-
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0.60 kPa,距离核电厂不到15 km的B市的百年一遇风压为0.65 kPa,全国基本风压分布图中核电厂地区50年一遇基本风压为0.60 kPa。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0.65 kPa。反算风速,重现期100年的风速为32.25 m/s[6]。
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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160 m,风机顶部(距地83 m高度处)有风速仪,有2015~2022年之间的实测风速。风速仪为300 s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
Table 1. Measured wind speed of No. 11 fan of wind farm
年份 风速* 记录时间 日期 时刻 2015 40.82 2015-08-03 23:05:00 2016 37.24 2016-02-13 07:30:00 2017 25.01 2017-01-20 02:20:00 2018 38.11 2018-02-10 13:10:00 2019 23.24 2019-04-25 13:00:00 2020 41.21 2020-02-15 23:20:00 2021 36.94 2021-03-01 03:35:00 2022 26.17 2022-10-03 18:00:00 注:1)*为300 s平均最大风速/(m·s−1)。
2)测试高程为160 m,风速仪距地高度为83 m。 -
风电场建设期间的测风塔距离11号风机200 m,现在已拆除,留存有2010~2015年间的测风资料,见表2。
表 2 风电场测风塔10 min最大平均风速
Table 2. Maximum average wind speed in 10 minutes at anemometer tower in wind farm
m/s 年份 风速 年份 风速 2010 20.30 2013 21.50 2011 23.80 2014 20.10 2012 24.00 2015 20.40 注:该风电场已拆除,高程130 m,风速仪距地高度10 m。 因为风电场11号风机上风速仪的绝对高程为243 m,而测风塔下垫面高程为130 m,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。HAD101-10导则指出,风速随高度的变化可以用幂函数式来表示:
$$ {V_h} = {V_z}{\left( {\dfrac{h}{z}} \right)^\alpha } $$ (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);
$ \alpha $ ——气象专题研究报告推荐的该场地风廓线指数为0.15。则有:$$ {V_{{\text{243}}}} = {V_{130}}{\left( {\dfrac{{113}}{{10}}} \right)^{0.15}} $$ (2) 由公式(1)推出:
$$ V_{130}=\dfrac{{V_{243}}}{{1.439}} $$ (3) 式中:
V243 ——绝对高程为243 m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10 min时距风速换算系数β”,10 min时距和5 min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(10 min年平均最大风速)
Table 3. Wind speed at anemometer tower after normalization (annual maximum average wind speed in 10 minutes)
m/s 年份 风速 年份 风速 2010 20.30 2017 16.24 2011 23.80 2018 24.75 2012 24.00 2019 15.09 2013 21.50 2020 26.76 2014 20.10 2021 23.99 2015 20.40 2022 17.00 2016 24.18 近13年最大风速样本的平均值及标准差:
平均值为:
$\bar{x}$ =21.39 m/s;$$ \text{标准差}{\sigma }_{1}=\sqrt{{\displaystyle \sum \limits }_{i=1}^{n}{\left({x}_{i}-\bar{x}\right)}^{2}/\left(n-1\right)}=3.613\;{\rm{m}}/{\rm{s}} $$ (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:
C1=0.997 2,C2=0.507;分布函数的位置参数μ及尺度参数
$ \alpha $ 的近似估计值为:$$ \alpha=\dfrac{{C}_{1}}{{\sigma }_{1}}=\dfrac{0.997\;2}{3.613}=0.276\;{\rm{m}}/{\rm{s}}$$ (5) $$ \mu =\bar x - \dfrac{{{c_2}}}{\alpha }= 21.39-\dfrac{0.507}{0.276}=19.55\;{\rm{m}}/{\rm{s}}$$ (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:
$$ \begin{array}{l}{V}_{R}=u-{\scriptstyle \dfrac{1}{\alpha }}\mathrm{ln}\left[ {\mathrm{ln}{\left( {\dfrac{R}{R-1}} \right)}} \right]=36.22\;{\rm{m}}/{\rm{s}}。 \end{array} $$ (7) 高度订正:核电厂的厂坪设计标高为100 m,风电场测风塔的下垫面高度为130 m,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:
$$ {V_h} = {V_z}{\left( {\dfrac{h}{z}} \right)^\alpha } $$ (8) $$ 36.22 = {V_z}{\left( {\dfrac{{30}}{{10}}} \right)^{0.15}}$$ (9) $$ {V_z} = 30.72\;{\rm{m}}/{\rm{s}} $$ (10) 即冷却塔百年一遇设计风速为30.72 m/s。
$$ \text{基本风压为:}{W_0}=\dfrac{{V}^{2}}{160\;0}=0.590\;{\rm{kPa}} $$ (11) -
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4.80 m,距离厂址站(核电厂专用百米气象塔,下同)最近,为15.90 km,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10 m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10 m高度处平均风速、10 min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。
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参证站1970年前的测风仪时距是2 min的,1970年后风速记录仪是10 min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。
表 4 参证站归一化处理后历年最大风速
Table 4. Maximum wind speed after normalization of reference station
m/s 年份 风速 年份 风速 1958 18.8 1990 18.8 1959 22.2 1991 18.5 1960 20.5 1992 13.0 1961 22.2 1993 11.8 1962 20.5 1994 12.6 1963 22.2 1995 13.5 1964 33.9 1996 17.1 1965 20.5 1997 12.3 1966 22.2 1998 12.7 1967 22.2 1999 11.4 1968 22.2 2000 14.3 1969 21.3 2001 12.8 1970 21.0 2002 10.4 1971 18.3 2003 12.9 1972 20.0 2004 10.9 1973 19.0 2005 12.1 1974 17.0 2006 11.9 1975 18.3 2007 13.1 1976 17.1 2008 11.2 1977 19.1 2009 11.4 1978 16.8 2010 13.4 1979 17.7 2011 10.3 1980 19.4 2012 13.1 1981 16.8 2013 10.9 1982 17.1 2014 11.3 1983 20.7 2015 10.3 1984 17.1 2016 10.6 1985 16.8 2017 9.6 1986 14.8 2018 10.6 1987 14.5 2019 11.1 1988 15.5 2020 11.5 1989 15.5 2021 9.9 -
采用耿贝尔分布、皮尔逊Ⅲ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 5 参证站最大风速计算结果
Table 5. Calculated maximum wind speed at reference station
m/s 频率 3.33% 2% 1.67% 1% 0.5% 0.1% 耿贝尔分布 26.0 27.8 28.5 30.3 32.8 38.6 皮尔逊III型分布 28.5 30.8 31.8 34.0 37.1 44.4 -
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10 m高度处风速≥8.0 m/s大风观测数据(样本数为2 029个)与参证站同期数据建立相关关系,如图1所示。
图 1 厂址站与参证站同期数据相关关系
Figure 1. Correlation between data of plant site station and reference station at the same period
厂址站与参证站的相关方程为:y厂址=0.832 8x参证+6.215 8,相关系数为0.548 4。
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Ⅲ型分布频率3.33%、2%、1%、0.5%、0.1%的10 min最大风速计算结果,推算厂址站3.33%、2%、1%、0.5%、0.1%的10 min最大风速(见表6)。
表 6 厂址站最大风速计算结果
Table 6. Calculated maximum wind speed of plant site station
m/s 频率 3.33% 2% 1.67% 1% 0.5% 0.1% 耿贝尔分布 27.9 29.4 29.9 31.4 33.5 38.4 皮尔逊III型分布 29.9 31.8 32.7 34.5 37.1 44.4 -
由表6可知,厂址站百年一遇的最大风速为34.5 m/s(取值皮尔逊Ⅲ型分布)。
厂址站下垫面标高为130 m,核电厂厂坪设计标高为100 m,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:
$$ V_{130}=V_{100}\left(\frac{h}{z}\right)^\alpha $$ (12) $$ 34.50=V_{100}\left(\frac{30}{10}\right)^{0.15} $$ (13) $$ V_{100}=29.26 \mathrm{~m} / \mathrm{s} $$ (14) 即冷却塔百年一遇设计风速为29.26 m/s。
$$ \text{基本风压为:}{W_0}=\dfrac{{V}^{2}}{1\;600}=0.535\;{\rm{kPa}} $$ (15) -
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
Table 7. Wind speed and wind pressure of cooling tower
计算方法 百年一遇10 min
最大风速/(m·s−1)百年一遇基本
风压/kPa规范直接取值法 32.25 0.650 现场实测数据直接推算法 30.72 0.590 参证站相关方程概率法 29.26 0.535 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0.65 kPa。
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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80 km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2 km的范围,其场地的范围相当于厂区或不小于1.0 km2的平面面积。
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Ⅲ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Ⅲ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:Ⅰ型极值分布样本离群值的判断和处理》(GB/T 6380-2019)[1]标准规定了判断和处理Ⅰ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。
Research on Wind Pressure in Design of Super Large Seawater Cooling Tower in Nuclear Power Plant
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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。 Abstract:Introduction The development of nuclear power is an important measure to build a new low-carbon power system with clean energy as the main body in China. The research and development of super-large seawater cooling towers suitable for nuclear power plants can greatly expand the site resources of nuclear power plants. Method The super large seawater cooling tower of nuclear power plant was a special structure, and its stress calculation belonged to three-dimensional space curved surface structure, and the section control was usually performed by the combination of wind loads. The maximum wind speed and design wind pressure of super-large seawater cooling tower in nuclear power plant were studied based on the engineering example of cooling tower design in nuclear power plant. Result The suggestion and analysis method of design wind pressure value of cooling tower in nuclear power plants are put forward. Conclusion The research can expand the resource reserve of nuclear power plant site. -
表 1 风电场11号风机的实测风速
Tab. 1. Measured wind speed of No. 11 fan of wind farm
年份 风速* 记录时间 日期 时刻 2015 40.82 2015-08-03 23:05:00 2016 37.24 2016-02-13 07:30:00 2017 25.01 2017-01-20 02:20:00 2018 38.11 2018-02-10 13:10:00 2019 23.24 2019-04-25 13:00:00 2020 41.21 2020-02-15 23:20:00 2021 36.94 2021-03-01 03:35:00 2022 26.17 2022-10-03 18:00:00 注:1)*为300 s平均最大风速/(m·s−1)。
2)测试高程为160 m,风速仪距地高度为83 m。表 2 风电场测风塔10 min最大平均风速
Tab. 2. Maximum average wind speed in 10 minutes at anemometer tower in wind farm
m/s 年份 风速 年份 风速 2010 20.30 2013 21.50 2011 23.80 2014 20.10 2012 24.00 2015 20.40 注:该风电场已拆除,高程130 m,风速仪距地高度10 m。 表 3 归一化后风电场测风塔上的风速(10 min年平均最大风速)
Tab. 3. Wind speed at anemometer tower after normalization (annual maximum average wind speed in 10 minutes)
m/s 年份 风速 年份 风速 2010 20.30 2017 16.24 2011 23.80 2018 24.75 2012 24.00 2019 15.09 2013 21.50 2020 26.76 2014 20.10 2021 23.99 2015 20.40 2022 17.00 2016 24.18 表 4 参证站归一化处理后历年最大风速
Tab. 4. Maximum wind speed after normalization of reference station
m/s 年份 风速 年份 风速 1958 18.8 1990 18.8 1959 22.2 1991 18.5 1960 20.5 1992 13.0 1961 22.2 1993 11.8 1962 20.5 1994 12.6 1963 22.2 1995 13.5 1964 33.9 1996 17.1 1965 20.5 1997 12.3 1966 22.2 1998 12.7 1967 22.2 1999 11.4 1968 22.2 2000 14.3 1969 21.3 2001 12.8 1970 21.0 2002 10.4 1971 18.3 2003 12.9 1972 20.0 2004 10.9 1973 19.0 2005 12.1 1974 17.0 2006 11.9 1975 18.3 2007 13.1 1976 17.1 2008 11.2 1977 19.1 2009 11.4 1978 16.8 2010 13.4 1979 17.7 2011 10.3 1980 19.4 2012 13.1 1981 16.8 2013 10.9 1982 17.1 2014 11.3 1983 20.7 2015 10.3 1984 17.1 2016 10.6 1985 16.8 2017 9.6 1986 14.8 2018 10.6 1987 14.5 2019 11.1 1988 15.5 2020 11.5 1989 15.5 2021 9.9 表 5 参证站最大风速计算结果
Tab. 5. Calculated maximum wind speed at reference station
m/s 频率 3.33% 2% 1.67% 1% 0.5% 0.1% 耿贝尔分布 26.0 27.8 28.5 30.3 32.8 38.6 皮尔逊III型分布 28.5 30.8 31.8 34.0 37.1 44.4 表 6 厂址站最大风速计算结果
Tab. 6. Calculated maximum wind speed of plant site station
m/s 频率 3.33% 2% 1.67% 1% 0.5% 0.1% 耿贝尔分布 27.9 29.4 29.9 31.4 33.5 38.4 皮尔逊III型分布 29.9 31.8 32.7 34.5 37.1 44.4 表 7 冷却塔的风速和风压
Tab. 7. Wind speed and wind pressure of cooling tower
计算方法 百年一遇10 min
最大风速/(m·s−1)百年一遇基本
风压/kPa规范直接取值法 32.25 0.650 现场实测数据直接推算法 30.72 0.590 参证站相关方程概率法 29.26 0.535 -
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