑边界条件来模拟实际结构的最不利状态，主要包括：①环向连杆、剪刀撑与立柱和横梁的连接、横梁与立柱的连接采用铰接，即形成支撑在承重梁或柱上的简支梁构件；②底部仅约束螺栓所在的节点，分别计算这些节点铰支与固支状态下的结果以确定底部边界支撑的影响；③剪刀撑下端支点部位会承受较大的荷载，约束方式与螺栓部位的节点约束一致。结构的横梁、立柱、剪刀撑与环向连杆采用Beam188单元模拟，分别采用sectype，id，beam，I（工字型）与sectype，id，beam，ctube（圆管型）命令定义Beam188的梁截面，并使用secdata命令输入截面的尺寸。结构的玻璃钢面板采用Shell63单元模拟，实际中玻璃钢面板几乎不能提供刚度，所以常数与弹性模量应定义得尽量小。

建立1片导流板的单元后，将坐标系原点移动至冷却塔圆心位置并在柱坐标系下分别复制已建立的导流板节点与单元，完成所有导流板单元的建立。

使用endrelease，，-1，ball命令使环向连杆、剪刀撑与立柱和横梁的连接、横梁与立柱的连接变为铰接。先选择2种构件单元的共节点，再选择使用此节点的单元，通常会有3个单元，需要从中任意选择2个属于不同构件的单元再使用endrelease命令，此时原节点处会自动生成另一个节点，取代被选择的其中一个单元的原节点，新生成的节点与原节点之间只耦合了线位移，2个构件单元就从共节点的固接变为了铰接。