王武君，韓景偉

(1.青島鴻瑞電力工程咨詢有限公司，山東 青島 266100；2.山東電力建設(shè)第三工程有限公司，山東 青島 266100)

0 引言

塔式光熱電站相對(duì)于其他類型的光熱電站有很多特殊之處。對(duì)于這些特殊之處我們應(yīng)該給予重點(diǎn)關(guān)注，深入分析并提出相應(yīng)的措施或者建議，從而為后續(xù)類似項(xiàng)目的建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。子午線收斂角對(duì)塔式坐標(biāo)系統(tǒng)的影響以及定日鏡和吸熱器絕對(duì)標(biāo)高的確定就是其中一些特殊點(diǎn)。結(jié)合國內(nèi)某塔式光熱項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)子午線收斂角對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)的影響進(jìn)行初步的分析并提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施；對(duì)定日鏡和吸熱器絕對(duì)標(biāo)高的確定給出了相應(yīng)的計(jì)算方法，希望能起到拋磚引玉的作用。

1 塔式光熱電站坐標(biāo)系統(tǒng)和高程控制的特殊性

塔式光熱電站的坐標(biāo)系統(tǒng)要求定日鏡和吸熱器的縱軸指向北極，基于這個(gè)特殊的要求，需要充分考慮子午線收斂角對(duì)實(shí)測(cè)地形圖坐標(biāo)系統(tǒng)的影響，需對(duì)定日鏡及吸熱器的坐標(biāo)進(jìn)行修正，從而滿足設(shè)計(jì)要求。另外，在高程系統(tǒng)控制方面，定日鏡和吸熱器的標(biāo)高是否準(zhǔn)確，直接影響整個(gè)鏡場(chǎng)的集熱量是否滿足性能模型的要求，直接涉及設(shè)計(jì)方對(duì)業(yè)主的性能保證。因此，需做好定日鏡和吸熱器標(biāo)高的準(zhǔn)確確定。

2 塔式光熱電站坐標(biāo)系統(tǒng)的確定

2.1 子午線收斂角的定義

子午線收斂角是地球橢球體面上一點(diǎn)的真子午線與位于此點(diǎn)所在的投影帶的中央子午線之間的夾角，即在高斯平面上的真子午線與坐標(biāo)縱線的夾角，通常用γ表示。此角有正、負(fù)之分：以真子午線北方向?yàn)闇?zhǔn)，當(dāng)坐標(biāo)縱軸線北端位于以東時(shí)稱東偏，其角值為正；位于以西時(shí)稱西偏，其角值為負(fù)。

2.2 工程設(shè)計(jì)中子午線收斂角產(chǎn)生原因分析

工程設(shè)計(jì)中為了掌握廠址區(qū)域的真實(shí)地形及標(biāo)高，往往會(huì)對(duì)廠址區(qū)域進(jìn)行實(shí)際測(cè)量并形成大比例尺的實(shí)測(cè)地形圖。實(shí)測(cè)范圍內(nèi)地形圖的北往往會(huì)平行于某個(gè)中央子午線，造成所測(cè)地形圖內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的北并未實(shí)際指向北極，與真實(shí)的北存在一個(gè)夾角，這個(gè)角即為子午線收斂角。

2.3 子午線收斂角對(duì)塔式光熱電站坐標(biāo)系統(tǒng)的影響

以國內(nèi)某塔式光熱電站設(shè)計(jì)為例，實(shí)測(cè)鏡場(chǎng)地形圖的范圍位于96°中央子午線的西側(cè)，造成實(shí)測(cè)地形圖中每個(gè)定日鏡及吸熱器的坐標(biāo)縱軸并未指向北極，而是出現(xiàn)西偏，與鏡場(chǎng)技術(shù)提供方要求的指向北極不一致，需根據(jù)子午線收斂角進(jìn)行轉(zhuǎn)換，方能滿足鏡場(chǎng)技術(shù)提供方的要求。

若不考慮子午線收斂角的影響，性能模型中定日鏡的位置與實(shí)際定日鏡的位置將會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。根據(jù)國內(nèi)某塔式光熱電站的計(jì)算結(jié)果，子午線收斂角為－ 0°27′40.135″，定日鏡位置最大出現(xiàn)了約8 m的偏差，將造成鏡場(chǎng)的集熱量無法達(dá)到合同要求的設(shè)計(jì)值。因此，需充分考慮子午線收斂角對(duì)定日鏡及吸熱器的影響，確保定日鏡和吸熱器在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際位置與性能模型軟件模擬的位置保持一致。

2.4 塔式光熱電站坐標(biāo)系統(tǒng)確定的應(yīng)對(duì)措施

為了便于說明，結(jié)合國內(nèi)某塔式光熱電站(以下簡(jiǎn)稱為“參考項(xiàng)目”)有關(guān)坐標(biāo)系統(tǒng)定義，子午線收斂角的確定以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等問題解決，論述相關(guān)應(yīng)對(duì)措施。

1)搞清楚鏡場(chǎng)提供方有關(guān)對(duì)定日鏡和吸熱塔坐標(biāo)系統(tǒng)的定義

在參考項(xiàng)目中，鏡場(chǎng)技術(shù)提供方確定鏡場(chǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)采用笛卡爾相對(duì)直角坐標(biāo)系；Y軸是指地理北極和南極的連接線，正值指向北極；X軸正交與Y軸，正值指向東。吸熱塔位于X軸和Y軸的交點(diǎn)，并且定義為(0，0)。因此，應(yīng)保證鏡場(chǎng)內(nèi)定日鏡和吸熱器位于正北方向。

2)確定實(shí)測(cè)地形圖的坐標(biāo)縱軸平行的中央子午線

參考項(xiàng)目實(shí)測(cè)地形圖坐標(biāo)系統(tǒng)采用1980西安坐標(biāo)系，三度帶，中央子午線為96°；X軸平行于96°中央子午線，正值指向北極；Y軸正交于X軸，正值指向東。因此，參考項(xiàng)目實(shí)測(cè)地形圖的坐標(biāo)縱軸(X軸)平行中央子午線為96°中央子午線。

3) 確定定日鏡以及吸熱塔的子午線收斂角

在參考項(xiàng)目中，按照鏡場(chǎng)技術(shù)提供方的要求，每個(gè)定日鏡均應(yīng)位于正北方向。若嚴(yán)格按照這個(gè)要求執(zhí)行，需算出每個(gè)定日鏡的子午線收斂角，計(jì)算和轉(zhuǎn)換的工作量量大，而且容易出錯(cuò)。通過對(duì)鏡場(chǎng)最遠(yuǎn)的定日鏡按照本身的子午線收斂角和吸熱塔處子午線收斂角分別進(jìn)行驗(yàn)算，兩者定日鏡的位置僅有約10 cm的偏差，經(jīng)與鏡場(chǎng)技術(shù)提供方確認(rèn)，該偏差可以接受。因此，最終確定鏡場(chǎng)每個(gè)定日鏡子午線收斂角采用同吸熱塔中心的子午線收斂角。

為了保證子午線收斂角的計(jì)算準(zhǔn)確，委托地形圖測(cè)量單位提供吸熱塔中心的子午線收斂角。經(jīng)勘測(cè)單位計(jì)算，參考項(xiàng)目吸熱塔中心子午線收斂角為－ 0° 27′40.135″。

簡(jiǎn)化的收斂角計(jì)算公式(1)[1]如下：

式中：l為經(jīng)差，即某點(diǎn)與中央子午線的經(jīng)度差；B為點(diǎn)位所處的緯度；γ值為子午線收斂角。

參照項(xiàng)目吸熱塔中心經(jīng)緯度坐標(biāo)為(B= 36°23′55.7120″；L= 95°13′22.4559″)；中央子午線(L0= 96°)，利用公式(1)，可計(jì)算得到參考項(xiàng)目光塔中心子午線收斂角：

其計(jì)算值與勘測(cè)單位提供的值基本吻合。該簡(jiǎn)化的收斂角計(jì)算公式可以作為對(duì)測(cè)量單位提供的收斂角的一種便捷校對(duì)措施，從而確保測(cè)量單位提供的收斂角準(zhǔn)確無誤。

4)針對(duì)吸熱塔子午線收斂角，對(duì)定日鏡坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，滿足定日鏡位于正北方向的要求

根據(jù)吸熱塔子午線收斂角的計(jì)算可知，吸熱塔中心子午線收斂角為西偏收斂角，即吸熱塔處坐標(biāo)縱軸位于真北方向的西側(cè)，夾角γ= － 0°27′ 40.135″。為了進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，我們可以認(rèn)為吸熱塔處坐標(biāo)縱軸所在的坐標(biāo)系為西安坐標(biāo)系，真北方向所在的坐標(biāo)系為鏡場(chǎng)技術(shù)提供方所確定坐標(biāo)系，兩坐標(biāo)系相對(duì)關(guān)系見圖1。

其由鏡場(chǎng)技術(shù)提供方坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為西安坐標(biāo)系公式(2)，(3)如下：

式中：X為鏡場(chǎng)技術(shù)提供方的X軸，正值指向東；Y為鏡場(chǎng)技術(shù)提供方的Y軸，正值指向北；X－西安為西安坐標(biāo)系的X軸，正值指向北；Y－西安為西安坐標(biāo)系的Y軸，正值指向東；γ為子午線收斂角，東偏角為正值，西偏角為負(fù)值。

參考項(xiàng)目子午線收斂角γ為西偏，因此γ= － 0° 27′40.135″，將鏡場(chǎng)技術(shù)提供方提供的坐標(biāo)(X，Y)及子午線收斂角γ代入上述的公式(2)和(3)，即可求得西安坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值。經(jīng)轉(zhuǎn)換計(jì)算后，考慮子午線收斂角的前后，定日鏡位置出現(xiàn)最大達(dá)7.68 m的偏差，可見修正子午線收斂角的重要性。

根據(jù)上面公式(2)和(3)，可以將鏡場(chǎng)技術(shù)提供方的各定日鏡的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為項(xiàng)目實(shí)測(cè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)，確保現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際定日鏡的位置同性能模型中定日鏡模擬的位置保持一致，從而保證鏡場(chǎng)的集熱量達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

5)考慮子午線收斂角對(duì)吸熱器的影響，確定吸熱器真實(shí)方位

為了保證吸熱器均勻有效吸收鏡場(chǎng)的熱量，鏡場(chǎng)技術(shù)提供方要求務(wù)必保證吸熱器的坐標(biāo)縱軸指向真北方向。

在參考工程中，吸熱塔如果按照西安坐標(biāo)系進(jìn)行施工，其縱軸并未指向真北方向。為了保證吸熱器的的縱軸指向北，需將吸熱器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)0° 27′40.135″。旋轉(zhuǎn)后吸熱器支架布置圖2。

3 定日鏡和吸熱器控制高度的確定

3.1 定日鏡的控制高度

鏡場(chǎng)技術(shù)提供方對(duì)定日鏡控制高度值(Z值)的定義，是指控制定日鏡高度角的旋轉(zhuǎn)軸和控制定日鏡方位角的旋轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)的標(biāo)高值。定日鏡最終Z值計(jì)算公式如下：

定日鏡最終Z值 = 施工結(jié)束后定日鏡地腳螺栓頂平均標(biāo)高值－地腳螺栓頂與定日鏡基礎(chǔ)頂?shù)木嚯x+定日鏡基礎(chǔ)頂與定日鏡高度角旋轉(zhuǎn)軸的距離。

根據(jù)參考項(xiàng)目定日鏡的尺寸以及地腳螺栓的布置圖(見圖3和圖4)可知，參考項(xiàng)目定日鏡最終Z值 = 施工結(jié)束后定日鏡地腳螺栓頂平均標(biāo)高值－0.17 m + 6.145 5 m。

3.2 吸熱器的控制高度

根據(jù)鏡場(chǎng)技術(shù)提供方對(duì)吸熱器控制高度值(Z值)的定義，是指吸熱器受光面中心線與吸熱器中心軸線的交點(diǎn)的標(biāo)高值。吸熱器Z值計(jì)算公式如下：

吸熱器Z值 = 吸熱塔處自然場(chǎng)地標(biāo)高(或者相對(duì)零米標(biāo)高) +從吸熱塔處自然場(chǎng)地至吸熱器受光面中心的距離(通常所說的吸熱塔的高度)。

由于吸熱塔的高度直接影響著整個(gè)鏡場(chǎng)的集熱量，務(wù)必準(zhǔn)確確定吸熱器的標(biāo)高。因此，為了避免設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，建議在確定吸熱塔的標(biāo)高時(shí)，務(wù)必讓鏡場(chǎng)技術(shù)提供方明確吸熱器受光面中心的絕對(duì)標(biāo)高，或者提供吸熱塔相對(duì)零米的絕對(duì)標(biāo)高和塔高。參照項(xiàng)目中，經(jīng)多次與鏡場(chǎng)技術(shù)提供方澄清確認(rèn)，吸熱塔相對(duì)零米標(biāo)高對(duì)應(yīng)的絕對(duì)標(biāo)高為2 821.7 m，吸熱塔的高度為165 m，對(duì)應(yīng)的吸熱器絕對(duì)標(biāo)高為2 656.7 m。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，需務(wù)必注意動(dòng)力島區(qū)的相對(duì)零米標(biāo)高與鏡場(chǎng)技術(shù)提供方確定的吸熱塔相對(duì)零米標(biāo)高的統(tǒng)一，否則極易出現(xiàn)吸熱器的絕對(duì)標(biāo)高出現(xiàn)錯(cuò)誤，進(jìn)而影響整個(gè)鏡場(chǎng)的集熱量。

在參考項(xiàng)目中，動(dòng)力島區(qū)設(shè)計(jì)院未考慮鏡場(chǎng)技術(shù)提供方確定的吸熱塔相對(duì)零米標(biāo)高，而是按照吸熱塔區(qū)的場(chǎng)地平整標(biāo)高，將吸熱塔的零米標(biāo)高確定為2 821.8 m，零米標(biāo)高相差10 cm，但吸熱塔的高度沒有做相應(yīng)調(diào)整，直接導(dǎo)致吸熱塔的絕對(duì)標(biāo)高抬高了10 cm。幸運(yùn)的是，由于該問題發(fā)現(xiàn)較早，并未對(duì)現(xiàn)場(chǎng)吸熱塔的施工造成大的影響。由于現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)按照2 821.8 m零米標(biāo)高完成了光塔基礎(chǔ)的施工，只好將吸熱塔混凝土部分降低10 cm，從而保證吸熱器中心的絕對(duì)標(biāo)高保持不變。

4 其他需要注意的問題

4.1 鏡場(chǎng)地形圖勘測(cè)任務(wù)書的下達(dá)

測(cè)量任務(wù)書的下達(dá)除了常規(guī)要求外，需注意以下兩點(diǎn)：

1) 關(guān)于地形圖的真北方向

由于子午線收斂角的存在，測(cè)量的地形圖需明確地形圖縱軸所平行的真北方向，為后續(xù)子午線收斂角的計(jì)算以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換提供輸入條件。

2) 關(guān)于測(cè)量比例

關(guān)于地形圖的測(cè)量比例，可根據(jù)地形的復(fù)雜程度合理進(jìn)行確定。通常情況下，投標(biāo)階段可采用1∶2 000；執(zhí)行階段可采用1∶1 000或者1∶500。如果為了減少地形圖測(cè)量的費(fèi)用，節(jié)省地形圖的測(cè)量時(shí)間，執(zhí)行階段可以選擇1∶1 000甚至1∶2 000，但注意需在鏡場(chǎng)技術(shù)提供方確定定日鏡具體位置后，需補(bǔ)測(cè)每個(gè)定日鏡具體地面標(biāo)高并反饋給鏡場(chǎng)技術(shù)提供方，作為確定定日鏡具體標(biāo)高的依據(jù)。同時(shí)在定日鏡施工結(jié)束后，還需測(cè)量定日鏡螺栓頂?shù)钠骄担瑴?zhǔn)確算出每個(gè)定日鏡的最終真實(shí)的標(biāo)高，作為鏡場(chǎng)性能模擬以及實(shí)際運(yùn)行鏡場(chǎng)控制的原始數(shù)據(jù)輸入。

4.2 定日鏡的安裝方向

定日鏡安裝時(shí)一定要注意定日鏡的安裝方向，確保定日鏡處于正確的方位。在參考工程中，鏡場(chǎng)技術(shù)提供方要求定日鏡的安裝需注意滿足下面兩個(gè)條件：

1)定日鏡基座的其中一個(gè)地腳螺栓需位于基座中心與吸熱塔中心的連線上。因此在土建地腳螺栓布置圖中應(yīng)務(wù)必注明該項(xiàng)要求，確保地腳螺栓準(zhǔn)確無誤的施工。

2)在定日鏡的安裝時(shí)，定日鏡傳動(dòng)裝置trunnion與End Rod Bearing應(yīng)位于基座中心與吸熱塔中心的連線上。Trunnion位于靠近塔側(cè)，End Rod Bearing位于遠(yuǎn)離塔側(cè)，見圖5。

5 結(jié)論

綜上所述，子午線收斂角對(duì)定日鏡的位置、吸熱器的方位以及鏡場(chǎng)集熱量影響較大，需仔細(xì)考慮。歸納起來，需做好以下幾點(diǎn)：

1) 對(duì)于坐標(biāo)系統(tǒng)，應(yīng)仔細(xì)研讀鏡場(chǎng)技術(shù)提供方對(duì)于鏡場(chǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)的相關(guān)定義，與實(shí)測(cè)地形圖坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，明確差異。

2) 與鏡場(chǎng)技術(shù)提供方確認(rèn)定日鏡和吸熱器的高度的準(zhǔn)確定義，同時(shí)在全廠零米標(biāo)高的選擇上建議盡量與吸熱器高度參照的零米標(biāo)高保持一致，避免出現(xiàn)參考的零米標(biāo)高不一致，出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤。

3) 吸熱器和定日鏡的安裝，需注意安裝方位的要求，確保準(zhǔn)確無誤。