Analysis of Structural Design of “Standard for Design of Solar Power Tower Plant”

塔式太阳能电站的单机容量一般不超过150 MW，吸热塔塔高根据光资源的不同有所区别，国内第一批示范电站最小单机容量50 MW，塔高一般超过150 m。

考虑到目前国内高耸结构和电力行业抗震设计标准中，规定超过200 m的烟囱为安全等级一级的结构。由于吸热塔结构类似烟囱结构，且塔顶布置有大质量荷载，考虑到结构的重要性和结构特点，故仅定义超过150 m的吸热塔为安全等级一级的结构。

由于光热电站的单机容量一般不大于200 MW，故仅定义吸热塔结构、空冷凝汽器支撑结构和冷却塔结构为重点设防类。在本标准中仍保留了冷却塔是考虑到不能排除某些光热电站会采用冷却塔。

在吸热塔、蒸汽发生器、熔盐泵支架等结构中，有较多的重要设备，要么是大质量的罐体，或者是重要的管道。在传统电力项目设计中，很少考虑设备的地震作用计算问题，或者说考虑的不够全面。而在目前接触的涉外光热电站中，外方工程师均提出了设备地震作用计算问题。

事实上设备地震作用计算在我国《建筑抗震设计规范》GB 50011中已有计算规定，故在本标准的中规定质量较大和重要的非结构构件与主体结构的连接，宜采用等效侧力法或楼面谱方法进行抗震验算。

熔盐罐基础近年来在国际上出事故项目较多，有些就是因为基础不均匀沉降导致的，事故往往会造成很大的经济损失。故定义熔盐罐基础、吸热塔基础、空冷凝汽器基础等重要结构的基础设计等级为甲级。

熔盐罐基础一般采用环墙式基础，基础内填充保温隔热材料，应选用易密实、隔热性好和承载力高的材料，一般选用陶粒土；也有项目采用其他刚性保温材料的基础型式，因研究成果不多而并未列入。熔盐罐基础要承受500多度熔盐的高温，以及熔盐罐的重量和各种不利作用，需考虑温度应力和结构应力的耦合作用。熔盐罐基础布置图如图1所示，温度场计算分析结果如图2所示。

Figure 1.  Layout of molten salt tank foundation

Figure 2.  Analysis results of temperature field calculation

定日镜基础一般为单桩基础，虽然对每个定日镜而言一旦基础破坏不会对全厂造成较大的损失，但如果大面积破坏就会影响全厂发电效率。且定日镜基础往往要计算基础的变形，并且该变形值要求严格，所以将其定义为乙级。

定日镜单桩基础主要有两种型式，一种为土体内为钢筋混凝土灌注桩，地面以上为钢桩（如图3所示）；一种为桩柱一体的型式（如图4所示）。需要注意的是，定日镜基础除了要满足结构控制指标外，还需要满足工艺控制指标。工艺控制指标一般是工作荷载下的基础顶位移和转角要求，该数值往往很小（比如1.5 mrad左右），经常是控制指标。

Figure 3.  Heliostat foundation

Figure 3.  Heliostat foundation

Figure 4.  Steel receiver tower

Figure 4.  Steel receiver tower

Figure 4.  Steel receiver tower

同时也发现，定日镜基础为短桩基础，传统计算理论不能很好的进行计算分析，需要依赖工程试桩数据和已有文献资料进行设计。

最初的吸热塔结构一般为纯混凝土结构，如西班牙Gemasolar太阳能电站（图4a），一般来讲，混凝土吸热塔结构刚度有保障，容易达到工艺要求的位移目标。但施工周期相对较长，可能是塔式太阳能电站的关键工期。由于塔内有较多的管道和设备，塔顶有大量的吸热器需要附着在结构上，那么就需要在筒壁上设置较多的埋件，会造成较大的施工困难。目前纯混凝土结构类型已较少采用。

钢结构冷却塔在我国中控德令哈示范电站（图4b）和美国Ivanpah电站（图4c）也有应用，一般来讲钢结构冷却塔刚度相对较小，在美国Ivanpah电站的其中一座吸热塔上装了一套TMD以减小风振位移。

近年来最常用的吸热塔结构型式为混合结构型式（如图5所示），即下部采用混凝土结构，上部设备密集部分采用钢结构。混合结构吸热塔兼顾了混凝土结构刚度大和钢结构加工安装方便的优点。

Figure 5.  Hybrid receiver tower

Figure 5.  Hybrid receiver tower

目前也有一些国际项目中吸热塔采用整体吊装的模式，这种方案就需要在结构下部设置较大的吊装孔，孔洞宽度一般超过20 m，高度超过40 m，给结构设计工作带来了新的挑战。

吸热塔是典型的高耸结构，截面高宽比较大，结构在风荷载作用下的内力经常是最不利设计工况。《塔式太阳能光热发电站设计标准》针对吸热塔仅给出了原则性的规定，目前还没有针对吸热塔的专用设计规范，相关的能源行业标准《太阳能热发电厂吸热塔结构设计规范》正在编制中。

在《塔式太阳能光热发电站设计标准》中所列的设计依据中没有给出《烟囱设计规范》GB 50051，主要目的是强调吸热塔不是烟囱。事实上现阶段国内外关于吸热塔的设计工程中，主要参考的设计标准进行仍然是《烟囱设计规范》GB 50051、《高耸结构设计规范》GB 50135、《Code Requirements for Reinforced Concrete Chimneys and Commentary》ACI 307-08和相应的一些通用标准。

设计工作中发现，吸热塔不同于烟囱结构，也不同于常见的高耸结构；主要表现在结构质量分布不均匀、结构刚度分布不均匀、结构外形有突变、在结构上部往往布置有多个设备层。这些特征决定了结构的风荷载作用和地震作用计算与常规结构有较大的不同。

所以现阶段在没有针对性标准的情况下，结合类似规范进行设计的同时，进行一些必要的试验研究是必要的，也是各设计单位常用的做法；这些试验主要是风洞试验。

由于风荷载作用往往控制了截面大小和内力，所以风参数的选取就十分重要，其中阻尼比又是其中一个重要的参数。在我国设计规范中，混凝土高耸结构的阻尼比取值均为5%，与国外规范有较大的差异。

某国外光热电站工程项目中，外方工程师基于文献[1,2]的实际测量数据，认为结构阻尼比应取0.7%，并进行了相应的风洞试验，试验结果表明基底弯矩和塔顶位移均为实际设计值的1.4倍以上。事实上，高耸结构及高柔结构的阻尼比是较低的，但是否能够低到0.7%的水平值得商榷。实测阻尼比相对较低与实测时的基本风压有较大关系，当风压较小时，结构处于完全弹性状态，阻尼比会很低；当风压较大时，结构会出现微裂缝，且内部装置也会参与阻尼耗能，阻尼比会有所增加。文献[1]也指出，实测阻尼比虽然较低，但设计阻尼比可以取2%，这与考虑结构实际会出现的较大摆幅有关。同时，从ACI307-08的条文解释可以看出，钢筋混凝土烟囱阻尼比为1.5%左右，且是随着结构的应力水平和裂缝开展情况变化的。

可以看出，风荷载作用下结构阻尼比取值仍有争议，由于这个参数对风致响应计算结果影响较大，所以还需要大量的研究和实测，综合考虑后确定合理取值。

一般来讲，塔顶位移指标既要满足结构专业的安全性要求，也要满足工艺专业的运行要求。设计时要考虑到塔顶如果有较大的位移，会对聚焦和发电效率有较大的影响。所以在风荷载较大的区域，可以采用减振装置控制位移；减震装置的做法在我国超高层和高耸结构中已经有普遍应用。

下一步的工作就是工艺专业从聚光效率和发电效率角度研究是否能提出新的控制指标，结构设计可从严控制。

某工程熔盐泵支架与熔盐泵布置图如图6所示。

Figure 6.  Layout of molten salt pump

熔盐泵支架上设置有多台立式泵，泵本体长度约6 m，下部输出轴长度约10 m，泵的转速约1 500 RPM。该熔盐泵需要伸入熔盐罐以搅动熔盐，为避免悬挑长度过长，熔盐泵支架应尽可能靠近熔盐罐。同时，熔盐泵平台的高度应尽可能的小，否则泵的输出轴会增长，造成泵的制造困难；但泵平台较低后，因为下部有熔盐罐，那么悬挑平台桁架高度就会减小，平台的刚度就很难保证，造成很大的设计困难。熔盐泵支架需要进行动力分析，满足厂家的刚度需求和振动速度需求等。

熔盐泵一般为国外设计和生产，国外公司按照国外设计习惯一般需要计算设备的地震作用，并用这个计算结果来设计连接部位。而设备地震作用计算恰恰是我国电力行业多年来忽视或者说没有重视的一个重要环节。设备地震作用一般可采用等效侧力法或楼面谱方法，当国外公司需要设计院提供楼面谱时，就需要研究楼面谱的提取方法。这时就需要找合适的地震波，进行动力时程分析后，还需要设定一系列参数来确定楼面谱；这些参数的选择都需要电力行业专家进一步研究。

塔式太阳能电站中的特种结构设计是电力土建行业面临的新问题，《塔式太阳能光热发电站设计标准》针对土建行业而言给出了原则性的设计规定。针对具体结构的具体问题仍需要进一步研究和解决，如吸热塔的风荷载计算问题、定日镜基础短桩设计问题、设备与结构耦合设计问题等。