大型太陽能熱發電廠鏡場雨水排水設計

楊 帆，顧建華，儲劍鋒

(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

對于常規的火力發電廠，雨水排水通常采用集中收集排放的方式，但大型太陽能光熱發電廠大多地處戈壁、沙漠等開闊地區，由于占地面積大，場地不規整，下墊面條件與常規火力發電廠有著很大的不同，很難采用集中收集排放的方式進行排水。

目前國內外尚無可供參考的工程實踐方案，本文以中東地區某大型太陽能光熱發電廠(以下簡稱“該光熱電廠”)作為工程實例，提出一種新型的雨水排水設計方案，用于解決短歷時暴雨的鏡場雨水管理問題。

1 鏡場雨水排水設計難點及廠址水文條件

1.1 設計難點

該光熱電廠工程鏡場排水設計需采用當地標準，主要難點體現在以下三個方面：

1)鏡場處于沙漠地區，一般情況下，沙漠地區下滲能力強，下滲強度大于設計降雨強度，不需要考慮單獨的雨水排水措施，采用場地自然下滲即可，但業主要求嚴格，場地需防風固沙，在鏡場場地上面采用地下帶鈣質土壤加水碾壓而成覆蓋層，但增加覆蓋層后，鏡場下滲性能將顯著降低，因此，需要考慮排水設計。

2)為減少場地整平的土建工程量，降低工程造價，鏡場場平標高基本都是在原始地形的基礎上，結合土石方平衡計算和集熱鏡布置需求綜合確定。因此，鏡場場平標高都不是一個定值，場地地形坡度及坡向也是不盡相同，不利于傳統的雨水排水方案的設計。

3)根據業主要求，整個電廠的雨水排水系統需滿足在歷史最大單日降雨量150 mm的工況下，不會導致集熱設備沖毀，從而影響電廠的安全穩定運行。根據推算，該設計暴雨過程相當于當地200 a一遇的暴雨強度，遠高于國內雨水設計3～5 a重現期標準[1]。

總之，該光熱電廠雖然地處沙漠地區，但由于占地面積大、廠址區域內的地形有較多起伏、設計標準遠高于國內標準等影響因素。結合廠址實際條件，本文研究制定了“分區收集、自然下滲”和分區替換覆蓋層的排水方案。

1.2 廠址水文條件

該光熱電廠建設3座槽式太陽能光熱發電站和1座塔式太陽能光熱發電站，4座太陽能光熱發電站同步建設完成，相對位置關系如圖1所示。每座太陽能光熱發電站均由集熱場(鏡場)和發電區兩部分構成，單座太陽能光熱發電站占地面積約10 km2，該光熱電廠總占地面積約40 km2，該光熱電廠位于中東沙漠地區，廠址附近無河流，無市政排水管。廠址區域多年平均降雨量50 mm，最大日降雨量150 mm。

圖1 光熱電廠總體布置圖

根據業主要求，廠址區域設計暴雨單日總降雨量按當地最大日降雨量150 mm考慮，根據總承包設計合同的要求，設計暴雨過程詳見表1所列。

表1 設計暴雨過程

水文專業結合覆蓋層情況、當地地質條件及地形地貌，確定場地徑流系數為0.06[2]。道路覆蓋層較厚，且覆蓋材料更為密實，因此，道路的徑流系數取值按0.6。

該光熱電廠廠址處于沙漠地區，但部分地區砂層較薄，基巖面淺。根據場平圖紙，部分區域直接開挖到基巖面，下滲能力很小；對于砂層覆蓋較厚的地區，沙丘下滲能力較大。為了保證排水計算的準確性，現場開展了多組下滲試驗，試驗方案和過程都通過了業主工程師的確認。根據試驗結果最終確定：無覆蓋層的沙地下滲強度按照225 mm/h取值，帶覆蓋層的場地或者基巖部分按照最不利的下滲強度17.7 mm/h取值。

2 槽式太陽能光熱發電站鏡場排水

2.1 槽式太陽能光熱發電站鏡場布置

槽式太陽能光熱發電站包含集熱場(鏡場)和發電區兩個部分，其中：發電區布置在中央，鏡場圍繞發電區布置。

拋物面槽式集熱器的布置對場平要求較高，鏡場相對平坦，地坪坡度有單向的(只有東西方向有坡度)，也有雙向的(東西方向、南北方向都有坡度)。根據坡度的不同，對整個鏡場進行了大的分區：1B_1至1B_11。對于雨水排水計算，最不利工況位于1B_8區域，該區域南北方向坡度為4‰，東西方向坡度為4‰，且該區域砂層薄、基巖面高、下滲能力弱。槽式太陽能光熱發電站總平面布置如圖2所示。

圖2 槽式太陽能光熱發電站總平面布置圖

鏡場內布置有大量拋物面槽式集熱器，單列拋物面槽式集熱器總長度約330 m，自北向南布置，如圖3所示。每列拋物面槽式集熱器設置一條檢修道路，與廠區主要檢修道路銜接，便于拋物面槽式集熱器的檢修和清洗。A區內部布置有兩列拋物面槽式集熱器，區域寬度33.9 m；B區內部沒有布置任何設備，寬度為9.9 m，檢修道路寬度約3.5 m。

圖3 拋物面槽式集熱器布置圖

2.2 鏡場雨水排水計算

由于單個鏡場面積大，約8 km2，拋物面槽式集熱器1 000列左右，場地地坪變化大，且該光熱電廠廠外沒有市政管網和天然低洼河道，很難做到統一收集、集中排放。綜合考慮鏡場部分區域砂層覆蓋薄、下滲能力弱，本文提出“分區收集、自然下滲”的理念：通過抬高檢修道路頂標高的方式，將整個鏡場劃分為約530個排水單元，每個單元包含兩列拋物面槽式集熱器和兩條檢修道路，即含有一個A區和一個B區。在A區和B區內分別設置集水區，考慮到碎石的成本高，集水區頂面采用覆蓋層固沙，用于收集各自區域內的雨水，最終下滲。

圖2中的最不利工況位于1B_8區域，以該區域為例進行說明。該區域每個排水單元南北方向跨度約350 m，南北方向坡度為4‰，高差約1.4 m；東西方向跨度較小，約33.9 m，坡度為4‰；A區、B區東西方向高差分別為0.14 m和0.04 m。

1) A區排水計算

A區內布置有拋物面槽式集熱器，下方設有基礎，因此，集水區的東西向寬度應該在相鄰兩列拋物面槽式集熱器基礎之間，按18.65 m考慮，東西方向坡度按照0‰設計；南北方向340 m，由于南北方向高差較大，因此，集水區的底坡按場地地坪4‰設計。按此方案進行計算，計算過程見表2所列。

由于集水區底坡坡度i為4‰，積水儲存于集水區的南部。根據表2的計算結果可知，在典型暴雨之后，集水區的最大水深約為375 mm，因此，集水區的設計深度按照450 mm取值能夠滿足工程要求。集水區布置圖和剖面圖分別如圖4和圖5所示。

表2 A區排水計算

圖4 A區集水區平面布置圖

圖5 A區集水區剖面圖

2) B區排水計算

B區內為空場地，區域寬度9.9 m，道路高出地坪250 mm，考慮將道路之間的區域都設置為集水區，集水區的寬度為6.4 m，將東西方向坡度按照0‰設計；南北方向340 m，由于南北方向高差較大，因此，集水區的底坡按場地地坪4‰設計。此區域由于寬度受限，為防止開挖對道路造成破壞，因此，此區域不便向下開挖，集水區的深度一定，最高250 mm。為保證該區域的剩余積水全部儲存在集水區內，設計時考慮在平行布置的道路間增加3條連接道路，連接道路間距87 m，通過減小匯水面積的方法，減小水深。按此方案進行計算，計算過程見表3所列。

表3 B區排水計算

根據表3可知，當增加的連接道路間距為87 m時，每個集水區的積水深度最大約211 mm，均不超過250 mm，滿足設計要求。B區集水區剖面圖和布置圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 B區集水區剖面圖

圖7 B區集水區平面布置圖

“分區收集、自然下滲”的雨水排水方法綜合考慮了廠址自然條件，不僅為單個槽式太陽能光熱發電站鏡場節省敷設雨水排水管道，而且避免了建設大型雨水收集池。同時，集水區施工和場平施工同步進行，節約了時間成本。

3 塔式太陽能光熱發電站鏡場排水計算

塔式太陽能光熱發電站的發電區位于站址中心位置，鏡場以發電區為圓心向四周擴散。每隔50 m設置一條環形檢修道路，檢修道路高出地坪200 mm。

塔式太陽能光熱發電站定日鏡的安裝對場平要求較小，因此，該電站的場平基本按照原始地形考慮。

由于塔式太陽能光熱發電站鏡場地形雜亂無章，因此，“分區收集、自然下滲”的集水區方案的實施性不強。考慮到該項目塔式太陽能光熱發電站鏡場位于沙丘地區，砂層覆蓋厚度大，潛在下滲能力強，僅因增加覆蓋層的緣故，導致下滲性能下降，經反復論證，設計上最終采用“分區替換覆蓋層”的方式解決短時間暴雨排水問題，即根據場地的地形及道路布置，將整個鏡場劃分為若干個排水單元，在每個排水單元局部低點鏟除覆蓋層，回填碎石，各排水單元中覆蓋層未替換區受覆蓋層影響，不能及時下滲的雨水匯水通過地形自流至碎石區，碎石覆蓋區下滲能力比沙丘更大，使該區域的匯水在碎石區及時下滲，且碎石又能起到固沙的作用。

根據地形資料，合理分區，以其中某排水單元為例，該區域長度528 m、寬度53 m，按照場地徑流系數0.06，道路徑流系數0.6，替換區的下滲強度225 mm/h計算，保證在降雨過程中，該排水單元的每個時段的總下滲水量大于降水量，即累計水量均為0，通過計算，該排水單元覆蓋層替換區長度為48 m，寬度為40 m。

通過覆蓋層替換的方式，在典型暴雨之后，可以保證每個降雨時段的降雨都能及時下滲，能夠滿足設計要求。

4 結語

本文通過開展下滲試驗，確定了不同區域的下滲強度，根據地形地貌條件，選擇了合適的徑流系數，結合廠區地形地貌條件和鏡場工藝布置，針對槽式太陽能光熱發電站的鏡場和塔式太陽能光熱發電站鏡場，因地制宜分別研究制定了“分區收集、自然下滲”和“分區替換覆蓋層”的方案，保證鏡場在設計暴雨過程下，雨水排水能夠得到有序管理，或分區儲存，或分區下滲，不形成大面積的徑流從而影響鏡場設備安全。該方案能夠有效解決鏡場的排水問題，可實施性強，還能縮短工期。

文中的槽式太陽能光熱發電站下滲強度按照試驗最小值考慮，為了進一步減少工程投資，可增加試驗點，測出不同區域的下滲系數，優化分區的排水計算和設計。