太陽能熱發電項目熔鹽罐基礎中陶粒施工質量控制的研究

劉 川

(上海電氣電站工程公司，上海 201100)

0 引言

全球能源供應呈現出清潔化、低碳化的趨勢。在此背景下，太陽能熱發電因具有調峰、儲熱、可日夜連續發電等優點，近年來的發展勢頭迅猛。隨著太陽能熱發電技術逐步成熟，近幾年全球范圍內已經掀起了新一輪的太陽能熱發電項目投資和建設熱潮，太陽能熱發電的總裝機規模持續上升。據國際能源署預測，2050年全球太陽能熱發電的裝機規模將達到983 GW，太陽能熱發電行業呈現出一派蓬勃發展的繁榮景象[1]。

作為太陽能熱發電的關鍵技術，熔鹽儲熱系統是研究機構、設計單位和施工企業關注的重點，但在為數不多已商業化運行的太陽能熱發電站中，暴露了一些熔鹽儲熱系統方面的技術和施工問題，其中，熔鹽罐泄露問題一直備受學者和業內從業者的關注。繼美國新月沙丘塔式熔鹽太陽能熱發電站的熔鹽罐發生泄露事故后[2]，位于西班牙的全球首座可實現24 h發電的Gemosolar太陽能熱發電站也發生了熔鹽罐泄露事故，其中，熔鹽罐基礎的沉降作為潛在原因被列入事故原因分析中。因此，為了降低在熱發電機組運行過程中由于基礎施工的質量問題導致熔鹽罐泄露的風險，熔鹽罐基礎施工過程中的質量控制就顯得尤為關鍵，而其中最重要的就是熔鹽罐基礎中陶粒的施工質量控制。

除了在設計階段對陶粒材料本身的要求(導熱系數、孔隙率、容重、吸水率)外，熔鹽罐基礎施工時對陶粒的施工過程進行質量控制也至關重要。在熔鹽罐基礎施工中，陶粒壓實質量的檢測可以通過物理指標，如壓實系數、每層壓實變形量、密度檢測等進行控制。本文以中東某太陽能熱發電項目中熔鹽罐基礎的陶粒施工質量控制為研究對象，通過建立動態變形模量Evd與陶粒材料的彈性模量Ec之間的關系，引入Evd對陶粒分層施工時的每層施工過程進行量化控制，并將Evd與靜態變形模量Ev1(或Ev2)和Ev2/Ev1相結合，提出了采用3個力學指標控制的“三指標控制法”。

1 熔鹽罐基礎中陶粒施工時的常見問題

以中東某太陽能熱發電項目中的熔鹽罐基礎為例，對熔鹽罐基礎中陶粒施工時的常見問題進行分析。該熔鹽罐罐體直徑約為45 m，基礎深度約為2 m，通過在基礎底部布置通風管來帶走多余熱量，從而可保持太陽能熱發電系統運行過程中熔鹽罐基礎的溫度。熔鹽罐基礎四周是由環形鋼板組成的鋼環墻，鋼環墻內側設計有保溫磚；基礎中心逐層鋪滿設計高度的陶粒，陶粒上部鋪以級配碎石和砂層。熔鹽罐基礎的施工示意圖如圖1所示。

圖1 熔鹽罐基礎的施工示意圖Fig. 1 Schematic diagram of construction of molten salt tank foundation

熔鹽罐基礎施工的核心在于陶粒的施工質量控制，即在陶粒分層施工過程中進行質量控制，并確保施工后的基礎荷載可以滿足設計要求。對不同太陽能熱發電項目的熔鹽罐基礎中陶粒施工時的控制方法進行了簡要統計，具體如表1所示。

表1 不同太陽能熱發電項目的熔鹽罐基礎中陶粒施工時的控制方法對比Table 1 Comparison of control methods during construction of expanded clay in molten salt tank foundation of different CSP projects

結合表1和這些項目的實際情況可以發現，不同太陽能熱發電項目的熔鹽罐基礎中陶粒施工時的控制方法主要存在以下問題：

1)分層碾壓不充分或不按設計進行分層碾壓；

2)逐層靜態平板荷載試驗實施困難，費時費力；

3)對分層碾壓缺乏控制指標的量化；

4)只注重單一力學指標。

這些問題往往會造成基礎頂層靜態平板荷載試驗難以滿足設計要求，最后被迫采取額外的措施進行彌補，這會為基礎上部熔鹽罐本體的運行留下安全隱患。因此，本文引入動態變形模量Evd，建立Evd與陶粒材料彈性模量Ec之間的關系，并與靜態變形模量Ev1(或Ev2，二者任選其一)和Ev2/Ev1相結合，建立“三指標控制法”，對陶粒分層施工時的每層施工過程進行量化控制。

2 陶粒分層施工中的難點

在太陽能熱發電站中，針對熔鹽罐基礎中陶粒的施工技術目前因經驗不足，尚處于不斷完善的階段。在第1代熔鹽罐基礎的陶粒設計中，對陶粒的施工要求是分層碾壓并逐層進行靜態平板荷載試驗，其最終目的是為了滿足基礎頂層荷載的設計要求。

以每層碾壓充分需要3天和靜態平板荷載試驗每層需要3天(以每層取8個點為計)進行考慮，如此體量(通常為8層)的陶粒碾壓和靜態平板荷載試驗耗時費力，造成基礎施工周期長，難以滿足現場施工進度要求。于是一些熔鹽罐基礎施工時出現了分層碾壓不充分、只集中于頂層碾壓并輔以額外措施以滿足荷載要求的情況。

鑒于此，為了控制每層陶粒碾壓充分的施工質量，除了對每層壓縮變形量進行控制外，通過引入動態變形模量實現快捷測量，從而克服陶粒施工過程中分層碾壓后進行靜態平板荷載試驗耗時且不便捷的弊端。國外學者做了大量關于Evd和Ev2之間相對關系的研究[3]，發現在Ev1、Ev2和Evd之間沒有一個固定不變或統一的關系。對于具體的施工地基，需要通過試驗來獲得相對準確的對應關系。與此同時，動態平板荷載試驗(dynamic plate load test，DPLT)可以為承載力的質量控制和評估提供新的機會，但需要輔以更多的試驗數據進行統計和分析以提高其可行性[4]。

根據Boussinesq建立的適用于剛性圓板的分析方法[5]，針對所選陶粒的物理特性，可以建立彈性模量Ec(定值)和動態變形模量E′vd(基準值)之間的關系，從而實現通過動態平板荷載試驗對每層陶粒的壓實質量(即碾壓是否充分)的量化控制。該關系的表達式為：

式中，Ec的值參照所選陶粒的技術規范要求；μ為泊松比。

動態平板荷載試驗是采用輕型落錘儀來檢測土體壓實指標的Evd的檢測方法。在檢驗的過程中，將1個落錘自由下落，落在直徑為300 mm的荷載板上，荷載板下的最大沖擊動應力會達到0.1 MN/m2；Evd值為輕型落錘儀的輸出值，試驗過程中若發現顯示的Evd值低于基準值則表示碾壓不充分，需要繼續碾壓，直至達到基準值的要求。

3 熔鹽罐基礎中陶粒頂層的荷載控制

對陶粒進行逐層碾壓到最頂層后，按照設計需要通過靜態平板荷載試驗完成靜態變形模量Ev值的測量，來驗證是否滿足設計要求。靜態平板荷載試驗是通過2次加載測得陶粒變形模量，并計算得到Ev1和Ev2的值，試驗一般采用直徑為300 mm的荷載板。

1)靜態平板荷載試驗的第1次加載。

步驟①：預壓0.01 MPa的荷載30 s；

步驟②：以大致相等的荷載增量(荷載增量為0.08 MPa)逐級加載；

步驟③：沉降量達到5 mm時或最大荷載達到0.5 MPa后，進行卸載；應注意，需要按最大荷載的50%、25%和0%進行3級卸載。

2)靜態平板荷載試驗的第2次加載。在第1次加載并卸載后，按照第1次加載的操作步驟，并保持與第1次加載時各級相同的荷載進行第2次加載，直到達到第1次加載時的最大荷載的倒數第2個荷載級即可[6]。

Ev的計算過程[7]具體為：

步驟①：根據荷載-沉降曲線方程，可得：

式中，s為荷載板的沉降量，m；σ0為荷載板下的平均應力，MN/m2；a0、a1、a2分別為二次多項式的常數項系數、一次項系數和二次項系數。

通過數據處理軟件Origin，以靜態平板荷載試驗的荷載數據和沉降數據作為輸入條件，進行線性擬合，可求出不同情況下分別對應的a0、a1、a2這3個系數。

步驟②：靜態變形模量的計算式為[8]：

式中，r為荷載板的半徑，mm；σ0max為荷載板下的平均應力的最大值，MN/m2。

對第1次加載和第2次加載的數據進行回歸計算后，根據上述公式，可分別得出第1次加載后的Ev1值和第2次加載后的Ev2值。兩者的比值，即Ev2/Ev1代表熔鹽罐基礎中陶粒存在的不可恢復的塑性殘余變形量的大小。Ev2/Ev1值越小，表明基礎中陶粒存在的不可恢復的塑性殘余變形量較小；反之，表明基礎中陶粒存在的不可恢復的塑性殘余變形量較大。

以往項目控制指標僅通過Ev1值或Ev2值進行單一控制，具有一定的局限性，不能真實反映熔鹽罐基礎中陶粒的強度，所以通過對指標Ev2/Ev1和Ev1(或Ev2)進行綜合分析，能更全面地反映熔鹽罐基礎中陶粒的施工質量。

4 熔鹽罐基礎中陶粒的施工質量控制要點

以中東某太陽能熱發電項目中的熔鹽罐基礎為例。熔鹽罐基礎(基礎為鋼環墻內壁)的直徑約為45 m，鋼環墻內部設置1圈保溫磚，基礎內部填充陶粒，陶粒填充的高度為1.7 m。

在陶粒施工過程中，在施工工藝上要求進行分層(如每層20 cm)碾壓，本文摸索出一套適合現場陶粒碾壓的施工工藝，即引入“三指標控制法”。具體如下：

1)為避免履帶式碾壓機械等對陶粒造成破壞，通過在陶粒上表面鋪設鋼板，采用滾動式振動機進行均勻碾壓，在靠近保溫磚的局部區域輔以小型振動機進行局部振動，實現每層15%的設計壓縮變形量，來確保施工過程的質量控制。

2)在每層陶粒充分碾壓后，由于靜態平板荷載試驗無法滿足施工進度的需要，且試驗方法費時費力，在直徑龐大的熔鹽罐基礎內無法實現便捷操作，因此，按照式(1)，建立Evd和陶粒材料的Ec之間的關系，引入指標Evd對每層陶粒的壓實過程進行質量控制，從而確保每層陶粒的Evd達到設計要求。該項目采用的陶粒的設計要求Ec為10 MPa，則對應的Evd需達到14 MPa。

3)對于熔鹽罐基礎中陶粒施工時的分層控制，為了盡可能進行多點試驗，經過反復碾壓后每層可均勻選取14個點進行動態平板荷載試驗，并在1.7 m高的陶粒的底層、中間層和頂層各選取4個靜態平板荷載試驗點，在1個靜態平板荷載試驗點周邊測量8個動態平板荷載試驗點，并進行對比，施工過程中進行分層和動、靜態平板荷載試驗結合控制。針對3層中需要測量的靜態平板荷載試驗點，分別測出Ev1和Ev2，Ev1可滿足項目Ev1＞40 MPa的設計要求。

4)單一Ev2值或Ev1值滿足設計要求不能代表陶粒壓實質量滿足設計要求。若僅Ev2值滿足設計要求，而Ev1值過小，則表示基礎中陶粒存在的塑性殘余變形大，碾壓不充分，需要綜合考慮后期存在引起基礎沉降的風險，重新對Ev1值偏小的特定區域進行再次碾壓。

5)在4)的技術上，輔以Ev2/Ev1值可以直觀反映陶粒的壓實質量。根據設計要求，熔鹽罐基礎中陶粒施工時對應的要求為Ev2/Ev1≤2.2。若Ev2值和Ev1值兩者相差較小，則表示二次加載消除的塑性變形較少，基礎壓實質量好；若Ev2值和Ev1值兩者相差較大，則表示基礎存在的塑性殘余變形較大。

6)通過2)、3)和5)的三指標控制法的應用進行熔鹽罐基礎中陶粒的施工質量控制，以此來滿足最終的設計要求。

5 結論

本文以中東某太陽能熱發電項目的熔鹽罐基礎中陶粒的施工質量控制為研究對象，提出了基于動態變形模量Evd、靜態變形模量Ev1(或Ev2)及Ev2/Ev1力學指標相結合的“三指標控制法”，并證明了按照設計分層壓實并逐層進行動態平板荷載試驗可以滿足設計要求和施工實際情況。在該項目中，根據“三指標控制法”，通過控制每層陶粒的動態變形模量，加上過程中輔以局部靜態平板荷載試驗進行驗證，熔鹽罐基礎頂部荷載一次性滿足設計值，從而避免出現陶粒碾壓過程控制不達標、頂部最終荷載不滿足設計要求、需要進行額外措施的情況。最終熔鹽罐基礎完成后，通過熔鹽罐置水試驗得到的沉降數據也是檢驗熔鹽罐基礎是否合格的標準，本研究的結果滿足設計要求。

“三指標控制法”可以在方便快捷的情況下，最大程度地控制熔鹽罐基礎中陶粒的施工質量且滿足設計要求，避免了施工過程中壓實不徹底和評估指標單一造成的結果不準確。希望該套理論和實踐應用能夠為后續太陽能熱發電項目熔鹽罐基礎中陶粒的施工提供參考和借鑒。