塔式太陽(yáng)能光熱電站發(fā)電區(qū)總平面布置及優(yōu)化

秦 華

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

光熱電站憑借其可儲(chǔ)熱、可調(diào)峰、可連續(xù)發(fā)電保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，成為新型能源體系的有效支撐。我國(guó)數(shù)個(gè)塔式太陽(yáng)能光熱示范電站陸續(xù)投運(yùn)，多個(gè)商業(yè)化應(yīng)用不斷加速，一批塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站[1](簡(jiǎn)稱“塔式光熱電站”)項(xiàng)目正在設(shè)計(jì)和建設(shè)中，塔式光熱電站產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊。

根據(jù)自然資源部于2019 年8 月發(fā)布的規(guī)章《節(jié)約集約利用土地規(guī)定》[2]，土地管理和利用應(yīng)當(dāng)遵循堅(jiān)持節(jié)約優(yōu)先的原則，珍惜和合理利用每一寸土地；堅(jiān)持合理使用的原則，嚴(yán)控總量、盤活存量、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高效率。

優(yōu)化總平面布置是塔式光熱電站設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，筆者借助國(guó)產(chǎn)跨平臺(tái)地圖瀏覽軟件奧維互動(dòng)地圖軟件對(duì)全球已建成塔式光熱電站的總平面布置進(jìn)行研究，并結(jié)合現(xiàn)有兩個(gè)實(shí)際項(xiàng)目的發(fā)電區(qū)總平面布置，提出發(fā)電區(qū)總平面布置優(yōu)化方案。

1 國(guó)外塔式光熱電站的總平面布置

目前，全球已建成數(shù)十個(gè)塔式光熱電站。本文選取西班牙PS10、西班牙PS20、德國(guó)Jülich、土耳其Greenway CSP Mersin、西班牙Gemasolar、美國(guó)Crescent Dunes、智利Atacama1、摩洛哥努奧三期、以色列Ashalim1、南非Khi Solar One、美國(guó)Ivanpah 三座塔式光熱電站等國(guó)外13 個(gè)塔式光熱電站，利用奧維互動(dòng)地圖軟件對(duì)以上電站的總平面布置進(jìn)行研究。研究表明，這些布置主要可以歸納為四類：吸熱塔位于鏡場(chǎng)南側(cè)布置、圓形鏡場(chǎng)與圓形發(fā)電區(qū)布置、不規(guī)則鏡場(chǎng)與圓形發(fā)電區(qū)布置、不規(guī)則形鏡場(chǎng)與不規(guī)則發(fā)電區(qū)布置。

1.1 國(guó)外的吸熱塔位于鏡場(chǎng)南側(cè)布置

國(guó)外13 個(gè)塔式光熱電站中，4 個(gè)電站吸熱塔布置在定日鏡場(chǎng)最南側(cè)，包括：PS10、PS20、Jülich 和Greenway CSP Mersin 塔式光熱電站。

以PS20 塔式光熱電站為例，其總平面布置及發(fā)電區(qū)布置如圖1 所示。PS10、Jülich 和Greenway CSP Mersin 與PS20 塔式光熱電站的布置比較情況見(jiàn)表1 所列。

表1 吸熱塔位于鏡場(chǎng)南側(cè)布置的4個(gè)項(xiàng)目比較表

圖1 吸熱塔位于鏡場(chǎng)南側(cè)的總平面布置及發(fā)電區(qū)布置圖

吸熱塔位于鏡場(chǎng)南側(cè)的布置形式是光熱電站的初級(jí)形態(tài)，基本以實(shí)驗(yàn)為目的，由表1 可知，容量較小，未見(jiàn)大面積推廣。

1.2 國(guó)外的圓形鏡場(chǎng)與圓形發(fā)電區(qū)布置

Gemasolar、Crescent Dunes 和Atacama1 塔式熔鹽光熱電站均采用圓形鏡場(chǎng)與圓形發(fā)電區(qū)布置。

Crescent Dunes 塔式光熱電站的總平面布置及發(fā)電區(qū)布置如圖2 所示。

Gemasolar、Crescent Dunes 和Atacama1塔式熔鹽光熱電站三個(gè)項(xiàng)目的布置比較情況見(jiàn)表2 所列。

表2 圓形鏡場(chǎng)與圓形發(fā)電區(qū)的3個(gè)項(xiàng)目比較表

1.3 國(guó)外的不規(guī)則鏡場(chǎng)與圓形發(fā)電區(qū)布置

努奧三期150 MW 光熱電站采用不規(guī)則鏡場(chǎng)與圓形發(fā)電區(qū)的布置，如圖3 所示。

圖3 不規(guī)則形鏡場(chǎng)與圓形發(fā)電區(qū)布置圖

努奧三期光熱電站吸熱塔位于站址中南部區(qū)域；發(fā)電區(qū)基本為圓形，類似圖2 發(fā)電區(qū)布置，主廠房位于吸熱塔東北側(cè)，出線朝東，熔鹽罐區(qū)位于吸熱塔西側(cè)，空冷平臺(tái)位于主廠房南側(cè)、吸熱塔東側(cè)。發(fā)電區(qū)占地面積約6.2 hm2，總占地面積約6.0 km2。該電站采用不規(guī)則形鏡場(chǎng)與圓形發(fā)電區(qū)的布置形式，能夠充分利用現(xiàn)有地形條件布置，節(jié)約初始投資。

1.4 國(guó)外的不規(guī)則形鏡場(chǎng)與不規(guī)則發(fā)電區(qū)布置

Ashalim1、Khi Solar One 和Ivanpah 三座塔式光熱電站等5 個(gè)項(xiàng)目均采用不規(guī)則形鏡場(chǎng)與不規(guī)則發(fā)電區(qū)的布置。以Khi Solar One 塔式光熱電站為例，其總平面布置及發(fā)電區(qū)的布置如圖4所示。

圖4 不規(guī)則形鏡場(chǎng)與不規(guī)則發(fā)電區(qū)布置圖

Khi Solar One 塔式光熱電站站址地處南半球，發(fā)電區(qū)基本為不規(guī)則多邊形，主廠房位于吸熱塔北側(cè)，出線朝北。

Ivanpah 三座塔式光熱電站、Ashalim1 與Khi Solar One 塔式光熱電站的布置比較情況見(jiàn)表3 所列。采用不規(guī)則形鏡場(chǎng)與不規(guī)則發(fā)電區(qū)的布置形式，這些電站充分利用地形條件或布置特定造型，提高項(xiàng)目整體外觀觀感，節(jié)約用地。

表3 不規(guī)則形鏡場(chǎng)與不規(guī)則發(fā)電區(qū)的5個(gè)項(xiàng)目比較表

2 國(guó)內(nèi)塔式光熱電站的總平面布置

我國(guó)已建成的塔式光熱電站由于規(guī)模、設(shè)計(jì)以及采用裝備的不同而在外觀上有一定差異。本文選取八達(dá)嶺、敦煌某10 MW、敦煌某100 MW、哈密某50 MW、海西某50 MW、青海某50 MW、德令哈某50 MW 光熱電站、玉門某50 MW 二次反射塔式光熱發(fā)電項(xiàng)目等8 個(gè)塔式光熱電站。研究發(fā)現(xiàn)，總平面布置方案大致分為四類：吸熱塔位于鏡場(chǎng)南側(cè)布置、圓形鏡場(chǎng)與圓形發(fā)電區(qū)布置、不規(guī)則形鏡場(chǎng)與圓形發(fā)電區(qū)布置、二次反射塔鏡場(chǎng)與矩形發(fā)電區(qū)布置。

2.1 國(guó)內(nèi)的吸熱塔位于鏡場(chǎng)南側(cè)布置

在已建成的塔式光熱項(xiàng)目中，僅有八達(dá)嶺1 MW 塔式光熱電站的吸熱塔位于鏡場(chǎng)南側(cè)布置，如圖5 所示。此項(xiàng)目為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。發(fā)電區(qū)基本為矩形，主廠房位于吸熱塔東側(cè)。

圖5 吸熱塔位于鏡場(chǎng)南側(cè)的總平面布置圖

2.2 國(guó)內(nèi)的圓形鏡場(chǎng)與圓形發(fā)電區(qū)布置

敦煌某10 MW、敦煌某100 MW、海西某50 MW、青海某50 MW 和德令哈某50 MW 光熱電站5 個(gè)項(xiàng)目均采用圓形鏡場(chǎng)與圓形發(fā)電區(qū)的布置方案。以海西某50 MW 光熱電站為例，其總平面布置及發(fā)電區(qū)布置參見(jiàn)圖2。

該項(xiàng)目吸熱塔位于站址中部區(qū)域，定日鏡圍繞吸熱塔基本呈圓形布置。發(fā)電區(qū)基本為圓形，主廠房位于吸熱塔北側(cè)，出線朝北，熔鹽罐區(qū)位于吸熱塔東側(cè)，空冷平臺(tái)位于吸熱塔西北側(cè)、主廠房西側(cè)。發(fā)電區(qū)占地面積約4.2 hm2，總占地面積約3.0 km2。

海西某50 MW 和敦煌某10 MW、敦煌某100 MW、德令哈某50 MW、青海某50 MW 光熱電站的布置比較情況見(jiàn)表4 所列。

表4 圓形鏡場(chǎng)與圓形發(fā)電區(qū)的5個(gè)項(xiàng)目比較表

2.3 國(guó)內(nèi)的不規(guī)則形鏡場(chǎng)與圓形發(fā)電區(qū)布置

在已經(jīng)建成投運(yùn)的塔式光熱項(xiàng)目中，哈密某50 MW 光熱電站的鏡場(chǎng)為不規(guī)則形狀，受制于擬用地范圍初期為矩形，施工圖階段鏡場(chǎng)布置局部調(diào)整為不規(guī)則形狀，如圖6 所示。

圖6 不規(guī)則形鏡場(chǎng)及圓形發(fā)電區(qū)布置圖

由圖6 可知：該項(xiàng)目吸熱塔位于站址中南部區(qū)域，定日鏡圍繞吸熱塔基本呈八角形布置；發(fā)電區(qū)基本為圓形，類似圖2 發(fā)電區(qū)布置，主廠房位于吸熱塔北側(cè)，出線朝北，熔鹽罐區(qū)位于吸熱塔東側(cè)，空冷平臺(tái)位于吸熱塔西北側(cè)、主廠房西側(cè)。發(fā)電區(qū)占地面積約4.7 hm2，總占地面積約3.5 km2。

2.4 國(guó)內(nèi)的二次反射塔鏡場(chǎng)與矩形發(fā)電區(qū)布置

在已建成的塔式光熱項(xiàng)目中，僅玉門某50 MW 塔式光熱電站采用二次反射塔及矩形發(fā)電區(qū)布置，如圖7 所示。

圖7 二次反射塔鏡場(chǎng)與矩形發(fā)電區(qū)布置圖

由圖7 可知：該項(xiàng)目包括5 個(gè)獨(dú)立的“二次反射塔+鏡場(chǎng)”，每個(gè)二次反射塔位于各自鏡場(chǎng)中間區(qū)域，定日鏡圍繞吸熱塔基本呈圓形布置；發(fā)電區(qū)基本為矩形，主廠房位于中南側(cè)，出線朝南，熔鹽罐區(qū)位于主廠房西側(cè)。發(fā)電區(qū)占地面積約7.0 hm2，總占地面積約1.3 km2。

3 發(fā)電區(qū)優(yōu)化方案

本文擬分析國(guó)內(nèi)外塔式光熱電站現(xiàn)有布置方案存在的主要問(wèn)題，并通過(guò)2 個(gè)工程實(shí)例，重點(diǎn)研究發(fā)電區(qū)的優(yōu)化布置。

3.1 現(xiàn)有布置方案存在的主要問(wèn)題

綜合分析國(guó)內(nèi)外21 個(gè)已經(jīng)建成的塔式光熱電站和正在實(shí)施的6 個(gè)塔式光熱電站項(xiàng)目的總平面布置，可以發(fā)現(xiàn)：18 個(gè)地處北半球的塔式光熱電站，其吸熱塔位于站址中部或中南部區(qū)域，占比為66.67%；13 個(gè)塔式光熱電站定日鏡圍繞吸熱塔基本呈圓形布置，占比為48.15%；14 個(gè)塔式光熱電站發(fā)電區(qū)為圓形，占比為51.85%，其中，國(guó)內(nèi)10 個(gè)塔式光熱電站發(fā)電區(qū)為圓形，占比高達(dá)71.43%。如果不考慮以實(shí)驗(yàn)為目的，吸熱塔位于鏡場(chǎng)南側(cè)的布置形式是光熱電站的初級(jí)形態(tài)，則塔式光熱電站吸熱塔位于站址中部或中南部區(qū)域、定日鏡圍繞吸熱塔基本呈圓形布置的比例會(huì)大幅提高。限于篇幅，本文對(duì)鏡場(chǎng)、站前輔助生活設(shè)施區(qū)布置不做深入研究。

接近一半的塔式光熱電站定日鏡場(chǎng)呈圓形布置，超過(guò)一半以上的塔式光熱電站的發(fā)電區(qū)為圓形布置，特別是我國(guó)基本上發(fā)電區(qū)為圓形布置，這樣的布置方案部分存在以下問(wèn)題：1)部分新建項(xiàng)目參考已建成項(xiàng)目的總平面布置，將發(fā)電區(qū)及鏡場(chǎng)做成圓形，其發(fā)電區(qū)占地面積偏大，造成土方工程量的增加，工程初投資增加；2)伴隨單機(jī)組容量增加，主廠房尺寸的增大，發(fā)電區(qū)做成圓形后，場(chǎng)地局部空地較多，從而造成征地面積偏大，前期工程量略大，土地利用率略顯不高；3)將鏡場(chǎng)布置為近似圓形需要在場(chǎng)址選擇時(shí)滿足場(chǎng)地地勢(shì)開(kāi)闊、坡度不大、集熱場(chǎng)能滿足計(jì)算發(fā)電量等要求。

通過(guò)以上國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例可以看出，不是所有項(xiàng)目的鏡場(chǎng)都呈近似圓形布置，完全沒(méi)有必要將鏡場(chǎng)布置為近似圓形，建議按照工程實(shí)際情況因地制宜地布置，合理利用現(xiàn)有地形地貌，盡量避開(kāi)不利地形場(chǎng)地和其它限制性因素的影響。

3.2 “切一刀”布置方式

某光熱電站建設(shè)規(guī)模按1×150 MW 塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電機(jī)組配置如圖8 所示。該電站的發(fā)電區(qū)：位于某站區(qū)中部偏南區(qū)域。太陽(yáng)能吸熱塔布置在整個(gè)發(fā)電區(qū)的中部，主要生產(chǎn)建(構(gòu))物圍繞位于中心的太陽(yáng)能吸熱塔布置。

圖8 采用“切一刀”的發(fā)電區(qū)總平面布置圖

經(jīng)采用“切一刀”的布置方式優(yōu)化后，主廠房、空冷平臺(tái)、熔鹽罐區(qū)相對(duì)于吸熱塔的位置基本未變，相對(duì)于原發(fā)電區(qū)總平面布置方案結(jié)合空冷氣象資料順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了90°，出線方向由西側(cè)變?yōu)楸眰?cè)。發(fā)電區(qū)平面布置更為合理、緊湊，功能分區(qū)明確，工藝流程、道路更為短截順暢；站區(qū)原多處空地明顯大幅減少，用地面積較小，土石方量較小，水管線較短，初投資節(jié)省。

發(fā)電區(qū)用地面積從5.90 hm2優(yōu)化為4.75 hm2，優(yōu)化了用地19.49%，優(yōu)化效果顯著，主要差異項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表5、表6 所列。

表5 方案比較

表6 優(yōu)化方案經(jīng)濟(jì)性分析

3.3 “切幾刀”布置方式

某光熱電站建設(shè)規(guī)模按1×100 MW 塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電機(jī)組配置，如圖9 所示。該電站的發(fā)電區(qū)：位于某站區(qū)中部偏南區(qū)域。太陽(yáng)能吸熱塔布置在整個(gè)發(fā)電區(qū)的中部，主要生產(chǎn)建筑物圍繞位于中心的太陽(yáng)能吸熱塔布置。定日鏡場(chǎng)區(qū)采取環(huán)形布置方式。站前輔助生活設(shè)施區(qū)布置在站區(qū)東北側(cè)。

圖9 采用“切幾刀”的發(fā)電區(qū)總平面布置圖

采用“切幾刀”的發(fā)電區(qū)布置在站區(qū)中部。太陽(yáng)能吸熱塔布置在整個(gè)發(fā)電區(qū)的中部，主要生產(chǎn)建筑物圍繞位于中心的太陽(yáng)能吸熱塔布置。其中，主廠房布置在吸熱塔的西部；變壓器、配電裝置位于主廠房的西側(cè)，110 kV 出線向西；空冷平臺(tái)布置在主廠房的北側(cè)；吸熱塔東側(cè)區(qū)域主要布置供水相關(guān)建構(gòu)筑物，輔機(jī)干冷塔位于吸熱塔的東北側(cè)，工業(yè)廢水調(diào)節(jié)池、地埋式生活污水處理設(shè)施、生活污水暫存池位于吸熱塔的東側(cè)；熔鹽儲(chǔ)換熱區(qū)位于吸熱塔南側(cè)，包含熱熔鹽罐、冷熔鹽罐和蒸汽發(fā)生器。

經(jīng)“切幾刀”的發(fā)電區(qū)布置，看似“不規(guī)則”，實(shí)際上僅是外觀相對(duì)于圓形來(lái)說(shuō)屬于“不規(guī)則”形狀?！扒袔椎丁逼矫娌贾酶鼮榫o湊，道路短截順暢，其與“切一刀”方案主要差異項(xiàng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表7、表8 所列。

表7 方案比較

表8 優(yōu)化方案經(jīng)濟(jì)性分析

3.4 小結(jié)分析

塔式光熱電站的布置應(yīng)根據(jù)廠區(qū)地形、工藝流程順暢、定日鏡場(chǎng)布置、吸熱塔位置、空冷氣象資料和施工、運(yùn)行條件等因素合理安排。發(fā)電區(qū)的建筑物高度和布置應(yīng)減少對(duì)定日鏡場(chǎng)產(chǎn)生陰影和遮擋。

針對(duì)發(fā)電區(qū)呈圓形布置的局部空地較多，采用“切一刀”的方式進(jìn)行初步優(yōu)化，采用“切幾刀”的方式進(jìn)行深部?jī)?yōu)化。

雖然相關(guān)的規(guī)范列有主要原則，但是尚缺少實(shí)際的布置方法和案例，按照上述方法和實(shí)例能夠有效開(kāi)展塔式光熱電站發(fā)電區(qū)布置。最終平面布置在滿足工藝流程順暢合理的基礎(chǔ)上，節(jié)約集約用地，達(dá)到布置緊湊合理的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)國(guó)外13 個(gè)、國(guó)內(nèi)8 個(gè)已建成塔式光熱電站和近兩年正在前期階段或正在實(shí)施的6 個(gè)國(guó)內(nèi)項(xiàng)目，利用奧維互動(dòng)地圖軟件進(jìn)行總平面布置研究。針對(duì)發(fā)電區(qū)呈圓形布置造成局部空地較多的問(wèn)題，綜合考慮廠區(qū)地形、工藝流程、鏡場(chǎng)布置和氣象條件等因素，采用“切一刀”的方式進(jìn)行初步優(yōu)化，采用“切幾刀”的方式進(jìn)行深度優(yōu)化，使發(fā)電區(qū)總平面布置緊湊合理，達(dá)到節(jié)約集約用地、提高土地利用率和節(jié)省投資的目的。