塔式太阳能光热电站发电区总平面布置及优化

秦 华

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引言

光热电站凭借其可储热、可调峰、可连续发电保证电网安全稳定运行等优点，成为新型能源体系的有效支撑。我国数个塔式太阳能光热示范电站陆续投运，多个商业化应用不断加速，一批塔式太阳能光热发电站[1](简称“塔式光热电站”)项目正在设计和建设中，塔式光热电站产业发展前景广阔。

根据自然资源部于2019 年8 月发布的规章《节约集约利用土地规定》[2]，土地管理和利用应当遵循坚持节约优先的原则，珍惜和合理利用每一寸土地；坚持合理使用的原则，严控总量、盘活存量、优化结构、提高效率。

优化总平面布置是塔式光热电站设计的重要环节，笔者借助国产跨平台地图浏览软件奥维互动地图软件对全球已建成塔式光热电站的总平面布置进行研究，并结合现有两个实际项目的发电区总平面布置，提出发电区总平面布置优化方案。

1 国外塔式光热电站的总平面布置

目前，全球已建成数十个塔式光热电站。本文选取西班牙PS10、西班牙PS20、德国Jülich、土耳其Greenway CSP Mersin、西班牙Gemasolar、美国Crescent Dunes、智利Atacama1、摩洛哥努奥三期、以色列Ashalim1、南非Khi Solar One、美国Ivanpah 三座塔式光热电站等国外13 个塔式光热电站，利用奥维互动地图软件对以上电站的总平面布置进行研究。研究表明，这些布置主要可以归纳为四类：吸热塔位于镜场南侧布置、圆形镜场与圆形发电区布置、不规则镜场与圆形发电区布置、不规则形镜场与不规则发电区布置。

1.1 国外的吸热塔位于镜场南侧布置

国外13 个塔式光热电站中，4 个电站吸热塔布置在定日镜场最南侧，包括：PS10、PS20、Jülich 和Greenway CSP Mersin 塔式光热电站。

以PS20 塔式光热电站为例，其总平面布置及发电区布置如图1 所示。PS10、Jülich 和Greenway CSP Mersin 与PS20 塔式光热电站的布置比较情况见表1 所列。

表1 吸热塔位于镜场南侧布置的4个项目比较表

图1 吸热塔位于镜场南侧的总平面布置及发电区布置图

吸热塔位于镜场南侧的布置形式是光热电站的初级形态，基本以实验为目的，由表1 可知，容量较小，未见大面积推广。

1.2 国外的圆形镜场与圆形发电区布置

Gemasolar、Crescent Dunes 和Atacama1 塔式熔盐光热电站均采用圆形镜场与圆形发电区布置。

Crescent Dunes 塔式光热电站的总平面布置及发电区布置如图2 所示。

Gemasolar、Crescent Dunes 和Atacama1塔式熔盐光热电站三个项目的布置比较情况见表2 所列。

表2 圆形镜场与圆形发电区的3个项目比较表

1.3 国外的不规则镜场与圆形发电区布置

努奥三期150 MW 光热电站采用不规则镜场与圆形发电区的布置，如图3 所示。

图3 不规则形镜场与圆形发电区布置图

努奥三期光热电站吸热塔位于站址中南部区域；发电区基本为圆形，类似图2 发电区布置，主厂房位于吸热塔东北侧，出线朝东，熔盐罐区位于吸热塔西侧，空冷平台位于主厂房南侧、吸热塔东侧。发电区占地面积约6.2 hm2，总占地面积约6.0 km2。该电站采用不规则形镜场与圆形发电区的布置形式，能够充分利用现有地形条件布置，节约初始投资。

1.4 国外的不规则形镜场与不规则发电区布置

Ashalim1、Khi Solar One 和Ivanpah 三座塔式光热电站等5 个项目均采用不规则形镜场与不规则发电区的布置。以Khi Solar One 塔式光热电站为例，其总平面布置及发电区的布置如图4所示。

图4 不规则形镜场与不规则发电区布置图

Khi Solar One 塔式光热电站站址地处南半球，发电区基本为不规则多边形，主厂房位于吸热塔北侧，出线朝北。

Ivanpah 三座塔式光热电站、Ashalim1 与Khi Solar One 塔式光热电站的布置比较情况见表3 所列。采用不规则形镜场与不规则发电区的布置形式，这些电站充分利用地形条件或布置特定造型，提高项目整体外观观感，节约用地。

表3 不规则形镜场与不规则发电区的5个项目比较表

2 国内塔式光热电站的总平面布置

我国已建成的塔式光热电站由于规模、设计以及采用装备的不同而在外观上有一定差异。本文选取八达岭、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 光热电站、玉门某50 MW 二次反射塔式光热发电项目等8 个塔式光热电站。研究发现，总平面布置方案大致分为四类：吸热塔位于镜场南侧布置、圆形镜场与圆形发电区布置、不规则形镜场与圆形发电区布置、二次反射塔镜场与矩形发电区布置。

2.1 国内的吸热塔位于镜场南侧布置

在已建成的塔式光热项目中，仅有八达岭1 MW 塔式光热电站的吸热塔位于镜场南侧布置，如图5 所示。此项目为实验项目。发电区基本为矩形，主厂房位于吸热塔东侧。

图5 吸热塔位于镜场南侧的总平面布置图

2.2 国内的圆形镜场与圆形发电区布置

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 光热电站5 个项目均采用圆形镜场与圆形发电区的布置方案。以海西某50 MW 光热电站为例，其总平面布置及发电区布置参见图2。

该项目吸热塔位于站址中部区域，定日镜围绕吸热塔基本呈圆形布置。发电区基本为圆形，主厂房位于吸热塔北侧，出线朝北，熔盐罐区位于吸热塔东侧，空冷平台位于吸热塔西北侧、主厂房西侧。发电区占地面积约4.2 hm2，总占地面积约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 光热电站的布置比较情况见表4 所列。

表4 圆形镜场与圆形发电区的5个项目比较表

2.3 国内的不规则形镜场与圆形发电区布置

在已经建成投运的塔式光热项目中，哈密某50 MW 光热电站的镜场为不规则形状，受制于拟用地范围初期为矩形，施工图阶段镜场布置局部调整为不规则形状，如图6 所示。

图6 不规则形镜场及圆形发电区布置图

由图6 可知：该项目吸热塔位于站址中南部区域，定日镜围绕吸热塔基本呈八角形布置；发电区基本为圆形，类似图2 发电区布置，主厂房位于吸热塔北侧，出线朝北，熔盐罐区位于吸热塔东侧，空冷平台位于吸热塔西北侧、主厂房西侧。发电区占地面积约4.7 hm2，总占地面积约3.5 km2。

2.4 国内的二次反射塔镜场与矩形发电区布置

在已建成的塔式光热项目中，仅玉门某50 MW 塔式光热电站采用二次反射塔及矩形发电区布置，如图7 所示。

图7 二次反射塔镜场与矩形发电区布置图

由图7 可知：该项目包括5 个独立的“二次反射塔+镜场”，每个二次反射塔位于各自镜场中间区域，定日镜围绕吸热塔基本呈圆形布置；发电区基本为矩形，主厂房位于中南侧，出线朝南，熔盐罐区位于主厂房西侧。发电区占地面积约7.0 hm2，总占地面积约1.3 km2。

3 发电区优化方案

本文拟分析国内外塔式光热电站现有布置方案存在的主要问题，并通过2 个工程实例，重点研究发电区的优化布置。

3.1 现有布置方案存在的主要问题

综合分析国内外21 个已经建成的塔式光热电站和正在实施的6 个塔式光热电站项目的总平面布置，可以发现：18 个地处北半球的塔式光热电站，其吸热塔位于站址中部或中南部区域，占比为66.67%；13 个塔式光热电站定日镜围绕吸热塔基本呈圆形布置，占比为48.15%；14 个塔式光热电站发电区为圆形，占比为51.85%，其中，国内10 个塔式光热电站发电区为圆形，占比高达71.43%。如果不考虑以实验为目的，吸热塔位于镜场南侧的布置形式是光热电站的初级形态，则塔式光热电站吸热塔位于站址中部或中南部区域、定日镜围绕吸热塔基本呈圆形布置的比例会大幅提高。限于篇幅，本文对镜场、站前辅助生活设施区布置不做深入研究。

接近一半的塔式光热电站定日镜场呈圆形布置，超过一半以上的塔式光热电站的发电区为圆形布置，特别是我国基本上发电区为圆形布置，这样的布置方案部分存在以下问题：1)部分新建项目参考已建成项目的总平面布置，将发电区及镜场做成圆形，其发电区占地面积偏大，造成土方工程量的增加，工程初投资增加；2)伴随单机组容量增加，主厂房尺寸的增大，发电区做成圆形后，场地局部空地较多，从而造成征地面积偏大，前期工程量略大，土地利用率略显不高；3)将镜场布置为近似圆形需要在场址选择时满足场地地势开阔、坡度不大、集热场能满足计算发电量等要求。

通过以上国内外工程实例可以看出，不是所有项目的镜场都呈近似圆形布置，完全没有必要将镜场布置为近似圆形，建议按照工程实际情况因地制宜地布置，合理利用现有地形地貌，尽量避开不利地形场地和其它限制性因素的影响。

3.2 “切一刀”布置方式

某光热电站建设规模按1×150 MW 塔式太阳能热发电机组配置如图8 所示。该电站的发电区：位于某站区中部偏南区域。太阳能吸热塔布置在整个发电区的中部，主要生产建(构)物围绕位于中心的太阳能吸热塔布置。

图8 采用“切一刀”的发电区总平面布置图

经采用“切一刀”的布置方式优化后，主厂房、空冷平台、熔盐罐区相对于吸热塔的位置基本未变，相对于原发电区总平面布置方案结合空冷气象资料顺时针旋转了90°，出线方向由西侧变为北侧。发电区平面布置更为合理、紧凑，功能分区明确，工艺流程、道路更为短截顺畅；站区原多处空地明显大幅减少，用地面积较小，土石方量较小，水管线较短，初投资节省。

发电区用地面积从5.90 hm2优化为4.75 hm2，优化了用地19.49%，优化效果显著，主要差异项技术经济比较见表5、表6 所列。

表5 方案比较

表6 优化方案经济性分析

3.3 “切几刀”布置方式

某光热电站建设规模按1×100 MW 塔式太阳能热发电机组配置，如图9 所示。该电站的发电区：位于某站区中部偏南区域。太阳能吸热塔布置在整个发电区的中部，主要生产建筑物围绕位于中心的太阳能吸热塔布置。定日镜场区采取环形布置方式。站前辅助生活设施区布置在站区东北侧。

图9 采用“切几刀”的发电区总平面布置图

采用“切几刀”的发电区布置在站区中部。太阳能吸热塔布置在整个发电区的中部，主要生产建筑物围绕位于中心的太阳能吸热塔布置。其中，主厂房布置在吸热塔的西部；变压器、配电装置位于主厂房的西侧，110 kV 出线向西；空冷平台布置在主厂房的北侧；吸热塔东侧区域主要布置供水相关建构筑物，辅机干冷塔位于吸热塔的东北侧，工业废水调节池、地埋式生活污水处理设施、生活污水暂存池位于吸热塔的东侧；熔盐储换热区位于吸热塔南侧，包含热熔盐罐、冷熔盐罐和蒸汽发生器。

经“切几刀”的发电区布置，看似“不规则”，实际上仅是外观相对于圆形来说属于“不规则”形状。“切几刀”平面布置更为紧凑，道路短截顺畅，其与“切一刀”方案主要差异项的技术经济比较见表7、表8 所列。

表7 方案比较

表8 优化方案经济性分析

3.4 小结分析

塔式光热电站的布置应根据厂区地形、工艺流程顺畅、定日镜场布置、吸热塔位置、空冷气象资料和施工、运行条件等因素合理安排。发电区的建筑物高度和布置应减少对定日镜场产生阴影和遮挡。

针对发电区呈圆形布置的局部空地较多，采用“切一刀”的方式进行初步优化，采用“切几刀”的方式进行深部优化。

虽然相关的规范列有主要原则，但是尚缺少实际的布置方法和案例，按照上述方法和实例能够有效开展塔式光热电站发电区布置。最终平面布置在满足工艺流程顺畅合理的基础上，节约集约用地，达到布置紧凑合理的目的。

4 结语

本文通过对国外13 个、国内8 个已建成塔式光热电站和近两年正在前期阶段或正在实施的6 个国内项目，利用奥维互动地图软件进行总平面布置研究。针对发电区呈圆形布置造成局部空地较多的问题，综合考虑厂区地形、工艺流程、镜场布置和气象条件等因素，采用“切一刀”的方式进行初步优化，采用“切几刀”的方式进行深度优化，使发电区总平面布置紧凑合理，达到节约集约用地、提高土地利用率和节省投资的目的。