[摘 要] 大型双曲线冷却塔是火电站的必备设施，可将工业水中的热量散出，保持了电力生产系统的安全运行。火力发电是电能产出的重要途径，其利用燃烧原料燃烧产出热能，再转换成电能供应使用。我国以火电厂为主的发电场所，正面临着大范围的改造活动。大型发电厂采用的冷却构筑物基本上都是双曲线冷却塔，综合分析，大型双曲线冷却塔热力及结构优化选型，具体设计过程中还要注意相关指标的控制。当具备了足够的分析材料，发电厂便可以制定相关的优化处理方案，以尽快抑制冷却塔结构异常问题的扩大化。文章对此进行分析。
[关键词] 大型双曲线冷却塔；热力；结构优化；选型
[作者简介] 王延东，中国能源建设集团广东省电力设计研究院工程师，硕士研究生，研究方向：电厂设计，广东 广州，510663
[中图分类号] TM621 [文献标识码] A [文章编号] 1007-7723（2012）07-0026-0003
我国正处于经济飞速发展时期，工业生产需要消耗的电量逐渐增多，原始电力生产系统日趋呈现了其落后的发电能力。大型双曲线冷却塔是火电站的必备设施，可将工业水中的热量散出，保持了电力生产系统的安全运行。考虑到发电厂规模改造的策划要求，大型双曲线冷却塔应注重热力及结构的优化选型。
一、冷却塔的介绍
电力供应是社会生产的主要活动，通过利用其他能源有效地转换为电能，向企业或个人用户提供了优越的供电服务。火力发电是电能产出的重要途径，其利用燃烧原料燃烧产出热能，再转换成电能供应使用。我国以火电厂为主的发电场所，正面临着大范围的改造活动，如：厂内面积、基础设施、调配系统等均实施了优化改造，以进一步完善电力生产体系。大型发电厂采用的冷却构筑物基本上都是双曲线冷却塔，其结构、原理、功能等情况如下：
（一）结构
冷却塔由集水池、支柱、塔身和淋水装置组成。集水池多为在地面下约2m深的圆形水池。塔身为有利于自然通风的双曲线形无肋无梁柱的薄壁空间结构，多用钢筋混凝土制造。大规模发电厂所用的双曲线冷却塔，在结构上与上述基本一致，只有外形布局上呈现出“曲线形”，这与其实际冷却循环系统的功能需要存在联系。
（二）原理
冷却塔是利用空气同水的接触（直接或间接）来冷却水的设备。具体原理：以水为循环冷却剂，从一系统中吸收热量并排放至大气中，从而降低塔内循环水的温度，制造冷却水可循环使用的设备。根据这一原理，发电厂保持冷却塔内水量充足，便可以及时地将工发电用水的热能排出，对整个电力生产系统具有良好的冷却作用。伴随着电力行业的快速发展，冷却塔实施的功能趋于完善，适应了大规模生产发电的需要。
（三）功能
火电厂、核电站的循环水自然通风冷却是一种大型薄壳型构筑物，为了节约用水，需建造一个循环冷却水系统，以使得冷却器中排出的热水在其中冷却后可重复使用。调查显示，国内90%以上的大型电厂，均根据实际发电生产需要选择了不同形体的双曲线冷却塔，设置于电力生产系统里发挥了良好的散热功能。从安全角度考虑，双曲线冷却塔对维持发电厂内环境的安全性也有帮助。
二、大型双曲线冷却塔热力及结构优化选型
随着发电厂电力生产规模的扩大，早期常规冷却塔的应用功能已满足不了冷却水系统的作业要求，及时改造冷却塔才是维持电力系统运转的根本。专家指出，发电厂冷却塔热力散出情况与其构筑物的结构布局存在密切关联，对冷却塔结构实施优化选型可提高其冷却性能。
（一）塔高
双曲线冷却塔的高度大小，不仅关系着构筑物结构布局的合理性，对塔配水系统的循环运行也有影响。估计到热力指标的要求，塔高设计选型要符合发电厂的生产要求。冷却塔高度一般为75～150m，底边直径65～120m。塔内上部为风筒，筒壁第一节以下为配水槽和淋水装置，统制为淋水构架，多用PE或PVC材料制成。
（二）蓄水池
发电厂电能产出量不断提高，冷却塔内蓄积的电力用水量也越来越大，这就要设计出一个相对稳定的蓄水区域。蓄水池是大型双曲线冷却塔的蓄水结构，通常都设置于冷却塔的底部。蓄水池优化选型应详细地分析冷却塔上部结构的重力荷载，防止其对底部蓄水池造成过载承压，损坏了蓄水池的完整性，如：设计抗裂、抗震结构等。
（三）淋水装置
对于电厂冷却塔而言，对其冷却作用起着决定性作用的是淋水装置。选择合适的淋水装置，能够让冷却塔内蓄存的水与空气充分接触，扩大了蓄水池水循环的流通效率，促进了冷却水之间的热力交换。大型发电厂双曲线冷却塔优化选型中，需注意淋水装置的配置，具体要求：超过冷却塔表面积，空气阻力小，填料中的水流持续流通等，最佳选用填料有木质板条、纸蜂窝、石棉水泥板等。
（四）塔筒
冷却塔通风筒包括下环梁、筒壁、塔顶刚性环。下环梁位于通风筒壳体的下端，风筒的自重及所承受的其他荷载都通过下环梁传递给斜支柱，再传到基础。筒壁是冷却塔通风筒的主体部分，它是承受以风荷载为主的高耸薄壳结构。其壳体的形状、壁厚，必须经过壳体优化计算和曲屈稳定来验算。
（五）斜柱
斜支柱为通风筒的支撑结构，主要承受自重、风荷载和温度应力。斜支柱在空间是双向倾斜的，按其几何形状有“人”字形、“V”字形和“X”字形柱，截面通常有圆形、矩形、八边形等。双曲线冷却塔热力结构优化，设计人员要按冷却塔的双抛物线设计，并且保证基础主要承受斜支柱传来的全部荷载。
三、结构优化选型设计的注意事项
大型发电厂在生产规模、电能产量、设备组合等方面，与中小型电厂存在着明显的差异，厂内冷却塔承担的工作荷载也很大，若不注意控制将会破坏构筑物的结构功能。综合分析，大型双曲线冷却塔热力及结构优化选型，具体设计过程中还要注意相关指标的控制。当具备了足够的分析材料，发电厂便可以制定相关的优化处理方案，以尽快抑制冷却塔结构异常问题的扩大化。
（一）尺寸
热力及结构优化选型，一是对旧冷却塔进行改造设计，实现改善冷却功能的目的；二是重新筑造塔体，满足更大规模生产的需要。无论是哪一种形式，双曲线冷却塔热力或结构选型，都要考虑尺寸标准的精准性，严格保证热力结构与冷却塔尺寸一致。如：塔高尺寸应以75～150m，底边直径65～120m等标准为主，在标准范围内可根据冷却塔要求合理地调整。 （二）荷载
大型发电厂冷却塔高度较高，最常见的高度值为80m左右，这就使冷却塔面临着沉重的荷载问题。为了防止大型冷却塔荷载超标引起的不利影响，改良设计中应注意风筒几何尺寸、壳底斜率等，都是需要严格控制的标准。此外，冷却水循环运行过程中，蓄水池体也承受了较大的冲力合作，当超过承受范围后则会引起结构变化，减弱了冷却塔设施的应用功能。
（三）功能
冷却塔的根本作用是将水中热量散去，通过与空气充分接触的方法，降低塔池储存水的内温。相反，要想使冷却塔的工作得到最大发挥，发电厂在设计时要着重考虑冷却塔热力值的控制，最大限度地减小水的热力值，便能达到最好的冷却效果。热力及结构选型优化要考虑冷却塔功能的正常发挥，这是改造方案最基本的要求，否则会影响冷却塔功能的发挥而影响收益。
（四）病害
冷却塔建筑物组合形式复杂，遍布于发电厂内的适当位置，保证了电力用水的冷却效果。目前，双曲线冷却塔外围结构采用了钢筋混凝土与其他配件组合而成，受到冷却塔结构荷载的影响，混凝土结构易出现不同程度的病害，影响了冷却水系统功能的正常发挥。为了避免塔体裂缝造成的破坏，双曲线冷却塔结构选型应考虑防害需要，做好相应的防护工作。
四、大型双曲线冷却塔的日常维护
电力产业与社会经济发展有着密切的关联，电能工艺能够为企业提供生产所需的能源，且满足了用户正常用电的电能指标。未来旧火电厂的发电规模必将逐渐扩大，逐步取代早期建成的小规模发电。由此可见，冷却塔也必将朝着大型化趋势改进，大型双曲线冷却塔是电厂运行不可缺少的设备。鉴于其在发电厂中的冷却功能，实际改造阶段应加强冷却塔的管理与维护，严格防范各种不良事故的发生。
（一）建筑结构的维护
大型冷却塔常采用不同形式的建筑结构为支撑，保证了塔体结构的稳定性。因双曲线冷却塔多用钢筋混凝土材料筑造，使用较长时间后难免出现裂缝等异常病害。优化选型时要考虑后期抢修处理的操作方便，提前编制有效的病害处理方案。通常，大型冷却塔裂缝成因包括：受力荷载、塔体结构、筑造材料等，设计人员掌握这些因素能够指导处理方案的设计，以保证裂缝现象得到最有效地控制。
（二）日常操作的维护
电能需求量大幅度增加，对发电厂电能产量的要求越来越多。当电力生产系统日常作业荷载增加之后，双曲线冷却塔需要完成更多的冷却任务，高负荷工作条件下冷却设备易发生故障。为了使生产用水里热量能尽快散发，应注意循环水系统的维护与管理，严格要求值班人员根据发电厂作业规范，调控冷却塔与发电生产系统保持统一性。如：针对循环水系统结构情况，建立自动化控制系统以优化冷却塔的散热功能。
五、结 论
总之，未来我国发电厂将朝着“大型化”方向发展，新型冷却塔设施在大规模电厂中的运用越来越多。大型双曲线冷却塔是极为重要的冷却结构，为电力生产用水的冷却、散热等活动创造了有利的条件。设计人员要立足于发电厂内系统调度的要求，对双曲线冷却塔热力及结构实施优化改进，保证冷却循环系统的高效运行。同时，对于双曲线冷却塔建筑结构部分出现的病害，应提前设计针对性的处理方案。
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