塔式太陽能光熱電站發(fā)電區(qū)總平面布置及優(yōu)化

秦 華

(中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

光熱電站憑借其可儲熱、可調峰、可連續(xù)發(fā)電保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行等優(yōu)點，成為新型能源體系的有效支撐。我國數(shù)個塔式太陽能光熱示范電站陸續(xù)投運，多個商業(yè)化應用不斷加速，一批塔式太陽能光熱發(fā)電站[1](簡稱“塔式光熱電站”)項目正在設計和建設中，塔式光熱電站產業(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]，土地管理和利用應當遵循堅持節(jié)約優(yōu)先的原則，珍惜和合理利用每一寸土地；堅持合理使用的原則，嚴控總量、盤活存量、優(yōu)化結構、提高效率。

優(yōu)化總平面布置是塔式光熱電站設計的重要環(huán)節(jié)，筆者借助國產跨平臺地圖瀏覽軟件奧維互動地圖軟件對全球已建成塔式光熱電站的總平面布置進行研究，并結合現(xiàn)有兩個實際項目的發(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 國外塔式光熱電站的總平面布置

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

1.1 國外的吸熱塔位于鏡場南側布置

國外13 個塔式光熱電站中，4 個電站吸熱塔布置在定日鏡場最南側，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表1 所列。

表1 吸熱塔位于鏡場南側布置的4個項目比較表

圖1 吸熱塔位于鏡場南側的總平面布置及發(fā)電區(qū)布置圖

吸熱塔位于鏡場南側的布置形式是光熱電站的初級形態(tài)，基本以實驗為目的，由表1 可知，容量較小，未見大面積推廣。

1.2 國外的圓形鏡場與圓形發(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項目的布置比較情況見表2 所列。

表2 圓形鏡場與圓形發(fā)電區(qū)的3個項目比較表

1.3 國外的不規(guī)則鏡場與圓形發(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，出線朝東，熔鹽罐區(qū)位于吸熱塔西側，空冷平臺位于主廠房南側、吸熱塔東側。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 國外的不規(guī)則形鏡場與不規(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 個項目均采用不規(guī)則形鏡場與不規(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，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表3 所列。采用不規(guī)則形鏡場與不規(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，提高項目整體外觀觀感，節(jié)約用地。

表3 不規(guī)則形鏡場與不規(guī)則發(fā)電區(qū)的5個項目比較表

2 國內塔式光熱電站的總平面布置

我國已建成的塔式光熱電站由于規(guī)模、設計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)電項目等8 個塔式光熱電站。研究發(fā)現(xiàn)，總平面布置方案大致分為四類：吸熱塔位于鏡場南側布置、圓形鏡場與圓形發(fā)電區(qū)布置、不規(guī)則形鏡場與圓形發(fā)電區(qū)布置、二次反射塔鏡場與矩形發(fā)電區(qū)布置。

2.1 國內的吸熱塔位于鏡場南側布置

在已建成的塔式光熱項目中，僅有八達嶺1 MW 塔式光熱電站的吸熱塔位于鏡場南側布置，如圖5 所示。此項目為實驗項目。發(fā)電區(qū)基本為矩形，主廠房位于吸熱塔東側。

圖5 吸熱塔位于鏡場南側的總平面布置圖

2.2 國內的圓形鏡場與圓形發(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 個項目均采用圓形鏡場與圓形發(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)布置參見圖2。

該項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，出線朝北，熔鹽罐區(qū)位于吸熱塔東側，空冷平臺位于吸熱塔西北側、主廠房西側。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表4 所列。

表4 圓形鏡場與圓形發(fā)電區(qū)的5個項目比較表

2.3 國內的不規(guī)則形鏡場與圓形發(fā)電區(qū)布置

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

圖6 不規(guī)則形鏡場及圓形發(fā)電區(qū)布置圖

由圖6 可知：該項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，出線朝北，熔鹽罐區(qū)位于吸熱塔東側，空冷平臺位于吸熱塔西北側、主廠房西側。發(fā)電區(qū)占地面積約4.7 hm2，總占地面積約3.5 km2。

2.4 國內的二次反射塔鏡場與矩形發(fā)電區(qū)布置

在已建成的塔式光熱項目中，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 二次反射塔鏡場與矩形發(fā)電區(qū)布置圖

由圖7 可知：該項目包括5 個獨立的“二次反射塔+鏡場”，每個二次反射塔位于各自鏡場中間區(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，出線朝南，熔鹽罐區(qū)位于主廠房西側。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

本文擬分析國內外塔式光熱電站現(xiàn)有布置方案存在的主要問題，并通過2 個工程實例，重點研究發(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題

綜合分析國內外21 個已經(jīng)建成的塔式光熱電站和正在實施的6 個塔式光熱電站項目的總平面布置，可以發(fā)現(xiàn)：18 個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 個塔式光熱電站發(fā)電區(qū)為圓形，占比為51.85%，其中，國內10 個塔式光熱電站發(fā)電區(qū)為圓形，占比高達71.43%。如果不考慮以實驗為目的，吸熱塔位于鏡場南側的布置形式是光熱電站的初級形態(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大幅提高。限于篇幅，本文對鏡場、站前輔助生活設施區(qū)布置不做深入研究。

接近一半的塔式光熱電站定日鏡場呈圓形布置，超過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題：1)部分新建項目參考已建成項目的總平面布置，將發(fā)電區(qū)及鏡場做成圓形，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)伴隨單機組容量增加，主廠房尺寸的增大，發(fā)電區(qū)做成圓形后，場地局部空地較多，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)將鏡場布置為近似圓形需要在場址選擇時滿足場地地勢開闊、坡度不大、集熱場能滿足計算發(fā)電量等要求。

通過以上國內外工程實例可以看出，不是所有項目的鏡場都呈近似圓形布置，完全沒有必要將鏡場布置為近似圓形，建議按照工程實際情況因地制宜地布置，合理利用現(xiàn)有地形地貌，盡量避開不利地形場地和其它限制性因素的影響。

3.2 “切一刀”布置方式

某光熱電站建設規(guī)模按1×150 MW 塔式太陽能熱發(fā)電機組配置如圖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。太陽能吸熱塔布置在整個發(fā)電區(qū)的中部，主要生產建(構)物圍繞位于中心的太陽能吸熱塔布置。

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、熔鹽罐區(qū)相對于吸熱塔的位置基本未變，相對于原發(fā)電區(qū)總平面布置方案結合空冷氣象資料順時針旋轉了90°，出線方向由西側變?yōu)楸眰?。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，主要差異項技術經(jīng)濟比較見表5、表6 所列。

表5 方案比較

表6 優(yōu)化方案經(jīng)濟性分析

3.3 “切幾刀”布置方式

某光熱電站建設規(guī)模按1×100 MW 塔式太陽能熱發(fā)電機組配置，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。太陽能吸熱塔布置在整個發(fā)電區(qū)的中部，主要生產建筑物圍繞位于中心的太陽能吸熱塔布置。定日鏡場區(qū)采取環(huán)形布置方式。站前輔助生活設施區(qū)布置在站區(qū)東北側。

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。太陽能吸熱塔布置在整個發(fā)電區(qū)的中部，主要生產建筑物圍繞位于中心的太陽能吸熱塔布置。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，110 kV 出線向西；空冷平臺布置在主廠房的北側；吸熱塔東側區(qū)域主要布置供水相關建構筑物，輔機干冷塔位于吸熱塔的東北側，工業(yè)廢水調節(jié)池、地埋式生活污水處理設施、生活污水暫存池位于吸熱塔的東側；熔鹽儲換熱區(qū)位于吸熱塔南側，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”，實際上僅是外觀相對于圓形來說屬于“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”方案主要差異項的技術經(jīng)濟比較見表7、表8 所列。

表7 方案比較

表8 優(yōu)化方案經(jīng)濟性分析

3.4 小結分析

塔式光熱電站的布置應根據(jù)廠區(qū)地形、工藝流程順暢、定日鏡場布置、吸熱塔位置、空冷氣象資料和施工、運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減少對定日鏡場產生陰影和遮擋。

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

雖然相關的規(guī)范列有主要原則，但是尚缺少實際的布置方法和案例，按照上述方法和實例能夠有效開展塔式光熱電站發(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上，節(jié)約集約用地，達到布置緊湊合理的目的。

4 結語

本文通過對國外13 個、國內8 個已建成塔式光熱電站和近兩年正在前期階段或正在實施的6 個國內項目，利用奧維互動地圖軟件進行總平面布置研究。針對發(fā)電區(qū)呈圓形布置造成局部空地較多的問題，綜合考慮廠區(qū)地形、工藝流程、鏡場布置和氣象條件等因素，采用“切一刀”的方式進行初步優(yōu)化，采用“切幾刀”的方式進行深度優(yōu)化，使發(fā)電區(qū)總平面布置緊湊合理，達到節(jié)約集約用地、提高土地利用率和節(jié)省投資的目的。