光熱發電廠定日鏡及鏡群風洞試驗研究

陳健陵，陳 駒，詹 旭

（1.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643000；2.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，四川 成都 611731； 3.浙江大學，浙江 杭州 310000；4.四川輕化工大學自動化與信息工程學院，四川 自貢 643000）

1 研究背景

新疆哈密熔鹽光熱電站50 000 kW 級電站項目是新疆首個大型光熱電站主設備的設計供貨項目。大型光熱發電站中通常選址在年日照率90%以上的開闊地帶，安裝大規模定日鏡來聚光，定日鏡作為光熱電站的關鍵的設備，它通過追日算法自動調整自身的水平方位角α和豎向方位角β，以最佳姿態將太陽光反射到吸熱塔上，大量鏡子的反射光斑疊加后形成的高溫將水加熱成蒸汽，推動汽輪機做功發電，如圖1所示。因此，定日鏡屬于精密設備，其投射精度將直接影響熱電廠的發電效率，所以，對定日鏡的設計制造精度應嚴格控制。由于定日鏡處于西北沙漠開闊地區，且鏡面的面積較大，因而結構設計主要受風荷載控制，但因為定日鏡的姿態角要不斷隨太陽的方位角變化，其風荷載體形系數μs也應是姿態角α和β的變量μs（α，β）；此外，數以萬計的定日鏡之間，是否有明顯的干涉影響，也是值得考慮和研究的問題，研究并確定定日鏡的風荷載體形系數，是保證定日鏡結構設計安全性和經濟性的必要工作。本文通過對定日鏡及鏡群開展風洞試驗研究并對試驗數據進行了擬合分析，給出了不同姿態角下定日鏡的風荷載體形系數的計算公式和適合工程設計的推薦數值，并通過結構振動模態分析和疲勞分析，獲得了定日鏡的疲勞壽命。

圖1 定日鏡場及吸熱塔

2 風洞試驗簡介

定日鏡場及吸熱塔如圖2所示。定日鏡實物的鏡面尺寸為8 m×8 m，支柱高為5 m。定日鏡試驗模型采用ABS 工程塑料制作，縮尺比例為1 20∶ ，如圖2所示。50年一遇基本風壓為0.35 kPa。研究鏡場中定日鏡間的相互影響時間距分別取0.5D，D，1.5D和2D，如圖3所示。

圖2 定日鏡場及吸熱塔

圖3 鏡場干擾效應及整體布置及測點布置

3 定日鏡體型系數試驗研究

3.1 定日鏡體型系數隨水平角α變化關系

通過單定日鏡測力試驗，底座六分力天平可測得的六分力系數時程數據，其中阻力系數，即定日鏡體型系數按下式計算：

式（1）中：μFx為沿X軸風力的均值。

根據試驗數據和式（1），可得定日鏡體風荷載型系數隨水平角0°～180°變化曲線，如圖4所示。

圖4 由測力數據得出的整體體型系數

為了進一步研究定日鏡體型系數隨水平角變化關系，根據典型工況下由測力數據得出的阻力系數CFx，通過數值擬合得到水平風向角為0°～180°工況下的相應計算公式。

3.1.1 豎向角0°定日鏡體型系數隨水平角變化關系

當豎向角為0°時，定日鏡體型系數隨水平角變化采用3次多項式進行擬合，得到的擬合公式為μs=2×10-6α3- 0.000 5α2+0.016 2α+1.172。

3.1.2 豎向角30°定日鏡體型系數隨水平角變化關系

當豎向角為30°時，定日鏡體型系數隨水平角變化采用3 次多項式進行擬合，得到的擬合公式為μs=2×10-4α3- 0.000 4α2+0.015 0α+1.037 9。

3.1.3 豎向角60°定日鏡體型系數隨水平角變化關系

當豎向角為60°時，定日鏡體型系數隨水平角變化采用3 次多項式進行擬合，得到的擬合公式為μs=5×10-7α3- 0.000 1α2+0.002 3α+0.559 3。

3.1.4 豎向角90°定日鏡體型系數隨水平角變化關系

當豎向角為90°時，定日鏡體型系數隨水平角變化采用3 次多項式進行擬合，得到的擬合公式為μs=6×10-8α3- 0.000 02α2+0.000 2α+0.079 6。

3.2 定日鏡體型系數隨豎向角β的變化關系

3.2.1 水平角0°定日鏡體型系數隨豎向角β變化關系

當水平角為0°時，定日鏡體型系數隨豎向角變化采用3次多項式進行擬合，得到的擬合公式為μs=3×10-6β3- 0.000 5β2+0.007 3β+1.222 1。

3.2.2 水平角45°定日鏡體型系數隨豎向角變化關系

當水平角為45°時，定日鏡體型系數隨豎向角變化采用3 次多項式進行擬合，得到的擬合公式為μs=4×10-6β3- 0.000 7β2+0.014 7β+1.029 4，其中μs為定日鏡體型系數，β為豎向角。

3.2.3 水平角90°定日鏡體型系數隨豎向角變化關系

當水平角為90°時，定日鏡體型系數較小，所以體型系數隨豎向角變化的離散程度較大，即使采用6 次多項式擬合，得到的擬合公式為μs=2×10-11β6-5×10-9β5+5×10-7β4-2×10-5β3+0.000 2β2+0.002 1β-0.004 2，其中，μs為定日鏡體型系數，β為豎向角。

3.3 定日鏡體型系數、豎向角、水平角三維視圖

通過單定日鏡測力試驗，得到豎向角0°～90°，水平角0°～180°共130 工況下定日鏡體型系數。定日鏡體型系數隨豎向角、水平角變化關系μs（α，β）如圖5所示。

圖5 定日鏡體型系數隨豎向角、水平角變化關系圖

4 結論

根據定日鏡的結構特征，抗風設計是保證其安全性及經濟性的重要環節。由于定日鏡的鏡面姿態是隨鏡面的水平角和豎向角變化的，其體形系數也必將是鏡面水平角和豎向角的變量，因此建筑結構荷載規范GB 5009—2012 中并沒有現成的體形系數可以參選，而定日鏡的來流狀況又難于直接模擬。鑒于以上原因，本文通過風洞試驗獲得測點數據并通過對測點數據進行數值分析的方法獲得了定日鏡的最大風荷載體形系數，通過數據擬合，獲得了定鏡的最大體型系數為 1.28，在鏡面水平角和豎向角均為0°時取得，其他夾角坐標下均不大于此值，為定日鏡的結構設計奠定了理論基礎。