趙吉芳，劉海波，張修田，黃鳴

(皇明太陽能股份有限公司，德州 253000)

0 引言

雖然相較于美國、德國、西班牙等發(fā)達(dá)國家，我國的太陽能熱發(fā)電技術(shù)起步較晚，但近幾年國家對于這一技術(shù)愈發(fā)重視?！赌茉窗l(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出，積極推動(dòng)太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，2020 年太陽能熱發(fā)電規(guī)模要達(dá)到500萬kW[1]；而對于槽式太陽能熱發(fā)電，《國家能源局關(guān)于建設(shè)太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的通知》[2]中指出，共有20 個(gè)項(xiàng)目入選了國內(nèi)首批太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目名單，其中槽式太陽能熱發(fā)電站為7 個(gè)，總裝機(jī)規(guī)模為464 MW，占首批20 個(gè)示范項(xiàng)目總裝機(jī)規(guī)模的34.4%。

槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)是通過槽式拋物面聚光鏡面將太陽光匯聚在焦線上，并在焦線上安裝有集熱管，以吸收聚焦后的太陽輻射能；管內(nèi)的流體被加熱后，流經(jīng)換熱器加熱水產(chǎn)生蒸汽，然后借助于蒸汽動(dòng)力循環(huán)來發(fā)電[3]。槽式太陽能熱發(fā)電站的集熱鏡場(見圖1)由多個(gè)集熱單元(見圖2)組成，集熱管是集熱單元的核心部件，其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，集熱管的結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。集熱管的熱性能及其支撐裝置結(jié)構(gòu)的可靠性直接決定了整個(gè)槽式太陽能熱發(fā)電站的熱效率和經(jīng)濟(jì)成本。

圖1 槽式太陽能熱發(fā)電站的集熱鏡場Fig.1 Collecting mirror field of trough solar thermal power station

圖2 集熱單元Fig.2 Heat collection unit

圖3 集熱管的結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of heat collector tube

通過分析國際上已商業(yè)化運(yùn)行的槽式太陽能熱發(fā)電站的運(yùn)行和維護(hù)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，集熱管真空失效和破損是造成該類電站經(jīng)濟(jì)損失的最主要因素。而造成集熱管真空失效和破損的原因，一方面是因?yàn)榧療峁茏陨淼馁|(zhì)量問題，另一方面是由于集熱管支撐裝置的結(jié)構(gòu)不合理、安裝不規(guī)范造成的。

目前，槽式太陽能熱發(fā)電站中集熱管的使用壽命可達(dá)25 年，其支撐裝置尤其是擺動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)形式的合理性及安裝的規(guī)范性是保證其使用壽命的關(guān)鍵。因此，本文從力學(xué)角度、安裝調(diào)試質(zhì)量控制等方面對該類電站中集熱管支撐裝置的構(gòu)成及擺動(dòng)支撐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

1 集熱管支撐裝置的構(gòu)成及擺動(dòng)支撐的結(jié)構(gòu)

1.1 集熱管支撐裝置的構(gòu)成

集熱管通過支撐裝置與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，并按照設(shè)定程序依靠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)逐日跟蹤。支撐裝置由固定支柱和擺動(dòng)支撐組成，其中，由于結(jié)構(gòu)形式不同，擺動(dòng)支撐的構(gòu)成也有所不同。

1.2 集熱管擺動(dòng)支撐的類型

在槽式太陽能熱發(fā)電站中，每根集熱管的長度約為4 m，1 個(gè)集熱單元由多根集熱管焊接而成。在實(shí)際運(yùn)行過程中，集熱管隨溫度的變化而發(fā)生軸向伸縮，軸向伸縮引起集熱管擺動(dòng)支撐位置的變化。

按結(jié)構(gòu)形式不同，集熱管擺動(dòng)支撐可分為雙關(guān)節(jié)擺動(dòng)支撐、滑動(dòng)槽擺動(dòng)支撐及鋼板彈簧擺動(dòng)支撐。

1.2.1 雙關(guān)節(jié)擺動(dòng)支撐

雙關(guān)節(jié)擺動(dòng)支撐的示意圖如圖4 所示，該擺支撐有2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，可隨集熱管的伸長與縮短而轉(zhuǎn)動(dòng)。雙關(guān)節(jié)擺動(dòng)支撐的不足之處在于，每根集熱管支撐點(diǎn)處的膨脹量不一致，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處的擺動(dòng)角度不一致，造成每根集熱管的中心高度不一致且會隨溫度變化而不斷變化，影響聚光效果；而且集熱管高溫下受力不均勻，易造成其外玻璃管破損。

圖4 雙關(guān)節(jié)擺動(dòng)支撐的示意圖Fig.4 Schematic diagram of double joint swing support

1.2.2 滑動(dòng)槽擺動(dòng)支撐

滑動(dòng)槽擺動(dòng)支撐的示意圖如圖5 所示。該擺動(dòng)支撐的上部設(shè)有軌道和能沿著軌道滑動(dòng)的滑塊組件，滑塊組件上連接有集熱管，集熱管的軸線方向與軌道的軸線方向一致。因此，當(dāng)集熱管熱脹冷縮時(shí)會沿軌道直線移動(dòng)，每根集熱管中心高度不會發(fā)生變化，維持在集熱器拋物線焦點(diǎn)位置，保證了聚光效果；此外，集熱管高溫膨脹時(shí)不受外部應(yīng)力，保證了集熱管運(yùn)行的穩(wěn)定性。但滑動(dòng)槽擺動(dòng)支撐的缺點(diǎn)在于，其對安裝精度的要求高，調(diào)試復(fù)雜，并且由于集熱管長期在戶外運(yùn)行，滑塊組件易銹蝕，從而會影響其滑動(dòng)效果。

1.2.3 鋼板彈簧擺動(dòng)支撐

鋼板彈簧擺動(dòng)支撐包括支撐軸、支撐環(huán)、支撐桿及鋼板彈簧。在這種擺動(dòng)支撐中，集熱管處有擺動(dòng)關(guān)節(jié)，底部連接有可在集熱管軸向方向上彈性變形的鋼板彈簧，可利用鋼板彈簧的擺動(dòng)來補(bǔ)償集熱管的膨脹量。此擺動(dòng)支撐的安裝調(diào)試簡便，運(yùn)行過程中穩(wěn)定可靠。鋼板彈簧擺動(dòng)支撐的結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 鋼板彈簧擺動(dòng)支撐的結(jié)構(gòu)及其局部放大圖Fig.6 Structure and partial enlarged diagram of spring steel plate swing support

1.2.4 小結(jié)

集熱管擺動(dòng)支撐既要有合理的剛性，以保證集熱管在工作過程平穩(wěn)、振動(dòng)小，又不能因限制集熱管熱脹冷縮而導(dǎo)致集熱管彎曲變形。通過對上述3 種結(jié)構(gòu)的擺動(dòng)支撐進(jìn)行定性比較后發(fā)現(xiàn)，鋼板彈簧擺動(dòng)支撐的結(jié)構(gòu)較為合理，是最理想的集熱管擺動(dòng)支撐。因此，后文對采用此類擺動(dòng)支撐在使用過程中的受力情況進(jìn)行分析。

2 集熱管工作過程中鋼板彈簧擺動(dòng)支撐的受力分析

在實(shí)際運(yùn)行過程中，每根集熱管都會隨溫度的變化而發(fā)生軸向伸縮。由于固定支柱兩側(cè)的推力(拉力)大小相等、方向相反，因此其不發(fā)生擺動(dòng)；而在集熱管推力(拉力)作用下，鋼板彈簧擺動(dòng)支撐會隨之發(fā)生擺動(dòng)。集熱管常溫時(shí)，擺動(dòng)支撐向右偏轉(zhuǎn)；集熱管升溫至200 ℃時(shí)，擺動(dòng)支撐擺動(dòng)至豎直方向；集熱管升溫至400 ℃時(shí)，擺動(dòng)支撐向左偏轉(zhuǎn)。單根集熱管從常溫升溫至400 ℃，伸長量為26 mm[4]，擺動(dòng)支撐的最大擺動(dòng)角度為5°[5]。

由于鋼板彈簧擺動(dòng)支撐應(yīng)保證支撐集熱管時(shí)的可靠性且不得因限制集熱管伸縮而造成集熱管彎曲變形，因此需對其受力情況進(jìn)行分析，以判斷該擺動(dòng)支撐的結(jié)構(gòu)是否合理。

2.1 擺動(dòng)支撐的橫向受力

由于集熱管膨脹(收縮)時(shí)會對擺動(dòng)支撐產(chǎn)生一個(gè)推力(拉力)，擺動(dòng)支撐應(yīng)及時(shí)擺動(dòng)，且其對集熱管的阻力不得大于集熱管所能承受的最大力。因此，需分析擺動(dòng)支撐的橫向受力情況，即集熱管不失效所能承受的最大壓力，以此壓力值來驗(yàn)證擺動(dòng)支撐是否符合要求。集熱管受力模型如圖7 所示。

圖7 集熱管受力模型Fig.7 Heat collecting tube force model

集熱管中的受力部件是φ70 mm、壁厚3 mm 的316 L 不銹鋼管，因集熱管運(yùn)行過程中最大伸縮量為26 mm，擺動(dòng)支撐的最大擺動(dòng)角度為5°[5]，變化很小，集熱管的受力可簡化為始終作用在不銹鋼管中心線上的荷載。

由于集熱管為槽式太陽能熱發(fā)電站的關(guān)鍵零部件，其成本占比和故障率均較高，為保證電站的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性，規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)選取高值，因此參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5 版)》[4]中拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)縱、橫推桿規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)，選取集熱管穩(wěn)定安全系數(shù)Sa=5。

集熱管中的受力部件端面不變即為等端面，由于其受熱伸長的過程屬于持續(xù)緩慢的承受壓力的過程，可簡化為受靜力作用。因此，可按照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5 版)》[4]中關(guān)于“等端面立柱受壓靜力穩(wěn)定性計(jì)算”的內(nèi)容，計(jì)算集熱管的實(shí)際穩(wěn)定安全系數(shù)S。

式中，P為集熱管實(shí)際工作荷載，N；Pe為集熱管臨界荷載，N。

1)集熱管柔度的計(jì)算。集熱管可視為直桿，工程中將承受軸向壓力的直桿稱為壓桿。此處參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5 版)》[4]中關(guān)于“等端面立柱受壓縮的臨界荷載和臨界應(yīng)力計(jì)算”的內(nèi)容計(jì)算集熱管的柔度，來判斷集熱管屬于大柔度壓桿、中等柔度壓桿還是小柔度壓桿，以便進(jìn)行下一步計(jì)算。計(jì)算集熱管柔度的公式為：

式中，λ為集熱管的柔度；μ為集熱管的長度系數(shù)，此處取2；l為集熱管的全長，cm，此處取400；imin為集熱管截面的最小慣性半徑，cm。

其中，imin的計(jì)算式為：

式中，D為不銹鋼管外徑，cm，此處取7；d為不銹鋼管內(nèi)徑，cm，此處取6.4。

將相關(guān)參數(shù)代入式(2) 和式(3) 可得：λ=1128。

集熱管的柔度極限λ1的計(jì)算式為：

式中，E為彈性模量，N/cm2，此處取2.06×107；σp為材料的比例極限，N/cm2，此處取2.05×104。

將相關(guān)參數(shù)代入式(4)可得：λ1=99.5。

由于大柔度壓桿的判斷標(biāo)準(zhǔn)為λ≥λ1，所以集熱管按大柔度壓桿計(jì)算較為合理。

2) 集熱管臨界荷載Pe的計(jì)算。按照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5 版)》[4]中關(guān)于“單跨度等截面壓桿的長度系數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)”的內(nèi)容，Pe可表示為：

式中，η為集熱管的穩(wěn)定系數(shù)，此處取2.467；Imin為集熱管截面的最小慣性矩，cm4。

其中，Imin可表示為：

將相關(guān)參數(shù)代入式(5) 和式(6) 可得Pe=22541 N。

3)實(shí)際工作荷載P的計(jì)算。實(shí)際工作荷載是指集熱管推動(dòng)擺動(dòng)支撐擺動(dòng)的力，即底部的鋼板彈簧彎曲變形時(shí)受到的力。該擺動(dòng)支撐的擺動(dòng)角度如圖8 所示，通過鋼板彈簧的變形實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)支撐的擺動(dòng)，最大工作荷載時(shí)擺動(dòng)支撐的擺動(dòng)角度為5°。

圖8 擺動(dòng)支撐的受力示意圖Fig.8 Schematic diagram of the stress on the swing support

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5 版)》[4]中的內(nèi)容，擺動(dòng)支撐擺動(dòng)角度的計(jì)算式為：

式中，θA為擺動(dòng)支撐的擺動(dòng)角度，此處取5°，即0.087 弧度；b為擺動(dòng)支撐的有效長度，cm，此處取156.1；I為鋼板彈簧截面的軸慣性矩，cm4。

其中，I的表達(dá)式為：

式中，a為鋼板彈簧的厚度，cm，此處取0.2；b1為鋼板彈簧的長度，cm，此處取24。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(8)可得：I=0.016 cm4。將已知數(shù)據(jù)代入式(7)可得：P=2.356 N。

4) 實(shí)際穩(wěn)定安全系數(shù)S的計(jì)算。將上文所得數(shù)據(jù)代入式(1)可知，S=9567，則S＞Sa。這表明集熱管的擺動(dòng)支撐既能保證集熱管的穩(wěn)定性，又不會引起集熱管的彎曲變形。因此，所采用的鋼板彈簧擺動(dòng)支撐的結(jié)構(gòu)合理。

2.2 擺動(dòng)支撐的側(cè)向受力分析

擺動(dòng)的支撐的側(cè)向受力為集熱管自身重力、擺動(dòng)支撐重力對M10 螺栓的作用力及最大風(fēng)荷載這三者的合力F，具體如圖9 所示。

圖9 擺動(dòng)支撐的側(cè)向受力圖Fig.9 Lateral force diagram of the swing support

1) 集熱管的自身重力。單根集熱管的重量為32 kg，即重力為320 N。

2) 集熱管受到的最大風(fēng)荷載。集熱管受到的風(fēng)荷載為基本風(fēng)荷載與集熱管受風(fēng)面積的乘積。

風(fēng)荷載按50 年一遇大風(fēng)計(jì)算，根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，以項(xiàng)目所在地德州市為例，其50 年一遇大風(fēng)的基本風(fēng)荷載為0.45 kN/m2；集熱管受風(fēng)面積=直徑×長度=0.12×4=0.48 m2。因此，集熱管受到的最大風(fēng)荷載為216 N。

3) 擺動(dòng)支撐重力對M10 螺栓的作用力。擺動(dòng)支撐自身重量為9.32 kg，即重力為93.2 N；由于擺動(dòng)支撐的重力中心在其幾何中心部位，擺動(dòng)支撐的重力對M10 螺栓的作用力可簡化為其重力的1/2，即46.6 N。

4) 綜上所述，擺動(dòng)支撐的側(cè)向受力F的最大值為582.6 N。

5) 由于擺動(dòng)支撐的薄弱部位是在M10 螺栓連接處，此處承受的力為旋轉(zhuǎn)力矩。因此，按照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5 版)》[4]中關(guān)于“螺栓組連接的受力分析”的內(nèi)容進(jìn)行分析，對螺栓連接處施加預(yù)緊力，判斷擺動(dòng)支撐受到旋轉(zhuǎn)力矩后，其連接件是否出現(xiàn)相對滑動(dòng)。若無相對滑動(dòng)，則說明擺動(dòng)支撐滿足要求。

①單個(gè)螺栓的預(yù)緊力F′的計(jì)算式為：

式中，kf為考慮到摩擦因數(shù)的不穩(wěn)定而引入的可靠性系數(shù)，可取1.2～1.5，此處取1.35；T為螺栓組所受旋轉(zhuǎn)力矩，Nm，其計(jì)算方式為1.561F，即909.4；μ為連接摩擦副的摩擦因數(shù)，由于連接件為鋼件，接觸表面為干燥表面，因此，μ在0.10～0.16 范圍內(nèi)，此處取0.13；r為螺栓中心至底板旋轉(zhuǎn)中心的距離，m，由于此處是4顆M10 螺栓，所以r1～r4的取值分別為0.03、0.03、0.09、0.09。

將相關(guān)數(shù)值代入式(9)可知，F(xiàn)′=39349 N。

②單個(gè)螺栓連接的強(qiáng)度校核。根據(jù)“單個(gè)螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算”中的“只受預(yù)緊力F′的緊螺栓連接”[4]的內(nèi)容來計(jì)算單個(gè)螺栓連接的強(qiáng)度。

當(dāng)單個(gè)螺栓的實(shí)際拉應(yīng)力σ1小于等于單個(gè)螺栓的許用拉應(yīng)力σ1p，即σ1≤σ1p時(shí)，說明單個(gè)螺栓連接的強(qiáng)度滿足要求。

σ1的表達(dá)式為：

式中，d1為M10螺栓小徑，m，此處取0.0085。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(10)可知，σ1=90.5 Mpa。

σ1p的表達(dá)式為：

式中，σs為螺栓材料屈服點(diǎn)，Mpa，此處取值775；Ss為安全系數(shù)，此處取4.5。

代入公式，則σ1p=172 Mpa。

6) 由于σ1＜σ1p，則可判定4 顆M10 螺栓的強(qiáng)度滿足要求，進(jìn)而證明擺動(dòng)支撐所能承受的側(cè)向力大于其實(shí)際承受的側(cè)向力。

3 結(jié)論

本文對槽式太陽能熱發(fā)電站中集熱管的3 種擺動(dòng)支撐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：鋼板彈簧擺動(dòng)支撐的結(jié)構(gòu)最合理，既能保證集熱管的穩(wěn)定性，又不會引起集熱管的彎曲變形，與以往采用的剛性支撐結(jié)構(gòu)相比，鋼板彈簧擺動(dòng)支撐顯著提高了集熱管的使用壽命；其比雙關(guān)節(jié)擺動(dòng)支撐更安全可靠，比滑動(dòng)槽擺動(dòng)支撐的結(jié)構(gòu)更簡單、性能更可靠，是目前性價(jià)比最高的擺動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)之一，也解決了長期困擾槽式太陽能熱發(fā)電站集熱鏡場建設(shè)的技術(shù)瓶頸。