熔鹽儲罐隔熱基礎設計研究

程虎，蘇加，奚正穩(wěn)，孫登科

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，成都611731）

1 概述

在全球能源供應清潔化、低碳化趨勢的背景下，太陽能熱發(fā)電具有可儲熱、可調(diào)峰、可連續(xù)發(fā)電等優(yōu)點，且成本下降空間可期，市場發(fā)展前景光明。2018年，中國光熱發(fā)電市場新增裝機215MW，占全球總新增裝機量的22.97%，約為2017年全球光熱發(fā)電新增裝機（115.76MW）的2倍【1】，光熱發(fā)電行業(yè)呈現(xiàn)出一派蓬勃發(fā)展的繁榮景象。但到目前為止，光熱電站還正處于示范建設階段，在這個階段光熱發(fā)電技術仍然面臨很多的技術和經(jīng)驗問題，熔鹽儲罐隔熱基礎設計就是其中之一。

從國內(nèi)研究現(xiàn)狀來看，眾多科研機構和學者的研究領域都集中在儲罐本體或者罐體材料上，更多在于選材及壁厚設計，膨脹及應力分析；對于工程領域來講，熔鹽儲罐下部隔熱基礎是保證儲罐安全運行的前提，但目前尚無系統(tǒng)的研究成果【2】。

實際應用中，熔融鹽儲罐底部隔熱層溫度直接關系到其安全性和經(jīng)濟性。隔熱層底部溫度過高，會導致材料超溫，威脅設備安全運行；底部溫度過低，會導致散熱量增加，不利于設備的經(jīng)濟性。因此，需要對熔鹽隔熱基礎的結構設計進行研究。

2 設計要求

儲罐作為光熱電站的核心設備，每天熔鹽儲罐液位將會隨著吸熱器及汽輪機組的運行情況升高或降低，循環(huán)反復。熔鹽儲罐的設計須適應液位循環(huán)模式運行以及產(chǎn)生的熱應力變化。

儲罐是由鋼板焊成的薄壁容器結構，具有柔性大、剛度小的特點，能承受一定的地基沉降變形。只要是均勻沉降，即便基礎產(chǎn)生較大的沉降，仍然不影響儲罐的使用。對儲罐隔熱基礎進行設計時，應考慮以下要求：

1）基礎應滿足散熱量的要求，盡量減少熱量損失，降低系統(tǒng)的運行成本；

2）基礎應滿足強度要求，能承受儲罐的自重和滿罐熔鹽重量的總荷重；

3）儲罐地基的總沉降和不均勻沉降都必須滿足儲罐允許沉降和傾斜的要求；

4）在地基沉降變形較大的地區(qū)建儲罐時，基礎必須預抬高安裝標高，以使最終沉降穩(wěn)定后的罐基礎高出四周地面，以免積水，影響儲罐的使用；

5）為保證土建土層強度，需要增強通風以帶走熱量，使得地基層溫度能夠維持在70℃以下。

3 隔熱基礎

以某項目高溫罐（設計溫度590℃）隔熱基礎為例，介紹基礎結構及耐火材料的選擇。

3.1 散熱量的確定

目前，尚未查到熔鹽儲罐罐底隔熱基礎設計的相關標準。在沒有設計規(guī)范的前提下，建議參考DL/T 5072—2007《火力發(fā)電廠保溫油漆設計規(guī)程》的相關要求，即介質(zhì)溫度為565℃時，隔熱層外壁允許的最大散熱量為284W/m2，考慮理論計算與實際運行的差異，加之施工質(zhì)量及長期運行后材料老化等影響，實際設計時建議散熱量低于100W/m2為宜。

3.2 保溫材料的確定

隔熱基礎保溫材料的選擇不僅要滿足隔熱要求，還要滿足基礎承重要求。結合相關標準，熔鹽罐隔熱材料擬選擇高強型硅酸鈣板和泡沫玻璃。相關材料物性參數(shù)見表1。

表1 保溫材料參數(shù)

3.3 結構的確定

儲罐的外形是直徑大、高度低的“矮胖”形結構，對風力的影響有限，只有在臺風或地震作用下且又是空罐時，才可能產(chǎn)生移動。所以在風級大于10級地區(qū)或9度地震區(qū)建罐時，才考慮儲罐與基礎的錨固問題。

目前，我國在建光熱電站多為非錨固式、大型立式儲罐。儲罐直接放置在環(huán)墻式基礎上，便于安裝施工和生產(chǎn)操作，并可降低維修費用。

環(huán)墻式基礎的環(huán)墻，一般采用鋼筋混凝土制作。不論采用現(xiàn)澆或預制裝配，采用的混凝土強度等級均不低于C20，預制裝配式環(huán)墻接頭的混凝土至少應高于環(huán)墻混凝土強度等級一級。

設計時環(huán)墻中心線的直徑宜與儲罐直徑一致。為了避免儲罐底板變形后，壁板和底板連接處的角焊縫與環(huán)墻頂面接觸，可能出現(xiàn)應力集中，產(chǎn)生危險性破壞，環(huán)墻頂面內(nèi)側邊角宜做成一個不小于20°的斜角。熔鹽儲罐隔熱基礎結構形式見圖1。

圖1 儲罐隔熱基礎結構

4 計算分析

4.1 建立模型

以圖1儲罐隔熱基礎為研究對象，建立儲罐隔熱基礎溫度場分布模型，如圖2所示。儲罐隔熱基礎溫度場分布模型計算基于以下幾點假設進行：

圖2 隔熱基礎溫度場分布模型

1）儲罐內(nèi)介質(zhì)溫度均勻，忽略罐內(nèi)介質(zhì)傳熱；

2）儲罐底板溫度分布均勻，罐底板溫度為儲罐底層熔鹽溫度；

3）儲罐底板傳熱方向為垂直罐底板方向，忽略其他方向的散熱；

4）依據(jù)材料導熱系數(shù)大小對儲罐隔熱層進行合理簡化，儲罐基礎自上而下分別為：高強型硅酸鈣板層、泡沫玻璃層、耐熱混凝土層、地基層。各絕熱材料層內(nèi)部溫度，分布均勻。

4.2 計算工況

計算工況見表2。

表2 計算工況

4.3 溫度場分析

高溫工作狀態(tài)和低溫工作狀態(tài)下，溫度場分析結果見圖3、圖4。

圖3 夏季工況溫度場云圖

圖4 冬季工況溫度場云圖

4.4 材料溫度分析

材料溫度分析見表3。

表3 村料溫度分析

5 施工與維護

儲罐隔熱基礎施工的工程質(zhì)量，直接關系到光熱電站投產(chǎn)后的使用效果。一旦出現(xiàn)隔熱基礎破壞導致熔鹽儲罐泄露，整個光熱電站將無法運行。僅停機減少的發(fā)電收入就高達億元以上，且維修工作量大，周期長，對機組的經(jīng)濟性影響重大。因此，需要重視熔鹽儲罐隔熱基礎的設計，以及施工與維護。

5.1 施工質(zhì)量管理

影響工程質(zhì)量的因素很多，但主要取決于材料的質(zhì)量和施工質(zhì)量的好壞這2方面。為了保證儲罐隔熱基礎的施工質(zhì)量：（1）選擇守信譽、重質(zhì)量的施工隊伍；（2）加強工程的質(zhì)量監(jiān)督和管理，嚴格執(zhí)行國家工程質(zhì)量檢驗評定標準；（3）加強建筑材料的質(zhì)量監(jiān)督，做好現(xiàn)場抽檢與管理工作；（4）做好技術交底，嚴格按設計要求施工。

5.2 充水預壓

儲罐安裝完成之后，應進行儲罐內(nèi)充水試驗，目的是檢查焊接的質(zhì)量，同時也對地基進行預壓。充水預壓是加固地基的重要措施，新建儲罐使用前均應進行充水預壓地基。試驗后在第一個預熱操作之前，儲罐的內(nèi)部應用高壓水射流清洗并用鼓風機和空氣除濕機使其完全干燥。由于熔鹽密度遠大于水的密度，在儲罐充水預壓前須根據(jù)儲罐地基土的性質(zhì)，根據(jù)使用條件的限制，對儲罐充水預壓進行創(chuàng)新設計，提出符合光熱電站特點的要求，以確保隔熱基礎的安全。

5.3 沉降觀測

目前國內(nèi)外僅有少數(shù)熔鹽光熱電站實現(xiàn)成功運行，熔鹽儲罐的維護經(jīng)驗鮮有全面、公開的報道。從大型油品儲罐基礎破壞實例看，儲罐一旦遭遇由基礎變形引起的破壞，不但儲罐不能正常使用，而且往往會引起管道斷裂，大量油品泄漏，污染環(huán)境甚至發(fā)生火災、爆炸等次生災害。儲罐基礎變形主要包括：基礎的沉降、相對傾斜、周圍地面沉降、地基深層沉降及側向變形等。直接影響儲罐使用的是基礎的不均勻沉降和傾斜。因此，儲罐的維護重點應在于基礎沉降的觀測【3】。

5.3.1 沉降觀測點設置

沉降觀測點可設在儲罐基礎上或儲罐上，沿圓周每隔10m左右設1個觀測點，觀測點應均勻布置，點數(shù)宜為2的倍數(shù)，且不得少于6點。若設置在儲罐基礎上，必須在澆筑基礎時就預埋觀測點。

5.3.2 沉降觀測的步驟

在進行沉降觀測之前，必須搜集下列資料:儲罐場地的總平面圖；儲罐基礎及地基加固處理的平面、剖面圖；儲罐基礎設計資料；儲罐的總荷載以及工程地質(zhì)勘察報告等。根據(jù)儲罐場地的總平面圖、儲罐基礎的類型、結構特征和地質(zhì)條件，確定水準點、沉降觀測點的位置、數(shù)量和型式。然后制作和埋設水準點和沉降觀測點，進行沉降水準測量。每次測量后的數(shù)據(jù)應及時計算分析、及時整理出沉降觀測成果。最后編寫完成沉降觀測分析報告。

6 結語

本文僅結合某項目的儲罐隔熱基礎，對隔熱基礎設計進行了簡單介紹。目前，國內(nèi)很多廠家都對儲罐隔熱基礎進行了創(chuàng)新設計，由于所選隔熱材料性能不同，導致隔熱基礎結構、厚度也不盡相同。鑒于目前光熱發(fā)電尚處于示范建設階段，業(yè)主、EPC方設計院和有實力的設備廠家應該積極探討交流，對于控制指標形成統(tǒng)一的標準。針對隔熱基礎通風管道設置的必要性、西北地區(qū)的季節(jié)性凍土對隔熱基礎設計及施工的影響等達成業(yè)界共識，在完成技術積累的同時推動我國太陽能熱發(fā)電技術產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。