排烟冷却塔筒壁预留烟道孔洞技术在三河电厂的应用

  1概述
    三河电厂二期工程装机容量为2×300MW供热机组。烟气排放采用“烟塔合一”技术，即利用冷却塔排放脱硫后的净烟气，取消烟囱。净烟气通过玻璃钢烟道分别进入3#、4#冷却塔内中心，与水蒸气混合后直接向上排放。每台机组配一座淋水面积4500m2的逆流式自然通风冷却塔，冷却塔高120m，环形基础的地基采用CFG桩进行地基处理。斜支柱采用35对直径为700mm的预制钢筋混凝土结构人字柱。经优化后的排烟冷却塔塔体结构尺寸如下：

三河电厂二期冷却塔工程是国内首个自主设计、建造的排烟冷却塔工程。
    2排烟冷却塔筒壁烟道孔洞位置、数量、大小的确定
    2.1排烟冷却塔筒壁烟道孔洞位置
    筒壁烟道孔洞位置与脱硫塔和冷却塔的布置有关，同时也取决于烟道的走向布置。国外净烟气烟道主要分高位和低位两种进塔形式。三河电厂二期排烟冷却塔工程烟道采用高位进塔布置方式，即烟道由吸收塔顶部通过90°弯头变成水平方向，直接引向冷却塔中心，烟道坡向吸收塔（考虑千分之几的排水坡度），烟道在冷却塔入口孔洞中心水平标高为39.0m。高位进塔与低位进塔相比，其优点是：①减少烟道弯头，缩短烟道长度；②节省烟道的支撑结构（包括基础等土建工程）；③减小烟道的压力损失；④提高了冷却塔中心烟气的浓度；⑤由于烟气出口高度的提高，烟气对冷却塔保护层的冲击降低，使冷却塔保护层的有效期延长；⑥高位孔洞处冷却塔壳体较薄，只有180mm，孔洞对整个壳体结构受力影响较小。
    2.2排烟冷却塔筒壁烟道孔洞数量
    烟道孔洞数量受两方面因素控制，即进塔烟道的数量和塔体本身结构的承受能力。既要考虑满足使用功能的需要，还要满足塔体结构的稳定性。排烟冷却塔在冬季供热工况下单台机运行时，是最不利的一种工况，是供热机组采用排烟冷却塔的最关键的工况。由于机组大量抽气，造成冷却水系统相应的热容量大为降低，从而影响排烟冷却塔的烟气抬升能力和扩散效果。
    为尽可能的提高热容量，三河电厂二期排烟冷却塔工程本次3#排烟冷却塔按双烟道设计（见图1），但只安装1根烟道，供3#机组使用。另一根烟道预留孔洞暂时用素混凝土封住，后期根据需要再安装第2根烟道。当冬季供热工况运行时，把2台机组的净烟气均排入3#塔，2台机组的循环冷却水也同时进入3#塔。此时，塔内冷却水系统的热容量约为额定工况下的50%，排烟冷却塔的运行及对烟气的抬升能力和扩散效果就能满足要求。
    4#排烟冷却塔也按双烟道设计（见图2），只安装1根烟道。预留的烟道位置主要是为5#机组使用4#排烟冷却塔排烟考虑的，这样5#塔可只作为普通冷却塔设计，不考虑内壁防腐，减少5#机初投资。2座排烟冷却塔按双烟道设计的目的和作用不同。

 2.3排烟冷却塔筒壁烟道孔洞直径
    设计单位根据排烟冷却塔内壁对烟气排放流速的要求和烟道运行内压、脱硫后烟气温度等因素，经综合计算，确定烟道内直径为5200mm。烟道材质经过比选确定采用玻璃钢材质，烟道最大外径5660mm。考虑到玻璃钢烟道吊装时要水平穿越冷却塔筒壁预留孔洞，为避免烟道与孔洞侧壁发生不必要的碰撞，设计时考虑预留孔洞适当大于烟道，最终确定直径为7000mm。
    3筒壁预留孔洞对塔体结构稳定的影响和采取的对策
    3.1预留孔洞对塔体结构稳定的影响分析
    本工程由于在筒壁上需要预留2个烟道进口，出现了空间上的不对称性，因此不能采用国内已有的冷却塔专用计算软件CTD5.0进行计算，而需使用大型有限元分析计算软件。设计单位采用了国际上通用的ANSYS有限元软件，并用另一种有限元软件ADINA进行设计复核。

 通过建立的3种计算模型（见图3）和每种模型在各种荷载作用下，对排烟冷却塔结构进行分析后得出：3种软件计算出的最大内力发生位置基本吻合，在塔体的变形规律上3种软件计算结果相近。但是在内力数值上有一定差距，但可以肯定，对环基配筋起控制作用的轴力、竖向弯矩和径向弯矩，ANSYS的计算结果偏大一些，因此用ANSYS来计算环基配筋是可靠的。
    3.2解决预留孔洞对塔体结构稳定影响的对策
    解决预留孔洞对塔体结构稳定影响的简单而有效的办法，就是对孔洞周边一定范围内的筒壁混凝土适当加厚（见图4，图5）。

这主要是通过对整体稳定计算结果分析得出的结论。通过采用特征值屈曲分析的计算结果对3种模型不同情况下的整体稳定计算结果对比后得出如下结论：冷却塔未开洞时其失稳形态属大范围失稳，冷却塔开洞后其整体稳定安全系数明显下降；开洞未加厚时其失稳形态基本则是洞口附近失稳，在对洞口周围适当加厚后，冷却塔的稳定安全系数明显回升，且不低于未开洞时的整体稳定安全系数，其失稳形态又变成了大范围失稳。由此证明在孔洞周边采用适当加厚的对策是行之有效的。
    4施工方法
    4.1模板及脚手架支撑体系
    三河电厂二期排烟冷却塔筒壁施工仍然采用传统的翻模工艺：筒壁混凝土内外模板用对拉螺栓联接固定，内外脚手架采用三角架体系与模板固定。三角架主要由围檩、水平杆、立杆、斜杆及环向连杆组成，支撑于下一节的三角架上，三角架体系安装牢固后，水平方向成为一个圆刚性环，能有效约束混凝土向塔壁内侧倾斜；竖向由多层三脚架体系联接组成，形成一个超静定支撑体系。整个模板和脚手架系统用以承担施工过程荷载和混凝土向内（外）倾斜力荷载。按照设计要求，当欲拆模板的上节混凝土强度达到设计值时，即可拆除该节模板及支撑体系并翻运到顶层继续使用。
    4.2洞口加固体系
    冷却塔筒壁高位预留孔洞，在国内冷却塔施工中属新工艺、新技术。最关键是要解决孔洞处脚手架体系和混凝土结构在该处的连续性，最终保证该部位的稳定性。经多方论证核算，最后采用布设型钢加固方案（见图6）。即采用6道型钢梁替代原混凝土的作用。每道型钢由2根［20a槽钢组成，并通过连接板联结；每道梁上下间距按每节模板两处设置，分别对应于对拉螺栓位置；每道槽钢按照对应位置处塔壁的水平半径加工成圆弧形，所有圆弧槽钢全部与经过加固的洞口预埋件焊接连接，槽钢梁之间再加设腹杆以形成整体桁架体系。在对拉螺栓位置处，穿入直径20mm的圆钢管并与槽钢焊接。模板和脚手架便可以固定在钢梁桁架上，筒壁施工的三角架系统得以在此连续并支撑三角架、施工荷载和混凝土环向荷载，保证脚手架体系和混凝土结构水平方向刚性环的完整性。型钢梁及其支撑系统的安装随每节翻板同步施工。

4.3施工过程注意的问题
    预留孔洞施工的风险主要在孔洞封闭前洞口段的变形或整体坍塌。为了防止出现变形和坍塌情况出现,要做好以下几方面的工作：
    （1）荷载是通过模板的对拉螺杆传递给槽钢梁的，对拉螺杆的稳定和钢梁的稳定至关重要。安装前检查对拉螺杆套丝和螺母是否完好，安装后检查螺母的拧紧程度。桁架梁安装要与设计计算书相吻合,焊口的位置,焊缝的高度,焊接的质量等要进行认真的检查。
    （2）三角架体系安装完成后,成为一个水平的刚性环,能有效控制孔洞段两侧的混凝土向内侧倾斜。三角架的稳定直接关系到洞口段的变形,杆件本身有变形的不能安装,安装时螺丝要拧紧,斜杆的花篮螺丝要拧紧。这样就能保证三角架成为一个刚度较好的整体。
    （3）每次翻模前要检查混凝土的强度。如果在翻模时或上层混凝土浇灌时,受力层混凝土的强度不足,可能引起整体坍塌。所以同条件试块至少做2组,保证洞口段有1组。强度达到设计值后,才能进行翻模施工。混凝土浇筑时，先从孔洞处起，使该处混凝土固化时间长于同批次，强度在同批次最高。
    5结束语
    三河电厂二期工程排烟冷却塔作为国内首个自主设计、建造的排烟冷却塔工程，其筒壁预留烟道孔洞技术是设计初期重要研究课题之一。经过设计人员精心优化设计，使得排烟冷却塔在结构稳定性方面满足设计规范要求，在使用功能上满足生产需要；通过施工人员的努力，采用新技术、新工艺，科学严谨地实现了设计意图。目前国内新上火电机组采用冷却塔排烟技术已成一种趋势，三河电厂排烟冷却塔筒壁预留烟道孔洞的设计思路和施工方法对该类工程具有借鉴意义。