塔式光熱電站坐標系統(tǒng)及高程控制設(shè)計分析

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

塔式光熱電站相對于其他類型的光熱電站有很多特殊之處。對于這些特殊之處我們應(yīng)該給予重點關(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)類似項目的建設(shè)積累經(jīng)驗。子午線收斂角對塔式坐標系統(tǒng)的影響以及定日鏡和吸熱器絕對標高的確定就是其中一些特殊點。結(jié)合國內(nèi)某塔式光熱項目的實施，對子午線收斂角對坐標系統(tǒng)的影響進行初步的分析并提出了相應(yīng)的應(yīng)對措施；對定日鏡和吸熱器絕對標高的確定給出了相應(yīng)的計算方法，希望能起到拋磚引玉的作用。

1 塔式光熱電站坐標系統(tǒng)和高程控制的特殊性

塔式光熱電站的坐標系統(tǒng)要求定日鏡和吸熱器的縱軸指向北極，基于這個特殊的要求，需要充分考慮子午線收斂角對實測地形圖坐標系統(tǒng)的影響，需對定日鏡及吸熱器的坐標進行修正，從而滿足設(shè)計要求。另外，在高程系統(tǒng)控制方面，定日鏡和吸熱器的標高是否準確，直接影響整個鏡場的集熱量是否滿足性能模型的要求，直接涉及設(shè)計方對業(yè)主的性能保證。因此，需做好定日鏡和吸熱器標高的準確確定。

2 塔式光熱電站坐標系統(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的真子午線與位于此點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縱線的夾角，通常用γ表示。此角有正、負之分：以真子午線北方向為準，當坐標縱軸線北端位于以東時稱東偏，其角值為正；位于以西時稱西偏，其角值為負。

2.2 工程設(shè)計中子午線收斂角產(chǎn)生原因分析

工程設(shè)計中為了掌握廠址區(qū)域的真實地形及標高，往往會對廠址區(qū)域進行實際測量并形成大比例尺的實測地形圖。實測范圍內(nèi)地形圖的北往往會平行于某個中央子午線，造成所測地形圖內(nèi)每個點的北并未實際指向北極，與真實的北存在一個夾角，這個角即為子午線收斂角。

2.3 子午線收斂角對塔式光熱電站坐標系統(tǒng)的影響

以國內(nèi)某塔式光熱電站設(shè)計為例，實測鏡場地形圖的范圍位于96°中央子午線的西側(cè)，造成實測地形圖中每個定日鏡及吸熱器的坐標縱軸并未指向北極，而是出現(xiàn)西偏，與鏡場技術(shù)提供方要求的指向北極不一致，需根據(jù)子午線收斂角進行轉(zhuǎn)換，方能滿足鏡場技術(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際定日鏡的位置將會出現(xiàn)較大的偏差。根據(jù)國內(nèi)某塔式光熱電站的計算結(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，將造成鏡場的集熱量無法達到合同要求的設(shè)計值。因此，需充分考慮子午線收斂角對定日鏡及吸熱器的影響，確保定日鏡和吸熱器在現(xiàn)場的實際位置與性能模型軟件模擬的位置保持一致。

2.4 塔式光熱電站坐標系統(tǒng)確定的應(yīng)對措施

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

1)搞清楚鏡場提供方有關(guān)對定日鏡和吸熱塔坐標系統(tǒng)的定義

在參考項目中，鏡場技術(shù)提供方確定鏡場坐標系統(tǒng)采用笛卡爾相對直角坐標系；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，并且定義為(0，0)。因此，應(yīng)保證鏡場內(nèi)定日鏡和吸熱器位于正北方向。

2)確定實測地形圖的坐標縱軸平行的中央子午線

參考項目實測地形圖坐標系統(tǒng)采用1980西安坐標系，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，參考項目實測地形圖的坐標縱軸(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

在參考項目中，按照鏡場技術(shù)提供方的要求，每個定日鏡均應(yīng)位于正北方向。若嚴格按照這個要求執(zhí)行，需算出每個定日鏡的子午線收斂角，計算和轉(zhuǎn)換的工作量量大，而且容易出錯。通過對鏡場最遠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行驗算，兩者定日鏡的位置僅有約10 cm的偏差，經(jīng)與鏡場技術(shù)提供方確認，該偏差可以接受。因此，最終確定鏡場每個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算準確，委托地形圖測量單位提供吸熱塔中心的子午線收斂角。經(jīng)勘測單位計算，參考項目吸熱塔中心子午線收斂角為－ 0° 27′40.135″。

簡化的收斂角計算公式(1)[1]如下：

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

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

其計算值與勘測單位提供的值基本吻合。該簡化的收斂角計算公式可以作為對測量單位提供的收斂角的一種便捷校對措施，從而確保測量單位提供的收斂角準確無誤。

4)針對吸熱塔子午線收斂角，對定日鏡坐標系進行轉(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，即吸熱塔處坐標縱軸位于真北方向的西側(cè)，夾角γ= － 0°27′ 40.135″。為了進行坐標轉(zhuǎn)換，我們可以認為吸熱塔處坐標縱軸所在的坐標系為西安坐標系，真北方向所在的坐標系為鏡場技術(shù)提供方所確定坐標系，兩坐標系相對關(guān)系見圖1。

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

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

參考項目子午線收斂角γ為西偏，因此γ= － 0° 27′40.135″，將鏡場技術(shù)提供方提供的坐標(X，Y)及子午線收斂角γ代入上述的公式(2)和(3)，即可求得西安坐標系對應(yīng)的坐標值。經(jīng)轉(zhuǎn)換計算后，考慮子午線收斂角的前后，定日鏡位置出現(xiàn)最大達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)，可以將鏡場技術(shù)提供方的各定日鏡的坐標轉(zhuǎn)換為項目實測坐標系的坐標，確?，F(xiàn)場實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，從而保證鏡場的集熱量達到設(shè)計的要求。

5)考慮子午線收斂角對吸熱器的影響，確定吸熱器真實方位

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

在參考工程中，吸熱塔如果按照西安坐標系進行施工，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

鏡場技術(shù)提供方對定日鏡控制高度值(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)軸的交點的標高值。定日鏡最終Z值計算公式如下：

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高值－0.17 m + 6.145 5 m。

3.2 吸熱器的控制高度

根據(jù)鏡場技術(shù)提供方對吸熱器控制高度值(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的標高值。吸熱器Z值計算公式如下：

吸熱器Z值 = 吸熱塔處自然場地標高(或者相對零米標高) +從吸熱塔處自然場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鏡場的集熱量，務(wù)必準確確定吸熱器的標高。因此，為了避免設(shè)計風(fēng)險，建議在確定吸熱塔的標高時，務(wù)必讓鏡場技術(shù)提供方明確吸熱器受光面中心的絕對標高，或者提供吸熱塔相對零米的絕對標高和塔高。參照項目中，經(jīng)多次與鏡場技術(shù)提供方澄清確認，吸熱塔相對零米標高對應(yīng)的絕對標高為2 821.7 m，吸熱塔的高度為165 m，對應(yīng)的吸熱器絕對標高為2 656.7 m。

在實際工程設(shè)計中，需務(wù)必注意動力島區(qū)的相對零米標高與鏡場技術(shù)提供方確定的吸熱塔相對零米標高的統(tǒng)一，否則極易出現(xiàn)吸熱器的絕對標高出現(xiàn)錯誤，進而影響整個鏡場的集熱量。

在參考項目中，動力島區(qū)設(shè)計院未考慮鏡場技術(shù)提供方確定的吸熱塔相對零米標高，而是按照吸熱塔區(qū)的場地平整標高，將吸熱塔的零米標高確定為2 821.8 m，零米標高相差10 cm，但吸熱塔的高度沒有做相應(yīng)調(diào)整，直接導(dǎo)致吸熱塔的絕對標高抬高了10 cm。幸運的是，由于該問題發(fā)現(xiàn)較早，并未對現(xiàn)場吸熱塔的施工造成大的影響。由于現(xiàn)場已經(jīng)按照2 821.8 m零米標高完成了光塔基礎(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標高保持不變。

4 其他需要注意的問題

4.1 鏡場地形圖勘測任務(wù)書的下達

測量任務(wù)書的下達除了常規(guī)要求外，需注意以下兩點：

1) 關(guān)于地形圖的真北方向

由于子午線收斂角的存在，測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)子午線收斂角的計算以及坐標轉(zhuǎn)換提供輸入條件。

2) 關(guān)于測量比例

關(guān)于地形圖的測量比例，可根據(jù)地形的復(fù)雜程度合理進行確定。通常情況下，投標階段可采用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量的費用，節(jié)省地形圖的測量時間，執(zhí)行階段可以選擇1∶1 000甚至1∶2 000，但注意需在鏡場技術(shù)提供方確定定日鏡具體位置后，需補測每個定日鏡具體地面標高并反饋給鏡場技術(shù)提供方，作為確定定日鏡具體標高的依據(jù)。同時在定日鏡施工結(jié)束后，還需測量定日鏡螺栓頂?shù)钠骄?，準確算出每個定日鏡的最終真實的標高，作為鏡場性能模擬以及實際運行鏡場控制的原始數(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，鏡場技術(shù)提供方要求定日鏡的安裝需注意滿足下面兩個條件：

1)定日鏡基座的其中一個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)必注明該項要求，確保地腳螺栓準確無誤的施工。

2)在定日鏡的安裝時，定日鏡傳動裝置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位于遠離塔側(cè)，見圖5。

5 結(jié)論

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

1) 對于坐標系統(tǒng)，應(yīng)仔細研讀鏡場技術(shù)提供方對于鏡場坐標系統(tǒng)的相關(guān)定義，與實測地形圖坐標系統(tǒng)進行對比分析，明確差異。

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

3) 吸熱器和定日鏡的安裝，需注意安裝方位的要求，確保準確無誤。