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光热电站吸热塔、熔盐罐&定日镜基础等特殊构筑物设计分享

2018.12.06 来自:CSPFocus光略咨询

光热发电项目中土建结构有自身的难点和特点。西北电力设计院有限公司土建结构室主任工程师李红星博士主要从事火力发电厂及新能源电站特殊复杂构筑物的设计研究和应用工作。作为教授级高工,集团公司专家,一级结构注册工程师,李博士在此前召开的CSP Focus光热发电创新大会上,发表了题为“光热电站特种构筑物设计”的主题演讲,以下为具体内容分享:


因为光热是一个新的发电型式,我相信各个专业都碰到了很多新问题,土建结构专业也不例外,碰到了很多以前没有碰到过的问题,今天借这个机会跟大家分享一下我们碰到的问题,大家共同寻找一些解决方案。主要讲四部分内容:第一是吸热塔,第二是设备抗震验算,或是说非结构构件的验算,第三是熔盐罐基础,第四是定日镜基础。


第一,关于吸热塔结构。


吸热塔目前来看主要分为三种,钢筋混凝土结构、钢结构和混合结构。



左侧的图显示的是伊万帕电站,这是一个钢结构的吸热塔,不太高,大概140米左右。右侧的图是混合结构,是摩洛哥努奥三期吸热塔模型,这种现在也成了中国绝大部分吸热塔的样式,即混凝土加钢结构。但是国内做法和摩洛哥做法不太一样,摩洛哥项目上部的钢结构是设计院设计,国内项目上部钢结构一般是厂家,即锅炉厂来做,不太一样。


这个照片是以色列项目,采用整体吊装形式,底部开一个巨大的孔洞,这个目前在中国还没有。


关于设计原则。我们做了几个项目以后,发现吸热塔不是烟囱,所以我们编写国家标准的时候没有引用烟囱设计规范。但问题是实际设计的时候又避不开烟囱规范,还是在继续引用烟囱设计规范的一些规定。我们目前在规范里面写的是主要参考高耸结构设计规范,但是在中国,高耸结构设计规范也不能够完全指导设计。在美国有一个烟囱设计标准ACI307,这个也是针对烟囱,对吸热塔也不完全适用。所以目前吸热塔各个单位可能是自己根据自己的理解,做法和依据的标准不太一样。


我们院目前申请了一个关于吸热塔的能源行业专项标准,目前正在编制过程中。主要面对的问题是,国内采用荷载规范和烟囱规范计算结果不一样,同时国内和国外规范计算方法也不一样,比如中国的烟囱规范、高耸结构规范和美国的烟囱规范不一样。



其中一个核心问题是关于阻尼比问题,阻尼比问题是我们做摩洛哥项目时出现的一个问题,左上角是吸热塔沿高度方向的质量分布,上面两张图是摩洛哥努奥项目国外合作方做的风洞试验,在加拿大Western University做的。


做完风洞实验之后,结果显示内力比我们设计的内力大1.4倍左右,导致设计结果不安全,我们作为设计方比较担心这个问题。经过我们自己的研究和分析,我们认为主要问题是大家关于阻尼比的理解不一样,做实验的时候,他认为这个结构的阻尼比只有0.7%,是非常低的,而中国的标准认为阻尼比是5%,差了7倍左右。基于这个原因我们就要研究一下阻尼比到底对吸热塔结构影响有多大。


所以我们自己中国做了一个风洞实验。第一个问题是想把阻尼比做到0.7%的话,这个对实验模型的加工要求非常高。我们这个实验模型是在我们国家专门稿军工产品加工的单位做的,是把实体的铝合金构件中间掏空做了一个实验模型,才满足0.7%阻尼比要求。



整个过程非常有意思,我们跟合作方说,我们认为阻尼比不会那么小,他们直接给我们发了几篇参考文献,因为有专家认为阻尼比就是很小。参考文献的作者是日本人,他这几年一直在中国高校当专家,所以我们把他请来做我们这个项目顾问。这个教授实测了很多烟囱,还有一些高层或者超高层建筑,包括日本的、香港的、美国的一些,发现超高建筑的阻尼比确实很低,一般就在1%左右甚至低于1%。他认为中国规范有问题,阻尼比取5%是不合适的。我们也统计了中国在超高层建筑的阻尼比的实测数据,大部分确实在2%左右或者更低。事实上实测阻尼和风速、摆幅有关系,展开讲的话比较复杂,但证明我们规范里面存在一些问题需要研究。我们做的实验也证明低阻尼比的时候,风振响应远超过规范计算值,为了项目顺利进行,所以我们在塔顶做了TMD,目的一是增加结构阻尼比,二是减小风振响应,实测结果证明增加TMD之后,风振响应可以迅速降低。


第二,关于非结构构件验算的问题。


中国电力设计工程师,尤其土建和设备工程师往往不太重视这个问题,事实上在规范里面是有规定的,在美国的ASCE规范里面也有规定。现在做光热的时候,尤其做熔盐泵支架,如果和外方厂家配合的时候会发现外方都会让我们做熔盐泵的地震作用计算,需要提交资料。我们国家的抗震规范是2001年开始有这个规定,同时美国的UBC、SCE,还有ASME等等都有一些规定。



右侧图有一个简单的算力,建筑楼层上放一个设备,我们拿不同规范算看差异有多大,UBC94年规范算下来是0.4倍的设备质量,97年规范算是0.326倍的质量,用ASCE或者美国联邦救急署的标准大概是0.16倍设备质量,如果用ASME规范设计也可按照ASCE标准计算,用DLT标准算下来是0.2倍设备质量,用GB50011-2010算是0.5倍设备质量,差异非常大。这个问题没有统一标准,相对比较精确的办法是用楼面谱的方法计算。




这个图是摩洛哥项目的模型,左上角显示是地震波的选取,右下角是用楼面谱的方法。原理是,根据地震波生成楼面谱,把这个楼面谱再给设备厂家,设备厂家根据楼面谱算出的地震作用反馈给设计院,设计院再进行重新校合,可能需要有一个迭代过程完成设备的计算。


第三,熔盐罐基础。



有几个问题,一是外环墙基础,是钢环还是钢筋混凝土环?这两个可能大家都有做,隔热材料一般是选用陶粒土,这是比较常见但不是唯一的。陶粒土有一个基本问题,它是散粒体材料,很难压实,目前已进行的项目也发现了这个问题。正常碰到的力学问题都是连续介质力学问题,而这个项目碰到的非连续介质力学问题,比较复杂。


还有一个比较问题是熔盐液面不断变化,在运行过程中实际是交变往复荷载,同时陶粒土长期处在高温状态,散粒体材料在高压以及交变荷载时可能出现蠕变问题,比较遗憾的是这个问题很难进行实验研究,只能根据已有经验积累做设计。还有一个是关于陶粒的热工参数测定,目前所有试验设备都是针对连续体的测试,很少有针对散粒体的。


计算分析比较简单,需要进行热应力分析、膨胀分析和温度场分析,耦合在一起做。


第四,关于定日镜基础主要问题。


一是短桩,目前国内做的桩基础比较节约,但是这个和常见的桩不一样,长度和直径比值比较小。短桩在我们国家桩基规范里面没有规定,找不到很完备的设计理论,这也可能导致各个设计院做出来的结果差异比较大,甚至我们的结果和外方结果差异也比较大。桩基础型式有两种,一种是桩柱一体,一种是分离式,控制指标是双控。


最后汇报一个小问题,一万多根桩,怎么检测?如果按照现有桩基检测规范的话数量太大,成本太高,不知道其他单位有没有碰到类似的问题。按照我们国家的程序,做完必须有检测,目前正在摸索一套检测方法标准。



这是常见的两种型式,左侧是灌注桩,上面做常规的钢桩和定日镜,右侧是摩洛哥项目,还有我们的哈密项目,桩柱一体的形式。




相关线下活动:


第九届CSP Focus光热发电中国聚焦大会(2019.3.21-22,北京)

第四届CSP Focus光热发电中东北非聚焦大会(2019.6.27-28,迪拜)


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