自然通风冷却塔水平刚性环优化布置方法

摘要

本发明公开了一种自然通风冷却塔水平刚性环优化布置方法，包括以下步骤：输入冷却塔的风荷载基本信息，得出风荷载沿冷却塔的高度和水平方向上的分布情况；对输入的冷却塔的风载荷基本信息进行多次迭代分析，得出合理的水平刚性环的优化布置；根据确定的布置进行刚性环高、宽尺寸的优化设计，即可得出最优化的水平加强环的布置及设计方案。本发明针对已定的冷却塔结构，通过优化布置冷却塔水平刚性环的位置、数量以及尺寸，可进一步获得最大的冷却塔稳定系数，也能进一步降低冷却塔的壁厚，节省整体投资。

说明书

技术领域

本发明涉及冷却塔的制造技术领域，特别是设计一种自然通风冷却塔水平 刚性环优化布置方法。

背景技术

现有的自然通风冷却塔由塔筒和淋水装置两部分组成。其中塔筒由钢筋混 凝土的双曲线回转薄壳通风筒、斜支柱和含贮水池壁的基础组成。为了降低冷 却塔的投入成本，设计人员将冷却塔做的越来越高、壳体做得越来越薄，这样 就将大大降低冷却塔的稳定性。为了增加冷却塔的稳定性并且又降低冷却塔的 投入成本，西德等国家提出了使用附加水平刚性环来获取最大屈曲系数。目前， 国内外设计的自然通风冷却塔均采用这种方法，统一在冷却塔壳体顶部位置处 设置一层水平刚性环。然而，要利用好此方法，尚存在很多技术难点未攻克。

本发明要解决的技术问题，就是针对已定的冷却塔结构，如何通过优化布 置冷却塔水平刚性环的位置、数量以及尺寸，以获得最大的冷却塔稳定系数， 从而进一步降低冷却塔的壁厚，节省整体投资。

发明内容

基于此，针对“已定的冷却塔结构，如何通过优化布置冷却塔水平刚性环 的位置、数量以及尺寸，以获得最大的冷却塔稳定系数，从而进一步降低冷却 塔的壁厚，节省整体投资”的问题，本发明提出一种自然通风冷却塔水平刚性 环优化布置方法。

本发明的技术方案是：一种自然通风冷却塔水平刚性环优化布置方法，包 括以下步骤：

输入冷却塔的风荷载基本信息，得出风荷载沿冷却塔的高度和水平方向上 的分布情况；

对输入的冷却塔的风载荷基本信息进行多次迭代分析，得出合理的水平刚 性环的优化布置；

根据确定的布置进行刚性环高、宽尺寸的优化设计，即可得出最优化的水 平加强环的布置及设计方案。

在其中一个实施例中，“对输入的冷却塔的风载荷基本信息进行多次迭代 分析，得出合理的水平刚性环的优化布置”包括以下步骤：

a）根据冷却塔风载荷基本信息建立不考虑水平刚性环的冷却塔有限元模 型；

b）对冷却塔风载荷基本信息进行整体屈曲分析，得到一阶模态，确定最大 位移高度；

c）根据确定的最大位移高度，设置水平刚性环，并建立有限元模型；

d）对步骤c建立的模型，进行整体屈曲分析，得到一阶模态，确定最大位 移高度；

e）对步骤d确定的最大位移高度，设置水平刚性环，并建立有限元模型；

f)重复步骤b—步骤e，确定第3、4、5道水平刚性环位置；

g）得出并绘制冷却塔屈曲系数随水平刚性环数量变化的曲线，确定刚性环 的数量。

在其中一个实施例中，“根据确定的布置进行刚性环高、宽尺寸的优化设 计，即可得出最优化的水平加强环的布置及设计方案”包括以下步骤：

根据确定的刚性环位置及数量，得到随着厚度增加的曲系数变化曲线，确 定最优的刚性环厚度；

根据确定的刚性环位置、数量和确定的最优的刚性环厚度，得到随着刚性 环宽度增加的屈曲系数变化曲线，确定最优的刚性环宽度。

本发明的有益效果是：针对已定的冷却塔结构，通过优化布置冷却塔水平 刚性环的位置、数量以及尺寸，可进一步获得最大的冷却塔稳定系数，也能进 一步降低冷却塔的壁厚，节省整体投资。

附图说明

图1为本发明应用实例中屈曲安全因子随刚性环厚度的变化曲线；

图2为本发明应用实例中屈曲安全因子随刚性环宽度的变化曲线；

图3为本发明应用实例中屈曲安全因子随高度的变化曲线；

图4为本发明应用实例中屈曲安全因子随塔高的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例：

一种自然通风冷却塔水平刚性环优化布置方法，包括以下步骤：

步骤一，输入冷却塔的风荷载基本信息，得出风荷载沿冷却塔的高度和水 平方向上的分布情况。

根据冷却塔的风荷载基本信息输入，可以确定风荷载沿高度的变化系数、 风振系数、风荷载沿水平环向的风压分布系数、周边结构的干扰系数以及考虑 脉动风荷载的等效动态放大系数。

步骤二，对输入的冷却塔的风载荷基本信息进行多次迭代分析，得出合理 的水平刚性环的优化布置。本步骤的详细步骤如下：

a）根据冷却塔风载荷基本信息建立不考虑水平刚性环的冷却塔有限元模 型；

b）对冷却塔风载荷基本信息进行整体屈曲分析，得到一阶模态，确定最大 位移高度；

c）根据确定的最大位移高度，设置水平刚性环，并建立有限元模型；

d）对步骤c建立的模型，进行整体屈曲分析，得到一阶模态，确定最大位 移高度；

e）对步骤d确定的最大位移高度，设置水平刚性环，并建立有限元模型；

f)重复步骤b—步骤e，确定第3、4、5道水平刚性环位置；

g）得出并绘制冷却塔屈曲系数随水平刚性环数量变化的曲线，确定刚性环 的数量。

在上述具体步骤中，针对未考虑水平刚性环的冷却塔有限元模型进行首次 屈曲模态分析，得到一阶屈曲模态，并在反应位移最大的位置增加一道刚性环； 针对考虑一道刚性环的冷却塔进行屈曲分析，得到一阶屈曲模态，并在反应位 移最大的位置在增加一道刚性环；第三、四、五道水平加强环设置方法类似， 然后得到屈曲系数随加强环数量的变化曲线，最终根据增量合理的设置加强环 数量，根据研究结果一般3道以后增加效果就不再明显。

步骤三，根据确定的布置进行刚性环高、宽尺寸的优化设计，得出最优化 的水平加强环的布置及设计方案。本步骤的详细步骤如下：

根据确定的刚性环位置及数量，得到随着厚度增加的曲系数变化曲线，确 定最优的刚性环厚度；

根据确定的刚性环位置、数量和确定的最优的刚性环厚度，得到随着刚性 环宽度增加的屈曲系数变化曲线，确定最优的刚性环宽度。

在上述详细步骤中，根据步骤二确定的刚性环位置及数量，进行刚性环宽 度不变、厚度变化的分析，可以得到随着厚度增加屈曲系数变化曲线，确定那 个最优的刚性环厚度。根据研究，刚性环厚度达到0.4m左右时，屈曲系数基本 不变化。根据步骤二确定的刚性环位置及数量，以及确定的最优的刚性环厚度， 进行宽度变化分析，可以得到随着刚性环宽度增加屈曲系数变化曲线，确定最 优的刚性环宽度。根据研究，刚性环宽度达到1.2m左右，屈曲系数基本不再随 刚性环宽度的增加而增加。

在具体应用的实例中，例如，一个215m高，淋水面积21200m²，进行风口 高度也达到了15.10m，采用人字柱共60对，喉部直径99.50，喉部高度158.00m 的超大型冷却塔。采用本发明所述的方法进行冷却塔水平刚性环的优化布置。 详细过程如下：

参见图3，选取了7个高度，215,191,156,135,100,40进行分析。

参见图4，刚性环位于60m—100m高度范围内，这与整体屈曲分析中一阶振 型位置接近，进一步验证了设置位置的正确性。在施加了第一道刚性环的基础 上进行分析的结果显示，屈曲因此基本都提高了2—4左右，并且第二道刚性环 位置基本也位于第一道刚性环增加后的模型通过屈曲分析得到的一阶振型最大 的位置，此位置约为65m。依次类推分析，第三到刚性环增加在55m左右，屈曲 因子最大为32.3，相对前一个模型基本没有改变，因此，第四道刚性环不再增 加。

参见图1，将宽度保持不变，分析不同厚度，即：0mm，200mm，300mm，400mm， 500mm，600mm，700mm，800mm，900mm，1000mm，1100mm，随着刚性环的厚度的 增加，屈曲因子在不断增加，但当刚性环厚度达到0.4m时，冷却塔的屈曲因子 基本不再随刚性环厚度的增加而增加。

参见图2，将刚性环的厚度锁定在0.4m，而刚性环的宽度不同，分别为， 0mm，500mm，850mm，1000mm，1200mm，1500mm，1800mm，随着刚性环的宽度的 增加，屈曲因子在不断增加，但当刚性环宽度达到1.2m时，大塔的屈曲因子基 本不再随刚性环宽度的增加而增加。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。