青島鴻瑞電力工程咨詢有限公司■馬其森 龔娟

0 引言

由于傳統(tǒng)能源發(fā)電項目會不可避免地造成一定程度的資源浪費與環(huán)境破壞，因此，人們對于新能源發(fā)電的需求越來越旺盛。隨著新能源技術的不斷成熟，太陽能熱發(fā)電項目憑借其環(huán)保性、穩(wěn)定性、可調節(jié)性和易于并網(wǎng)等特點和優(yōu)勢，逐漸占據(jù)了一定的市場份額。目前，國內和國際上的太陽能熱發(fā)電項目正在蓬勃發(fā)展，對于太陽能熱發(fā)電項目中一些重要的、獨有的建筑物的研究也逐漸深入。

熔鹽泵基礎及上部平臺結構是太陽能熱發(fā)電站特有的結構形式，而對這種結構的設計和研究仍處于起步階段，針對熔鹽泵基礎的設計和平臺的動力分析的相關文獻更是鳳毛麟角。為了填補這方面的空白，本文以某200 MW槽式太陽能熱發(fā)電站中熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺為例，詳細闡述了該結構的設計要點。

1 工程背景

該槽式太陽能熱發(fā)電站所在地為戈壁地貌；場地平整、開闊，無建筑物或高壓線；場區(qū)地勢較為平坦，地勢由北向南降低，坡度約為1%。本期工程裝機容量為200 MW，采用槽式導熱油技術。

根據(jù)項目需要，該項目所有設計均采用美國標準規(guī)范。

2 研究對象

夜間的持續(xù)發(fā)電能力是太陽能發(fā)電需要解決的重點問題。在太陽能熱發(fā)電站中，熔鹽作為優(yōu)良的傳熱儲能介質，解決了太陽能熱發(fā)電站的儲能痛點，是太陽能熱發(fā)電站中認可度最高的傳熱儲能介質之一。

在槽式太陽能熱發(fā)電站中，導熱液體為主要的吸熱材料。導熱液體通過槽式拋物鏡集熱后，作為加熱源向發(fā)電機提供蒸汽。為解決夜間持續(xù)發(fā)電的問題，導熱液體的部分熱量通過熱交換器傳遞給回路中循環(huán)的熔鹽。該熱量存儲在熱熔鹽罐中，以便在日落之后釋放，可使設備運行時間延長約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行循環(huán)，其作為整個儲-換熱過程中的動力源，可被形象地比喻為儲-換熱系統(tǒng)的心臟。

由于需要存儲大量的熱量，熔鹽罐的體積和高度相對其他罐體都大，因此，熔鹽泵的管嘴很長且揚程較大。圖1為熔鹽泵的結構外形和吊裝情況。

圖1 熔鹽泵的結構外形和吊裝情況

熔鹽泵需要給熔鹽循環(huán)提供較強的動力，因此，熔鹽泵設備本身具有較強的動力特征；與此同時就要求熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺必須要給設備提供足夠的穩(wěn)定性，以保證設備的長時間正常運行。因此，熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺的結構動力特性顯得尤為重要，一方面，結構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，結構的動力特性必須滿足設備運行的需要，以保證設備不因結構的較大振動而導致失效。

本文研究的主要內容即熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺的結構設計。

3 結構選型

熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺緊靠熔鹽罐，因布置需要，整個熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺需在熱交換器和熔鹽罐之間，因此，可供結構布置的空間并不充?！埯}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，熔鹽泵上部結構平臺需要向熔鹽罐頂部懸挑，以便將熔鹽泵送至熔鹽罐上方?？紤]到懸挑長度，且熔鹽泵周圍的管道布置復雜，因此，頂部的支撐平臺選用鋼結構，在更易于保證懸臂長度的情況下，有利于管道布置。

熔鹽泵布置高度超過20 m，考慮到熔鹽泵運行的穩(wěn)定性，熔鹽泵的上部鋼結構平臺采用高17 m的混凝土筒體支撐，筒體內部可以布置鋼梯，作為人員檢修通道。從穩(wěn)定性、設計和施工復雜程度及經(jīng)濟性來看，采用混凝土筒體支撐比采用鋼結構支撐的優(yōu)勢明顯。

熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺最終形態(tài)的三維效果圖如圖3所示。圖中，下部為混凝土筒體基礎，頂部為鋼結構平臺桿件。

圖3 熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺的三維效果圖

4 基礎形式

根據(jù)項目地勘信息，整個鹽區(qū)承載力可以達到500 MPa。因此，熔鹽泵基礎考慮采用獨立擴展基礎，基礎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，需要對熔鹽泵基礎進行切角，以避免與熔鹽罐基礎碰撞，具體的平面形狀如圖4所示。

圖4 熔鹽泵基礎平面圖(單位：mm)

受工藝布置的限制，基礎不能深埋，因此對基礎的抗傾覆能力有較為不利的影響。上部鋼結構懸挑，并在懸挑部位布置了動力設備熔鹽泵，將會在基礎上產(chǎn)生較大的傾覆力矩。考慮到該項目所在地的風速很大，因此，最不利工況下的傾覆力矩是基礎設計時的一個重點，為保證設計符合美國標準規(guī)范和工藝要求，基礎的穩(wěn)定性驗算是關鍵一環(huán)。

熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺這種結構體系在常規(guī)電廠項目中難以遇到，全新的結構體系使得設計幾乎無現(xiàn)成的經(jīng)驗可以借鑒。從方案選擇上來看，熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺可以從工藝布置上進行優(yōu)化，從而使基礎的最終形狀、體量達到優(yōu)化。因此，下文就基礎的合理布置進行討論。

在工藝布置上，要考慮熔鹽泵基礎的空間，允許熔鹽泵基礎的埋深加大，需要充分利用基礎的覆土重量，抵抗上部較大的傾覆力矩作用。同時，在管道布置上，使基礎間距和混凝土筒體間距減??；混凝土筒體的矩形長邊平行于懸挑方向，都將有利于結構的受力計算，使整個建筑物的結構部分更加有效、合理?；炷镣搀w的合理結構布置如圖5所示。

圖5 混凝土筒體的合理結構布置平面圖

5 平臺動力分析

5.1 平臺剛度矩陣

在本項目中，熔鹽泵屬于重要的動力設備，廠家要求提供平臺尤其是熔鹽泵支撐點處的剛度矩陣，用以熔鹽泵的設計校準。

剛度矩陣的求法有很多種，其中，通用的有限元設計軟件SAP2000可以直接提取剛度矩陣。根據(jù)廠家以往對于剛度矩陣的要求，按照單位荷載作用下的目標點位移的方法求解剛度矩陣，且廠家要求剛度矩陣為“6×6”的主對角元陣即可。因此，按照廠家要求，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，則剛度矩陣的主對角元應為[V]-1矩陣的主對角元。其公式為：

最終通過建模計算，熔鹽泵上部鋼結構平臺的剛度矩陣的結果為：

本項目中的剛度矩陣僅為主對角元矩陣，廠家的要求中忽略了其他方向上的剛度，這或許是基于廠家的工程經(jīng)驗的要求，不具有普遍意義。對于一般工程而言，為了準確設計熔鹽泵，應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家習慣確定。

5.2 平臺地震反應譜

熔鹽泵上部鋼結構平臺地震反應譜主要用于熔鹽泵設備的設計，以確定平臺的地震效應，確保熔鹽泵在地震工況下的安全。本項目中廠家需要平臺地震反應譜，由土建結構設計提供。

熔鹽泵上部鋼結構平臺地震反應譜由SAP2000直接提取，其提取步驟為：1)對熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺施加一定數(shù)量的人工地震波；2)得到熔鹽泵上部鋼結構平臺上關鍵點的地震響應；3)由一系列地震響應得到平臺地震反應譜。

利用人工波軟件SeismoSignal獲取人工地震波6個，其中，3個是水平方向，3個是豎直方向。通過不同的組合，獲得3組人工地震波。6條地震波的時程曲線如圖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條地震波的時程曲線

通過SAP2000軟件加載地震波，獲取熔鹽泵支撐點處的反應譜曲線[1]。其中，獲取反應譜曲線所需要的參數(shù)有：以時間T為橫坐標、PSA為縱坐標，鋼平臺采用3%阻尼比，從而獲取熔鹽泵支撐點處3組地震波下的3個方向的反應譜。建筑結構中，一般選取樓層中心點代表整個樓層的反應信息。在本工程中，同樣選取整個平臺的中心點作為平臺地震反應的關鍵點，以地震波下平臺中心點1141點的x方向舉例，如圖7所示。

圖7 平臺中心點1141處x方向反應譜

5.3 平臺動速度

平臺動速度的激勵力來自于熔鹽泵在運行中轉子的不平衡重力產(chǎn)生的擾力。通常通過以下指標控制擾力產(chǎn)生的平臺振動：1)控制平臺動位移。在結構動力計算中，這是常用的一項指標，尤其在汽輪發(fā)電機基座設計中，國標要求對動位移進行控制。2)控制平臺動速度。類似的振動設備廠家經(jīng)常提出動速度的要求，在振動設備的支撐結構中比較常見。3)控制平臺動加速度。動加速度與動位移和動速度是同一系列的，眾所周知，三者存在求導的關系[2]。在本項目中，廠家提出了控制動速度的要求，其限值為3.5 mm/s。

獲取平臺動速度，需要根據(jù)廠家提供的擾力和熔鹽泵轉速模擬熔鹽泵轉子的運行。轉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構平臺上。針對不同方向，按照轉速設計正、余弦函數(shù)。根據(jù)廠家提供的資料，弦函數(shù)周期為0.04 s，共考慮10個周期，周期內步長取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。

加載后的計算結果如表2所示。在熔鹽泵上部鋼結構平臺上，每個熔鹽泵通過螺栓與4根鋼梁連接。在結構設計中，每個熔鹽泵有4個支撐點，每個點都需要驗證動速度，本文僅以熔鹽泵支撐鋼梁上的796號支撐點為例。

表2 796號支撐點處的動速度結果示例(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計判斷的依據(jù)。根據(jù)計算結果可知，無論最大平動速度還是平均平動速度，均滿足廠家要求。

6 結語

熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺是太陽能熱發(fā)電站結構設計中的關鍵和重要結構。本文對熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺中的基礎設計及平臺動力分析的重點進行了闡述。與汽輪發(fā)電機基座的設計相同，作為動力設備支撐結構，熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺需要進行動力設計，且動力設計的結果需要符合設備廠家的要求，并應滿足動力設備基礎的設計規(guī)范。從廠家提供的結構要求來看，熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺的動力設計仍遵循動力設備基礎設計的基本要求，主要目標仍是控制熔鹽泵上部鋼結構平臺的動位移、動速度或動加速度，保證在動力設備運行的情況下，熔鹽泵上部鋼結構平臺不發(fā)生較大的動位移，從而保證設備的穩(wěn)定運行。

項目實踐過程中，設備廠家要求控制的是動速度，這一點與我國規(guī)范中限制動位移的要求類似：動位移與動速度為導數(shù)關系。但從設計統(tǒng)一的角度來看，針對太陽能熱發(fā)電站中的熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺，我國應盡快建立統(tǒng)一的動力計算規(guī)范。從規(guī)范的一致性考慮，熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺的動力分析最終應使用動位移作為限制標準[3]。

由于目前同類結構的研究仍處在起步階段，因此，本文中針對熔鹽泵基礎及上部鋼結構平臺的動力分析對今后類似結構的動力設計具有指導意義。今后應在積累足夠的項目經(jīng)驗且成熟后，形成統(tǒng)一的設計規(guī)范。