太陽能熱發(fā)電項目熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒施工質(zhì)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(yīng)呈現(xiàn)出清潔化、低碳化的趨勢。在此背景下，太陽能熱發(fā)電因具有調(diào)峰、儲熱、可日夜連續(xù)發(fā)電等優(yōu)點，近年來的發(fā)展勢頭迅猛。隨著太陽能熱發(fā)電技術(shù)逐步成熟，近幾年全球范圍內(nèi)已經(jīng)掀起了新一輪的太陽能熱發(fā)電項目投資和建設(shè)熱潮，太陽能熱發(fā)電的總裝機規(guī)模持續(xù)上升。據(jù)國際能源署預測，2050年全球太陽能熱發(fā)電的裝機規(guī)模將達到983 GW，太陽能熱發(fā)電行業(yè)呈現(xiàn)出一派蓬勃發(fā)展的繁榮景象[1]。

作為太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)，熔鹽儲熱系統(tǒng)是研究機構(gòu)、設(shè)計單位和施工企業(yè)關(guān)注的重點，但在為數(shù)不多已商業(yè)化運行的太陽能熱發(fā)電站中，暴露了一些熔鹽儲熱系統(tǒng)方面的技術(shù)和施工問題，其中，熔鹽罐泄露問題一直備受學者和業(yè)內(nèi)從業(yè)者的關(guān)注。繼美國新月沙丘塔式熔鹽太陽能熱發(fā)電站的熔鹽罐發(fā)生泄露事故后[2]，位于西班牙的全球首座可實現(xiàn)24 h發(fā)電的Gemosolar太陽能熱發(fā)電站也發(fā)生了熔鹽罐泄露事故，其中，熔鹽罐基礎(chǔ)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(fā)電機組運行過程中由于基礎(chǔ)施工的質(zhì)量問題導致熔鹽罐泄露的風險，熔鹽罐基礎(chǔ)施工過程中的質(zhì)量控制就顯得尤為關(guān)鍵，而其中最重要的就是熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒的施工質(zhì)量控制。

除了在設(shè)計階段對陶粒材料本身的要求(導熱系數(shù)、孔隙率、容重、吸水率)外，熔鹽罐基礎(chǔ)施工時對陶粒的施工過程進行質(zhì)量控制也至關(guān)重要。在熔鹽罐基礎(chǔ)施工中，陶粒壓實質(zhì)量的檢測可以通過物理指標，如壓實系數(shù)、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(fā)電項目中熔鹽罐基礎(chǔ)的陶粒施工質(zhì)量控制為研究對象，通過建立動態(tài)變形模量Evd與陶粒材料的彈性模量Ec之間的關(guān)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(tài)變形模量Ev1(或Ev2)和Ev2/Ev1相結(jié)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(chǔ)中陶粒施工時的常見問題

以中東某太陽能熱發(fā)電項目中的熔鹽罐基礎(chǔ)為例，對熔鹽罐基礎(chǔ)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(chǔ)深度約為2 m，通過在基礎(chǔ)底部布置通風管來帶走多余熱量，從而可保持太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)運行過程中熔鹽罐基礎(chǔ)的溫度。熔鹽罐基礎(chǔ)四周是由環(huán)形鋼板組成的鋼環(huán)墻，鋼環(huán)墻內(nèi)側(cè)設(shè)計有保溫磚；基礎(chǔ)中心逐層鋪滿設(shè)計高度的陶粒，陶粒上部鋪以級配碎石和砂層。熔鹽罐基礎(chǔ)的施工示意圖如圖1所示。

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

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

表1 不同太陽能熱發(fā)電項目的熔鹽罐基礎(chǔ)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(jié)合表1和這些項目的實際情況可以發(fā)現(xiàn)，不同太陽能熱發(fā)電項目的熔鹽罐基礎(chǔ)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(shè)計進行分層碾壓；

2)逐層靜態(tài)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(chǔ)頂層靜態(tài)平板荷載試驗難以滿足設(shè)計要求，最后被迫采取額外的措施進行彌補，這會為基礎(chǔ)上部熔鹽罐本體的運行留下安全隱患。因此，本文引入動態(tài)變形模量Evd，建立Evd與陶粒材料彈性模量Ec之間的關(guān)系，并與靜態(tài)變形模量Ev1(或Ev2，二者任選其一)和Ev2/Ev1相結(jié)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(fā)電站中，針對熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒的施工技術(shù)目前因經(jīng)驗不足，尚處于不斷完善的階段。在第1代熔鹽罐基礎(chǔ)的陶粒設(shè)計中，對陶粒的施工要求是分層碾壓并逐層進行靜態(tài)平板荷載試驗，其最終目的是為了滿足基礎(chǔ)頂層荷載的設(shè)計要求。

以每層碾壓充分需要3天和靜態(tài)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(tài)平板荷載試驗耗時費力，造成基礎(chǔ)施工周期長，難以滿足現(xiàn)場施工進度要求。于是一些熔鹽罐基礎(chǔ)施工時出現(xiàn)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(zhì)量，除了對每層壓縮變形量進行控制外，通過引入動態(tài)變形模量實現(xiàn)快捷測量，從而克服陶粒施工過程中分層碾壓后進行靜態(tài)平板荷載試驗耗時且不便捷的弊端。國外學者做了大量關(guān)于Evd和Ev2之間相對關(guān)系的研究[3]，發(fā)現(xiàn)在Ev1、Ev2和Evd之間沒有一個固定不變或統(tǒng)一的關(guān)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(yīng)關(guān)系。與此同時，動態(tài)平板荷載試驗(dynamic plate load test，DPLT)可以為承載力的質(zhì)量控制和評估提供新的機會，但需要輔以更多的試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析以提高其可行性[4]。

根據(jù)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(tài)變形模量E′vd(基準值)之間的關(guān)系，從而實現(xiàn)通過動態(tài)平板荷載試驗對每層陶粒的壓實質(zhì)量(即碾壓是否充分)的量化控制。該關(guān)系的表達式為：

式中，Ec的值參照所選陶粒的技術(shù)規(guī)范要求；μ為泊松比。

動態(tài)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(yīng)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(fā)現(xiàn)顯示的Evd值低于基準值則表示碾壓不充分，需要繼續(xù)碾壓，直至達到基準值的要求。

3 熔鹽罐基礎(chǔ)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(shè)計需要通過靜態(tài)平板荷載試驗完成靜態(tài)變形模量Ev值的測量，來驗證是否滿足設(shè)計要求。靜態(tài)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(tài)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(yīng)注意，需要按最大荷載的50%、25%和0%進行3級卸載。

2)靜態(tài)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(shù)第2個荷載級即可[6]。

Ev的計算過程[7]具體為：

步驟①：根據(jù)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(yīng)力，MN/m2；a0、a1、a2分別為二次多項式的常數(shù)項系數(shù)、一次項系數(shù)和二次項系數(shù)。

通過數(shù)據(jù)處理軟件Origin，以靜態(tài)平板荷載試驗的荷載數(shù)據(jù)和沉降數(shù)據(jù)作為輸入條件，進行線性擬合，可求出不同情況下分別對應(yīng)的a0、a1、a2這3個系數(shù)。

步驟②：靜態(tài)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(yīng)力的最大值，MN/m2。

對第1次加載和第2次加載的數(shù)據(jù)進行回歸計算后，根據(jù)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(chǔ)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(chǔ)中陶粒存在的不可恢復的塑性殘余變形量較??；反之，表明基礎(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)中陶粒的施工質(zhì)量。

4 熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒的施工質(zhì)量控制要點

以中東某太陽能熱發(fā)電項目中的熔鹽罐基礎(chǔ)為例。熔鹽罐基礎(chǔ)(基礎(chǔ)為鋼環(huán)墻內(nèi)壁)的直徑約為45 m，鋼環(huán)墻內(nèi)部設(shè)置1圈保溫磚，基礎(chǔ)內(nèi)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(xiàn)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(shè)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(qū)域輔以小型振動機進行局部振動，實現(xiàn)每層15%的設(shè)計壓縮變形量，來確保施工過程的質(zhì)量控制。

2)在每層陶粒充分碾壓后，由于靜態(tài)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(chǔ)內(nèi)無法實現(xiàn)便捷操作，因此，按照式(1)，建立Evd和陶粒材料的Ec之間的關(guān)系，引入指標Evd對每層陶粒的壓實過程進行質(zhì)量控制，從而確保每層陶粒的Evd達到設(shè)計要求。該項目采用的陶粒的設(shè)計要求Ec為10 MPa，則對應(yīng)的Evd需達到14 MPa。

3)對于熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒施工時的分層控制，為了盡可能進行多點試驗，經(jīng)過反復碾壓后每層可均勻選取14個點進行動態(tài)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(tài)平板荷載試驗點，在1個靜態(tài)平板荷載試驗點周邊測量8個動態(tài)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(tài)平板荷載試驗結(jié)合控制。針對3層中需要測量的靜態(tài)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(shè)計要求。

4)單一Ev2值或Ev1值滿足設(shè)計要求不能代表陶粒壓實質(zhì)量滿足設(shè)計要求。若僅Ev2值滿足設(shè)計要求，而Ev1值過小，則表示基礎(chǔ)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(chǔ)沉降的風險，重新對Ev1值偏小的特定區(qū)域進行再次碾壓。

5)在4)的技術(shù)上，輔以Ev2/Ev1值可以直觀反映陶粒的壓實質(zhì)量。根據(jù)設(shè)計要求，熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒施工時對應(yīng)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(chǔ)壓實質(zhì)量好；若Ev2值和Ev1值兩者相差較大，則表示基礎(chǔ)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(yīng)用進行熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒的施工質(zhì)量控制，以此來滿足最終的設(shè)計要求。

5 結(jié)論

本文以中東某太陽能熱發(fā)電項目的熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒的施工質(zhì)量控制為研究對象，提出了基于動態(tài)變形模量Evd、靜態(tài)變形模量Ev1(或Ev2)及Ev2/Ev1力學指標相結(jié)合的“三指標控制法”，并證明了按照設(shè)計分層壓實并逐層進行動態(tài)平板荷載試驗可以滿足設(shè)計要求和施工實際情況。在該項目中，根據(jù)“三指標控制法”，通過控制每層陶粒的動態(tài)變形模量，加上過程中輔以局部靜態(tài)平板荷載試驗進行驗證，熔鹽罐基礎(chǔ)頂部荷載一次性滿足設(shè)計值，從而避免出現(xiàn)陶粒碾壓過程控制不達標、頂部最終荷載不滿足設(shè)計要求、需要進行額外措施的情況。最終熔鹽罐基礎(chǔ)完成后，通過熔鹽罐置水試驗得到的沉降數(shù)據(jù)也是檢驗熔鹽罐基礎(chǔ)是否合格的標準，本研究的結(jié)果滿足設(shè)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(chǔ)中陶粒的施工質(zhì)量且滿足設(shè)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(jié)果不準確。希望該套理論和實踐應(yīng)用能夠為后續(xù)太陽能熱發(fā)電項目熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒的施工提供參考和借鑒。