超高压交流海上风电场升压站布置设计方法.pdf

超高压交流海上风电场升压站布置设计方法张振,汤翔,毕书奇,李炬添,陆莹,丁志勇(中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司,广东 广州 ;重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆 )摘要:海上风电场建设已成为新能源开发利用的重要形式.海上升压站是海上风电场集电系统的重点组成,其可靠设计对于海上风电场的安全高效运行至关重要.但是,国内海上升压站的运行年限较短,海上升压站的布置设计尚处于起步阶段,完整性、可靠性和安全性尚未经历长期运营的考验.以超高压交流海上升压站为例,考虑海上升压站总体布置配置,开展升压站总体结构布置设计,并综合考虑消防、舾装、暖通、逃生和安全疏散系统的设计,以达到海上升压站设计合理可行、运行安全可靠、维保方便快捷的目标,对我国已规划的沿海海上风电场的升压站设计制造和施工运营具有参考意义.关键词:海上风电场;升压站;布置设计;结构设计中图分类号:TM D O I:/j c n k i d g j s D e s i g nM e t h o do fB o o s t e rS t a t i o nL a y o u t f o rU l t r a h i g hV o l t a g eA CO f f s h o r eW i n dF a r mZ HAN GZ h e n,T AN GX i a n g,B IS h u q i,L I J u t i a n,L UY i n g,D I N GZ h i y o n g(C h i n aE n e r g yE n g i n e e r i n gG r o u pG u a n g d o n gE l e c t r i cP o w e rD e s i g nI n s t i t u t eC o,L t d,G u a n g z h o u ,C h i n a;S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fP o w e rT r a n s m i s s i o nE q u i p m e n t s&S y s t e mS e c u r i t ya n dN e wT e c h n o l o g y,C h o n g q i n gU n i v e r s i t y,C h o n g q i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:O f f s h o r ew i n d f a r mc o n s t r u c t i o nh a sb e c o m e a n i m p o r t a n t f o r mo f n e we n e r g yd e v e l o p m e n t a n du t i l i z a t i o n T h eo f f s h o r eb o o s t e r s t a t i o n i s t h ek e yc o m p o n e n t o f t h ep o w e r c o l l e c t i o ns y s t e mo f t h eo f f s h o r ew i n d f a r m,a n d i t s r e l i a b l ed e s i g ni sv e r y i m p o r t a n t f o r t h e s a f e a n de f f i c i e n t o p e r a t i o no f t h e o f f s h o r ew i n d f a r m H o w e v e r,t h e o p e r a t i n g l i f e o f d o m e s t i co f f s h o r eb o o s t e rs t a t i o n s i s r e l a t i v e l ys h o r t,a n dt h e l a y o u td e s i g no fo f f s h o r eu p l i f t s t a t i o n s i ss t i l l i n i t s i n f a n c y,a n dt h e i n t e g r i t y,r e l i a b i l i t ya n ds a f e t yh a v en o ty e tu n d e r g o n e t h e t e s to f l o n g t e r mo p e r a t i o n T a k i n gt h es u p e rh i g hv o l t a g eA Co f f s h o r eb o o s t e rs t a t i o na sa ne x a m p l e,t h eo v e r a l l s t r u c t u r e l a y o u td e s i g no f t h eb o o s t e r s t a t i o nw a sc a r r i e do u t c o n s i d e r i n gt h eo v e r a l l l a y o u t c o n f i g u r a t i o no f t h eo f f s h o r eb o o s t e r s t a t i o n C o n s i d e r i n g t h ed e s i g no f f i r ec o n t r o l,o u t f i t t i n g,HVA C,e s c a p ea n ds a f ee v a c u a t i o ns y s t e m,t h eg o a lo f r e a s o n a b l ea n df e a s i b l ed e s i g n,s a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n,c o n v e n i e n t a n d f a s tm a i n t e n a n c eo f o f f s h o r eb o o s t e r s t a t i o nw a s r e a c h e d T h i s s t u d yh a s r e f e r e n c e s i g n i f i c a n c e f o r t h ed e s i g n,m a n u f a c t u r i n g,c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no fb o o s t e rs t a t i o n so fp l a n n e dc o a s t a l o f f s h o r ew i n df a r m s i nC h i n a K e yw o r d s:o f f s h o r ew i n df a r m;b o o s t e rs t a t i o n;l a y o u td e s i g n;s t r u c t u r ed e s i g n收稿日期:引言随着煤炭、石油、天然气等化石能源的大规模开采利用,能源紧缺、环境污染、气候变暖等一系列问题亟待解决.近年来以风能、水能、太阳能等清洁可持续利用的新型能源为核心的能源革命在全世界范围内兴起.全球风能理事会(GWE C)发布的 年全球海上风电报告指出,年中国连续第年成为海上风电新增装机容量最多的国家,海上风电新增装机容量占全球的.我国提出到 年,非化石能源占一次能源消费比重将达到 左右,风电、太阳能发电总装机容量将达到 k W以上;二氧化碳排放力争于 年前达到峰值,努力争取于 年前实现碳中和.这一系列措施进一步明确了新时代我国能源发展的方向.欧洲海上风电发展较早且较快,海上升压站基本由西门子、A B B等公司垄断,设计建造的海上升压站遍布世界各地.欧洲海上升压站的建设布置经验丰富,包括B a r r o w海上升压站、A l p h aV e n t u s海上升压站、B o r k u m W e s t I I海上升压站、H e l W i nA l p h a海上升压站等在内的各形式海上升压站能够满足不同风场规模发展的要求.我国的海上风电项目建设工作起步晚、发展快,中广核、华能等风电企业已有试验风场、示范项目等陆续开发并投入使用.但总体而言,国内风电企业在建及运行的多个海上升压站运行年限较短,海上升压站的布置设计的完整性、可靠性、安全性尚未经历长期运营的考验.电工技术新能源系统与设备 本文以超高压交流海上升压站的设计为例,考虑海上升压站总体布置配置,开展升压站总体结构布置设计,并综合考虑消防、舾装、暖通、逃生和安全疏散系统的设计,以达到海上升压站设计合理可行、运行安全可靠、维保方便快捷的目标.超高压交流海上升压站布置 海上升压站设计原则交流海上升压站的设计应符合相关法律法规和标准规范的要求,主要的技术与设计规范有:D L/T 风力发电场设计技术规范;G B/T 海上风力发电场设计规范;N B/T 风电场工程 k V k V海上升压变电站设计规范;D L/T 导体和电器选择设计技术规定;N B 风电场设计防火规范;D L/T 高压配电装置设计规范;G B 电力工程电缆设计规范;D L/T k V k V变电站设计技 术 规 程;D L/T 变 电 站 总 布 置 设 计 技 术 规程;G B 火力发电厂与变电站设计防 火 规 范;N B/T 风电场工程电气设计规范.超高压交流海上升压站布置原则海上升压站的总体布置应考虑海上风电场布置规划所处海域的自然条件,选取生产安全性高、施工难度低、环境影响度小、收益最大化的布置方案,以满足安全、消防、清洁的需要,避免海上升压站的易燃可燃物质造成失火风险,尽量避免生活污水、冷却油、固体废弃物等污染物造成环境污染.总图设计布置应依照相关施工规范与法律规定,在发生危险时,满足在保证人员安全的情况下尽可能限制危害程度和范围的要求.设备设施的布置应满足生产作业需求,为操作管理提供方便,避免影响巡检和逃生线路的畅通.应设置检修、维护及运输通道,平台四周设置设备运输走廊,内部设置一字形内走廊,相互连通,保证设备运输及人员疏散.电气设备布置应适应生产的要求,做到设备布局和空间利用紧凑、合理,为施工安装和运行维护创造条件.主要电气设备采用户内布置,主变及高压电抗器的散热部件采用户外布置.变压器及其对应的中低压设备分两个区域独立设置,避免相互间的影响,物理分隔提高系统运行的可靠性,缩短各设备间的电气连接(电缆),尽量避免交叉.空间高度要求高的设备,如G I S以及变压器,考虑布置在二层平台,上方设置吊装孔位置,方便吊装检修;空间高度要求较低而尺寸较大的设备,如柴油机等,考虑布置在三层平台,上方设置吊装孔位置,方便吊装检修;小型设备,如开关柜等,在对应平台层考虑检修通道,可通过甲板吊装区吊装到各层,通过检修通道运输到各设备房间.消防设备考虑漏水等不利因素,布置在二层平台,下方避免设置电气设备房间.为保障超高压交流海上升压站平台的持续安全运行,平台应设置滑轨、起吊设备、卸货平台等机械装置,预留足量空间和通道,以满足维护、检修、事故处理、设备更新的需求.海上升压站各层设备布置方法 各层布置规划海上升压站受限于整体运输尺寸,平面不能太大,故考虑共设置层.底层为电缆层,高中压海缆穿海缆保护管引上至本层后,采用电缆桥架和支吊架敷设至高中压设备;主变高中压电缆均敷设于本层;考虑高中压海缆的弯曲半径,同时考虑引上二层时钢梁的影响及封堵的需求,底层高度按 m考虑.二层布置重的设备,降低整个升压站的重心;布置空间高度要求高的设备,降低整个升压站的高度;考虑设备的高度、门的高度、门上方桥架和暖通管道的高度以及三层钢梁的高度,二层高度按m考虑.三层需考虑二层空间高度要求高的设备所需的空间,所剩空间不多,考虑布置小型的设备;考虑本层设备的高度以及二层空间高度要求高的设备所需的高度,三层高度按m考虑.顶层布置起吊设备及天线、空调室外机等需露天布置的设备.底层设备布置底层作为整个海上升压站的支撑层,设有大量斜撑.底层主要布置高中压电缆桥架以及高中压配电装置用控制电缆桥架;考虑到事故时油的自流需求,事故油罐布置在底层;考虑到逃生需求,逃生设施及休息室布置在底层;考虑到蓄电池及通信设备需靠近二次设备间,设备布置在二层二次设备间下方;考虑到吊装需求,底层设台小吊机.二层设备布置房间面积需求大的设备以及重的设备,包括主变、高压电抗器及高压配电装置,布置在升压站中间区域;主变及高压电抗器布置仅考虑正常的运行维护及检修,不单独设检修区域,油池大小按外轮廓线m以上设置;散热器为室外布置;升压站个主柱按这些房间的大小布置,间距考虑为 m m;中压配电装置布置在二层,方便海缆进线及与主变低压侧的电缆连接;二次设备间布置在二层,方便控制电缆与高中压配电装置的连接;消防设备考虑漏水等不利因素,布置在二层,下方避免设置电气设备房间.考虑逃生及运维需求,室内设一字形通道,室外设环形运维通道;考虑上述设备布置后,不考虑室外通道,升压站外尺寸为 m m.三层设备布置因二层的主设备包括主变、电抗器、k V配电装置及中压配电装置的空间高度要求较高,故三层大部分空新能源系统与设备电工技术间均为主设备的上空;考虑中压配电装置数量较多,其上空设行车方便设备安装检修;除主设备上空的空间外,其余所剩空间布置低压配电室、应急配电室、柴油机房及暖通机房;考虑逃生及运维需求,室内与二层一样设一字形通道,室外设环形运维通道.顶层设备布置顶层设有主设备检修孔盖板;设台可覆盖所有吊装区域的吊机;吊机覆盖区域外,布置天线等较高的设备.其他设计 结构海上升压站主要分为整体式和模块式两类,其优缺点对比见表.表整体式与模块式升压站优缺点对比种类整体式海上升压站模块式海上升压站结构采用上部组块和导管架基础需座 及 以 上 导 管 架 基 础,桩数量多施工陆上完 成 整 个 升 压 站 的 制 造、设备安装调试,海上整体吊装,船机要求高,但海上工序少,时间较短升压站 分 为 若 干 模 块,每 个 模块在陆 上 完 成 制 造、设 备 安 装调试,海 上 各 模 块 吊 装 及 焊 接连接;船机要求低,但海上作业工序多,时间较长电气各电气 功 能 区 布 置 紧 凑,单 层平台面积小,陆上组装完成,工序纯熟,设计周期较短各个模 块 平 面 铺 开 布 置,平 台面积大,且 每 个 模 块 在 车 间 内完成单 体 设 备 安 装、内 部 接 线及单体调试工作,但海上安装、调试周期长工程量工程量较小采用多 座 导 管 架 基 础,上 部 组块连接通道、分隔舱壁的设置,工程量较大基础结构主要有单桩式、重力式、高桩承台式、吸力式、导管架式五类.其中,单桩式结构具有施工简便、费用少的优点,但仅适用于上部结构不大的情况;重力式结构安装简便、投资少,但对海床表面地质要求高,仅适用于 m以下的浅海风场,上部结构重量较小的情况;高桩承台式结构对船机要求较小,可承受较重的上部结构,但是施工周期长,成本较高;吸力式结构可节省桩基,投资较少,但对止水、密封等要求较高,施工难度较大;导管架式结构适合各种水深与地质条件,可承受较重的上部结构,尽管工艺较复杂,但实用性更强.综上所述,海上升压站采用整体式布置,包括上部组块和下部基础结构.上部结构由立柱、甲板、梁格和斜撑组成.上部结构拟整体安装,即整个升压站包括其内部的电气设备在陆上建造、组装后整体运输和安装.基础结构采用导管架嵌套桩基础结构,导管架采用腿导管架型式,横撑、斜撑相互连接组成空间桁架,以加强导管架侧向刚度.导管架上设靠船构件、登船平台等附属构件.在海上升压站两侧沿导管架分别布置高中压海缆保护套管.保护套管固定在导管架上,上部延伸到一层甲板,下面伸到泥面处,采用电缆柔性保护限制器固定.上下部结构连接后形成多层空间整体桁架,有良好的刚度,更有利于抵抗水平荷载作用.舾装海上升压站按照无人值守设计,平台布置以满足工艺需要和逃生安全为主要原则,并设置卫生间、临时休息间,不考虑人员在此平台过夜的可能.升压站平台各层垂直水平疏散交通:底层设一斜梯下至登船平台,登船平台利用导管架顶部横梁布置,与靠船桩的爬梯相连;升压站底层设有一个通道通向登船平台斜梯,宽度不小于 m;底层、二层、三层、顶层均设有部室外疏散楼梯,楼梯直接从海上升压站底层直通顶层,宽度为 m,满足疏散通道要求;二层、三层均设有一条内走廊,宽度满足设备和人员疏散要求,走廊均采用个不同方向出口,主要防火区域均设有个出口,门窗均采用和墙相同的防火等级,所有防火门均向疏散方向开启;根据无人驻守平台的安全需要,配置救生筏、救生衣、救生圈等逃生、救生装备.舾装耐火分隔应根据各处所的重要程度和安全性要求,合理设置不同等级的耐火分隔:根据舱壁和甲板的耐火完整性表确定海上升压站耐火分隔均为A级分隔,海上升压站分隔舱壁和甲板均采用mm厚钢板以满足A级要求,可采用陶瓷棉或岩棉作为防火隔热材料;控制室、临时休息室等人员活动较多的场所和继保室、应急配电室、开关室等控制设备布置室,房间设置复合岩棉板衬板和天花板;主变室、柴油发电机室、蓄电池室、暖通用房、G I S室、动态无功补偿装置室等人员活动较少的场所,房间设置镀锌钢板衬板和天花板;电缆室、电缆井等仅检修时有人员进入的房间,要求耐火材料外包铝箔布.消防消防系统设计贯彻“预防为主,防消结合”方针,坚决执行国家有关消防设计规程、规范,针对海上工程的具体情况,积极采用先进防火技术和措施,做到保障安全、使用方便、经济合理,确保消防用电的可靠性,满足火灾时连续供电的需求.对重要的建筑物及设备,设计并安装火灾监测自动报警装置.对容易发生火灾的部位,除采取上述措施外,还考虑分隔、封堵等阻燃措施,防止火灾向邻近蔓延.海上升压站根据不同的保护对象采用高压细水雾灭火系统、惰性气体灭火系统、移动式灭火器等灭火措施.高压细水雾灭火系统具有良好的绝缘能力,喷放时有良好的雾化效果,具有水灭火和气体灭火双重优点,报警与灭火动作迅速,有效保护高危险场合和密闭空间,适用于主变、电抗室、柴油发电机、高压开关等设备或场所的火情,接地变及电阻柜、无功补偿设备、G I S电缆等也可通过高压细水雾灭火系统进行防护.惰性气体灭火系统适用于主变和高抗间外的大多数封闭空间,无毒无水,对设备电工技术新能源系统与设备 损坏小,应用于电气柜、柴油机等设备的防护.移动式灭火器的布置应避免潮湿和腐蚀,便于及时取用,分点布置,覆盖范围广.所有设备用房分别配备台手提式磷酸铵盐灭火器和台二氧化碳灭火器,对于B类及以上火情风险场所,加配具推车式泡沫灭火器.暖通随着技术的进步和生活水平的提高,海洋平台电气房间运行环境的温湿度要求也越来越被人们重视.为了防止海风进入房间,减轻对设备的腐蚀,通风空调系统采用正压送风系统和分体空调的方式.房间空调负荷由分体空调承担,正压送风系统保障房间压力高于室外,从而避免室内电气设备受海风腐蚀.考虑平台无人值班的特点,为保证各电器设备正常运行,通风空调系统的主要设备考虑 备用,发生故障时可自动切换.正压送风系统,维持房间正压 P a.新风经除盐雾、除湿、冷却等集中处理后送入各房间,房间正压值由余压阀控制.通信继保室、配电装置室等设置全年运行的空调系统;免维护蓄电池室设分体冷暖防爆空调降温系统.电气设备房间分设独立的事后排烟系统.排烟系统采用轴流风机.逃生和安全疏散系统海上升压站按无人平台设计,但特殊时段可能面临人员集聚情形,海上平台的空间局限性导致平台一旦发生事故,其带来的风险更严重,应充分考虑突发紧急安全事故时的人员疏散与逃生.在上部组块各层按对角方向设计个疏散集合区域和疏散通道,通道宽度为 m,采用部疏散楼梯将各层竖向连接在一起,距离高危风险设备最远处设置悬挂爬梯,串联各平台.各主要设备单元设个出口,采用防火门并向疏散方向开启,有防火要求的功能用房均采用乙级防火门,对外露的钢结构梁、柱、甲板采用防火涂层进行喷涂.底层个疏散通道通向登船平台,登乘地点和通往登乘地点的通道、楼梯以及出口设有足够的照明和应急照明.救生艇应能容纳平台总人数,且救生艇存放处所应具有足够的甲板面积供乘员集合登乘使用.底层爬梯处设立疏散集合区域,各集合区域和疏散通道内部墙壁配备气胀式救生筏、救生圈、可浮救生索、救生衣等设备,以备紧急情况下逃生使用.结语海上升压站需根据其环境特点和运行要求对各种设备进行合理配置,其设计应充分考虑其长期运行的安全性与可靠性.在总结前期已有设计经验的基础上,充分借鉴世界范围内已有海上升压站运行过程中的经验与教训,不断完善.本文以超高压交流海上升压站为例,研究海上升压站总体布置、配置及结构形式的设计,提出各部分设计方案,可对我国已规划的沿海所有海上风电场的海上风电升压站的设计制造和施工运营提供一定的参考.参考文献 王亚飞“双碳”目标下能源行业转型之路J合作经济与科技,():夏云峰 GWE C:年中国海上风电预计新增装机 GWJ风能,():任大伟,肖晋宇,侯金鸣,等双碳目标下我国新型电力系统的构建与演变研究J电网技术,():刘金全,吴永祥,李红有,等海上升压站总体布置方案及设计原则J船舶工程,(S):王建楹,张育超,武雪林,等 MW/k V海上升压站总体结构布置J船舶工程,(S):,胡斌,罗振宇海上风电升压站平台总体设计探讨J广东造船,():吴欠欠,何爱敏海上升压变电站设计及建造研究J机电信息,():卿启忠外海超大型升压站结构设计J铁道建筑技术,():周青,艾蒂斯海上风电升压站平台布置与舾装设计探究J武汉大学学报(工学版),(S):杨晓军海洋石油平台项目主要舾装材料简介J中国石油和化工标准与质量,():李国富建筑电气消防设计要点分析与总结J房地产世界,():黄毅风电工程海上升压站消防系统优化分析J水电与新能源,():蔡涛,许晓丽,杨伟欣,等高压细水雾在海上平台的应用J盐科学与化工,():侯辰光浅谈海洋平台电气设备散热J中国修船,():,贾媛,李凌方,耿凤康,等浅谈海上石油平台临时避难所设计J石油和化工设备,():新能源系统与设备电工技术