大型太陽能熱發(fā)電廠鏡場(chǎng)雨水排水設(shè)計(jì)

楊 帆，顧建華，儲(chǔ)劍鋒

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

0 引言

對(duì)于常規(guī)的火力發(fā)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(fā)電廠大多地處戈壁、沙漠等開闊地區(qū)，由于占地面積大，場(chǎng)地不規(guī)整，下墊面條件與常規(guī)火力發(fā)電廠有著很大的不同，很難采用集中收集排放的方式進(jìn)行排水。

目前國(guó)內(nèi)外尚無可供參考的工程實(shí)踐方案，本文以中東地區(qū)某大型太陽能光熱發(fā)電廠(以下簡(jiǎn)稱“該光熱電廠”)作為工程實(shí)例，提出一種新型的雨水排水設(shè)計(jì)方案，用于解決短歷時(shí)暴雨的鏡場(chǎng)雨水管理問題。

1 鏡場(chǎng)雨水排水設(shè)計(jì)難點(diǎn)及廠址水文條件

1.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

該光熱電廠工程鏡場(chǎng)排水設(shè)計(jì)需采用當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)，主要難點(diǎn)體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1)鏡場(chǎng)處于沙漠地區(qū)，一般情況下，沙漠地區(qū)下滲能力強(qiáng)，下滲強(qiáng)度大于設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度，不需要考慮單獨(dú)的雨水排水措施，采用場(chǎng)地自然下滲即可，但業(yè)主要求嚴(yán)格，場(chǎng)地需防風(fēng)固沙，在鏡場(chǎng)場(chǎng)地上面采用地下帶鈣質(zhì)土壤加水碾壓而成覆蓋層，但增加覆蓋層后，鏡場(chǎng)下滲性能將顯著降低，因此，需要考慮排水設(shè)計(jì)。

2)為減少場(chǎng)地整平的土建工程量，降低工程造價(jià)，鏡場(chǎng)場(chǎng)平標(biāo)高基本都是在原始地形的基礎(chǔ)上，結(jié)合土石方平衡計(jì)算和集熱鏡布置需求綜合確定。因此，鏡場(chǎng)場(chǎng)平標(biāo)高都不是一個(gè)定值，場(chǎng)地地形坡度及坡向也是不盡相同，不利于傳統(tǒng)的雨水排水方案的設(shè)計(jì)。

3)根據(jù)業(yè)主要求，整個(gè)電廠的雨水排水系統(tǒng)需滿足在歷史最大單日降雨量150 mm的工況下，不會(huì)導(dǎo)致集熱設(shè)備沖毀，從而影響電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)推算，該設(shè)計(jì)暴雨過程相當(dāng)于當(dāng)?shù)?00 a一遇的暴雨強(qiáng)度，遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)雨水設(shè)計(jì)3～5 a重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)[1]。

總之，該光熱電廠雖然地處沙漠地區(qū)，但由于占地面積大、廠址區(qū)域內(nèi)的地形有較多起伏、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)等影響因素。結(jié)合廠址實(shí)際條件，本文研究制定了“分區(qū)收集、自然下滲”和分區(qū)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(shè)3座槽式太陽能光熱發(fā)電站和1座塔式太陽能光熱發(fā)電站，4座太陽能光熱發(fā)電站同步建設(shè)完成，相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。每座太陽能光熱發(fā)電站均由集熱場(chǎng)(鏡場(chǎng))和發(fā)電區(qū)兩部分構(gòu)成，單座太陽能光熱發(fā)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(qū)，廠址附近無河流，無市政排水管。廠址區(qū)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(jù)業(yè)主要求，廠址區(qū)域設(shè)計(jì)暴雨單日總降雨量按當(dāng)?shù)刈畲笕战涤炅?50 mm考慮，根據(jù)總承包設(shè)計(jì)合同的要求，設(shè)計(jì)暴雨過程詳見表1所列。

表1 設(shè)計(jì)暴雨過程

水文專業(yè)結(jié)合覆蓋層情況、當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件及地形地貌，確定場(chǎng)地徑流系數(shù)為0.06[2]。道路覆蓋層較厚，且覆蓋材料更為密實(shí)，因此，道路的徑流系數(shù)取值按0.6。

該光熱電廠廠址處于沙漠地區(qū)，但部分地區(qū)砂層較薄，基巖面淺。根據(jù)場(chǎng)平圖紙，部分區(qū)域直接開挖到基巖面，下滲能力很??；對(duì)于砂層覆蓋較厚的地區(qū)，沙丘下滲能力較大。為了保證排水計(jì)算的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場(chǎng)開展了多組下滲試驗(yàn)，試驗(yàn)方案和過程都通過了業(yè)主工程師的確認(rèn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果最終確定：無覆蓋層的沙地下滲強(qiáng)度按照225 mm/h取值，帶覆蓋層的場(chǎng)地或者基巖部分按照最不利的下滲強(qiáng)度17.7 mm/h取值。

2 槽式太陽能光熱發(fā)電站鏡場(chǎng)排水

2.1 槽式太陽能光熱發(fā)電站鏡場(chǎng)布置

槽式太陽能光熱發(fā)電站包含集熱場(chǎng)(鏡場(chǎng))和發(fā)電區(qū)兩個(gè)部分，其中：發(fā)電區(qū)布置在中央，鏡場(chǎng)圍繞發(fā)電區(qū)布置。

拋物面槽式集熱器的布置對(duì)場(chǎng)平要求較高，鏡場(chǎng)相對(duì)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(jù)坡度的不同，對(duì)整個(gè)鏡場(chǎng)進(jìn)行了大的分區(qū)：1B_1至1B_11。對(duì)于雨水排水計(jì)算，最不利工況位于1B_8區(qū)域，該區(qū)域南北方向坡度為4‰，東西方向坡度為4‰，且該區(qū)域砂層薄、基巖面高、下滲能力弱。槽式太陽能光熱發(fā)電站總平面布置如圖2所示。

圖2 槽式太陽能光熱發(fā)電站總平面布置圖

鏡場(chǎng)內(nèi)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(zhǎng)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(shè)置一條檢修道路，與廠區(qū)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(qū)內(nèi)部布置有兩列拋物面槽式集熱器，區(qū)域?qū)挾?3.9 m；B區(qū)內(nèi)部沒有布置任何設(shè)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(chǎng)雨水排水計(jì)算

由于單個(gè)鏡場(chǎng)面積大，約8 km2，拋物面槽式集熱器1 000列左右，場(chǎng)地地坪變化大，且該光熱電廠廠外沒有市政管網(wǎng)和天然低洼河道，很難做到統(tǒng)一收集、集中排放。綜合考慮鏡場(chǎng)部分區(qū)域砂層覆蓋薄、下滲能力弱，本文提出“分區(qū)收集、自然下滲”的理念：通過抬高檢修道路頂標(biāo)高的方式，將整個(gè)鏡場(chǎng)劃分為約530個(gè)排水單元，每個(gè)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(gè)A區(qū)和一個(gè)B區(qū)。在A區(qū)和B區(qū)內(nèi)分別設(shè)置集水區(qū)，考慮到碎石的成本高，集水區(qū)頂面采用覆蓋層固沙，用于收集各自區(qū)域內(nèi)的雨水，最終下滲。

圖2中的最不利工況位于1B_8區(qū)域，以該區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行說明。該區(qū)域每個(gè)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(qū)、B區(qū)東西方向高差分別為0.14 m和0.04 m。

1) A區(qū)排水計(jì)算

A區(qū)內(nèi)布置有拋物面槽式集熱器，下方設(shè)有基礎(chǔ)，因此，集水區(qū)的東西向?qū)挾葢?yīng)該在相鄰兩列拋物面槽式集熱器基礎(chǔ)之間，按18.65 m考慮，東西方向坡度按照0‰設(shè)計(jì)；南北方向340 m，由于南北方向高差較大，因此，集水區(qū)的底坡按場(chǎng)地地坪4‰設(shè)計(jì)。按此方案進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程見表2所列。

由于集水區(qū)底坡坡度i為4‰，積水儲(chǔ)存于集水區(qū)的南部。根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果可知，在典型暴雨之后，集水區(qū)的最大水深約為375 mm，因此，集水區(qū)的設(shè)計(jì)深度按照450 mm取值能夠滿足工程要求。集水區(qū)布置圖和剖面圖分別如圖4和圖5所示。

表2 A區(qū)排水計(jì)算

圖4 A區(qū)集水區(qū)平面布置圖

圖5 A區(qū)集水區(qū)剖面圖

2) B區(qū)排水計(jì)算

B區(qū)內(nèi)為空?qǐng)龅兀瑓^(qū)域?qū)挾?.9 m，道路高出地坪250 mm，考慮將道路之間的區(qū)域都設(shè)置為集水區(qū)，集水區(qū)的寬度為6.4 m，將東西方向坡度按照0‰設(shè)計(jì)；南北方向340 m，由于南北方向高差較大，因此，集水區(qū)的底坡按場(chǎng)地地坪4‰設(shè)計(jì)。此區(qū)域由于寬度受限，為防止開挖對(duì)道路造成破壞，因此，此區(qū)域不便向下開挖，集水區(qū)的深度一定，最高250 mm。為保證該區(qū)域的剩余積水全部?jī)?chǔ)存在集水區(qū)內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)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(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程見表3所列。

表3 B區(qū)排水計(jì)算

根據(jù)表3可知，當(dāng)增加的連接道路間距為87 m時(shí)，每個(gè)集水區(qū)的積水深度最大約211 mm，均不超過250 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。B區(qū)集水區(qū)剖面圖和布置圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 B區(qū)集水區(qū)剖面圖

圖7 B區(qū)集水區(qū)平面布置圖

“分區(qū)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(gè)槽式太陽能光熱發(fā)電站鏡場(chǎng)節(jié)省敷設(shè)雨水排水管道，而且避免了建設(shè)大型雨水收集池。同時(shí)，集水區(qū)施工和場(chǎng)平施工同步進(jìn)行，節(jié)約了時(shí)間成本。

3 塔式太陽能光熱發(fā)電站鏡場(chǎng)排水計(jì)算

塔式太陽能光熱發(fā)電站的發(fā)電區(qū)位于站址中心位置，鏡場(chǎng)以發(fā)電區(qū)為圓心向四周擴(kuò)散。每隔50 m設(shè)置一條環(huán)形檢修道路，檢修道路高出地坪200 mm。

塔式太陽能光熱發(fā)電站定日鏡的安裝對(duì)場(chǎng)平要求較小，因此，該電站的場(chǎng)平基本按照原始地形考慮。

由于塔式太陽能光熱發(fā)電站鏡場(chǎng)地形雜亂無章，因此，“分區(qū)收集、自然下滲”的集水區(qū)方案的實(shí)施性不強(qiáng)。考慮到該項(xiàng)目塔式太陽能光熱發(fā)電站鏡場(chǎng)位于沙丘地區(qū)，砂層覆蓋厚度大，潛在下滲能力強(qiáng)，僅因增加覆蓋層的緣故，導(dǎo)致下滲性能下降，經(jīng)反復(fù)論證，設(shè)計(jì)上最終采用“分區(qū)替換覆蓋層”的方式解決短時(shí)間暴雨排水問題，即根據(jù)場(chǎng)地的地形及道路布置，將整個(gè)鏡場(chǎng)劃分為若干個(gè)排水單元，在每個(gè)排水單元局部低點(diǎn)鏟除覆蓋層，回填碎石，各排水單元中覆蓋層未替換區(qū)受覆蓋層影響，不能及時(shí)下滲的雨水匯水通過地形自流至碎石區(qū)，碎石覆蓋區(qū)下滲能力比沙丘更大，使該區(qū)域的匯水在碎石區(qū)及時(shí)下滲，且碎石又能起到固沙的作用。

根據(jù)地形資料，合理分區(qū)，以其中某排水單元為例，該區(qū)域長(zhǎng)度528 m、寬度53 m，按照?qǐng)龅貜搅飨禂?shù)0.06，道路徑流系數(shù)0.6，替換區(qū)的下滲強(qiáng)度225 mm/h計(jì)算，保證在降雨過程中，該排水單元的每個(gè)時(shí)段的總下滲水量大于降水量，即累計(jì)水量均為0，通過計(jì)算，該排水單元覆蓋層替換區(qū)長(zhǎng)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(gè)降雨時(shí)段的降雨都能及時(shí)下滲，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文通過開展下滲試驗(yàn)，確定了不同區(qū)域的下滲強(qiáng)度，根據(jù)地形地貌條件，選擇了合適的徑流系數(shù)，結(jié)合廠區(qū)地形地貌條件和鏡場(chǎng)工藝布置，針對(duì)槽式太陽能光熱發(fā)電站的鏡場(chǎng)和塔式太陽能光熱發(fā)電站鏡場(chǎng)，因地制宜分別研究制定了“分區(qū)收集、自然下滲”和“分區(qū)替換覆蓋層”的方案，保證鏡場(chǎng)在設(shè)計(jì)暴雨過程下，雨水排水能夠得到有序管理，或分區(qū)儲(chǔ)存，或分區(qū)下滲，不形成大面積的徑流從而影響鏡場(chǎng)設(shè)備安全。該方案能夠有效解決鏡場(chǎng)的排水問題，可實(shí)施性強(qiáng)，還能縮短工期。

文中的槽式太陽能光熱發(fā)電站下滲強(qiáng)度按照試驗(yàn)最小值考慮，為了進(jìn)一步減少工程投資，可增加試驗(yàn)點(diǎn)，測(cè)出不同區(qū)域的下滲系數(shù)，優(yōu)化分區(qū)的排水計(jì)算和設(shè)計(jì)。