光熱發(fā)電廠定日鏡及鏡群風(fēng)洞試驗(yàn)研究

陳健陵，陳 駒，詹 旭

（1.東方電氣集團(tuán)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731； 3.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310000；4.四川輕化工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)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(jí)電站項(xiàng)目是新疆首個(gè)大型光熱電站主設(shè)備的設(shè)計(jì)供貨項(xiàng)目。大型光熱發(fā)電站中通常選址在年日照率90%以上的開闊地帶，安裝大規(guī)模定日鏡來聚光，定日鏡作為光熱電站的關(guān)鍵的設(shè)備，它通過追日算法自動(dòng)調(diào)整自身的水平方位角α和豎向方位角β，以最佳姿態(tài)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(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電，如圖1所示。因此，定日鏡屬于精密設(shè)備，其投射精度將直接影響熱電廠的發(fā)電效率，所以，對(duì)定日鏡的設(shè)計(jì)制造精度應(yīng)嚴(yán)格控制。由于定日鏡處于西北沙漠開闊地區(qū)，且鏡面的面積較大，因而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要受風(fēng)荷載控制，但因?yàn)槎ㄈ甄R的姿態(tài)角要不斷隨太陽的方位角變化，其風(fēng)荷載體形系數(shù)μs也應(yīng)是姿態(tài)角α和β的變量μs（α，β）；此外，數(shù)以萬計(jì)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(fēng)荷載體形系數(shù)，是保證定日鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性和經(jīng)濟(jì)性的必要工作。本文通過對(duì)定日鏡及鏡群開展風(fēng)洞試驗(yàn)研究并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合分析，給出了不同姿態(tài)角下定日鏡的風(fēng)荷載體形系數(shù)的計(jì)算公式和適合工程設(shè)計(jì)的推薦數(shù)值，并通過結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)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(fēng)洞試驗(yàn)簡介

定日鏡場及吸熱塔如圖2所示。定日鏡實(shí)物的鏡面尺寸為8 m×8 m，支柱高為5 m。定日鏡試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎肁BS 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(fēng)壓為0.35 kPa。研究鏡場中定日鏡間的相互影響時(shí)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(yīng)及整體布置及測點(diǎn)布置

3 定日鏡體型系數(shù)試驗(yàn)研究

3.1 定日鏡體型系數(shù)隨水平角α變化關(guān)系

通過單定日鏡測力試驗(yàn)，底座六分力天平可測得的六分力系數(shù)時(shí)程數(shù)據(jù)，其中阻力系數(shù)，即定日鏡體型系數(shù)按下式計(jì)算：

式（1）中：μFx為沿X軸風(fēng)力的均值。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和式（1），可得定日鏡體風(fēng)荷載型系數(shù)隨水平角0°～180°變化曲線，如圖4所示。

圖4 由測力數(shù)據(jù)得出的整體體型系數(shù)

為了進(jìn)一步研究定日鏡體型系數(shù)隨水平角變化關(guān)系，根據(jù)典型工況下由測力數(shù)據(jù)得出的阻力系數(shù)CFx，通過數(shù)值擬合得到水平風(fēng)向角為0°～180°工況下的相應(yīng)計(jì)算公式。

3.1.1 豎向角0°定日鏡體型系數(shù)隨水平角變化關(guān)系

當(dāng)豎向角為0°時(shí)，定日鏡體型系數(shù)隨水平角變化采用3次多項(xiàng)式進(jìn)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(shù)隨水平角變化關(guān)系

當(dāng)豎向角為30°時(shí)，定日鏡體型系數(shù)隨水平角變化采用3 次多項(xiàng)式進(jìn)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(shù)隨水平角變化關(guān)系

當(dāng)豎向角為60°時(shí)，定日鏡體型系數(shù)隨水平角變化采用3 次多項(xiàng)式進(jìn)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(shù)隨水平角變化關(guān)系

當(dāng)豎向角為90°時(shí)，定日鏡體型系數(shù)隨水平角變化采用3 次多項(xiàng)式進(jìn)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(shù)隨豎向角β的變化關(guān)系

3.2.1 水平角0°定日鏡體型系數(shù)隨豎向角β變化關(guān)系

當(dāng)水平角為0°時(shí)，定日鏡體型系數(shù)隨豎向角變化采用3次多項(xiàng)式進(jìn)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(shù)隨豎向角變化關(guān)系

當(dāng)水平角為45°時(shí)，定日鏡體型系數(shù)隨豎向角變化采用3 次多項(xiàng)式進(jìn)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(shù)，β為豎向角。

3.2.3 水平角90°定日鏡體型系數(shù)隨豎向角變化關(guān)系

當(dāng)水平角為90°時(shí)，定日鏡體型系數(shù)較小，所以體型系數(shù)隨豎向角變化的離散程度較大，即使采用6 次多項(xiàng)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(shù)，β為豎向角。

3.3 定日鏡體型系數(shù)、豎向角、水平角三維視圖

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

圖5 定日鏡體型系數(shù)隨豎向角、水平角變化關(guān)系圖

4 結(jié)論

根據(jù)定日鏡的結(jié)構(gòu)特征，抗風(fēng)設(shè)計(jì)是保證其安全性及經(jīng)濟(jì)性的重要環(huán)節(jié)。由于定日鏡的鏡面姿態(tài)是隨鏡面的水平角和豎向角變化的，其體形系數(shù)也必將是鏡面水平角和豎向角的變量，因此建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB 5009—2012 中并沒有現(xiàn)成的體形系數(shù)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(fēng)洞試驗(yàn)獲得測點(diǎn)數(shù)據(jù)并通過對(duì)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析的方法獲得了定日鏡的最大風(fēng)荷載體形系數(shù)，通過數(shù)據(jù)擬合，獲得了定鏡的最大體型系數(shù)為 1.28，在鏡面水平角和豎向角均為0°時(shí)取得，其他夾角坐標(biāo)下均不大于此值，為定日鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。