大型沙漠區(qū)域槽式光熱電站的場平設計優(yōu)化

宋瀟逸，楊依然，李煜然

(中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063)

0 引言

我國光熱發(fā)電已逐步開展。截至2018年底，國家能源局公布的首批20個光熱示范項目已并網(wǎng)發(fā)電3座，其中2座塔式電站1座槽式電站[1]?！笆濉睍r期，我國能源供需形態(tài)深刻變化，能源國際合作邁向更高水平[2]，快速積累并提高光熱電站的設計經(jīng)驗與方法，將更有利于我國設計行業(yè)的未來發(fā)展。

本文探討的迪拜700 MW光熱和250 MW光伏太陽能電站項目，是全球迄今為止最大的太陽能發(fā)電項目。我院作為該項目的主要設計方，在面對了一系列新的挑戰(zhàn)的同時，也積累了一些寶貴的設計經(jīng)驗。如該項目占地面積大，位于高低起伏的沙漠區(qū)域且需要固沙，鏡場樁基數(shù)量眾多且分散，所以該項目的場平工程較常規(guī)電廠項目工程量大、成本高。

本文基于傳統(tǒng)場平設計方法進行了一系列優(yōu)化，對該項目中某一槽式光熱區(qū)域的場平設計進行了詳細的分析對比，優(yōu)化后的方法可有效降低項目造價。希望為今后該類型的項目場平設計提供借鑒。

1 槽式光熱電站簡介及項目概況

1.1 槽式光熱電站發(fā)電原理簡介

如圖1所示，槽式太陽能熱發(fā)電主要由四部分組成：鏡場、換熱系統(tǒng)、儲熱裝置和汽輪發(fā)電裝置等部分。槽式拋物面將太陽光聚焦在一條線上，在焦線上安裝管狀集熱器，以吸收聚焦的太陽輻射能，將管內(nèi)的熔鹽(或?qū)嵊?加熱，熔融鹽(或高溫導熱油)釋放的熱能用來產(chǎn)生蒸汽，推動蒸汽渦輪機發(fā)電；而其中有些熱能被儲存在高溫熔融鹽貯罐內(nèi)，以便在夜晚或者陰雨天釋放出來產(chǎn)生電力。[3]

圖1 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖[4]

1.2 迪拜700 MW光熱和250 MW光伏太陽能電站項目基本情況介紹

迪拜700 MW光熱和250 MW光伏太陽能電站位于迪拜以南50 km處的迪拜馬克圖姆太陽能園區(qū)內(nèi)，為該園區(qū)第四期太陽能發(fā)電項目，項目占地面積約44.3 km2，約等于100個2×1 000 MW燃煤火力發(fā)電機組的占地面積(參考電力工程項目建設用地指標中表3.2.4[5])。

如圖2所示，該項目總平面布置主要分為3×200 MW槽式光熱廠區(qū)、1×100 MW塔式光熱電廠、250 MW光伏電廠、公用設施區(qū)域及安裝組合區(qū)域。本文將以PT2廠區(qū)為研究對象，闡述槽式光熱電站場平設計的優(yōu)化過程。

圖2 迪拜700 MW光熱和250 MW光伏太陽能電站主要區(qū)域劃分圖

1.3 PT2廠區(qū)概況

PT2廠區(qū)分為鏡場區(qū)域和動力島POWER BLOCK區(qū)域(以下簡稱“PB區(qū)域”)。其中，鏡場區(qū)域共包含約530個鏡組，每個鏡組之間設有滲水溝及二級檢修道路。根據(jù)工藝布置的要求，鏡場又可按照方位劃分為NW/W/SW/NE/E/SE六個區(qū)域，各區(qū)域之間設有一級檢修道路。

PB區(qū)域作為儲熱、換熱及發(fā)電的主要場所，布置于鏡場最中央的區(qū)域，有利于保證PB區(qū)域到鏡場所有集熱器回路單元的總距離最小，將導熱油傳輸過程中的熱量損失降至最低。

為降低風沙對槽式集熱器聚焦的影響，鏡場及PB區(qū)域四周需設置6.80m高的防風墻；若鏡場各區(qū)塊間存在高差，區(qū)塊之間也需增設防風墻。

2 沙漠地區(qū)槽式光熱電站場平設計的特殊要求

2.1 沙漠地區(qū)場地固化要求

該項目位于沙漠地區(qū)，其自然地形主要分為戈壁和移動沙丘。如圖3，PT2廠區(qū)南部和北部屬戈壁地形，地勢平緩，起伏較小，場地自然標高相對較低；廠區(qū)中部為沙丘地形，地勢高低起伏變化較大，場地自然標高相對較高。廠區(qū)場地地勢大體呈東高西低，原始自然標高介于134-170 m之間(迪拜市政高程基準DMD，下同)。場地表層浮沙積沙嚴重，需采取措施進行固沙。

圖3 PT2廠區(qū)自然標高示意圖

結合常規(guī)場地固化措施及迪拜當?shù)貙嶋H經(jīng)驗，廠區(qū)大面積沙丘固化方案主要有三個：碎石層覆蓋固沙、化學試劑固沙及廠區(qū)下方開挖的聚合物覆蓋固沙。

1)若采用碎石層覆蓋，由于迪拜碎石資源緊缺，需大量進口碎石，運距遠，成本高；

2)若采用化學試劑，則存在環(huán)境污染的隱患，且噴灑化學試劑的砂層無法承受荷載，后期維護費用高；

3)若采用從廠區(qū)下方開挖的聚合物覆蓋固沙，材料充足、成本低廉。

通過試驗研究論證，該聚合物平鋪在場地表面后澆水壓實，固沙效果理想，故而本項目考慮從地下開挖足量的聚合物用于覆蓋全廠，進行固沙處理。

2.2 鏡場工藝布置對場平設計的要求

鏡場內(nèi)坡向或坡度不同的兩區(qū)塊間的變坡線需與集熱器回路單元保持平行，不得與之交叉；

站址區(qū)域盡量平坦，鏡場內(nèi)各區(qū)塊任意方向的坡度不得大于1.00%；

鏡場內(nèi)各區(qū)塊無東西方向上的坡向要求，但考慮迪拜位于赤道以北，南北方向上需保證北高南低或南北齊平[6]；

若鏡場內(nèi)相鄰兩區(qū)塊間必須設置高差時，為避免風沙影響高處槽式集熱器的聚焦而導致集熱性能受損，兩區(qū)塊海拔較高的一側(cè)需設置防風墻；

鏡場區(qū)域標高與PB區(qū)域標高的差值不大于13.50 m；

2.3 經(jīng)濟性要求

槽式太陽能熱發(fā)電技術是目前最成熟、成本最低的太陽能熱發(fā)電技術[7]，采取措施降低場平成本，對占地面積大的項目的成本控制十分重要。

PT2廠區(qū)面積約9 km2，場平面積大；場地最大高差可達36.00 m，地形起伏大，盡可能降低土石方工程量可有效控制工程成本；

PT2鏡場大、小樁基數(shù)量之和共計可達2～3萬個，盡可能控制鏡場樁長、少采用大樁，可降低造價；

由于防風墻造價高昂，約3000元/m，盡可能不做臺階、不額外設置防風墻，降低造價；

保證聚合物開挖量滿足廠區(qū)固沙需求，避免采用額外措施增加固沙成本。

3 傳統(tǒng)場平設計流程及存在的問題

3.1 PT2廠區(qū)傳統(tǒng)場平設計思路

1)確定土方平衡原則

由于廠區(qū)占地面積大，且各個廠區(qū)內(nèi)地勢均高低起伏。經(jīng)初步估算，PT1及塔式光熱廠區(qū)的土方量約數(shù)百萬方、PT2及PT3廠區(qū)的土方量可達上千萬方，為減少土方運距，優(yōu)先考慮保持各廠區(qū)內(nèi)土石方工程量填挖自平衡。

2)選擇豎向布置形式

分析地形可知，PT2廠區(qū)東高西低，中間高兩側(cè)低。若考慮土石方工程量最省，應結合自然地勢變化，在南北方向上平整成中間高兩側(cè)低的三個臺階。但這會導致南、北區(qū)塊與中部區(qū)塊之間存在高差，需增設約8 000 m長、3.50 m寬的碎石檢修道路，約7 500 m長、6.80 m高的防風墻，自然邊坡或擋墻等，工程量及造價均相應增加。并且南、北區(qū)塊的集熱器回路單元需分別向遠離PB區(qū)域的方向移動，鏡場集熱性能將一定程度受損。

若采用平坡式布置，土石方工程量大于階梯式布置，但鏡場內(nèi)區(qū)塊間的高差消除后，可節(jié)省道路、防風墻等工程量，并使得南、北區(qū)塊的集熱器回路單元靠近PB區(qū)域，鏡場集熱性能優(yōu)化。

綜合對比后，認為采用平坡式布置更有利于降低成本，結合鏡場北高南低的要求，初步確定場地平整坡向為西低東高、南低北高。

3)土方平衡計算

經(jīng)全廠統(tǒng)籌考慮，除PT2廠區(qū)自平衡的需求外，PT2廠區(qū)范圍內(nèi)需開挖出約210萬方的聚合物用于固沙覆蓋，開挖聚合物的主要區(qū)域位于鏡場的北部及西南部。將廠區(qū)分為西、中、東三塊，采用方格網(wǎng)法進行土方試算至PT2填挖平衡，最終結果為：挖方1 392.20萬方,填方1382.80萬方。

4)確定豎向設計標高

根據(jù)土方計算結果，確定豎向設計標高，PB區(qū)域及其南北區(qū)域的鏡場標高均為144.50 m，西側(cè)鏡場按2.50‰的坡度、東側(cè)鏡場按8.00‰的坡度分別自西向東逐漸升高。

3.2 傳統(tǒng)場平設計存在的問題

傳統(tǒng)場平設計以土方平衡的結果來定豎向標高，重點偏向于滿足鏡場的工藝要求，卻容易忽略成本要求。主要問題如下：

1)場平設計時以考慮土方平衡為主，最終結果使得大面積地質(zhì)條件較好的戈壁區(qū)域(如NW/SW區(qū)域)成為填方區(qū)，導致部分樁長增加。

2)部分區(qū)域為聚合物開挖區(qū)域，最終結果卻為回填區(qū)，導致一方面此區(qū)域樁長需要加長；另一方面，此區(qū)域先挖后填，施工工期增加，且換填聚合物的砂石會使得最終場平方量額外增加。

3)部分戈壁區(qū)域地勢已經(jīng)比較平坦，雖然其面層坡度不均勻，但其實都可以滿足鏡場內(nèi)各區(qū)塊任意方向的坡度不大于1.00%的技術要求。若將整個鏡場區(qū)域設置為統(tǒng)一坡度，導致有大面積滿足要求的區(qū)域需要重新修正，既無形中增加了土方量，又增加了現(xiàn)場施工工作量。

4 場平優(yōu)化設計

針對3.2提到的問題，優(yōu)化PT2場平設計。

4.1 土方填挖區(qū)域調(diào)整

1)根據(jù)自然地形調(diào)整

傳統(tǒng)設計下PT2填方區(qū)域主要集中在NW、NE、SW區(qū)域；挖方區(qū)域集中在W、E、SE、PB區(qū)域。原始戈壁及聚合物主要在NW及SW區(qū)域。若要保證聚合物取料后無需換填，則NW及SW區(qū)域宜為挖方區(qū)。

2)根據(jù)樁長優(yōu)化位置調(diào)整

樁基礎長度的影響因素主要為下部巖層深度，當巖層深度超過一定界限，則可以通過改變樁型(如圖4所示)，如使用大樁來增加樁的抗拉拔力。但當巖層深度繼續(xù)加深到某一界限時，大樁長度卻不會繼續(xù)增加。

圖4 槽式鏡樁基示意圖對比

由此，可以得出一個優(yōu)化思路，將原本因回填而導致樁長增加區(qū)域的填方轉(zhuǎn)移至本身巖層就較深的大樁區(qū)域，使原回填區(qū)域的樁長得以減小，而大樁區(qū)域的樁長依然不變，從而降低樁的費用。

根據(jù)該工程的地勘報告，得知NW、SW區(qū)域的巖層較淺，若由原設計的填方區(qū)改為挖方區(qū)可有效減少樁長。

3)優(yōu)化聚合物取料位置

根據(jù)上述兩條，可將NW、SW區(qū)域設定為挖方區(qū)，進一步優(yōu)化聚合物的選取位置。

根據(jù)鏡場場地北高南低的要求，若將NW區(qū)域標高降低，則會導致W區(qū)域標高隨之降低，則W區(qū)域挖方量增加。為盡可能降低土方量，優(yōu)先考慮僅在SW區(qū)域挖取聚合物。

綜上所述，PT2廠區(qū)的填挖區(qū)域宜調(diào)整為NW、W、SW、E區(qū)域為挖方區(qū)，NE、SE區(qū)域為填方區(qū)。

4.2 土方平衡原則調(diào)整

由于填挖區(qū)域的調(diào)整，PT2廠區(qū)已無法滿足自平衡的要求，故考慮是否可以將還未施工的PT3區(qū)域土方與PT2區(qū)域綜合考慮。

根據(jù)PT3地勘報告顯示，該區(qū)域巖層較深，鏡場區(qū)域全部需要設置大樁。因此，將PT2多余土方量轉(zhuǎn)運至PT3并不會造成PT3樁基費用的改變。經(jīng)過地形分析發(fā)現(xiàn)，PT3填方區(qū)域恰好集中在西側(cè)，靠近PT2，所以也不會導致運距過長從而增加成本。因此，考慮PT2+PT3廠區(qū)土方平衡即可。

4.3 場地設計標高確定及土方平衡計算

1) NW及W區(qū)域設計

根據(jù)工程經(jīng)驗，方格網(wǎng)法一般適用于場地地形比較平緩、豎向布置采用平坡式的廠區(qū)；斷面法一般適用于山丘地區(qū)[8]。NW區(qū)域為戈壁地形，為減少動土量，我們希望盡可能保持原地形的起伏坡度進行設計，故而在此處結合了方格網(wǎng)法及斷面法進行場平設計。

首先，抽出NW區(qū)域的地形數(shù)據(jù)，利用EXCEL表格檢查東西方向相鄰兩點間坡度是否大于1.00%，若大于1.00%，將相應標高的數(shù)據(jù)進行調(diào)整，使其滿足要求；若小于1.00%，則維持原標高不變。

然后，計算此區(qū)域填挖方相等時的平均標高h0；按10 m×10 m劃分方格網(wǎng)，計算水平方向等高距為10 m的等高線的平均標高hi，然后選擇hi最接近h0，即min(|hi-h0|)的一條等高線作為基準線如圖5、6所示。

圖5 W區(qū)域豎向布置等高線示意平面圖(局部)

圖6 W區(qū)域標高賦值基準線示意剖面圖(局部)

最后將整個NW及W區(qū)域標高全部賦值為這條基準線的標高。這樣既可保證鏡場場地北高南低或南北相等的要求；又可保持設計標高順應原始地形，將動土量降至最低。

2) SW區(qū)域設計

根據(jù)地勘報告及現(xiàn)場勘探顯示，當W區(qū)域標高降低至基準線標高時，已經(jīng)達到巖層，并且可以挖出聚合物約97.00萬方。根據(jù)現(xiàn)場施工反饋的要求，對PT2廠區(qū)聚合物的需求由原來的210.00萬方提高至500.00萬方，則SW區(qū)域挖方量至少應為403.00萬方。以NW和W區(qū)域的基準線標高為初始值，將SW區(qū)域自北向南放坡，試算出接近403.00萬方挖方的數(shù)值，從而得到SW區(qū)域的設計坡度。

3) PT2其他區(qū)域設計

NE、E、SE這三個區(qū)域由于地形變化不大且以沙漠地形為主，設計時考慮為一個整體，通過土方試算得出動土量最小的設計標高。但標高調(diào)整時需要保障NE與NW之間的標高銜接，避免出現(xiàn)臺階。

PB區(qū)域作為動力島，區(qū)域內(nèi)建(構)筑物、設備及管線龐雜，為方便設計，該區(qū)域場地應盡量不設坡度，并保證與周邊區(qū)域標高可以順利銜接。同時，需檢查PB區(qū)域與鏡場最高處的標高差是否滿足最大不超過13.50 m的技術要求。

4)優(yōu)化難點設計

根據(jù)之前的優(yōu)化過程，各區(qū)域基本都定出了設計標高及坡度，但由于PB、SW、SE三個區(qū)域的豎向設計坡度不盡相同，造成了一塊收口區(qū)域的存在，以解決各區(qū)域銜接不順的問題。

如圖7所示，收口區(qū)域北部為PB及W區(qū)域，西邊為SW區(qū)域，東邊為SE區(qū)域，且這三個面的標高設計已經(jīng)完成。這就意味著，設計面北邊界確定為標高+143.65 m的等高線；西邊界為起點標高+143.65 m自北向南按0.30%坡度下降的等高線；東邊界線為標高+143.65 m的等高線。由于三邊條件已確定且東西邊界線為兩條異面直線，所以，此區(qū)域無法構成平面。在閉合該收口區(qū)域的過程中，筆者經(jīng)歷過幾種做法，詳見表1。

圖7 收口區(qū)域豎向布置示意圖

表1 收口區(qū)域做法簡介

最終的解決方案為做法四。如圖7所示，將收口區(qū)域東側(cè)第一個鏡組的南北方向坡度設置為自北向南下降0.037 5%，相鄰兩個鏡組起點標高相等，坡底標高相差30.00 cm，該高差利用兩個鏡組中間的滲水溝做高差消除，最終形成結果如圖8。依次類推，向西逐步降坡，直至南北方向坡度降低至SW的0.30%。

圖8 收口區(qū)域節(jié)點平剖面示意圖

這樣處理的好處是，一方面解決了東西兩個區(qū)域不同面的問題；另一方面，保證了每個鏡組南北方向坡度不會發(fā)生變化。

5)土方計算結果及技術經(jīng)濟對比

按照上述過程，最終土方計算結果為:挖方2 038.10萬方，填方1 251.80萬方，需向PT3外運約786.00萬方。經(jīng)后續(xù)計算，PT3廠區(qū)可消納余土，且PT3廠區(qū)總土方工程量并未增加，此處不再詳細描述。所以，在進行兩個方案對比時采用的PT2廠區(qū)挖方量按2 038.10-786.00=1 252.10萬方來統(tǒng)計。

由于優(yōu)化計算時聚合物的需求根據(jù)施工要求，由210.00萬方提高至500.00萬方，故按照此要求對傳統(tǒng)方案的土方計算進行調(diào)整，最終計算結果為：挖方1 506.70萬方，填方1 499.70萬方。

將兩種設計思路的土方量、大小樁數(shù)量等進行對比，詳見表2。

表2 PT2廠區(qū)場平方案技經(jīng)比較表

由表2可見，PT2廠區(qū)場平設計優(yōu)化后，可降低造價約3 570萬。

5 結論及建議

大型沙漠區(qū)域的槽式光熱電站占地面積大，土方工程量可達千萬；加之鏡場樁基數(shù)量多且分散，全廠樁基數(shù)量約十幾萬個，這些都是常規(guī)項目所不常見的。該類項目的場平成本往往對整個項目的成本控制及工期控制都十分關鍵，場平設計優(yōu)化工作是十分必要且重要的。

傳統(tǒng)場平設計思路為：分析地形→確定豎向設計形式→土方平衡計算→確定設計標高。該種方法在國內(nèi)常規(guī)火電廠的設計中普遍適用。因為針對以往的火電、燃機電廠等場地，即使考慮某一區(qū)域樁基成本較大，可以通過降低該區(qū)域的標高，采用階梯布置形式來解決。但由于槽式光熱電站一系列技術要求的限制及防風墻較高昂的造價成本，使得傳統(tǒng)設計思路無法發(fā)揮優(yōu)勢。

本文提出的優(yōu)化思路為：分析地形→根據(jù)鏡場樁基及聚合物開挖區(qū)確定全廠填挖區(qū)域→分區(qū)塊確定設計標高→試算全廠土方→判斷土方平衡情況→進行收口區(qū)域調(diào)整。

該思路從一開始就將鏡場樁基納入場平成本考慮范圍，并采用先確定設計標高再調(diào)整土方平衡的方式，以保證鏡場所處的沙漠區(qū)域處于挖方區(qū)以節(jié)省樁基費用，且設計標高盡量順應地勢以減少動土量，從而彌補傳統(tǒng)設計思路帶來的成本損失。

本文希望為廣大設計人員在同類型光熱電站的場平設計上拓展出新的思路，但仍存在一些不足的問題。比如NW及W區(qū)域按平均10 m等高線抽一個斷面去找基準等高線的方法比較費時，若后面的設計者能找到更好的軟件或算法去解決，將更有利于該種方法的廣泛應用。