塔式光热电站坐标系统及高程控制设计分析

王武君，韩景伟

(1.青岛鸿瑞电力工程咨询有限公司，山东 青岛 266100；2.山东电力建设第三工程有限公司，山东 青岛 266100)

0 引言

塔式光热电站相对于其他类型的光热电站有很多特殊之处。对于这些特殊之处我们应该给予重点关注，深入分析并提出相应的措施或者建议，从而为后续类似项目的建设积累经验。子午线收敛角对塔式坐标系统的影响以及定日镜和吸热器绝对标高的确定就是其中一些特殊点。结合国内某塔式光热项目的实施，对子午线收敛角对坐标系统的影响进行初步的分析并提出了相应的应对措施；对定日镜和吸热器绝对标高的确定给出了相应的计算方法，希望能起到抛砖引玉的作用。

1 塔式光热电站坐标系统和高程控制的特殊性

塔式光热电站的坐标系统要求定日镜和吸热器的纵轴指向北极，基于这个特殊的要求，需要充分考虑子午线收敛角对实测地形图坐标系统的影响，需对定日镜及吸热器的坐标进行修正，从而满足设计要求。另外，在高程系统控制方面，定日镜和吸热器的标高是否准确，直接影响整个镜场的集热量是否满足性能模型的要求，直接涉及设计方对业主的性能保证。因此，需做好定日镜和吸热器标高的准确确定。

2 塔式光热电站坐标系统的确定

2.1 子午线收敛角的定义

子午线收敛角是地球椭球体面上一点的真子午线与位于此点所在的投影带的中央子午线之间的夹角，即在高斯平面上的真子午线与坐标纵线的夹角，通常用γ表示。此角有正、负之分：以真子午线北方向为准，当坐标纵轴线北端位于以东时称东偏，其角值为正；位于以西时称西偏，其角值为负。

2.2 工程设计中子午线收敛角产生原因分析

工程设计中为了掌握厂址区域的真实地形及标高，往往会对厂址区域进行实际测量并形成大比例尺的实测地形图。实测范围内地形图的北往往会平行于某个中央子午线，造成所测地形图内每个点的北并未实际指向北极，与真实的北存在一个夹角，这个角即为子午线收敛角。

2.3 子午线收敛角对塔式光热电站坐标系统的影响

以国内某塔式光热电站设计为例，实测镜场地形图的范围位于96°中央子午线的西侧，造成实测地形图中每个定日镜及吸热器的坐标纵轴并未指向北极，而是出现西偏，与镜场技术提供方要求的指向北极不一致，需根据子午线收敛角进行转换，方能满足镜场技术提供方的要求。

若不考虑子午线收敛角的影响，性能模型中定日镜的位置与实际定日镜的位置将会出现较大的偏差。根据国内某塔式光热电站的计算结果，子午线收敛角为－ 0°27′40.135″，定日镜位置最大出现了约8 m的偏差，将造成镜场的集热量无法达到合同要求的设计值。因此，需充分考虑子午线收敛角对定日镜及吸热器的影响，确保定日镜和吸热器在现场的实际位置与性能模型软件模拟的位置保持一致。

2.4 塔式光热电站坐标系统确定的应对措施

为了便于说明，结合国内某塔式光热电站(以下简称为“参考项目”)有关坐标系统定义，子午线收敛角的确定以及坐标转换等问题解决，论述相关应对措施。

1)搞清楚镜场提供方有关对定日镜和吸热塔坐标系统的定义

在参考项目中，镜场技术提供方确定镜场坐标系统采用笛卡尔相对直角坐标系；Y轴是指地理北极和南极的连接线，正值指向北极；X轴正交与Y轴，正值指向东。吸热塔位于X轴和Y轴的交点，并且定义为(0，0)。因此，应保证镜场内定日镜和吸热器位于正北方向。

2)确定实测地形图的坐标纵轴平行的中央子午线

参考项目实测地形图坐标系统采用1980西安坐标系，三度带，中央子午线为96°；X轴平行于96°中央子午线，正值指向北极；Y轴正交于X轴，正值指向东。因此，参考项目实测地形图的坐标纵轴(X轴)平行中央子午线为96°中央子午线。

3) 确定定日镜以及吸热塔的子午线收敛角

在参考项目中，按照镜场技术提供方的要求，每个定日镜均应位于正北方向。若严格按照这个要求执行，需算出每个定日镜的子午线收敛角，计算和转换的工作量量大，而且容易出错。通过对镜场最远的定日镜按照本身的子午线收敛角和吸热塔处子午线收敛角分别进行验算，两者定日镜的位置仅有约10 cm的偏差，经与镜场技术提供方确认，该偏差可以接受。因此，最终确定镜场每个定日镜子午线收敛角采用同吸热塔中心的子午线收敛角。

为了保证子午线收敛角的计算准确，委托地形图测量单位提供吸热塔中心的子午线收敛角。经勘测单位计算，参考项目吸热塔中心子午线收敛角为－ 0° 27′40.135″。

简化的收敛角计算公式(1)[1]如下：

式中：l为经差，即某点与中央子午线的经度差；B为点位所处的纬度；γ值为子午线收敛角。

参照项目吸热塔中心经纬度坐标为(B= 36°23′55.7120″；L= 95°13′22.4559″)；中央子午线(L0= 96°)，利用公式(1)，可计算得到参考项目光塔中心子午线收敛角：

其计算值与勘测单位提供的值基本吻合。该简化的收敛角计算公式可以作为对测量单位提供的收敛角的一种便捷校对措施，从而确保测量单位提供的收敛角准确无误。

4)针对吸热塔子午线收敛角，对定日镜坐标系进行转换，满足定日镜位于正北方向的要求

根据吸热塔子午线收敛角的计算可知，吸热塔中心子午线收敛角为西偏收敛角，即吸热塔处坐标纵轴位于真北方向的西侧，夹角γ= － 0°27′ 40.135″。为了进行坐标转换，我们可以认为吸热塔处坐标纵轴所在的坐标系为西安坐标系，真北方向所在的坐标系为镜场技术提供方所确定坐标系，两坐标系相对关系见图1。

其由镜场技术提供方坐标系转换为西安坐标系公式(2)，(3)如下：

式中：X为镜场技术提供方的X轴，正值指向东；Y为镜场技术提供方的Y轴，正值指向北；X－西安为西安坐标系的X轴，正值指向北；Y－西安为西安坐标系的Y轴，正值指向东；γ为子午线收敛角，东偏角为正值，西偏角为负值。

参考项目子午线收敛角γ为西偏，因此γ= － 0° 27′40.135″，将镜场技术提供方提供的坐标(X，Y)及子午线收敛角γ代入上述的公式(2)和(3)，即可求得西安坐标系对应的坐标值。经转换计算后，考虑子午线收敛角的前后，定日镜位置出现最大达7.68 m的偏差，可见修正子午线收敛角的重要性。

根据上面公式(2)和(3)，可以将镜场技术提供方的各定日镜的坐标转换为项目实测坐标系的坐标，确保现场实际定日镜的位置同性能模型中定日镜模拟的位置保持一致，从而保证镜场的集热量达到设计的要求。

5)考虑子午线收敛角对吸热器的影响，确定吸热器真实方位

为了保证吸热器均匀有效吸收镜场的热量，镜场技术提供方要求务必保证吸热器的坐标纵轴指向真北方向。

在参考工程中，吸热塔如果按照西安坐标系进行施工，其纵轴并未指向真北方向。为了保证吸热器的的纵轴指向北，需将吸热器顺时针旋转0° 27′40.135″。旋转后吸热器支架布置图2。

3 定日镜和吸热器控制高度的确定

3.1 定日镜的控制高度

镜场技术提供方对定日镜控制高度值(Z值)的定义，是指控制定日镜高度角的旋转轴和控制定日镜方位角的旋转轴的交点的标高值。定日镜最终Z值计算公式如下：

定日镜最终Z值 = 施工结束后定日镜地脚螺栓顶平均标高值－地脚螺栓顶与定日镜基础顶的距离+定日镜基础顶与定日镜高度角旋转轴的距离。

根据参考项目定日镜的尺寸以及地脚螺栓的布置图(见图3和图4)可知，参考项目定日镜最终Z值 = 施工结束后定日镜地脚螺栓顶平均标高值－0.17 m + 6.145 5 m。

3.2 吸热器的控制高度

根据镜场技术提供方对吸热器控制高度值(Z值)的定义，是指吸热器受光面中心线与吸热器中心轴线的交点的标高值。吸热器Z值计算公式如下：

吸热器Z值 = 吸热塔处自然场地标高(或者相对零米标高) +从吸热塔处自然场地至吸热器受光面中心的距离(通常所说的吸热塔的高度)。

由于吸热塔的高度直接影响着整个镜场的集热量，务必准确确定吸热器的标高。因此，为了避免设计风险，建议在确定吸热塔的标高时，务必让镜场技术提供方明确吸热器受光面中心的绝对标高，或者提供吸热塔相对零米的绝对标高和塔高。参照项目中，经多次与镜场技术提供方澄清确认，吸热塔相对零米标高对应的绝对标高为2 821.7 m，吸热塔的高度为165 m，对应的吸热器绝对标高为2 656.7 m。

在实际工程设计中，需务必注意动力岛区的相对零米标高与镜场技术提供方确定的吸热塔相对零米标高的统一，否则极易出现吸热器的绝对标高出现错误，进而影响整个镜场的集热量。

在参考项目中，动力岛区设计院未考虑镜场技术提供方确定的吸热塔相对零米标高，而是按照吸热塔区的场地平整标高，将吸热塔的零米标高确定为2 821.8 m，零米标高相差10 cm，但吸热塔的高度没有做相应调整，直接导致吸热塔的绝对标高抬高了10 cm。幸运的是，由于该问题发现较早，并未对现场吸热塔的施工造成大的影响。由于现场已经按照2 821.8 m零米标高完成了光塔基础的施工，只好将吸热塔混凝土部分降低10 cm，从而保证吸热器中心的绝对标高保持不变。

4 其他需要注意的问题

4.1 镜场地形图勘测任务书的下达

测量任务书的下达除了常规要求外，需注意以下两点：

1) 关于地形图的真北方向

由于子午线收敛角的存在，测量的地形图需明确地形图纵轴所平行的真北方向，为后续子午线收敛角的计算以及坐标转换提供输入条件。

2) 关于测量比例

关于地形图的测量比例，可根据地形的复杂程度合理进行确定。通常情况下，投标阶段可采用1∶2 000；执行阶段可采用1∶1 000或者1∶500。如果为了减少地形图测量的费用，节省地形图的测量时间，执行阶段可以选择1∶1 000甚至1∶2 000，但注意需在镜场技术提供方确定定日镜具体位置后，需补测每个定日镜具体地面标高并反馈给镜场技术提供方，作为确定定日镜具体标高的依据。同时在定日镜施工结束后，还需测量定日镜螺栓顶的平均值，准确算出每个定日镜的最终真实的标高，作为镜场性能模拟以及实际运行镜场控制的原始数据输入。

4.2 定日镜的安装方向

定日镜安装时一定要注意定日镜的安装方向，确保定日镜处于正确的方位。在参考工程中，镜场技术提供方要求定日镜的安装需注意满足下面两个条件：

1)定日镜基座的其中一个地脚螺栓需位于基座中心与吸热塔中心的连线上。因此在土建地脚螺栓布置图中应务必注明该项要求，确保地脚螺栓准确无误的施工。

2)在定日镜的安装时，定日镜传动装置trunnion与End Rod Bearing应位于基座中心与吸热塔中心的连线上。Trunnion位于靠近塔侧，End Rod Bearing位于远离塔侧，见图5。

5 结论

综上所述，子午线收敛角对定日镜的位置、吸热器的方位以及镜场集热量影响较大，需仔细考虑。归纳起来，需做好以下几点：

1) 对于坐标系统，应仔细研读镜场技术提供方对于镜场坐标系统的相关定义，与实测地形图坐标系统进行对比分析，明确差异。

2) 与镜场技术提供方确认定日镜和吸热器的高度的准确定义，同时在全厂零米标高的选择上建议尽量与吸热器高度参照的零米标高保持一致，避免出现参考的零米标高不一致，出现不必要的错误。

3) 吸热器和定日镜的安装，需注意安装方位的要求，确保准确无误。