大型沙漠区域槽式光热电站的场平设计优化

宋潇逸，杨依然，李煜然

(中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063)

0 引言

我国光热发电已逐步开展。截至2018年底，国家能源局公布的首批20个光热示范项目已并网发电3座，其中2座塔式电站1座槽式电站[1]。“十三五”时期，我国能源供需形态深刻变化，能源国际合作迈向更高水平[2]，快速积累并提高光热电站的设计经验与方法，将更有利于我国设计行业的未来发展。

本文探讨的迪拜700 MW光热和250 MW光伏太阳能电站项目，是全球迄今为止最大的太阳能发电项目。我院作为该项目的主要设计方，在面对了一系列新的挑战的同时，也积累了一些宝贵的设计经验。如该项目占地面积大，位于高低起伏的沙漠区域且需要固沙，镜场桩基数量众多且分散，所以该项目的场平工程较常规电厂项目工程量大、成本高。

本文基于传统场平设计方法进行了一系列优化，对该项目中某一槽式光热区域的场平设计进行了详细的分析对比，优化后的方法可有效降低项目造价。希望为今后该类型的项目场平设计提供借鉴。

1 槽式光热电站简介及项目概况

1.1 槽式光热电站发电原理简介

如图1所示，槽式太阳能热发电主要由四部分组成：镜场、换热系统、储热装置和汽轮发电装置等部分。槽式抛物面将太阳光聚焦在一条线上，在焦线上安装管状集热器，以吸收聚焦的太阳辐射能，将管内的熔盐(或导热油)加热，熔融盐(或高温导热油)释放的热能用来产生蒸汽，推动蒸汽涡轮机发电；而其中有些热能被储存在高温熔融盐贮罐内，以便在夜晚或者阴雨天释放出来产生电力。[3]

图1 槽式太阳能热发电系统示意图[4]

1.2 迪拜700 MW光热和250 MW光伏太阳能电站项目基本情况介绍

迪拜700 MW光热和250 MW光伏太阳能电站位于迪拜以南50 km处的迪拜马克图姆太阳能园区内，为该园区第四期太阳能发电项目，项目占地面积约44.3 km2，约等于100个2×1 000 MW燃煤火力发电机组的占地面积(参考电力工程项目建设用地指标中表3.2.4[5])。

如图2所示，该项目总平面布置主要分为3×200 MW槽式光热厂区、1×100 MW塔式光热电厂、250 MW光伏电厂、公用设施区域及安装组合区域。本文将以PT2厂区为研究对象，阐述槽式光热电站场平设计的优化过程。

图2 迪拜700 MW光热和250 MW光伏太阳能电站主要区域划分图

1.3 PT2厂区概况

PT2厂区分为镜场区域和动力岛POWER BLOCK区域(以下简称“PB区域”)。其中，镜场区域共包含约530个镜组，每个镜组之间设有渗水沟及二级检修道路。根据工艺布置的要求，镜场又可按照方位划分为NW/W/SW/NE/E/SE六个区域，各区域之间设有一级检修道路。

PB区域作为储热、换热及发电的主要场所，布置于镜场最中央的区域，有利于保证PB区域到镜场所有集热器回路单元的总距离最小，将导热油传输过程中的热量损失降至最低。

为降低风沙对槽式集热器聚焦的影响，镜场及PB区域四周需设置6.80m高的防风墙；若镜场各区块间存在高差，区块之间也需增设防风墙。

2 沙漠地区槽式光热电站场平设计的特殊要求

2.1 沙漠地区场地固化要求

该项目位于沙漠地区，其自然地形主要分为戈壁和移动沙丘。如图3，PT2厂区南部和北部属戈壁地形，地势平缓，起伏较小，场地自然标高相对较低；厂区中部为沙丘地形，地势高低起伏变化较大，场地自然标高相对较高。厂区场地地势大体呈东高西低，原始自然标高介于134-170 m之间(迪拜市政高程基准DMD，下同)。场地表层浮沙积沙严重，需采取措施进行固沙。

图3 PT2厂区自然标高示意图

结合常规场地固化措施及迪拜当地实际经验，厂区大面积沙丘固化方案主要有三个：碎石层覆盖固沙、化学试剂固沙及厂区下方开挖的聚合物覆盖固沙。

1)若采用碎石层覆盖，由于迪拜碎石资源紧缺，需大量进口碎石，运距远，成本高；

2)若采用化学试剂，则存在环境污染的隐患，且喷洒化学试剂的砂层无法承受荷载，后期维护费用高；

3)若采用从厂区下方开挖的聚合物覆盖固沙，材料充足、成本低廉。

通过试验研究论证，该聚合物平铺在场地表面后浇水压实，固沙效果理想，故而本项目考虑从地下开挖足量的聚合物用于覆盖全厂，进行固沙处理。

2.2 镜场工艺布置对场平设计的要求

镜场内坡向或坡度不同的两区块间的变坡线需与集热器回路单元保持平行，不得与之交叉；

站址区域尽量平坦，镜场内各区块任意方向的坡度不得大于1.00%；

镜场内各区块无东西方向上的坡向要求，但考虑迪拜位于赤道以北，南北方向上需保证北高南低或南北齐平[6]；

若镜场内相邻两区块间必须设置高差时，为避免风沙影响高处槽式集热器的聚焦而导致集热性能受损，两区块海拔较高的一侧需设置防风墙；

镜场区域标高与PB区域标高的差值不大于13.50 m；

2.3 经济性要求

槽式太阳能热发电技术是目前最成熟、成本最低的太阳能热发电技术[7]，采取措施降低场平成本，对占地面积大的项目的成本控制十分重要。

PT2厂区面积约9 km2，场平面积大；场地最大高差可达36.00 m，地形起伏大，尽可能降低土石方工程量可有效控制工程成本；

PT2镜场大、小桩基数量之和共计可达2～3万个，尽可能控制镜场桩长、少采用大桩，可降低造价；

由于防风墙造价高昂，约3000元/m，尽可能不做台阶、不额外设置防风墙，降低造价；

保证聚合物开挖量满足厂区固沙需求，避免采用额外措施增加固沙成本。

3 传统场平设计流程及存在的问题

3.1 PT2厂区传统场平设计思路

1)确定土方平衡原则

由于厂区占地面积大，且各个厂区内地势均高低起伏。经初步估算，PT1及塔式光热厂区的土方量约数百万方、PT2及PT3厂区的土方量可达上千万方，为减少土方运距，优先考虑保持各厂区内土石方工程量填挖自平衡。

2)选择竖向布置形式

分析地形可知，PT2厂区东高西低，中间高两侧低。若考虑土石方工程量最省，应结合自然地势变化，在南北方向上平整成中间高两侧低的三个台阶。但这会导致南、北区块与中部区块之间存在高差，需增设约8 000 m长、3.50 m宽的碎石检修道路，约7 500 m长、6.80 m高的防风墙，自然边坡或挡墙等，工程量及造价均相应增加。并且南、北区块的集热器回路单元需分别向远离PB区域的方向移动，镜场集热性能将一定程度受损。

若采用平坡式布置，土石方工程量大于阶梯式布置，但镜场内区块间的高差消除后，可节省道路、防风墙等工程量，并使得南、北区块的集热器回路单元靠近PB区域，镜场集热性能优化。

综合对比后，认为采用平坡式布置更有利于降低成本，结合镜场北高南低的要求，初步确定场地平整坡向为西低东高、南低北高。

3)土方平衡计算

经全厂统筹考虑，除PT2厂区自平衡的需求外，PT2厂区范围内需开挖出约210万方的聚合物用于固沙覆盖，开挖聚合物的主要区域位于镜场的北部及西南部。将厂区分为西、中、东三块，采用方格网法进行土方试算至PT2填挖平衡，最终结果为：挖方1 392.20万方,填方1382.80万方。

4)确定竖向设计标高

根据土方计算结果，确定竖向设计标高，PB区域及其南北区域的镜场标高均为144.50 m，西侧镜场按2.50‰的坡度、东侧镜场按8.00‰的坡度分别自西向东逐渐升高。

3.2 传统场平设计存在的问题

传统场平设计以土方平衡的结果来定竖向标高，重点偏向于满足镜场的工艺要求，却容易忽略成本要求。主要问题如下：

1)场平设计时以考虑土方平衡为主，最终结果使得大面积地质条件较好的戈壁区域(如NW/SW区域)成为填方区，导致部分桩长增加。

2)部分区域为聚合物开挖区域，最终结果却为回填区，导致一方面此区域桩长需要加长；另一方面，此区域先挖后填，施工工期增加，且换填聚合物的砂石会使得最终场平方量额外增加。

3)部分戈壁区域地势已经比较平坦，虽然其面层坡度不均匀，但其实都可以满足镜场内各区块任意方向的坡度不大于1.00%的技术要求。若将整个镜场区域设置为统一坡度，导致有大面积满足要求的区域需要重新修正，既无形中增加了土方量，又增加了现场施工工作量。

4 场平优化设计

针对3.2提到的问题，优化PT2场平设计。

4.1 土方填挖区域调整

1)根据自然地形调整

传统设计下PT2填方区域主要集中在NW、NE、SW区域；挖方区域集中在W、E、SE、PB区域。原始戈壁及聚合物主要在NW及SW区域。若要保证聚合物取料后无需换填，则NW及SW区域宜为挖方区。

2)根据桩长优化位置调整

桩基础长度的影响因素主要为下部岩层深度，当岩层深度超过一定界限，则可以通过改变桩型(如图4所示)，如使用大桩来增加桩的抗拉拔力。但当岩层深度继续加深到某一界限时，大桩长度却不会继续增加。

图4 槽式镜桩基示意图对比

由此，可以得出一个优化思路，将原本因回填而导致桩长增加区域的填方转移至本身岩层就较深的大桩区域，使原回填区域的桩长得以减小，而大桩区域的桩长依然不变，从而降低桩的费用。

根据该工程的地勘报告，得知NW、SW区域的岩层较浅，若由原设计的填方区改为挖方区可有效减少桩长。

3)优化聚合物取料位置

根据上述两条，可将NW、SW区域设定为挖方区，进一步优化聚合物的选取位置。

根据镜场场地北高南低的要求，若将NW区域标高降低，则会导致W区域标高随之降低，则W区域挖方量增加。为尽可能降低土方量，优先考虑仅在SW区域挖取聚合物。

综上所述，PT2厂区的填挖区域宜调整为NW、W、SW、E区域为挖方区，NE、SE区域为填方区。

4.2 土方平衡原则调整

由于填挖区域的调整，PT2厂区已无法满足自平衡的要求，故考虑是否可以将还未施工的PT3区域土方与PT2区域综合考虑。

根据PT3地勘报告显示，该区域岩层较深，镜场区域全部需要设置大桩。因此，将PT2多余土方量转运至PT3并不会造成PT3桩基费用的改变。经过地形分析发现，PT3填方区域恰好集中在西侧，靠近PT2，所以也不会导致运距过长从而增加成本。因此，考虑PT2+PT3厂区土方平衡即可。

4.3 场地设计标高确定及土方平衡计算

1) NW及W区域设计

根据工程经验，方格网法一般适用于场地地形比较平缓、竖向布置采用平坡式的厂区；断面法一般适用于山丘地区[8]。NW区域为戈壁地形，为减少动土量，我们希望尽可能保持原地形的起伏坡度进行设计，故而在此处结合了方格网法及断面法进行场平设计。

首先，抽出NW区域的地形数据，利用EXCEL表格检查东西方向相邻两点间坡度是否大于1.00%，若大于1.00%，将相应标高的数据进行调整，使其满足要求；若小于1.00%，则维持原标高不变。

然后，计算此区域填挖方相等时的平均标高h0；按10 m×10 m划分方格网，计算水平方向等高距为10 m的等高线的平均标高hi，然后选择hi最接近h0，即min(|hi-h0|)的一条等高线作为基准线如图5、6所示。

图5 W区域竖向布置等高线示意平面图(局部)

图6 W区域标高赋值基准线示意剖面图(局部)

最后将整个NW及W区域标高全部赋值为这条基准线的标高。这样既可保证镜场场地北高南低或南北相等的要求；又可保持设计标高顺应原始地形，将动土量降至最低。

2) SW区域设计

根据地勘报告及现场勘探显示，当W区域标高降低至基准线标高时，已经达到岩层，并且可以挖出聚合物约97.00万方。根据现场施工反馈的要求，对PT2厂区聚合物的需求由原来的210.00万方提高至500.00万方，则SW区域挖方量至少应为403.00万方。以NW和W区域的基准线标高为初始值，将SW区域自北向南放坡，试算出接近403.00万方挖方的数值，从而得到SW区域的设计坡度。

3) PT2其他区域设计

NE、E、SE这三个区域由于地形变化不大且以沙漠地形为主，设计时考虑为一个整体，通过土方试算得出动土量最小的设计标高。但标高调整时需要保障NE与NW之间的标高衔接，避免出现台阶。

PB区域作为动力岛，区域内建(构)筑物、设备及管线庞杂，为方便设计，该区域场地应尽量不设坡度，并保证与周边区域标高可以顺利衔接。同时，需检查PB区域与镜场最高处的标高差是否满足最大不超过13.50 m的技术要求。

4)优化难点设计

根据之前的优化过程，各区域基本都定出了设计标高及坡度，但由于PB、SW、SE三个区域的竖向设计坡度不尽相同，造成了一块收口区域的存在，以解决各区域衔接不顺的问题。

如图7所示，收口区域北部为PB及W区域，西边为SW区域，东边为SE区域，且这三个面的标高设计已经完成。这就意味着，设计面北边界确定为标高+143.65 m的等高线；西边界为起点标高+143.65 m自北向南按0.30%坡度下降的等高线；东边界线为标高+143.65 m的等高线。由于三边条件已确定且东西边界线为两条异面直线，所以，此区域无法构成平面。在闭合该收口区域的过程中，笔者经历过几种做法，详见表1。

图7 收口区域竖向布置示意图

表1 收口区域做法简介

最终的解决方案为做法四。如图7所示，将收口区域东侧第一个镜组的南北方向坡度设置为自北向南下降0.037 5%，相邻两个镜组起点标高相等，坡底标高相差30.00 cm，该高差利用两个镜组中间的渗水沟做高差消除，最终形成结果如图8。依次类推，向西逐步降坡，直至南北方向坡度降低至SW的0.30%。

图8 收口区域节点平剖面示意图

这样处理的好处是，一方面解决了东西两个区域不同面的问题；另一方面，保证了每个镜组南北方向坡度不会发生变化。

5)土方计算结果及技术经济对比

按照上述过程，最终土方计算结果为:挖方2 038.10万方，填方1 251.80万方，需向PT3外运约786.00万方。经后续计算，PT3厂区可消纳余土，且PT3厂区总土方工程量并未增加，此处不再详细描述。所以，在进行两个方案对比时采用的PT2厂区挖方量按2 038.10-786.00=1 252.10万方来统计。

由于优化计算时聚合物的需求根据施工要求，由210.00万方提高至500.00万方，故按照此要求对传统方案的土方计算进行调整，最终计算结果为：挖方1 506.70万方，填方1 499.70万方。

将两种设计思路的土方量、大小桩数量等进行对比，详见表2。

表2 PT2厂区场平方案技经比较表

由表2可见，PT2厂区场平设计优化后，可降低造价约3 570万。

5 结论及建议

大型沙漠区域的槽式光热电站占地面积大，土方工程量可达千万；加之镜场桩基数量多且分散，全厂桩基数量约十几万个，这些都是常规项目所不常见的。该类项目的场平成本往往对整个项目的成本控制及工期控制都十分关键，场平设计优化工作是十分必要且重要的。

传统场平设计思路为：分析地形→确定竖向设计形式→土方平衡计算→确定设计标高。该种方法在国内常规火电厂的设计中普遍适用。因为针对以往的火电、燃机电厂等场地，即使考虑某一区域桩基成本较大，可以通过降低该区域的标高，采用阶梯布置形式来解决。但由于槽式光热电站一系列技术要求的限制及防风墙较高昂的造价成本，使得传统设计思路无法发挥优势。

本文提出的优化思路为：分析地形→根据镜场桩基及聚合物开挖区确定全厂填挖区域→分区块确定设计标高→试算全厂土方→判断土方平衡情况→进行收口区域调整。

该思路从一开始就将镜场桩基纳入场平成本考虑范围，并采用先确定设计标高再调整土方平衡的方式，以保证镜场所处的沙漠区域处于挖方区以节省桩基费用，且设计标高尽量顺应地势以减少动土量，从而弥补传统设计思路带来的成本损失。

本文希望为广大设计人员在同类型光热电站的场平设计上拓展出新的思路，但仍存在一些不足的问题。比如NW及W区域按平均10 m等高线抽一个断面去找基准等高线的方法比较费时，若后面的设计者能找到更好的软件或算法去解决，将更有利于该种方法的广泛应用。