核电厂超大型海水冷却塔设计风压的取值方法研究.pdf

核电厂超大型海水冷却塔设计风压的取值方法研究李相业（深圳中广核工程设计有限公司,广东深圳518031）摘要：目的发展核电是我国构建清洁能源为主体的新型低碳电力系统的重要举措，研究开发适用于核电厂的超大型海水冷却塔，可以大大拓宽核电的厂址资源。方法核电厂超大型海水冷却塔属特种构筑物，受力计算属于三维空间曲面结构，通常由风荷载参与的组合起截面控制作用。基于核电厂冷却塔设计工程实例，研究了核电厂超大型海水冷却塔的最大风速和设计风压。结果提出了核电厂冷却塔设计风压取值的建议和分析方法。结论研究成果对拓宽核电厂址资源储备有较好的应用前景。关键词：核电厂；超大型海水冷却塔；最大风速；设计风压中图分类号：TL4；TM623文献标志码：A文章编号：2095-8676(2023)S1-0058-06开放科学(资源服务)二维码：Research on Wind Pressure in Design of Super Large Seawater Cooling Tower inNuclear Power PlantLIXiangye（ChinaGeneralNuclearPowerDesignCo.,Ltd.(Shenzhen),Shenzhen,518031,Guangdong,China）Abstract:IntroductionThedevelopmentofnuclearpowerisanimportantmeasuretobuildanewlow-carbonpowersystemwithcleanenergyasthemainbodyinChina.Theresearchanddevelopmentofsuper-largeseawatercoolingtowerssuitablefornuclearpowerplantscangreatlyexpandthesiteresourcesofnuclearpowerplants.MethodThesuperlargeseawatercoolingtowerofnuclearpowerplantwasaspecialstructure,anditsstresscalculationbelongedtothree-dimensionalspacecurvedsurfacestructure,andthesectioncontrolwasusuallyperformedbythecombinationofwindloads.Themaximumwindspeedanddesignwindpressureofsuper-largeseawatercoolingtowerinnuclearpowerplantwerestudiedbasedontheengineeringexampleofcoolingtowerdesigninnuclearpowerplant.ResultThesuggestionandanalysismethodofdesignwindpressurevalueofcoolingtowerinnuclearpowerplantsareputforward.ConclusionTheresearchcanexpandtheresourcereserveofnuclearpowerplantsite.Key words:nuclearpowerplant；superlargeseawatercoolingtower；maximumwindspeed；designwindpressure2095-8676 2023EnergyChinaGEDI.PublishingservicesbyEnergyObserverMagazineCo.,Ltd.onbehalfofEnergyChinaGEDI.ThisisanopenaccessarticleundertheCCBY-NClicense(https:/creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/).0引言发展核电，是我国能源建设的战略方向之一，对于保障国家能源安全具有重要意义，双碳背景下，积极发展核电也是构建我国清洁能源体系，满足“3060”双碳目标的重要举措。近 10 年来，我国优良的核电厂址资源已趋于枯竭，研究开发适用于核电厂的超大型海水冷却塔，可以大大拓宽核电的适宜性，能为核电发展提供更多、地域更广的核电厂址资源储备。2022 年 11 月，我国南方某核电厂被国家核准，该厂采用了带海水冷却塔的再循环冷却方式，为国内首例，预计带冷却塔的再循环冷却方式将成为后续核电厂设计的一种趋势，超大型冷却塔设计也将成为关注重点。收稿日期：2023-03-16修回日期：2023-04-192023年第10卷增刊 1南方能源建设2023Vol.10Suppl.1SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTIONNuclearPowerGenerationTechnologyDOI：10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.S1.009OA：https:/www.energychina.press/核电厂冷却塔配置基本均采用一机一塔的方案，海水冷却塔具有高度高、使用寿期长（60 年）、占地面积大、建设难度大、造价高、工期长的特点，是核电厂最重要的子项之一。核电厂超大型海水冷却塔属特种构筑物，受力计算属于三维空间曲面结构，通常由风荷载参与的组合起截面控制作用，其基本风压的取值将显著影响冷却塔的结构尺寸及其经济合理性，因而，其风压取值研究具有重要意义。我国北方某核电厂，自然场地标高 90165m（1985 国家高程），一期工程拟建设 2 台百万千瓦核电机组，考虑配置 2 座超大型海水冷却塔，单塔淋水面积约 18000m2，结构高度约 203m，在初步设计过程中，冷却塔采用的设计基本风压取值为 1.015kPa。核电厂设计原则已经明确海水冷却塔为非核子项，遵循一般的工业与民用建筑设计规范，而荷载规范提供的风压参考值为 0.65kPa。两个不同的风压值，会导致 2 台机冷却塔的费用差额上亿元。因此，分析核电厂内核设施和非核设施在风压取值方面的异同，建立核电厂冷却塔设计风压的计算方法和设计标准，是一项必须开展的工作。本文为解决上述问题开展了相关研究工作，以该工程为实例，建立了厂址站和参证站的风速的相关方程，利用耿贝尔分布和皮尔逊型概率分布1-2，推导了该核电厂超大型海水冷却塔的最大风速和基本风压，并和规范提供的基本风压值进行对比，为此项目超大型海水冷却塔的设计风压提出了建议，也为今后的核电厂超大型海水冷却塔的设计风压取值提供了一个可参考的分析方法。1分析方法现行荷载规范对基本风压测定的要求是：测定风速处的地貌要求空旷平坦、距地10m、时距为10min平均最大风速、历年最大风速的概率分布曲线采用极值 I 型。建筑结构荷载设计手册（4 版）3对基本风压的确定，提出了 3 种取值方法：1）直接按规范的规定取值。现行建筑结构荷载规范（GB500092012）4（简称荷载规范）通过全国基本风压分布图给出了全国基本风压的等压线分布，同时还对部分城市给出了有关的风压值，可以直接使用。2）根据当地气象台站年最大风速实测资料，按基本风压的定义，通过统计分析后确定。分析时应考虑样本数量（不得小于 10）的影响5-6。3）若当地没有风速实测资料时，可通过附近地区的长期资料，通过气象和地形条件的对比分析确定。现状核电厂场地上，有已经运行的风电场风机，每个风机顶部有风速仪，记录有连续 8a 的观测数据；风电场建设前，另有风电场测风塔，积累有连续 6a的测风数据。其中 11 号风机距离风电场测风塔不到 200m，可以将二者的观测数据经过归一化处理后通过统计分析确定超大型海水冷却塔的基本风压。该方法属于上述手册中第 2 条的方法。同时，目前的核电厂场地上建有核电专用百米气象塔，有最近 1 整年的风速观测数据，可以通过附近地区参证气象站的长期风速观测资料，建立相关性方程进而推导出核电厂百米气象塔场地处的基本风压。该方法即是上述手册中第 3 条的方法。本文用下列 3 种方法分析该项目超大型海水冷却塔的风速和基本风压的取值7：1）规范直接取值法：直接在荷载规范中的全国基本风压分布图中选用百年一遇风压值。2）现场实测数据直接推算法：利用场地上现有的风电场 11 号风机上的风速仪和风电场测风塔的风速观测数据（衔接起来有连续 13a 的风速观测数据），归一化后进行统计分析，按照荷载规范提供的极值 I 型概率分布曲线，计算百年一遇的风速和基本风压。3）参证站相关方程概率法：归一化参证站的观测数据，用极值型和皮尔逊型概率分布曲线，计算参证站百年一遇的风速；建立厂址站与参证站的相关方程，推导出厂址站的风速，进而计算出基本风压。比较上述 3 种方法得出的风速和基本风压，取大值作为冷却塔设计的建议值。2风速和基本风压值计算2.1规范直接取值法荷载规范给出了全国各城市的基本风压值，也给出了全国基本风压分布图。其中，核电厂所在地A 市的百年一遇风压为 0.60kPa，距离核电厂不到15km 的 B 市的百年一遇风压为 0.65kPa，全国基本增刊 1李相业：核电厂超大型海水冷却塔设计风压的取值方法研究59风压分布图中核电厂地区 50 年一遇基本风压为0.60kPa。将三个值换算为百年一遇并取大值，核电厂的百年一遇风压可以取为 0.65kPa。反算风速，重现期 100 年的风速为 32.25m/s6。2.2现场实测数据直接推算法2.2.1风电场 11 号风机的实测风速风电场 11 号风机位于核电厂西围墙处，核电厂建设后将予以拆除，风机地面高程 160m，风机顶部（距地 83m 高度处）有风速仪，有 20152022 年之间的实测风速。风速仪为 300s 连续记录，年最大风速记录见表 1。表1风电场 11 号风机的实测风速Tab.1MeasuredwindspeedofNo.11fanofwindfarm年份风速*记录时间日期时刻201540.822015-08-0323:05:00201637.242016-02-1307:30:00201725.012017-01-2002:20:00201838.112018-02-1013:10:00201923.242019-04-2513:00:00202041.212020-02-1523:20:00202136.942021-03-0103:35:00202226.172022-10-0318:00:00注：1）*为300s平均最大风速/（ms1)。2）测试高程为160m，风速仪距地高度为83m。2.2.2风电场建设期测风塔的实测风速风电场建设期间的测风塔距离 11 号风机 200m，现在已拆除，留存有 20102015 年间的测风资料，见表 2。表2风电场测风塔 10min 最大平均风速Tab.2Maximumaveragewindspeedin10minutesatanemometertowerinwindfarmm/s年份风速年份风速201020.30201321.50201123.80201420.10201224.00201520.40注：该风电场已拆除，高程130m，风速仪距地高度10m。因为风电场 11 号风机上风速仪的绝对高程为243m，而测风塔下垫面高程为 130m，需要将 11 号风机的实测风速归一化到测风塔下垫面的风速。HAD10110 导则指出，风速随高度的变化可以用幂函数式来表示：Vh=Vz(hz)（1）式中：h参照高度（m）；z测量高度（m）；Vh、Vz相应高度的风速（m/s）；气象专题研究报告推荐的该场地风廓线指数为 0.15。则有：V243=V130(11310)0.15（2）由公式（1）推出：V130=V2431.439（3）式中：V243绝对高程为 243m 处的风速（m/s）；V130建设期测风塔场地的风速（m/s）。按照建筑结构荷载设计手册（4 版）3表 6-2“不同时距与 10min 时距风速换算系数”，10min时距和 5min 时距的平均风速换算系数为 1.07。对 11 号风机的风速进行高度和时次换算，归一化到测风塔上的风速结果见表 3。表3归一化后风电场测风塔上的风速（10min 年平均最大风速）Tab.3Windspeedatanemometertowerafternormalization(annualmaximumaveragewindspeedin10minutes)m/s年份风速年份风速201020.30201716.24201123.80201824.75201224.00201915.09201321.50202026.76201420.10202123.99201520.40202217.00201624.18近 13 年最大风速样本的平均值及标准差：x平均值为：=21.39m/s；标准差1=ni=1(xi x)2/(n1)=3.613 m/s（4）查建筑结构荷载设计手册（4 版）3表 5-1“系数 C1和 C2”，当 n=13 时，有：60南方能源建设第10卷C1=0.9972，C2=0.507；分布函数的位置参数 及尺度参数 的近似估计值为：=C11=0.997 23.613=0.276 m/s（5）=xc2=21.390.5070.276=19.55 m/s（6）代入荷载规范第 E.3.3 条的公式 E.3.3，重现期100 年的最大风速为：VR=u1lnln(RR1)=36.22 m/s。（7）高度订正：核电厂的厂坪设计标高为 100m，风电场测风塔的下垫面高度为 130m，应该将高度订正为厂坪标高，才是冷却塔的设计风速和基本风压。按照公式（1），有：Vh=Vz(hz)（8）36.22=Vz(3010)0.15（9）Vz=30.72 m/s（10）即冷却塔百年一遇设计风速为 30.72m/s。基本风压为：W0=V2160 0=0.590 kPa（11）2.3参证站相关方程概率法2.3.1参证站的选取核电厂厂址附近范围内，有 3 个主要气象站，其中气象站 1 为国家基准站，海拔高度为 4.80m，距离厂址站（核电厂专用百米气象塔，下同）最近，为15.90km，地形地貌相似，通过分析，选择其作为参证站进行风速相关性分析。利用厂址站与参证站 10m 高度处一整年逐时同步测风数据，采用数学统计的方法，对两站同步的风观测数据进行相关性分析，可以看出：厂址站与参证站在 10m 高度处平均风速、10min 最大风速相关系数均在 0.70 以上，且其相关关系均通过 0.01 显著性水平检验，表明厂址站与参证站风速相关性较好，选择气象站 1 作为参证站是合理的。2.3.2归一化后参证站的风速参证站 1970 年前的测风仪时距是 2min 的，1970 年后风速记录仪是 10min 时距；参证站 1988年迁过一次站址，观测场高度有变化，需要对风速资料同时进行高度和时次换算。参证站归一化处理后的历年最大风速见表 4。2.3.3参证站最大风速推算采用耿贝尔分布、皮尔逊型分布分别对参证站最大风速进行极值分析，用柯尔莫哥洛夫检验方法对各种分布的拟合优度进行检验，结果表明，上述各种分布及参数估计方法柯氏检验 d 值均通过信度为 0.01 的检验。两种分布计算出的参证站最大风速见表 5。表4参证站归一化处理后历年最大风速Tab.4Maximumwindspeedafternormalizationofreferencestationm/s年份风速年份风速195818.8199018.8195922.2199118.5196020.5199213.0196122.2199311.8196220.5199412.6196322.2199513.5196433.9199617.1196520.5199712.3196622.2199812.7196722.2199911.4196822.2200014.3196921.3200112.8197021.0200210.4197118.3200312.9197220.0200410.9197319.0200512.1197417.0200611.9197518.3200713.1197617.1200811.2197719.1200911.4197816.8201013.4197917.7201110.3198019.4201213.1198116.8201310.9198217.1201411.3198320.7201510.3198417.1201610.6198516.820179.6198614.8201810.6198714.5201911.1198815.5202011.5198915.520219.9增刊 1李相业：核电厂超大型海水冷却塔设计风压的取值方法研究612.3.4厂址站最大风速推算厂址站的风速观测时间段为 2021 年 7 月2022年 6 月，考虑到风速的随机性较强，基于安全偏保守的原则，选取厂址站 10m 高度处风速8.0m/s 大风观测数据（样本数为 2029 个）与参证站同期数据建立相关关系，如图 1 所示。y=0.832 8x+6.215 8R2=0.300 78101214161820024681012厂址站龙口站图 1厂址站与参证站同期数据相关关系Fig.1Correlationbetweendataofplantsitestationandreferencestationatthesameperiod厂址站与参证站的相关方程为：y厂址=0.8328x参证+6.2158，相关系数为 0.5484。由上述分析可以看出，大风速段参证站和厂址站相关性显著。采用参证站耿贝尔分布和皮尔逊型分布频率 3.33%、2%、1%、0.5%、0.1%的 10min最大风速计算结果，推算厂址站 3.33%、2%、1%、0.5%、0.1%的 10min 最大风速（见表 6）。表6厂址站最大风速计算结果Tab.6Calculatedmaximumwindspeedofplantsitestationm/s频率3.33%2%1.67%1%0.5%0.1%耿贝尔分布27.929.429.931.433.538.4皮尔逊III型分布29.931.832.734.537.144.42.3.5冷却塔设计风速换算由表 6 可知，厂址站百年一遇的最大风速为34.5m/s（取值皮尔逊型分布）。厂址站下垫面标高为 130m，核电厂厂坪设计标高为 100m，需要进行高度订正才能得出冷却塔的设计风速和基本风压。根据厂址气象塔各层间的切变指数，采用最小二乘法拟合得到风廓线指数为 0.15，仍然采用公式（1），得出：V130=V100(hz)（12）34.50=V100(3010)0.15（13）V100=29.26 m/s（14）即冷却塔百年一遇设计风速为 29.26m/s。基本风压为：W0=V21 600=0.535 kPa（15）3结论3.1计算结果上述 3 种方法计算出来的该核电厂超大型海水冷却塔的风速和风压值如表 7 所示。表7冷却塔的风速和风压Tab.7Windspeedandwindpressureofcoolingtower计算方法百年一遇10min最大风速/(ms1)百年一遇基本风压/kPa规范直接取值法32.250.650现场实测数据直接推算法30.720.590参证站相关方程概率法29.260.535综合比较，建议该核电厂超大型海水冷却塔的风荷载设计基准，按照百年一遇的风压取值，为0.65kPa。3.2讨论1）核电厂极端气象参数和极端气象现象的设计基准为低超越概率的极值，比常规电力工程要求高5。核电厂内的子项应该区分核设施与非核设施，非核设施，包括冷却塔，可以按照常规的工业与民用建筑设计规范进行设计。2）分析极端风的影响时，核设施用的是“区域”的概念，一般会对厂址半径 80km 范围内的气象资料进行统计和分析。一般的工业与民用建筑，用的是“场地”的概念，气象资料的收集范围会小一些，与风荷载有关的地面粗糙度一般考虑最远距离不小于建筑物高度的 20 倍且不小于 2km 的范围，其场地的范围相当于厂区或不小于 1.0km2的平面面积。表5参证站最大风速计算结果Tab.5Calculatedmaximumwindspeedatreferencestationm/s频率3.33%2%1.67%1%0.5%0.1%耿贝尔分布26.027.828.530.332.838.6皮尔逊III型分布28.530.831.834.037.144.462南方能源建设第10卷3）核设施与非核设施，风速随高度的变化都可以用幂函数式（公式 1）来表示。核设施一般根据气象塔各层间的切变指数，采用最小二乘法拟合得到风廓线指数；非核设施，可以按照荷载规范的建议，标准地貌上的地面粗糙度指数按照 0.15 取值。4）计算核设施风速时，设计最大风速的统计曲线函数一般会采用耿贝尔概率密度函数和皮尔逊III 型概率密度函数两种方法，从其频率分布线型上选取不同频率对应的风速，两种方法取大值。5）非核设施计算风速时，荷载规范规定历年最大风速的概率分布曲线采用极值 I 型。我国荷载规范早期采用皮尔逊型分布曲线，现已与世界大多数国家一样，改用极值 I 型分布曲线来描述。从实际工程应用结果来看，皮尔逊型分布曲线要比耿贝尔曲线更保守一些。6）核电厂在确定设计风荷载时，对历史特大风应进行所谓的“特大值处理”，避免出现频率计算时定线不合理的情况。数据的统计处理和解释：型极值分布样本离群值的判断和处理（GB/T63802019）1标准规定了判断和处理型极值分布样本中上侧离群值的一般原则和实施方法。对于收集到的数据应该首先据此进行判断和处理，否则有可能出现样本中含有上侧离群值而增大统计结果的问题。7）荷载规范是在全国 672 个地点的基本气象台站的观测资料的基础上，用概率论法对历史观测资料采用频率分析计算出来的风速的极值，其中已包括主导我国设计风荷载的极端风气候（台风或冷锋风）。非特殊地形地貌上的核电厂，其超大型海水冷却塔建议按非核设施考虑，其设计风压建议直接使用荷载规范中给出的基本风压参考值。参考文献：中华人民共和国国家市场监督管理总局,中国国家标准化管理委员会.数据的统计处理和解释I型极值分布样本离群值的判断和处理:GB/T63802019S.北京:中国标准出版社,2019.State Administration for Market Regulation,StandardizationAdministration of the Peoples Republic of China.Statisticalinterpretationofdatadetectionandtreatmentofoutliersinthesample from type I extreme value distribution:GB/T 6380-12019S.Beijing:StandardsPressofChina,2019.陈希孺.概率论与数理统计M.合肥:中国科学技术大学出版社,2009.CHENXR.ProbabilitytheoryandmathematicalstatisticsM.Hefei:UniversityofScienceandTechnologyofChinaPress,2009.2沙志国,沙安.建筑结构荷载设计手册(4版)M.北京:中国建筑工业出版社,2022.SHAZG,SHAA.Buildingstructureloaddesignmanual(4thed.)M.Beijing:ChinaArchitecture&BuildingPress,2022.3中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑结构荷载规范:GB500092012S.北京:中国建筑工业出版社,2012.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of thePeople s Republic of China,General Administration of QualitySupervision,InspectionandQuarantineofthePeoplesRepublicofChina.Load code for the design of building structures:GB500092012S.Beijing:ChinaArchitecture&BuildingPress,2012.4国家核安全局.核电厂厂址选择的极端气象事件(不包括热带气旋):HAD101/10S.北京:国家核安全局,1991:727-771.NationalNuclearSafetyAdministration.Extrememeteorologicalevents(excludingtropicalcyclones)forsiteselectionofnuclearpowerplants:HAD101/10S.Beijing:NationalNuclearSafetyBureau,1991:727-771.5山东招远核电项目极端气象参数及常规气象参数分析与计算分析报告R.济南:山东省气候中心,2022.Extreme meteorological parameters and conventional meteoro-logical parameters analysis and calculation analysis report ofZhaoyuannuclearpowerprojectinShandongprovinceR.Jinan:ShandongClimateCenter,2022.6张相庭.结构风工程理论规范实践M.北京:中国建筑工业出版社,2006.ZHANG X T.Structural wind engineering theory,specificationandpracticeM.Beijing:ChinaArchitecture&BuildingPress,2006.7作者简介：李相业（通信作者）1970-，男，高级工程师，学士，研究方向为核科学与技术（e-mail）。（编辑赵琪）增刊 1李相业：核电厂超大型海水冷却塔设计风压的取值方法研究63