6月，摩洛哥瓦爾扎扎特進(jìn)入盛夏，陽(yáng)光將蘊(yùn)含的巨大能量猛烈地投向廣袤大地。努奧三期塔式光熱電站廠區(qū)中央，一座高達(dá)243米的光熱塔巍然屹立，猶如一座巨碑，向世人展示著中國(guó)能建設(shè)計(jì)集團(tuán)西北院（以下簡(jiǎn)稱“西北院”）設(shè)計(jì)師們用智慧與汗水寫就的光電傳奇。

設(shè)計(jì)關(guān)乎項(xiàng)目成敗

在熱映的電影《紅海行動(dòng)》中，太陽(yáng)能電廠的場(chǎng)景拍攝就選址摩洛哥努奧光熱電站，這是該太陽(yáng)能電廠場(chǎng)區(qū)的三期項(xiàng)目，占地約750公頃，裝機(jī)容量150兆瓦，為目前世界上單機(jī)容量最大的塔式光熱發(fā)電項(xiàng)目，也是“一帶一路”代表工程。吸熱塔總高243米，是目前世界上最高的吸熱塔。

“單機(jī)容量最大，吸熱塔最高，努奧三期項(xiàng)目在創(chuàng)下兩項(xiàng)世界之最的同時(shí)，也意味著我們面臨著前所未有的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。”土木工程技術(shù)部主任工程師李紅星介紹說(shuō)。塔式光熱電站是通過(guò)多臺(tái)跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的定日鏡，將太陽(yáng)能輻射反射至吸熱器，把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為傳熱介質(zhì)的熱能，再通過(guò)熱力循環(huán)轉(zhuǎn)換成電能的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。可以說(shuō)吸熱塔就是光熱電站的動(dòng)力之源，其設(shè)計(jì)關(guān)乎整個(gè)項(xiàng)目成敗。

據(jù)李紅星介紹，吸熱塔是200米以下為混凝土結(jié)構(gòu)、200米以上為鋼結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)主要面臨兩大難關(guān)：

一是沒(méi)有直接遵循的設(shè)計(jì)規(guī)范。吸熱塔設(shè)計(jì)既采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，又要符合當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)。抗震設(shè)計(jì)同樣如此。吸熱塔頂部荷載多達(dá)3000噸，目前國(guó)際上還沒(méi)有專門的設(shè)計(jì)規(guī)范。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)研和分析，設(shè)計(jì)人員最后采用了最符合實(shí)際情況的美國(guó)煙囪規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

二是中外設(shè)計(jì)理念和習(xí)慣存在巨大差異。熔鹽管道系統(tǒng)由國(guó)外公司設(shè)計(jì)，全廠建（構(gòu)）筑物的土建設(shè)計(jì)由西北院完成，雙方工作交叉較多，設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)習(xí)慣等方面的磨合貫穿于設(shè)計(jì)全過(guò)程。“按合同要求，吸熱塔基本設(shè)計(jì)由國(guó)外公司來(lái)完成，我們負(fù)責(zé)施工圖設(shè)計(jì)。在收到國(guó)外公司的初步概念設(shè)計(jì)之后，我們就一直等對(duì)方提供管道和設(shè)備荷載，以便建立結(jié)構(gòu)模型，而對(duì)方也在等我們建立初步結(jié)構(gòu)模型，以便進(jìn)行管道和設(shè)備布置，從而提供相關(guān)荷載，這就進(jìn)入了死循環(huán)。”土建結(jié)構(gòu)室經(jīng)理助理何邵華舉例說(shuō)，“起初，我們都遵從各自的工作流程，卻沒(méi)想到雙方流程正好是相反的。后來(lái)通過(guò)加強(qiáng)溝通，互相適應(yīng)，工作逐漸步入正軌。”

融會(huì)貫通產(chǎn)研結(jié)合

2016年9月，國(guó)家首批20個(gè)光熱發(fā)電示范項(xiàng)目正式公布，其中9個(gè)為塔式光熱發(fā)電項(xiàng)目。塔式光熱發(fā)電項(xiàng)目以帶儲(chǔ)熱、成本低、電力品質(zhì)優(yōu)等優(yōu)勢(shì)，得到大力扶持。如何建立適合我國(guó)國(guó)情的吸熱塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法變得十分重要和迫切，西北院在努奧項(xiàng)目中的產(chǎn)研結(jié)合為此提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

吸熱塔并不是煙囪，煙囪自下而上質(zhì)量分布比較均勻，各個(gè)方向的荷載都有較為成熟的計(jì)算理論依據(jù)，而光熱塔由于上部的吸熱設(shè)備等原因，質(zhì)量分布并不均勻，剛度分布有突變。為使設(shè)計(jì)方案更加符合工程實(shí)際，西北院特地委托湖南大學(xué)，在陳政清院士的帶領(lǐng)下進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，還邀請(qǐng)了前國(guó)際風(fēng)工程協(xié)會(huì)主席Yukio Tamura 教授和國(guó)內(nèi)知名專家對(duì)試驗(yàn)方案和結(jié)果進(jìn)行了審查，確保試驗(yàn)方案和結(jié)果的客觀性、合理性、權(quán)威性。最終，努奧項(xiàng)目光熱塔設(shè)計(jì)方案也根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了修改完善，順利通過(guò)了業(yè)主方組織的各項(xiàng)評(píng)審。

在吸熱塔設(shè)計(jì)過(guò)程中，西北院通過(guò)大量的有限元仿真模型進(jìn)行數(shù)值模擬，使設(shè)計(jì)方案更加科學(xué)。“吸熱塔的基礎(chǔ)采用了圓環(huán)形板式，目前國(guó)外尚沒(méi)有此類基礎(chǔ)的計(jì)算公式，我們先后采用ANSYS、ABQUAS等國(guó)際通行有限元軟件進(jìn)行了計(jì)算。”結(jié)構(gòu)工程師杜吉克說(shuō)，“但是有限元計(jì)算是建立在很多假定簡(jiǎn)化條件上的，土體與基礎(chǔ)脫開(kāi)情況、上部荷載的模擬施加等都會(huì)對(duì)結(jié)果有很大的影響，所以我們并沒(méi)有完全迷信于有限元模擬。以基礎(chǔ)的剪切計(jì)算為例，我們綜合考慮了國(guó)內(nèi)外的規(guī)范差異，與有限元結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，最終選取較為合理的計(jì)算方法，贏得了業(yè)主的信任。”

李紅星介紹說(shuō)，努奧光熱電站的設(shè)計(jì)工作量等于國(guó)內(nèi)工程的3倍，常常要把國(guó)內(nèi)、國(guó)外規(guī)范都先獨(dú)立算一遍，然后反復(fù)分析差異，最終確定設(shè)計(jì)方案。“這也是很好的積累過(guò)程，通過(guò)歷練，設(shè)計(jì)人員更加熟悉國(guó)內(nèi)規(guī)范、了解國(guó)外規(guī)范，取長(zhǎng)補(bǔ)短，不斷提高設(shè)計(jì)水平。”

5月22日，努奧三期項(xiàng)目光塔吸熱器第一階段預(yù)熱試驗(yàn)完成，為下一步進(jìn)行熔鹽調(diào)試、系統(tǒng)整套啟動(dòng)奠定了基礎(chǔ)。“按照計(jì)劃，今年9月份工程將實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，我堅(jiān)信一定會(huì)成功，西北院在光熱發(fā)電設(shè)計(jì)技術(shù)上必將取得更大的成績(jī)。”李紅星信心滿滿地說(shuō)。