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我国火电厂冷却塔施工垂直运输方法技术简述

  新型垂直运输冷却塔施工一体化解决方法大幅度减少了冷却塔施工机械设备和脚手架投资，吸收了以前各方法的优点，效率高、安全、安装拆卸简便易行。该技术方法可移植性强，不仅限于冷却塔机械化施工应用，还可以方便地用于其它异形建筑物的机械化施工，代表着今后冷却塔垂直运输机械化施工向专业化、模块化、集成化发展的方向。
    随着国民经济和科学技术的发展，我国发电厂火电机组已由80年代前的单机300MW为主发展到目前的600MW为主，与之配套的冷却系统即冷却塔淋水面积也增至7 000-9 000m2。这种大型冷却塔的出现对传统机械化冷却塔施工技术提出了新的要求和挑战，也为提高我国建筑机械化水平提供了前所未有的创新机遇和发展空间。
   1、 传统脚手架方法
    20世纪50-60年代，限于当时落后的技术装备条件，我国普遍采用了传统的内外满堂脚手架和木模板工艺用于小型冷却塔整体施工(图1)。该工艺存在如下缺陷：脚手架、模板拆卸和安装不方便，排架搭设费用高，劳动强度大，高空作业量大，内外脚手架连杆在筒壁上的留孔较难处理等。目前仅限于冷却塔局部如人字梁、环柱部位、其他设备附着系统等施工环节或部位辅助使用。近年来人字梁、环柱等大型预制构件的吊装通常由起重机完成。

2 、多排孔脚手架与钢管竖井架结合的方法
    20世纪70年代后期，国内一施工单位在宁夏大坝电厂3#、4#冷却塔施工中采用了120m高普通钢扣件竖井架脚手架体系与多排孔脚手架栈桥结合方案，在当时解决了较大高度冷却塔施工垂直运输问题（图2）。

    该方案技术关键是按初步选定的竖井架断面和揽风绳及组合断面的力学特性，如竖井架的截面惯性矩、抗弯刚度、回转半径及结构折减系数等通过荷载计算验证其稳定性。其井架结构设主孔16孔、加强孔20孔、立杆与水平杆在每层形成51个节点，每个节点2个扣件，共计102个扣件，揽风绳设置从距离地面20m起拉绳，以上35、63，76、89、102、120m处，共拉8层风绳，栈桥从距离地面35m起拉6层风绳，拴风绳节点要求角上4个立杆之间加“十”字斜撑，绳拴4根立杆。
    该类体系的优点是经济实用、安全可靠、施工简便；不足之处是必须通过严格的接点计算、结构计算和检测来保证整体施工体系设计合理与运用安全，制作和安装工艺复杂、施工速度较慢，使用过程中施工人员劳动强度大。
    该超高井架冷却塔施工体系的理论验算，是对传统普通钢管脚手架体系在使用高度上的一个突破，具有一定推广价值，成为20世纪80年代部分中小型冷却塔施工的一种选择方案。
3 、装配式悬挂吊桥与钢管竖井架结合方法
自20世纪60年代，我国施工单位开始自制装配式竖直悬挂水平吊桥用于小型冷却塔的施工。2000年，辽宁电建公司在抚顺发电厂二期工程3 500m2冷却塔施工中，采用传统装配式吊桥与金属竖井架结合施工电梯的垂直运输方法。
    该塔为现浇钢筋砼结构双曲线自然通风冷却塔，塔高90m，环基中心半径为37.497m，喉部标高+ 70m，基础埋深- 4.5m，人字柱及淋水装置为预制吊装钢筋砼结构。为满足筒壁施工需要，辽宁电建公司根据施工组织设计要求，在冷却塔东北侧设一座高135m/12孔金属竖井架，配套裴配式悬挂吊桥及一部外附施工升降机(图3)，作为冷却塔施工的垂直运输系统及水平通道。本竖井架共设6道缆风绳，竖井架下设12孔底座，上、下及每层缆风绳处设有加固圈。

装配式悬挂吊桥主桥长20m，副桥长为8m，吊桥自重15t，设计施工荷载6t，总重量为21t。SC200/200普通施工升降机附着在竖井架外侧，每隔6m高设一套附着架，施工升降机自身附着井架高135m，由90个标准节组成。额定载重量2.Ot，准乘18人，额定提升速度34m/min。
    该体系使传统的脚手架作业量进一步下降，冷却塔施工速度有所提高；制作和安装工艺较复杂。在大型冷却塔施工中受到技术因素限制，安全风险上升，设备投资较大。
    装配式悬挂吊桥与扣件式钢管竖井架的结合方法是20世纪70-80年代前后冷却塔施工的典型垂直运输方法。目前利用该法已完成40余座中小冷却塔的施工。
4 、以塔机为主体辅以施工电梯的方法
    按照主体作业机械——塔机的架设位置，该法可分两种形式。
4.1 内设固定式塔机
    1998年大庆石化热电厂3#冷却塔（淋水面积为2 000m2、塔顶标高71m）施工中首次采用QT225个型固定式塔机(臂长30m、起重高度80m)与传统施工电梯组合垂直运输方案(如图4)获得成功。该方案的技术关键是：①塔机于冷却塔内附着方案的确定；②筒壁竣工后塔机的拆卸与运输。

    偏心设置的塔机采用手拉葫芦预调等手段的柔性附着方法，解决了塔机超过独立高度以后的塔身竖向稳定性问题；附着结构采用轻型桁架忽略了柔性附着对于塔机钢丝绳自重的影响，减少了高空作业量，提高了作业安全系数。
    塔机的拆卸和运输方案采用事先制作并经过超负荷实验的设于起重臂的两根拔杆和起重绳系，按预先设计好的工作流程和步骤施工，保证冷却塔施工中塔机臂杆顺利通过风筒喉部并实现完工后的解体。
    该方案的装拆费用稍高，但在多座中小型冷却塔施工实践中，机械费用为采用中型塔机方案的1/3，综合效益很好。如佳木斯热力公司1号冷却塔(2 500IT12)、牡丹江二电厂1号冷却塔(3 500m2)等均采用内设塔机方案完成了风筒浇筑，效果很好。但对于大型冷却塔施工，因为机械费用更加昂贵、人员物料运输繁忙等因素，该方案则显得力不从心。
    内设固定式塔机与施工电梯组合垂直运输的优点是机械的重复使用率高、装拆周期短，且机械用途广，在中小冷却塔施工中可提高企业的综合效益。
4.2外设自升塔机
    2002年，在姜江化肥厂高75m.淋水面积2 200IT12的小型双曲线冷却塔施工中，镇江四建首次采用外设塔机方法施工，之后在山东华金电厂三期高60m、淋水画积1 200m2冷却塔施工中再次应用成功(图5)。同年，北京电建在锦界热电二期2 500m2冷却塔（水塔筒身高75m、环基外直径67.7m、喉部直径33 .4m、筒口直径35.8m)施工中使用该方法结合高空作业设备又一次获得成功（图6）。

    在上述小型冷却塔施工中，一改传统的庞大多孔井架垂直运输方法，实现了外设塔机垂直运输方法的一个突破。该工艺在我国冷却塔施工方法中有创新之处，适于机械化施工成本较低的小型冷却塔。
5 、 曲线电梯和折臂塔机结合的方法
    进入20世纪90年代，在大型塔筒壁施工中受场地和技术条件限制，传统的竖井架吊桥方法已无法使用。为解决邯峰电厂2座高150m、淋水面积9 000m2的亚洲最大双曲线冷却塔的垂直运输施工，采用大型自升折臂塔机（折臂塔机）和凯博sc060曲线施工电梯结合施工，形成一种创新的冷却塔施工方法。
    该方案在塔内布设QT2240型自升式折臂塔机，进行钢筋、砼及各种材料的垂直运输。塔外设SCQ60型VVVF变频曲线电梯，专门用于人员上下运输；筒壁施工采用传统的三角架倒模施工方法，顺利完成筒壁施工，见图7。

    中国建筑科学研究院建筑机槭化研究分院开发的凯博sc060曲线电梯能依附于筒壁外曲面上下运行，载重量600 -1 200kg，乘员8- 12人。在2#冷却塔施工时，将最先进的变频技术首次应用到曲线电梯上，运行速度从28m/min提高到40m/min，使冷却塔施工高峰时人员运送时间从原来的2.7h缩短为1h，运行效果显著提高。
    该技术方案优点如下：使用折臂塔机浇筑砼只使用18人／班，而用井架施工约需要40余人／班。这样材料运输工序的人员投入比传统井架体系大幅减少，而且，各种材料均可直接吊运至任意地点，降低了工人劳动强度。折臂塔机组装速度快、起重量大、工作覆盖范围大，可显著加快垂直运输速度；曲线电梯首次开辟了施工人员快速上下的专门通道，垂直交通效率较高。
不足之处：受折臂塔机偏心固定位置的阻挡，一部分筒壁半径的施工精度控制较复杂；折臂塔机料斗的砼浇筑速度一般为5 - 6m3/h，最快为10m3/h，相比井架施工的砼浇筑速度慢一些；设备的利用率有待进一步提高，投资较大。
    1997年后，天津电建等单位在蓟县电厂、吴泾电厂等工程开始推广折臂塔机及曲线电梯技术体系改善冷却塔施工取得良好效果。2000年后北京电建在大唐托克托电厂1#冷却水塔工程施工中采用了风筒内置提升井架代替折臂塔机，使施工设备成本有所下降。该施工技术适用于5 000-9 000m2冷却塔的施工，目前我国使用该套技术已建成5 000m2以上的冷却塔8座，其中淋水面积9 000m2的冷却塔有两座。
    目前国内应用此法的大型电建旋工单位有522   家左右。该技术方案顺应了建筑机械化时代创新与发展的潮流，传统金属井架转为辅助运输机械，使劳动力投入和劳动强度都大为降低，标志着我国大型冷却塔机械化施工开始进入新阶段。
6 、多功能升降机为主体的多机组合方法
    1999年中国建筑科学研究院建筑机械化研究院开发的凯博SC200/200多功能升降机为主体的多机组合方法在天津电建盘山电厂双曲线冷却塔施工中首次成功完成砼、钢筋及人员的同时运输，属国内外首创，成为继曲线电梯、折臂塔机方法之后解决我国电建机械化施工垂直运输问题的一种创新。该组合方法按照主体机械机种数量，可分两种。
6.1 多功能升降机辅以塔机联合作业
    2000年在德州电厂三期9 200IT12大型冷却塔施工中，凯博多功能升降机与塔机互为补充进行砼浇灌，加快了工序交接和砼浇灌速度，确保了施工总工期。自升式塔机和凯博SC200多功能施工升降机技术结合，最终形成一种成熟的多机组合施工工艺新方法。
    该多功能升降机安装时只需将其与一个脚手架网系相连即可，非常方便(图8)。通过已竣工的盘山电厂1#冷却水塔使用来看，升降机的运行不会对整命脚手架网系及塔筒壁造成影响，而这种附着方式使升降机拆卸更便利，比正常与建筑物直接附着还方便。该型施工升降机操作简单，安全可靠，冷却塔施工速度较过去的依靠折臂塔吊上料方式效率提高3倍多。实践证明该法设备投资少、管理简单，较适合于大中型冷却塔施工。

6.2 多功能升降机双机联合作业方法
    在一些中小冷却塔施工中，脚手架网系搭设过程较为简单，现有脚手架体系完全可满足施工升降机附着及平台出料功能的要求。因此一般只需沿冷却塔直径两端内设两台多功能升降机进行联合作业，双机可独立完成冷却塔施工所需要的人员、砼、钢筋、小型机具的垂直运输，施工速度较快，同时可大幅度节省设备投资。
    该组合施工方法效率较高，设备投资仅为折臂塔机方案的1/4。可以断言，随着冷却塔施工机械化要求的日益提高，以多功能施工升降机为主体的多机组合方法必将成为大中型冷却塔机械化施工垂直运输的主流选择之一；不足之处是脚手架需要经过专业设计计算、搭设脚手架工作量大，搭设过程要求严格。
    通过以上简要介绍，不难发现冷却塔机械化施工垂直运输方法已经历了如下阶段：传统脚手架时代——金属竖井架时代——传统吊桥时代——塔式起重机时代——多功能施工升降机时代。尽管以塔式起重机、多功能施工升降机等为圭体的机械化施工方法提高了建筑机械化水平，但仍需搭设一定数量的辅助脚手架，脚手架搭拆和高处作业带来的安全风险依然存在。在以上方法中取长补短，研制更为安全可靠高效实用的一体化整体解决方案，已经成为冷却塔机械化施工垂直运输技术创新的发展方向。
7、液压顶升平桥和多功能升降机结合施工
随着电力市场的不断扩大和起重领域机电一体化技术的发展，当前建筑机械化研究领域的综合创新思想已延伸到冷却塔机械化施工领域。广大电建单位对于具有系统功能、模块集成特色的冷却塔施工垂直运输专业设备的需求越发迫切。
    中国建筑科学研究院建筑机械化研究分院首创了一种冷却塔机械化施工垂直运输一体化整体解决方案，该方案是一种集多功能升降机、塔机、吊桥功能为一体的用于冷却塔施工的新型专业化垂直运输设备(图9)，在河南周口电厂建设中应用成功，该设备最大使用高度150m、塔机工作幅度最大可达到20m。既可为多功能升降机提供附着，又为施工中钢筋和砼等物料的贮存和水平运输提供平台，使用过程中不需要搭设脚手架或其他辅助支撑体系。

    该新型设备主要特点如下：①系统刚度好、可兼顾冷却塔半径的变化保持体系的平衡、升降安仝可靠、使用方便；②可随建筑物的施工进程调整工作幅度；③项部安装有小型下回转塔机，方便钢筋和小型建筑物料的提升；④各部位安装有灵敏可靠的力矩限制器和报警装置，确保使用安全可靠。⑤可随冷却塔施工部位和施工进度调整系统高度，保证工作面与施工面相平。
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