DQZHAN技術(shù)訊：海上升壓變電站設(shè)計(jì)及建造研究
摘 要：針對(duì)我國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展特點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有海上升壓站的設(shè)計(jì)、建造進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，旨在為后續(xù)類(lèi)似項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建造提供指導(dǎo)。
早在20世紀(jì)**十年代，歐洲就開(kāi)始陸續(xù)修建海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目，在海上風(fēng)電場(chǎng)輸變電技術(shù)方面積累了不少工程經(jīng)驗(yàn)。而我國(guó)2000年以前的項(xiàng)目均沒(méi)有設(shè)置海上升壓站，隨著我國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展， “十三五”期間，我國(guó)將進(jìn)入海上風(fēng)電規(guī)模化發(fā)展期，要開(kāi)發(fā)建設(shè)離岸距離遠(yuǎn)(大于12 km)、容量較大(200～400 MW)的海上風(fēng)電場(chǎng)，而這些風(fēng)電工程均需設(shè)置海上升壓站 。
1、設(shè)計(jì)概況
1.1 海上升壓站類(lèi)型
根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)選址，針對(duì)不同的施工水平及環(huán)境條件，形成了兩種模式的海上升壓站結(jié)構(gòu)——模塊裝配式海上升壓站結(jié)構(gòu)和整體式海上升壓站結(jié)構(gòu)。模塊裝配式海上升壓站是將升壓站分為若干個(gè)模塊，如變壓器模塊、高壓模塊、中壓模塊、站用電模塊、輔助系統(tǒng)模塊、控制模塊等，每個(gè)模塊都采用鋼結(jié)構(gòu)，在陸上組裝廠(chǎng)制作，在陸上完成模塊內(nèi)的設(shè)備安裝調(diào)試，然后各模塊單獨(dú)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)起吊并就位，各模塊安裝完成后現(xiàn)場(chǎng)再進(jìn)行各模塊之間的連接。整體式海上升壓站是將整個(gè)升壓站上部結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體，在陸上組裝廠(chǎng)完成整個(gè)升壓站的制造、設(shè)備安裝和調(diào)試，然后整體運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，采用大型起重船安裝。選擇何種方式取決于工程的實(shí)際施工、運(yùn)輸條件和能力。
上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司負(fù)責(zé)建造的**座中廣核如東150 MW海上風(fēng)電場(chǎng)示范項(xiàng)目海上升壓站、華能如東300 MW海上風(fēng)電場(chǎng)工程110 kV海上升壓站以及江蘇濱海300 MW海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目工程220 kV海上升壓站均為整體式海上升壓站。
1.2 設(shè)計(jì)總則說(shuō)明
根據(jù)《Offshore substations for wind farms》(DNV-OS-J201)的分類(lèi)，海上升壓站一般分為無(wú)人操作的海上升壓站(A類(lèi))、臨時(shí)或者長(zhǎng)期有人操作駐守的海上升壓站(B類(lèi))以及無(wú)人操作的海上升壓站平臺(tái)加一個(gè)生活平臺(tái)(C類(lèi))。通常情況下，離岸距離近一些的中小型交流海上升壓站選擇A類(lèi)，離岸距離近一些的大型交流海上升壓站或者直流海上升壓站選擇B類(lèi)，海上風(fēng)電場(chǎng)連續(xù)分期建設(shè)時(shí)可選擇C類(lèi)。
2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案
海上升壓站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括上部結(jié)構(gòu)、下部支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以220 kV海上升壓站為例，目前國(guó)內(nèi)建成的或者是在建的項(xiàng)目，220 kV海上升壓站均由上部組塊和下部基礎(chǔ)(單樁或?qū)Ч芗芑A(chǔ))組成。
2.1 上部結(jié)構(gòu)布置
一層(甲板層)主要作為電纜層及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，主要布置有事故油池、救生裝置、樓梯間等。
二層為整個(gè)海上升壓站主要核心區(qū)域，布置主變、主變散熱器、開(kāi)關(guān)室、接地變室、低壓配電室、應(yīng)急配電室、GIS室以及水泵房等輔助房間。
三層為主變室和GIS室上部挑空，同時(shí)布置蓄電池室、通信繼保室、避難室、柴油機(jī)房及暖通機(jī)房等。
頂層一般布置懸臂吊、空調(diào)外機(jī)、通信天線(xiàn)、氣象側(cè)風(fēng)雷達(dá)、避雷針;另外，可根據(jù)實(shí)際需要，布置直升機(jī)懸停區(qū)。
2.2 下部結(jié)構(gòu)布置
海上升壓站的基礎(chǔ)形式根據(jù)地質(zhì)條件、水深條件、上部結(jié)構(gòu)尺寸重量等條件，可以考慮單樁基礎(chǔ)、多樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)或高樁承臺(tái)基礎(chǔ)。導(dǎo)管架基礎(chǔ)的適用范圍較廣，對(duì)于水深較深的區(qū)域采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)。
2.3 防腐設(shè)計(jì)
海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用壽命一般為25年，海上升壓站考慮在正常維護(hù)的情況下，其防腐設(shè)計(jì)年限也應(yīng)不小于25年。大氣區(qū)宜采用滿(mǎn)足C5-M腐蝕性環(huán)境要求的防腐涂層進(jìn)行保護(hù)，在浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)、水下區(qū)宜采用滿(mǎn)足Im2腐蝕性環(huán)境要求的防腐涂層結(jié)合犧牲陽(yáng)極進(jìn)行防護(hù)，在泥下區(qū)宜采用犧牲陽(yáng)極進(jìn)行防護(hù)。
3、電氣設(shè)計(jì)方案
按照目前的廠(chǎng)址規(guī)劃方案和項(xiàng)目開(kāi)展情況，300 MW是一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目較為常見(jiàn)的裝機(jī)容量。本文擬在此容量的基礎(chǔ)上考慮電氣設(shè)計(jì)方案，為以后的項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。
目前投產(chǎn)或者已經(jīng)在建的海上升壓站，風(fēng)電場(chǎng)均采用二級(jí)升壓方式，機(jī)組升壓變高壓側(cè)選擇35 kV電壓等級(jí)，場(chǎng)內(nèi)集電線(xiàn)路采用35 kV海底電纜方案，風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)過(guò)海上升壓站升壓到220 kV后，通過(guò)海底電纜送至陸上集控中心，轉(zhuǎn)架空線(xiàn)后接入系統(tǒng)。兩級(jí)升壓的方案能快速升壓，減少升壓環(huán)節(jié)，減少損耗。
3.1 主要電氣設(shè)備選型(電氣一次)
總結(jié)歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，海上升壓站設(shè)備宜布置在全密封、微正壓的屋內(nèi)結(jié)構(gòu)物中，并配置帶有海風(fēng)處理裝置的暖通空調(diào)系統(tǒng)。另一方面，電氣設(shè)備和其他設(shè)備本身的防腐能力要加強(qiáng)和提高，防腐等級(jí)符合ISO 14922，達(dá)到相應(yīng)的C4級(jí)或C5級(jí)要求。
3.1.1 220 kV主變壓器
海上升壓站主變采用三相、低壓雙分裂、自然油循環(huán)自冷卻型，油浸式、有載調(diào)壓升壓式電力變壓器。海上升壓站選址一般位于潮濕、重鹽霧的地區(qū)，所以電氣設(shè)計(jì)方案一般采用主變、散熱器分體布置，高壓側(cè)采用戶(hù)內(nèi)GIS，低壓側(cè)采用戶(hù)內(nèi)SF 6 氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)柜。本體戶(hù)內(nèi)布置，散熱器戶(hù)外布置，以控制海上腐蝕環(huán)境對(duì)設(shè)備的影響。
3.1.2 220 kV主變中性點(diǎn)設(shè)備
主變220 kV側(cè)中性點(diǎn)采用經(jīng)隔離開(kāi)關(guān)接地方式，配置一套中性點(diǎn)成套設(shè)備。
3.1.3 220 kV配電裝置
采用GIS實(shí)現(xiàn)。
3.1.4 35 kV配電裝置
35 kV配電裝置主要涉及40.5 kV開(kāi)關(guān)柜、站用變兼接地變壓器以及35 kV中性點(diǎn)設(shè)備。海上升壓站40.5 kV配電裝置采用SF 6 充氣絕緣型，為箱式型式，戶(hù)內(nèi)單列布置，主變35 kV進(jìn)線(xiàn)及接地變出線(xiàn)均采用電纜方式。35 kV系統(tǒng)采用小電阻接地，每段35 kV母線(xiàn)配置一臺(tái)接地變(其中兩臺(tái)兼場(chǎng)變)及一面接地電阻柜。
3.1.5 0.4 kV配電裝置
0.4 kV配電裝置主要包括柴油機(jī)及0.4 kV低壓配電屏。
海上升壓站采用柴油發(fā)電機(jī)作為站用電源的應(yīng)急備用電源，當(dāng)全站停電時(shí)，需啟動(dòng)柴油機(jī)，供重要負(fù)荷運(yùn)行。海上升壓站內(nèi)通信電源、遠(yuǎn)動(dòng)電源、監(jiān)控電源、事故照明及事故通風(fēng)、消防火災(zāi)系統(tǒng)、導(dǎo)航設(shè)備等為**負(fù)荷，設(shè)備操作電源為二級(jí)負(fù)荷，其他均為三級(jí)負(fù)荷。海上升壓站中，所有一、二級(jí)負(fù)荷設(shè)計(jì)有兩回線(xiàn)路供電。
低壓配電屏配置分工作配電屏和應(yīng)急配電屏，采用戶(hù)內(nèi)單列布置。
3.2 電氣二次
海上升壓站和陸上集控中心統(tǒng)一配置計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)備配置和功能要求按照海上升壓站“無(wú)人值守”方案設(shè)計(jì)。通過(guò)海底電纜中的復(fù)合光纖，由陸上集控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)海上升壓站目標(biāo)及海上風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，*大限度地優(yōu)化了海上升壓站整體運(yùn)行方式。
4、**系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 防雷接地設(shè)計(jì)
為了保證升壓站設(shè)備的**運(yùn)行和值班人員的人身**，結(jié)合海上升壓站平臺(tái)的特點(diǎn)，遵照IEEE std.80標(biāo)準(zhǔn)《IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding》和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50169—2006《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》等規(guī)定的原則，依照大電流接地系統(tǒng)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。
4.2 直擊雷保護(hù)
海上升壓站內(nèi)需要進(jìn)行直擊雷保護(hù)的設(shè)備有頂部平臺(tái)甲板、VAST天線(xiàn)、氣象站、VHF天線(xiàn)、GPS天線(xiàn)、NAVTEX天線(xiàn)、暖通室外設(shè)備、空調(diào)室外機(jī)、變壓器戶(hù)外散熱器。
根據(jù)設(shè)備布置及吊機(jī)上避雷針位置，海上升壓站頂部需設(shè)置一定數(shù)量的針式接閃器，與吊機(jī)避雷針形成聯(lián)合保護(hù)，主要保護(hù)VAST天線(xiàn)、氣象站、VHF天線(xiàn)、GPS天線(xiàn)、NAVTEX天線(xiàn)、通信天線(xiàn)、暖通室外設(shè)備、空調(diào)室外機(jī)。頂部平臺(tái)甲板和變壓器戶(hù)外散熱器通過(guò)針式接閃器、避雷針、保護(hù)圍欄聯(lián)合保護(hù)。
4.3 配電裝置的侵入雷電波保護(hù)
在配電裝置的適當(dāng)部位配置氧化鋅避雷器，以防止雷電侵入波對(duì)電氣設(shè)備的損害。海上升壓站的220 kV GIS與海底電纜連接處、與主變連接處，35 kV進(jìn)出線(xiàn)處均設(shè)置氧化鋅避雷器，以保護(hù)站內(nèi)設(shè)備。400 V低壓配電系統(tǒng)裝設(shè)防浪涌保護(hù)器。
4.4 接地網(wǎng)布置
海上升壓站以4根基礎(chǔ)大鋼管樁作為自然接地體，平臺(tái)內(nèi)所有接地裝置*終均連接至鋼管樁上。鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)應(yīng)焊接成整體，形成完好的電氣通路。
海上升壓站內(nèi)各層設(shè)置接地網(wǎng)，主接地網(wǎng)沿房間墻壁明敷布置，支線(xiàn)接地網(wǎng)沿地面明敷布置。不同層之間通過(guò)結(jié)構(gòu)鋼立柱形成電氣聯(lián)系，至少保證主網(wǎng)和2根不同立柱可靠連接。
所有電氣設(shè)備均應(yīng)進(jìn)行接地，電氣設(shè)備每個(gè)接地部分應(yīng)以單獨(dú)的接地線(xiàn)與接地干線(xiàn)相連，嚴(yán)禁在一個(gè)接地線(xiàn)中串聯(lián)幾個(gè)需要接地的部分。
5、給排水和暖通方案
海上升壓站上主變壓器、柴油發(fā)電機(jī)等容易引發(fā)B類(lèi)火災(zāi)的設(shè)備及其設(shè)置場(chǎng)所均采用高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。400 V主配電盤(pán)、應(yīng)急配電盤(pán)、蓄電池、繼電保護(hù)裝置、40.5 kV高壓開(kāi)關(guān)柜、電阻柜等柜室設(shè)備中使用火探管式氣體滅火系統(tǒng)。應(yīng)急避難室、暖通用房、GIS室、40.5 kV開(kāi)關(guān)室等設(shè)備用房及所有電氣用房架空地板下采用高壓細(xì)水霧系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。
6、建造施工原則
海上升壓站施工建造應(yīng)遵循“先陸上后海上”、 “先水上后水下”的原則。建造過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)、電氣、暖通、管系、舾裝各專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，合理制定施工工序，減少各專(zhuān)業(yè)之間的交叉及相互干擾。
海上升壓站上部組塊宜在陸上完成全部設(shè)備安裝、調(diào)試后，整體吊裝裝船，發(fā)運(yùn)至海上升壓站站址安裝就位。
7、結(jié)語(yǔ)
海上升壓站集中體現(xiàn)了電力工程與海洋工程的結(jié)合，是集功能性、環(huán)保性、**性、經(jīng)濟(jì)性于一體的集成產(chǎn)物。在吸收消化歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)的建造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將上述成果充分應(yīng)用到實(shí)際工程中，可為后續(xù)項(xiàng)目提供更多的經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)儲(chǔ)備。
