太陽(yáng)能熱發(fā)電站中熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

青島鴻瑞電力工程咨詢(xún)有限公司■馬其森 龔娟

0 引言

由于傳統(tǒng)能源發(fā)電項(xiàng)目會(huì)不可避免地造成一定程度的資源浪費(fèi)與環(huán)境破壞，因此，人們對(duì)于新能源發(fā)電的需求越來(lái)越旺盛。隨著新能源技術(shù)的不斷成熟，太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目憑借其環(huán)保性、穩(wěn)定性、可調(diào)節(jié)性和易于并網(wǎng)等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，逐漸占據(jù)了一定的市場(chǎng)份額。目前，國(guó)內(nèi)和國(guó)際上的太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目正在蓬勃發(fā)展，對(duì)于太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目中一些重要的、獨(dú)有的建筑物的研究也逐漸深入。

熔鹽泵基礎(chǔ)及上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)是太陽(yáng)能熱發(fā)電站特有的結(jié)構(gòu)形式，而對(duì)這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究仍處于起步階段，針對(duì)熔鹽泵基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和平臺(tái)的動(dòng)力分析的相關(guān)文獻(xiàn)更是鳳毛麟角。為了填補(bǔ)這方面的空白，本文以某200 MW槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)為例，詳細(xì)闡述了該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 工程背景

該槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站所在地為戈壁地貌；場(chǎng)地平整、開(kāi)闊，無(wú)建筑物或高壓線(xiàn)；場(chǎng)區(qū)地勢(shì)較為平坦，地勢(shì)由北向南降低，坡度約為1%。本期工程裝機(jī)容量為200 MW，采用槽式導(dǎo)熱油技術(shù)。

根據(jù)項(xiàng)目需要，該項(xiàng)目所有設(shè)計(jì)均采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

2 研究對(duì)象

夜間的持續(xù)發(fā)電能力是太陽(yáng)能發(fā)電需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。在太陽(yáng)能熱發(fā)電站中，熔鹽作為優(yōu)良的傳熱儲(chǔ)能介質(zhì)，解決了太陽(yáng)能熱發(fā)電站的儲(chǔ)能痛點(diǎn)，是太陽(yáng)能熱發(fā)電站中認(rèn)可度最高的傳熱儲(chǔ)能介質(zhì)之一。

在槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中，導(dǎo)熱液體為主要的吸熱材料。導(dǎo)熱液體通過(guò)槽式拋物鏡集熱后，作為加熱源向發(fā)電機(jī)提供蒸汽。為解決夜間持續(xù)發(fā)電的問(wèn)題，導(dǎo)熱液體的部分熱量通過(guò)熱交換器傳遞給回路中循環(huán)的熔鹽。該熱量存儲(chǔ)在熱熔鹽罐中，以便在日落之后釋放，可使設(shè)備運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)約6～15 h。熔鹽泵將熔鹽從熔鹽罐中抽出，并使熔鹽在回路中進(jìn)行循環(huán)，其作為整個(gè)儲(chǔ)-換熱過(guò)程中的動(dòng)力源，可被形象地比喻為儲(chǔ)-換熱系統(tǒng)的心臟。

由于需要存儲(chǔ)大量的熱量，熔鹽罐的體積和高度相對(duì)其他罐體都大，因此，熔鹽泵的管嘴很長(zhǎng)且揚(yáng)程較大。圖1為熔鹽泵的結(jié)構(gòu)外形和吊裝情況。

圖1 熔鹽泵的結(jié)構(gòu)外形和吊裝情況

熔鹽泵需要給熔鹽循環(huán)提供較強(qiáng)的動(dòng)力，因此，熔鹽泵設(shè)備本身具有較強(qiáng)的動(dòng)力特征；與此同時(shí)就要求熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)必須要給設(shè)備提供足夠的穩(wěn)定性，以保證設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行。因此，熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性顯得尤為重要，一方面，結(jié)構(gòu)必須提供足夠的剛度，以保證熔鹽泵支撐的穩(wěn)定性；另一方面，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性必須滿(mǎn)足設(shè)備運(yùn)行的需要，以保證設(shè)備不因結(jié)構(gòu)的較大振動(dòng)而導(dǎo)致失效。

本文研究的主要內(nèi)容即熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 結(jié)構(gòu)選型

熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)緊靠熔鹽罐，因布置需要，整個(gè)熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)需在熱交換器和熔鹽罐之間，因此，可供結(jié)構(gòu)布置的空間并不充裕——熔鹽罐與熱交換器之間的距離不足9 m。圖2為熔鹽區(qū)域局部布置圖。

圖2 熔鹽區(qū)域局部布置平面圖

熔鹽泵需要布置在熔鹽罐的頂部，其吸取熔鹽的管道需要垂直伸入到熔鹽罐中。因此，熔鹽泵上部結(jié)構(gòu)平臺(tái)需要向熔鹽罐頂部懸挑，以便將熔鹽泵送至熔鹽罐上方。考慮到懸挑長(zhǎng)度，且熔鹽泵周?chē)墓艿啦贾脧?fù)雜，因此，頂部的支撐平臺(tái)選用鋼結(jié)構(gòu)，在更易于保證懸臂長(zhǎng)度的情況下，有利于管道布置。

熔鹽泵布置高度超過(guò)20 m，考慮到熔鹽泵運(yùn)行的穩(wěn)定性，熔鹽泵的上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)采用高17 m的混凝土筒體支撐，筒體內(nèi)部可以布置鋼梯，作為人員檢修通道。從穩(wěn)定性、設(shè)計(jì)和施工復(fù)雜程度及經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，采用混凝土筒體支撐比采用鋼結(jié)構(gòu)支撐的優(yōu)勢(shì)明顯。

熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)最終形態(tài)的三維效果圖如圖3所示。圖中，下部為混凝土筒體基礎(chǔ)，頂部為鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)桿件。

圖3 熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的三維效果圖

4 基礎(chǔ)形式

根據(jù)項(xiàng)目地勘信息，整個(gè)鹽區(qū)承載力可以達(dá)到500 MPa。因此，熔鹽泵基礎(chǔ)考慮采用獨(dú)立擴(kuò)展基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底板平面尺寸近似為6.7 m×16.7 m的矩形。由于熔鹽罐布置的原因，需要對(duì)熔鹽泵基礎(chǔ)進(jìn)行切角，以避免與熔鹽罐基礎(chǔ)碰撞，具體的平面形狀如圖4所示。

圖4 熔鹽泵基礎(chǔ)平面圖(單位：mm)

受工藝布置的限制，基礎(chǔ)不能深埋，因此對(duì)基礎(chǔ)的抗傾覆能力有較為不利的影響。上部鋼結(jié)構(gòu)懸挑，并在懸挑部位布置了動(dòng)力設(shè)備熔鹽泵，將會(huì)在基礎(chǔ)上產(chǎn)生較大的傾覆力矩。考慮到該項(xiàng)目所在地的風(fēng)速很大，因此，最不利工況下的傾覆力矩是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重點(diǎn)，為保證設(shè)計(jì)符合美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和工藝要求，基礎(chǔ)的穩(wěn)定性驗(yàn)算是關(guān)鍵一環(huán)。

熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)這種結(jié)構(gòu)體系在常規(guī)電廠(chǎng)項(xiàng)目中難以遇到，全新的結(jié)構(gòu)體系使得設(shè)計(jì)幾乎無(wú)現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。從方案選擇上來(lái)看，熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)可以從工藝布置上進(jìn)行優(yōu)化，從而使基礎(chǔ)的最終形狀、體量達(dá)到優(yōu)化。因此，下文就基礎(chǔ)的合理布置進(jìn)行討論。

在工藝布置上，要考慮熔鹽泵基礎(chǔ)的空間，允許熔鹽泵基礎(chǔ)的埋深加大，需要充分利用基礎(chǔ)的覆土重量，抵抗上部較大的傾覆力矩作用。同時(shí)，在管道布置上，使基礎(chǔ)間距和混凝土筒體間距減小；混凝土筒體的矩形長(zhǎng)邊平行于懸挑方向，都將有利于結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算，使整個(gè)建筑物的結(jié)構(gòu)部分更加有效、合理。混凝土筒體的合理結(jié)構(gòu)布置如圖5所示。

圖5 混凝土筒體的合理結(jié)構(gòu)布置平面圖

5 平臺(tái)動(dòng)力分析

5.1 平臺(tái)剛度矩陣

在本項(xiàng)目中，熔鹽泵屬于重要的動(dòng)力設(shè)備，廠(chǎng)家要求提供平臺(tái)尤其是熔鹽泵支撐點(diǎn)處的剛度矩陣，用以熔鹽泵的設(shè)計(jì)校準(zhǔn)。

剛度矩陣的求法有很多種，其中，通用的有限元設(shè)計(jì)軟件SAP2000可以直接提取剛度矩陣。根據(jù)廠(chǎng)家以往對(duì)于剛度矩陣的要求，按照單位荷載作用下的目標(biāo)點(diǎn)位移的方法求解剛度矩陣，且廠(chǎng)家要求剛度矩陣為“6×6”的主對(duì)角元陣即可。因此，按照廠(chǎng)家要求，采用單位荷載求解位移法提取剛度矩陣，其公式為：

式中，K為剛度；V為位移；F為荷載。

其矩陣形式為：

其中，荷載F的下角標(biāo)數(shù)字1、2、3分別代表x、y、z方向的力；4、5、6分別代表x、y、z方向的力矩。

由于所有荷載均施加單位荷載，取Fi=1，則剛度矩陣的主對(duì)角元應(yīng)為[V]-1矩陣的主對(duì)角元。其公式為：

最終通過(guò)建模計(jì)算，熔鹽泵上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的剛度矩陣的結(jié)果為：

本項(xiàng)目中的剛度矩陣僅為主對(duì)角元矩陣，廠(chǎng)家的要求中忽略了其他方向上的剛度，這或許是基于廠(chǎng)家的工程經(jīng)驗(yàn)的要求，不具有普遍意義。對(duì)于一般工程而言，為了準(zhǔn)確設(shè)計(jì)熔鹽泵，應(yīng)該使用完整的剛度矩陣，其提取方法可以由SAP2000直接提取，或采用上述的單位荷載法提取，具體采用哪種方法由廠(chǎng)家習(xí)慣確定。

5.2 平臺(tái)地震反應(yīng)譜

熔鹽泵上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)地震反應(yīng)譜主要用于熔鹽泵設(shè)備的設(shè)計(jì)，以確定平臺(tái)的地震效應(yīng)，確保熔鹽泵在地震工況下的安全。本項(xiàng)目中廠(chǎng)家需要平臺(tái)地震反應(yīng)譜，由土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供。

熔鹽泵上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)地震反應(yīng)譜由SAP2000直接提取，其提取步驟為：1)對(duì)熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)施加一定數(shù)量的人工地震波；2)得到熔鹽泵上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上關(guān)鍵點(diǎn)的地震響應(yīng)；3)由一系列地震響應(yīng)得到平臺(tái)地震反應(yīng)譜。

利用人工波軟件SeismoSignal獲取人工地震波6個(gè)，其中，3個(gè)是水平方向，3個(gè)是豎直方向。通過(guò)不同的組合，獲得3組人工地震波。6條地震波的時(shí)程曲線(xiàn)如圖6所示，H為水平方向，V為豎直方向。

圖6 水平方向、豎直方向的6條地震波的時(shí)程曲線(xiàn)

通過(guò)SAP2000軟件加載地震波，獲取熔鹽泵支撐點(diǎn)處的反應(yīng)譜曲線(xiàn)[1]。其中，獲取反應(yīng)譜曲線(xiàn)所需要的參數(shù)有：以時(shí)間T為橫坐標(biāo)、PSA為縱坐標(biāo)，鋼平臺(tái)采用3%阻尼比，從而獲取熔鹽泵支撐點(diǎn)處3組地震波下的3個(gè)方向的反應(yīng)譜。建筑結(jié)構(gòu)中，一般選取樓層中心點(diǎn)代表整個(gè)樓層的反應(yīng)信息。在本工程中，同樣選取整個(gè)平臺(tái)的中心點(diǎn)作為平臺(tái)地震反應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)，以地震波下平臺(tái)中心點(diǎn)1141點(diǎn)的x方向舉例，如圖7所示。

圖7 平臺(tái)中心點(diǎn)1141處x方向反應(yīng)譜

5.3 平臺(tái)動(dòng)速度

平臺(tái)動(dòng)速度的激勵(lì)力來(lái)自于熔鹽泵在運(yùn)行中轉(zhuǎn)子的不平衡重力產(chǎn)生的擾力。通常通過(guò)以下指標(biāo)控制擾力產(chǎn)生的平臺(tái)振動(dòng)：1)控制平臺(tái)動(dòng)位移。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算中，這是常用的一項(xiàng)指標(biāo)，尤其在汽輪發(fā)電機(jī)基座設(shè)計(jì)中，國(guó)標(biāo)要求對(duì)動(dòng)位移進(jìn)行控制。2)控制平臺(tái)動(dòng)速度。類(lèi)似的振動(dòng)設(shè)備廠(chǎng)家經(jīng)常提出動(dòng)速度的要求，在振動(dòng)設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)中比較常見(jiàn)。3)控制平臺(tái)動(dòng)加速度。動(dòng)加速度與動(dòng)位移和動(dòng)速度是同一系列的，眾所周知，三者存在求導(dǎo)的關(guān)系[2]。在本項(xiàng)目中，廠(chǎng)家提出了控制動(dòng)速度的要求，其限值為3.5 mm/s。

獲取平臺(tái)動(dòng)速度，需要根據(jù)廠(chǎng)家提供的擾力和熔鹽泵轉(zhuǎn)速模擬熔鹽泵轉(zhuǎn)子的運(yùn)行。轉(zhuǎn)子在水平方向上的擾力大小，以弦函數(shù)的方式循環(huán)作用在熔鹽泵上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上。針對(duì)不同方向，按照轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)正、余弦函數(shù)。根據(jù)廠(chǎng)家提供的資料，弦函數(shù)周期為0.04 s，共考慮10個(gè)周期，周期內(nèi)步長(zhǎng)取20。兩水平方向的弦函數(shù)擾力考慮耦合；豎直方向上擾力按照靜力加載。

加載后的計(jì)算結(jié)果如表2所示。在熔鹽泵上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上，每個(gè)熔鹽泵通過(guò)螺栓與4根鋼梁連接。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，每個(gè)熔鹽泵有4個(gè)支撐點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)都需要驗(yàn)證動(dòng)速度，本文僅以熔鹽泵支撐鋼梁上的796號(hào)支撐點(diǎn)為例。

表2 796號(hào)支撐點(diǎn)處的動(dòng)速度結(jié)果示例(單位：mm/s)

軟件輸出的是速度極值，考慮到函數(shù)為弦函數(shù)，因此，取速度平均值作為設(shè)計(jì)判斷的依據(jù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，無(wú)論最大平動(dòng)速度還是平均平動(dòng)速度，均滿(mǎn)足廠(chǎng)家要求。

6 結(jié)語(yǔ)

熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)是太陽(yáng)能熱發(fā)電站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵和重要結(jié)構(gòu)。本文對(duì)熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)中的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及平臺(tái)動(dòng)力分析的重點(diǎn)進(jìn)行了闡述。與汽輪發(fā)電機(jī)基座的設(shè)計(jì)相同，作為動(dòng)力設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)，熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)需要進(jìn)行動(dòng)力設(shè)計(jì)，且動(dòng)力設(shè)計(jì)的結(jié)果需要符合設(shè)備廠(chǎng)家的要求，并應(yīng)滿(mǎn)足動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)規(guī)范。從廠(chǎng)家提供的結(jié)構(gòu)要求來(lái)看，熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的動(dòng)力設(shè)計(jì)仍遵循動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的基本要求，主要目標(biāo)仍是控制熔鹽泵上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的動(dòng)位移、動(dòng)速度或動(dòng)加速度，保證在動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行的情況下，熔鹽泵上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)不發(fā)生較大的動(dòng)位移，從而保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中，設(shè)備廠(chǎng)家要求控制的是動(dòng)速度，這一點(diǎn)與我國(guó)規(guī)范中限制動(dòng)位移的要求類(lèi)似：動(dòng)位移與動(dòng)速度為導(dǎo)數(shù)關(guān)系。但從設(shè)計(jì)統(tǒng)一的角度來(lái)看，針對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電站中的熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，我國(guó)應(yīng)盡快建立統(tǒng)一的動(dòng)力計(jì)算規(guī)范。從規(guī)范的一致性考慮，熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的動(dòng)力分析最終應(yīng)使用動(dòng)位移作為限制標(biāo)準(zhǔn)[3]。

由于目前同類(lèi)結(jié)構(gòu)的研究仍處在起步階段，因此，本文中針對(duì)熔鹽泵基礎(chǔ)及上部鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的動(dòng)力分析對(duì)今后類(lèi)似結(jié)構(gòu)的動(dòng)力設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。今后應(yīng)在積累足夠的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)且成熟后，形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范。