浅谈火电厂主厂房设计及设计中存在的问题

2022-10-26

随着科学技术突飞猛进的发展, 火力发电厂的单机容量不断增大, 主厂房的设计方案越来越多。主厂房作为发电厂中最重要的建筑, 它的结构选型、设计方案直接关系到能否满足发电要求及工程是否经济。

1 主厂房的设计

目前, 国内外火力发电厂的主厂房主要采用了三种结构形式与体系:钢结构主厂房、装配式混凝土结构、现浇混凝土结构。钢结构主厂房的特点如下:结构布置灵活、多样;大部分构件可工厂化生产;自重轻, 降低造价;抗震性能优异;但是防火性能差, 且增加了防锈、防腐维护工作。装配式混凝土主厂房结构从50MW到3 0 0 M W机组, 装配率从50%提高到85%~95%, 构件吊高从30m增至60m及以上, 单件重从20t增加到100t, 起吊设备从20t/600t·m增至 (100~120) t/3000t·m, 适用于100MW~125MW及以下机组。现浇混凝土结构的特点:缩短工期;结构整体性好, 节约用地, 降低综合造价, 节约钢材。

主厂房设计主要遵循如下原则:确定结构形式与体系。目前, 国外的火力发电厂主厂房主要采用钢结构形式, 国内常采用的钢筋混凝土结构;设计参数。主要考虑的参数有:基本风速、风压、雪压, 抗震设防烈度, 基本地震加速度, 设计反应谱特征周期, 当地的土壤类别及大气中的成分;荷载分析。主要荷载有:雪荷载, 风荷载, 设备、管道活荷载, 永久荷载, 积灰荷载, 地震荷载和偶然荷载。根据规定进行荷载效应组合后计算构造要求进行设计;计算分析方法。主厂房结构计算分析采用中国建筑科学研究院S A T W E有限元整体空间分析程序进行联合空间结构计算, 充分考虑各构建的相互作用, 使计算模型最大限度的反映结构的实际受力状态, 计算出较精确的内力值;一个典型的钢结构主厂房的设计:主厂房采用框排架结构体系。汽机房采用门式刚架体系, 除氧煤仓间采用框架体系。框排架是厂房骨架的主要承重构件, 各个框架之间由屋面结构、屋盖纵横向支撑、现浇混凝土楼盖结构、柱间支撑以及其他纵、横两向抗侧构件连接在一起, 组成一个框排架传递竖向荷载、柱间支撑和屋盖支撑传递水平荷载的空间工作结构体系。

2 主厂房设计中的荷载取值

在主厂房的设计中, 必须针对框架的梁、柱、支撑、柱脚内力、连接节点等不同的构件, 采用不同的荷载组合系数, 选取最不利组合形式, 设计出最优的截面。主厂房的设计主要考虑以下基本荷载:永久荷载取值时需要考虑结构、煤斗、除氧器等设备的自重和栈桥传来自重压力等。

可变荷载的取值根据DL5022-93《火力发电厂土建结构设计技术规定》 (以下简称《土规》) 规定的各层楼面荷载, 工艺要求的设备及管道运行荷载, 煤斗中的煤、除氧器中的水, 栈桥传来活载, 炉前吊质量等。此种荷载用于主框架承载计算。单机容量大于300MW的发电厂, 其屋面、楼 (地) 面活荷载的取值视实际情况而定。

吊车荷载.汽机房、锅炉房、灰桨泵房、修配厂、检修间及引风机室等的吊车应按轻级工作制设计。燃煤及除灰建筑的桥式抓斗吊车应按重级工作制设计。吊车竖向荷载值为吊质量及吊车自质量之和。吊车纵向刹车荷载值为作用在一侧轨道上最大轮压值之和的10%。吊车横向刹车荷载值为横行小车质量和额定起重质量之和的8%。

对于以风荷载为主的建筑物, 如主厂房山墙等, 设计风荷载与其他活荷载组合时, 其荷载组合值系数取1.0。

荷载效应组合主要依据《土规》中的有关规定进行取值。在验算柱框架强度时, 可变荷载应该考虑进行折减;验算次梁强度时, 可变荷载无需进行折减;验算主框架变形时, 荷载使用折减后的标准值;验算次梁变形时, 荷载使用未折减的标准值。

3 主厂房设计中的抗震问题

火力发电厂的主厂房一般都是采用典型的框排架结构, 根据研究已有的地震灾害发现火力发电厂的纵向震害小于横向震害。简化的地震反应计算方法, 定义层间屈服强度系数为:

其中Qy (i) 为第i层的屈服剪力, Qe (i) 为第i层弹性地震剪力。以各断面ξ (i) 为震害判据, 根据ξ (i) 与震害的统计关系, 判断各层震害, 再综合判断整体震害。

预测流程主要为:将复杂结构简化成多自由度系统, 用底部剪力法来计算水平方向上的地震力;采用结构力学中的方法, 将连接框架与排架的细杆上的内力计算出来, 并且解偶联框架与排架;分别参照预测排架、框架所受震害的方法, 计算出关键断面的ξ (i) , 然后进行比较, 根据结果判断各断面所受的震害大小;最后综合判断主厂房所受的震害情况。现有的一些试验和钢筋混凝土实测应变分析表明, 剪力墙承受结构的大部分抗震作用, 剪力墙的屈服强度在很大程度上影响结构的承载能力和变形, 其对应的屈服荷载接近于结构的极限荷载。在剪力墙屈服以后, 其刚度降低, 承受的剪力减少, 框架的水平荷载最多可增加到总荷载的25%, 连梁、框架梁柱很快随之屈服, 于是整个结构发生侧移。由于模型结构的弹塑性性能逐步发展, 结构的变形特点发展到以剪力变形为主的剪切性, 但是结构的位移明显增加, 剪力墙屈服达到最大荷载值时, 相应的结构位移增幅高达200%。在地震波的作用下, 结构的屈服顺序为:剪力墙根部→框架各层梁端→框架各柱根部。

火力发电厂钢筋混凝土主厂房抗震设计时应注意:剪力墙混凝土的强度等级和框架柱混凝土的强度等级不应差别过大, 而且剪力墙的配筋还有必要改进;剪力墙先屈服, 框架柱再屈服的破坏模式是一种比较理想的抗震结构型式。因此, 采取一定措施让剪力墙率先屈服后, 框架不是随之破坏而是还可承担一定的地震作用, 延长结构的破坏过程;框架顶层各构件的截面和配筋不宜过多地减少或削弱, 在底层框架中, 应特别注意加强柱脚的变形和耗能能力;在进行抗震设计时, 要进行在极端地震作用下各参数的分析, 以便综合评价结构的抗震性能。