西北院摩洛哥Noor3塔式光热电站吸热塔设计纪实
来源:西北电力设计院有限公司 | 0评论 | 2844查看 | 2018-06-15 10:13:01    
       5月,摩洛哥瓦尔扎扎特已然进入盛夏,阳光将蕴含的巨大能量强烈地射向广袤大地。地面上,努奥三期塔式光热电站的建设者们正热火朝天地辛勤工作着。厂区的中央,一座高达243米的光热塔巍然屹立,犹如丰碑向世人展示着中国能建规划设计集团西北电力设计院有限公司(简称“西北院”)设计师们用智慧与汗水凝成的丰功伟绩……

  迎难而上的挑战

  说起摩洛哥努奥光热电站,看过电影《红海行动》的人可能还有印象,里面的太阳能电厂场景就是拍摄于此。努奥塔式光热电站正是该太阳能电厂场区的三期项目,占地约750公顷,装机容量150兆瓦,是目前世界上单机容量最大的塔式光热发电项目,是“一带一路”重点项目。工程吸热塔总高243米,也是目前世界上最高的吸热塔。


  “单机容量最大,吸热塔最高,努奥三期项目创下两项世界之最的同时,也意味着我们面临着前所未有的设计挑战!”西北院土木工程技术部主任工程师李红星博士介绍。塔式光热电站是通过多台跟踪太阳运动的定日镜将太阳能辐射反射至放置于吸热塔上的吸热器中,把太阳辐射能转化为传热介质的热能,通过热力循环转换成电能的太阳能热发电系统,可以说吸热塔就是光热电站的动力之源,其设计是整个项目成败的关键。

  据李红星介绍,努奥三期吸热塔是200米以下为混凝土结构、200米以上为钢结构的混合结构,其设计当时主要面临两大难题。

  首先是没有可以直接遵循的设计规范。按照合同要求,吸热塔的设计应采用美国标准,但是又要符合当地标准的要求。对于地震作用,既要遵循当地抗震规范要求,也要满足美国规范的要求。对于吸热塔这种混合结构,由于顶部荷载多达3000吨,目前国际上还没有专门的设计规范。经过反复的调研和分析,设计人员最后确定采用最为接近工程实际的美国烟囱规范进行设计。

  其次是中外设计理念和习惯存在巨大差异。按照合同的分工规定,熔盐管道系统由国外公司进行设计,而全厂的建(构)筑物的土建设计均则由西北院来完成,所以两者存在着很多的设计配合工作,设计理念、设计习惯等各方面的磨合问题一直贯穿整个设计过程。“按照合同约定,吸热塔的基本设计由国外公司来完成,我们负责施工图设计。在收到国外公司的初步概念设计之后,我们就一直等他们提供管道和设备荷载以便建立结构模型,而他们也在等我们建立的初步结构模型以便进行管道和设备布置,从而提供相关荷载,于是这就进入了死循环。”西北院土建结构室经理助理何邵华举例说,“我们起初都遵从了自己的工作流程,却没想到双方流程正好是相反的,所以后来我们加强了沟通,互相适应,虽然还是有碰撞,但也彼此互相学到了很多新的东西。”

  产研结合的成长

  2016年9月,国家首批20个光热发电示范项目正式公布,其中9个为塔式光热发电项目,塔式光热发电项目以带储热、成本低、电力品质优等优点得到了国家的大力扶持。如何建立适合我国国情的吸热塔结构设计方法变得十分重要和迫切,西北院在努奥项目中的产研结合之路无疑为我们提供了可供借鉴的经验。

  前面说到,在没有规范可直接遵循的情况下,设计人员采用了美国烟囱规范进行吸热塔设计。而事实上吸热塔并不是烟囱,因为烟囱自下而上质量分布比较均匀,各个方向的荷载都有较为成熟的计算理论依据,而光热塔却由于上部的吸热设备等原因质量分布并不均匀,刚度分布有突变。为了使设计方案更加符合工程实际,西北院特地委托湖南大学在中国工程院陈政清院士带领下进行了风洞实验,还邀请了前国际风工程协会主席YukioTamura教授和同济大学、浙江大学、北京大学等知名专家对试验方案和结果进行了审查,确保了试验方案和结果的客观性、合理性、权威性。最终,努奥项目光热塔设计方案也根据试验结果进行了合理地修改完善,顺利通过了业主方组织的各项评审。

  事实上,在吸热塔设计过程中,西北院还通过大量的有限元仿真模型进行数值模拟,以使设计方案更加合理。“本工程吸热塔的基础采用了圆环形板式基础,目前国外尚没有针对这类基础的计算公式,所以我们先后采用了ANSYS、ABQUAS等国际通行有限元软件进行计算。”西北院结构工程师杜吉克说,“但是,我们也并没有完全迷信于有限元模拟。毕竟有限元计算也是建立在很多计算假定简化条件上的,例如土体与基础脱开的情况、上部荷载的模拟施加等都会对结果有很大的影响。比如说基础的剪切计算,我们就是综合考虑了国内外有关规范的差异,并与有限元结果进行了对比,最终选取了较为合理的计算方法,也赢得了业主的信任。”

  据李红星博士介绍,努奥光热电站的设计工作量基本上等于国内工程的三倍,因为常常要把国内、国外规范都先独立算一遍,然后反复分析差异,确定最终合理的设计方案。“其实这也是很好的积累过程,让我们的设计人员更加熟悉国内规范,也能更加深入地学习国外规范,同时也有助于我们取长补短。”李红星说。

  2018年5月22日,摩洛哥努奥三期项目光塔吸热器第一阶段预热试验完成,为下一步进行熔盐调试、系统整套启动奠定了基础。“按照计划,今年9月份工程将实现并网,我坚信一定会成功的!”李红星信心满满,“我们公司在光热发电业务方面也必将取得更大的成绩!”

注:本文转自西北电力设计院有限公司,文中观点不代表本网立场。
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