熔盐储罐隔热基础设计研究

程虎，苏加，奚正稳，孙登科

（东方电气集团东方锅炉股份有限公司，成都611731）

1 概述

在全球能源供应清洁化、低碳化趋势的背景下，太阳能热发电具有可储热、可调峰、可连续发电等优点，且成本下降空间可期，市场发展前景光明。2018年，中国光热发电市场新增装机215MW，占全球总新增装机量的22.97%，约为2017年全球光热发电新增装机（115.76MW）的2倍【1】，光热发电行业呈现出一派蓬勃发展的繁荣景象。但到目前为止，光热电站还正处于示范建设阶段，在这个阶段光热发电技术仍然面临很多的技术和经验问题，熔盐储罐隔热基础设计就是其中之一。

从国内研究现状来看，众多科研机构和学者的研究领域都集中在储罐本体或者罐体材料上，更多在于选材及壁厚设计，膨胀及应力分析；对于工程领域来讲，熔盐储罐下部隔热基础是保证储罐安全运行的前提，但目前尚无系统的研究成果【2】。

实际应用中，熔融盐储罐底部隔热层温度直接关系到其安全性和经济性。隔热层底部温度过高，会导致材料超温，威胁设备安全运行；底部温度过低，会导致散热量增加，不利于设备的经济性。因此，需要对熔盐隔热基础的结构设计进行研究。

2 设计要求

储罐作为光热电站的核心设备，每天熔盐储罐液位将会随着吸热器及汽轮机组的运行情况升高或降低，循环反复。熔盐储罐的设计须适应液位循环模式运行以及产生的热应力变化。

储罐是由钢板焊成的薄壁容器结构，具有柔性大、刚度小的特点，能承受一定的地基沉降变形。只要是均匀沉降，即便基础产生较大的沉降，仍然不影响储罐的使用。对储罐隔热基础进行设计时，应考虑以下要求：

1）基础应满足散热量的要求，尽量减少热量损失，降低系统的运行成本；

2）基础应满足强度要求，能承受储罐的自重和满罐熔盐重量的总荷重；

3）储罐地基的总沉降和不均匀沉降都必须满足储罐允许沉降和倾斜的要求；

4）在地基沉降变形较大的地区建储罐时，基础必须预抬高安装标高，以使最终沉降稳定后的罐基础高出四周地面，以免积水，影响储罐的使用；

5）为保证土建土层强度，需要增强通风以带走热量，使得地基层温度能够维持在70℃以下。

3 隔热基础

以某项目高温罐（设计温度590℃）隔热基础为例，介绍基础结构及耐火材料的选择。

3.1 散热量的确定

目前，尚未查到熔盐储罐罐底隔热基础设计的相关标准。在没有设计规范的前提下，建议参考DL/T 5072—2007《火力发电厂保温油漆设计规程》的相关要求，即介质温度为565℃时，隔热层外壁允许的最大散热量为284W/m2，考虑理论计算与实际运行的差异，加之施工质量及长期运行后材料老化等影响，实际设计时建议散热量低于100W/m2为宜。

3.2 保温材料的确定

隔热基础保温材料的选择不仅要满足隔热要求，还要满足基础承重要求。结合相关标准，熔盐罐隔热材料拟选择高强型硅酸钙板和泡沫玻璃。相关材料物性参数见表1。

表1 保温材料参数

3.3 结构的确定

储罐的外形是直径大、高度低的“矮胖”形结构，对风力的影响有限，只有在台风或地震作用下且又是空罐时，才可能产生移动。所以在风级大于10级地区或9度地震区建罐时，才考虑储罐与基础的锚固问题。

目前，我国在建光热电站多为非锚固式、大型立式储罐。储罐直接放置在环墙式基础上，便于安装施工和生产操作，并可降低维修费用。

环墙式基础的环墙，一般采用钢筋混凝土制作。不论采用现浇或预制装配，采用的混凝土强度等级均不低于C20，预制装配式环墙接头的混凝土至少应高于环墙混凝土强度等级一级。

设计时环墙中心线的直径宜与储罐直径一致。为了避免储罐底板变形后，壁板和底板连接处的角焊缝与环墙顶面接触，可能出现应力集中，产生危险性破坏，环墙顶面内侧边角宜做成一个不小于20°的斜角。熔盐储罐隔热基础结构形式见图1。

图1 储罐隔热基础结构

4 计算分析

4.1 建立模型

以图1储罐隔热基础为研究对象，建立储罐隔热基础温度场分布模型，如图2所示。储罐隔热基础温度场分布模型计算基于以下几点假设进行：

图2 隔热基础温度场分布模型

1）储罐内介质温度均匀，忽略罐内介质传热；

2）储罐底板温度分布均匀，罐底板温度为储罐底层熔盐温度；

3）储罐底板传热方向为垂直罐底板方向，忽略其他方向的散热；

4）依据材料导热系数大小对储罐隔热层进行合理简化，储罐基础自上而下分别为：高强型硅酸钙板层、泡沫玻璃层、耐热混凝土层、地基层。各绝热材料层内部温度，分布均匀。

4.2 计算工况

计算工况见表2。

表2 计算工况

4.3 温度场分析

高温工作状态和低温工作状态下，温度场分析结果见图3、图4。

图3 夏季工况温度场云图

图4 冬季工况温度场云图

4.4 材料温度分析

材料温度分析见表3。

表3 村料温度分析

5 施工与维护

储罐隔热基础施工的工程质量，直接关系到光热电站投产后的使用效果。一旦出现隔热基础破坏导致熔盐储罐泄露，整个光热电站将无法运行。仅停机减少的发电收入就高达亿元以上，且维修工作量大，周期长，对机组的经济性影响重大。因此，需要重视熔盐储罐隔热基础的设计，以及施工与维护。

5.1 施工质量管理

影响工程质量的因素很多，但主要取决于材料的质量和施工质量的好坏这2方面。为了保证储罐隔热基础的施工质量：（1）选择守信誉、重质量的施工队伍；（2）加强工程的质量监督和管理，严格执行国家工程质量检验评定标准；（3）加强建筑材料的质量监督，做好现场抽检与管理工作；（4）做好技术交底，严格按设计要求施工。

5.2 充水预压

储罐安装完成之后，应进行储罐内充水试验，目的是检查焊接的质量，同时也对地基进行预压。充水预压是加固地基的重要措施，新建储罐使用前均应进行充水预压地基。试验后在第一个预热操作之前，储罐的内部应用高压水射流清洗并用鼓风机和空气除湿机使其完全干燥。由于熔盐密度远大于水的密度，在储罐充水预压前须根据储罐地基土的性质，根据使用条件的限制，对储罐充水预压进行创新设计，提出符合光热电站特点的要求，以确保隔热基础的安全。

5.3 沉降观测

目前国内外仅有少数熔盐光热电站实现成功运行，熔盐储罐的维护经验鲜有全面、公开的报道。从大型油品储罐基础破坏实例看，储罐一旦遭遇由基础变形引起的破坏，不但储罐不能正常使用，而且往往会引起管道断裂，大量油品泄漏，污染环境甚至发生火灾、爆炸等次生灾害。储罐基础变形主要包括：基础的沉降、相对倾斜、周围地面沉降、地基深层沉降及侧向变形等。直接影响储罐使用的是基础的不均匀沉降和倾斜。因此，储罐的维护重点应在于基础沉降的观测【3】。

5.3.1 沉降观测点设置

沉降观测点可设在储罐基础上或储罐上，沿圆周每隔10m左右设1个观测点，观测点应均匀布置，点数宜为2的倍数，且不得少于6点。若设置在储罐基础上，必须在浇筑基础时就预埋观测点。

5.3.2 沉降观测的步骤

在进行沉降观测之前，必须搜集下列资料:储罐场地的总平面图；储罐基础及地基加固处理的平面、剖面图；储罐基础设计资料；储罐的总荷载以及工程地质勘察报告等。根据储罐场地的总平面图、储罐基础的类型、结构特征和地质条件，确定水准点、沉降观测点的位置、数量和型式。然后制作和埋设水准点和沉降观测点，进行沉降水准测量。每次测量后的数据应及时计算分析、及时整理出沉降观测成果。最后编写完成沉降观测分析报告。

6 结语

本文仅结合某项目的储罐隔热基础，对隔热基础设计进行了简单介绍。目前，国内很多厂家都对储罐隔热基础进行了创新设计，由于所选隔热材料性能不同，导致隔热基础结构、厚度也不尽相同。鉴于目前光热发电尚处于示范建设阶段，业主、EPC方设计院和有实力的设备厂家应该积极探讨交流，对于控制指标形成统一的标准。针对隔热基础通风管道设置的必要性、西北地区的季节性冻土对隔热基础设计及施工的影响等达成业界共识，在完成技术积累的同时推动我国太阳能热发电技术产业化发展。