大型太阳能热发电厂镜场雨水排水设计

杨 帆，顾建华，储剑锋

(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

对于常规的火力发电厂，雨水排水通常采用集中收集排放的方式，但大型太阳能光热发电厂大多地处戈壁、沙漠等开阔地区，由于占地面积大，场地不规整，下垫面条件与常规火力发电厂有着很大的不同，很难采用集中收集排放的方式进行排水。

目前国内外尚无可供参考的工程实践方案，本文以中东地区某大型太阳能光热发电厂(以下简称“该光热电厂”)作为工程实例，提出一种新型的雨水排水设计方案，用于解决短历时暴雨的镜场雨水管理问题。

1 镜场雨水排水设计难点及厂址水文条件

1.1 设计难点

该光热电厂工程镜场排水设计需采用当地标准，主要难点体现在以下三个方面：

1)镜场处于沙漠地区，一般情况下，沙漠地区下渗能力强，下渗强度大于设计降雨强度，不需要考虑单独的雨水排水措施，采用场地自然下渗即可，但业主要求严格，场地需防风固沙，在镜场场地上面采用地下带钙质土壤加水碾压而成覆盖层，但增加覆盖层后，镜场下渗性能将显著降低，因此，需要考虑排水设计。

2)为减少场地整平的土建工程量，降低工程造价，镜场场平标高基本都是在原始地形的基础上，结合土石方平衡计算和集热镜布置需求综合确定。因此，镜场场平标高都不是一个定值，场地地形坡度及坡向也是不尽相同，不利于传统的雨水排水方案的设计。

3)根据业主要求，整个电厂的雨水排水系统需满足在历史最大单日降雨量150 mm的工况下，不会导致集热设备冲毁，从而影响电厂的安全稳定运行。根据推算，该设计暴雨过程相当于当地200 a一遇的暴雨强度，远高于国内雨水设计3～5 a重现期标准[1]。

总之，该光热电厂虽然地处沙漠地区，但由于占地面积大、厂址区域内的地形有较多起伏、设计标准远高于国内标准等影响因素。结合厂址实际条件，本文研究制定了“分区收集、自然下渗”和分区替换覆盖层的排水方案。

1.2 厂址水文条件

该光热电厂建设3座槽式太阳能光热发电站和1座塔式太阳能光热发电站，4座太阳能光热发电站同步建设完成，相对位置关系如图1所示。每座太阳能光热发电站均由集热场(镜场)和发电区两部分构成，单座太阳能光热发电站占地面积约10 km2，该光热电厂总占地面积约40 km2，该光热电厂位于中东沙漠地区，厂址附近无河流，无市政排水管。厂址区域多年平均降雨量50 mm，最大日降雨量150 mm。

图1 光热电厂总体布置图

根据业主要求，厂址区域设计暴雨单日总降雨量按当地最大日降雨量150 mm考虑，根据总承包设计合同的要求，设计暴雨过程详见表1所列。

表1 设计暴雨过程

水文专业结合覆盖层情况、当地地质条件及地形地貌，确定场地径流系数为0.06[2]。道路覆盖层较厚，且覆盖材料更为密实，因此，道路的径流系数取值按0.6。

该光热电厂厂址处于沙漠地区，但部分地区砂层较薄，基岩面浅。根据场平图纸，部分区域直接开挖到基岩面，下渗能力很小；对于砂层覆盖较厚的地区，沙丘下渗能力较大。为了保证排水计算的准确性，现场开展了多组下渗试验，试验方案和过程都通过了业主工程师的确认。根据试验结果最终确定：无覆盖层的沙地下渗强度按照225 mm/h取值，带覆盖层的场地或者基岩部分按照最不利的下渗强度17.7 mm/h取值。

2 槽式太阳能光热发电站镜场排水

2.1 槽式太阳能光热发电站镜场布置

槽式太阳能光热发电站包含集热场(镜场)和发电区两个部分，其中：发电区布置在中央，镜场围绕发电区布置。

抛物面槽式集热器的布置对场平要求较高，镜场相对平坦，地坪坡度有单向的(只有东西方向有坡度)，也有双向的(东西方向、南北方向都有坡度)。根据坡度的不同，对整个镜场进行了大的分区：1B_1至1B_11。对于雨水排水计算，最不利工况位于1B_8区域，该区域南北方向坡度为4‰，东西方向坡度为4‰，且该区域砂层薄、基岩面高、下渗能力弱。槽式太阳能光热发电站总平面布置如图2所示。

图2 槽式太阳能光热发电站总平面布置图

镜场内布置有大量抛物面槽式集热器，单列抛物面槽式集热器总长度约330 m，自北向南布置，如图3所示。每列抛物面槽式集热器设置一条检修道路，与厂区主要检修道路衔接，便于抛物面槽式集热器的检修和清洗。A区内部布置有两列抛物面槽式集热器，区域宽度33.9 m；B区内部没有布置任何设备，宽度为9.9 m，检修道路宽度约3.5 m。

图3 抛物面槽式集热器布置图

2.2 镜场雨水排水计算

由于单个镜场面积大，约8 km2，抛物面槽式集热器1 000列左右，场地地坪变化大，且该光热电厂厂外没有市政管网和天然低洼河道，很难做到统一收集、集中排放。综合考虑镜场部分区域砂层覆盖薄、下渗能力弱，本文提出“分区收集、自然下渗”的理念：通过抬高检修道路顶标高的方式，将整个镜场划分为约530个排水单元，每个单元包含两列抛物面槽式集热器和两条检修道路，即含有一个A区和一个B区。在A区和B区内分别设置集水区，考虑到碎石的成本高，集水区顶面采用覆盖层固沙，用于收集各自区域内的雨水，最终下渗。

图2中的最不利工况位于1B_8区域，以该区域为例进行说明。该区域每个排水单元南北方向跨度约350 m，南北方向坡度为4‰，高差约1.4 m；东西方向跨度较小，约33.9 m，坡度为4‰；A区、B区东西方向高差分别为0.14 m和0.04 m。

1) A区排水计算

A区内布置有抛物面槽式集热器，下方设有基础，因此，集水区的东西向宽度应该在相邻两列抛物面槽式集热器基础之间，按18.65 m考虑，东西方向坡度按照0‰设计；南北方向340 m，由于南北方向高差较大，因此，集水区的底坡按场地地坪4‰设计。按此方案进行计算，计算过程见表2所列。

由于集水区底坡坡度i为4‰，积水储存于集水区的南部。根据表2的计算结果可知，在典型暴雨之后，集水区的最大水深约为375 mm，因此，集水区的设计深度按照450 mm取值能够满足工程要求。集水区布置图和剖面图分别如图4和图5所示。

表2 A区排水计算

图4 A区集水区平面布置图

图5 A区集水区剖面图

2) B区排水计算

B区内为空场地，区域宽度9.9 m，道路高出地坪250 mm，考虑将道路之间的区域都设置为集水区，集水区的宽度为6.4 m，将东西方向坡度按照0‰设计；南北方向340 m，由于南北方向高差较大，因此，集水区的底坡按场地地坪4‰设计。此区域由于宽度受限，为防止开挖对道路造成破坏，因此，此区域不便向下开挖，集水区的深度一定，最高250 mm。为保证该区域的剩余积水全部储存在集水区内，设计时考虑在平行布置的道路间增加3条连接道路，连接道路间距87 m，通过减小汇水面积的方法，减小水深。按此方案进行计算，计算过程见表3所列。

表3 B区排水计算

根据表3可知，当增加的连接道路间距为87 m时，每个集水区的积水深度最大约211 mm，均不超过250 mm，满足设计要求。B区集水区剖面图和布置图分别如图6和图7所示。

图6 B区集水区剖面图

图7 B区集水区平面布置图

“分区收集、自然下渗”的雨水排水方法综合考虑了厂址自然条件，不仅为单个槽式太阳能光热发电站镜场节省敷设雨水排水管道，而且避免了建设大型雨水收集池。同时，集水区施工和场平施工同步进行，节约了时间成本。

3 塔式太阳能光热发电站镜场排水计算

塔式太阳能光热发电站的发电区位于站址中心位置，镜场以发电区为圆心向四周扩散。每隔50 m设置一条环形检修道路，检修道路高出地坪200 mm。

塔式太阳能光热发电站定日镜的安装对场平要求较小，因此，该电站的场平基本按照原始地形考虑。

由于塔式太阳能光热发电站镜场地形杂乱无章，因此，“分区收集、自然下渗”的集水区方案的实施性不强。考虑到该项目塔式太阳能光热发电站镜场位于沙丘地区，砂层覆盖厚度大，潜在下渗能力强，仅因增加覆盖层的缘故，导致下渗性能下降，经反复论证，设计上最终采用“分区替换覆盖层”的方式解决短时间暴雨排水问题，即根据场地的地形及道路布置，将整个镜场划分为若干个排水单元，在每个排水单元局部低点铲除覆盖层，回填碎石，各排水单元中覆盖层未替换区受覆盖层影响，不能及时下渗的雨水汇水通过地形自流至碎石区，碎石覆盖区下渗能力比沙丘更大，使该区域的汇水在碎石区及时下渗，且碎石又能起到固沙的作用。

根据地形资料，合理分区，以其中某排水单元为例，该区域长度528 m、宽度53 m，按照场地径流系数0.06，道路径流系数0.6，替换区的下渗强度225 mm/h计算，保证在降雨过程中，该排水单元的每个时段的总下渗水量大于降水量，即累计水量均为0，通过计算，该排水单元覆盖层替换区长度为48 m，宽度为40 m。

通过覆盖层替换的方式，在典型暴雨之后，可以保证每个降雨时段的降雨都能及时下渗，能够满足设计要求。

4 结语

本文通过开展下渗试验，确定了不同区域的下渗强度，根据地形地貌条件，选择了合适的径流系数，结合厂区地形地貌条件和镜场工艺布置，针对槽式太阳能光热发电站的镜场和塔式太阳能光热发电站镜场，因地制宜分别研究制定了“分区收集、自然下渗”和“分区替换覆盖层”的方案，保证镜场在设计暴雨过程下，雨水排水能够得到有序管理，或分区储存，或分区下渗，不形成大面积的径流从而影响镜场设备安全。该方案能够有效解决镜场的排水问题，可实施性强，还能缩短工期。

文中的槽式太阳能光热发电站下渗强度按照试验最小值考虑，为了进一步减少工程投资，可增加试验点，测出不同区域的下渗系数，优化分区的排水计算和设计。