摩洛哥努奥光热电站吸热塔设计解读

6月，摩洛哥瓦尔扎扎特进入盛夏，阳光将蕴含的巨大能量猛烈地投向广袤大地。努奥三期塔式光热电站厂区中央，一座高达243米的光热塔巍然屹立，犹如一座巨碑，向世人展示着中国能建设计集团西北院（以下简称“西北院”）设计师们用智慧与汗水写就的光电传奇。

设计关乎项目成败

在热映的电影《红海行动》中，太阳能电厂的场景拍摄就选址摩洛哥努奥光热电站，这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，为目前世界上单机容量最大的塔式光热发电项目，也是“一带一路”代表工程。吸热塔总高243米，是目前世界上最高的吸热塔。

“单机容量最大，吸热塔最高，努奥三期项目在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。”土木工程技术部主任工程师李红星介绍说。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吸热器，把太阳辐射能转化为传热介质的热能，再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，其设计关乎整个项目成败。

据李红星介绍，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，设计主要面临两大难关：

一是没有直接遵循的设计规范。吸热塔设计既采用美国标准，又要符合当地标准。抗震设计同样如此。吸热塔顶部荷载多达3000吨，目前国际上还没有专门的设计规范。经过反复调研和分析，设计人员最后采用了最符合实际情况的美国烟囱规范进行设计。

二是中外设计理念和习惯存在巨大差异。熔盐管道系统由国外公司设计，全厂建（构）筑物的土建设计由西北院完成，双方工作交叉较多，设计理念、设计习惯等方面的磨合贯穿于设计全过程。“按合同要求，吸热塔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，我们就一直等对方提供管道和设备荷载，以便建立结构模型，而对方也在等我们建立初步结构模型，以便进行管道和设备布置，从而提供相关荷载，这就进入了死循环。”土建结构室经理助理何邵华举例说，“起初，我们都遵从各自的工作流程，却没想到双方流程正好是相反的。后来通过加强沟通，互相适应，工作逐渐步入正轨。”

融会贯通产研结合

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、电力品质优等优势，得到大力扶持。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为此提供了宝贵的经验。

吸热塔并不是烟囱，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，在陈政清院士的带领下进行了风洞实验，还邀请了前国际风工程协会主席Yukio Tamura 教授和国内知名专家对试验方案和结果进行了审查，确保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修改完善，顺利通过了业主方组织的各项评审。

在吸热塔设计过程中，西北院通过大量的有限元仿真模型进行数值模拟，使设计方案更加科学。“吸热塔的基础采用了圆环形板式，目前国外尚没有此类基础的计算公式，我们先后采用ANSYS、ABQUAS等国际通行有限元软件进行了计算。”结构工程师杜吉克说，“但是有限元计算是建立在很多假定简化条件上的，土体与基础脱开情况、上部荷载的模拟施加等都会对结果有很大的影响，所以我们并没有完全迷信于有限元模拟。以基础的剪切计算为例，我们综合考虑了国内外的规范差异，与有限元结果进行了对比，最终选取较为合理的计算方法，赢得了业主的信任。”

李红星介绍说，努奥光热电站的设计工作量等于国内工程的3倍，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，最终确定设计方案。“这也是很好的积累过程，通过历练，设计人员更加熟悉国内规范、了解国外规范，取长补短，不断提高设计水平。”

5月22日，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，西北院在光热发电设计技术上必将取得更大的成绩。”李红星信心满满地说。