海上風(fēng)電場離岸升壓站關(guān)鍵技術(shù)研究

文 | 高宏飆，劉碧燕，羅雯雯

海上風(fēng)電場離岸升壓站關(guān)鍵技術(shù)研究

文 | 高宏飆，劉碧燕，羅雯雯

海上風(fēng)電場開發(fā)正趨向規(guī)模更大、水深更深、離岸更遠(yuǎn)的方向發(fā)展，對于容量較大且離陸地較遠(yuǎn)的海上風(fēng)電場，考慮到35kV電纜傳輸容量、電壓降、功率因數(shù)等問題，為提高運行經(jīng)濟(jì)性，需設(shè)立離岸升壓站。海上升壓站作為離岸型海上風(fēng)電項目的輸變電核心設(shè)施，出現(xiàn)故障電量損失巨大，而國內(nèi)海上升壓站建設(shè)剛起步，為確保全壽命可靠運行，亟待進(jìn)一步研究。

國內(nèi)外海上升壓站發(fā)展概況

歐洲海上風(fēng)電發(fā)展較早，近二十年積累了大量工程經(jīng)驗。海上變電站的結(jié)構(gòu)布局，從敞開式、到半敞開式、再到全封閉式；基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，有重力式、單管樁式、導(dǎo)管架式；輸電形式，從小容量、離岸近的交流輸電，到大容量、離岸遠(yuǎn)的柔性直流輸電。技術(shù)不斷升級，逐步適應(yīng)海上風(fēng)電場規(guī)模發(fā)展要求，總體建設(shè)及運行經(jīng)驗較成熟。

我國海上升壓站建設(shè)，總體上還處于起步階段，2015年10月到2016年12月期間，已建成4個海上升壓站。需在運行中檢驗設(shè)計布局和細(xì)節(jié)，積累施工和運維經(jīng)驗數(shù)據(jù)，借鑒國外設(shè)計與認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，積極開展相關(guān)研究，不斷總結(jié)、優(yōu)化，指導(dǎo)后續(xù)項目的建設(shè)。

海上升壓站的建設(shè)發(fā)展大致經(jīng)歷了3代：第一代，裝機(jī)規(guī)模20萬千瓦以下，交流輸電，單臺主變或單回海纜，代表工程有丹麥Horns Rev風(fēng)電場、英國Barrow風(fēng)電場、中廣核如東風(fēng)電場、大唐濱海風(fēng)電場、華能如東風(fēng)電場；第二代，裝機(jī)規(guī)模30萬千瓦至60萬千瓦，交流輸電，多臺主變或多回海纜，代表工程有英國Inner Gabbard風(fēng)電場和Galloper風(fēng)電場；第三代，柔性直流輸電，代表工程有德國Bardl風(fēng)電場。

國內(nèi)外典型海上升壓站，如表1所示。由表1可見：海上升壓站發(fā)展也是從簡到繁、從淺到深、從單樁到導(dǎo)管架，重量遞增。

海上升壓站設(shè)計、建設(shè)及運維關(guān)鍵問題

一、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

目前專門的海上升壓站標(biāo)準(zhǔn)主要為《Offshore Substations For Wind Farms》（DNV-OS-J201），該標(biāo)準(zhǔn)主要對防火、防爆、疏散逃生等提出原則性要求，細(xì)則主要借鑒海洋平臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如：《海上固定平臺安全規(guī)則》《淺海固定平臺建造檢驗規(guī)范》《海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造的推薦作法》（APIRP2A-WSD）；由于海上與陸上環(huán)境不同、海洋平臺和海上升壓站特點不同、國內(nèi)和國外標(biāo)準(zhǔn)適用性不同，給海上升壓站設(shè)計、施工帶來困擾，需深入研究。

表1 國內(nèi)外典型海上升壓站

二、海上升壓站結(jié)構(gòu)

海上升壓站結(jié)構(gòu)一般包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（下部結(jié)構(gòu)）和平臺結(jié)構(gòu)（上部結(jié)構(gòu)）?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)一般分為導(dǎo)管架式、單樁、重力式、自升式。平臺主要為鋼結(jié)構(gòu)，主要布置電氣設(shè)備。

目前國內(nèi)沒有成熟的海上升壓站設(shè)計規(guī)范，由于其平臺結(jié)構(gòu)形式、受力方式類似于海上石油平臺，因此在設(shè)計分析過程中，可參照海上石油平臺分析方法。

以某項目為例，場址水深14m，50年一遇波高7.8m，波周期8.4s，離岸20km，四層平臺，高20m，主結(jié)構(gòu)32.4×40m，總重2460t，如圖1。

電纜層以上的兩層封閉，頂部、側(cè)面結(jié)構(gòu)方便主變壓器更換時吊運。下部結(jié)構(gòu)為導(dǎo)管架，受力、拼裝與基礎(chǔ)導(dǎo)管架不同，吊裝運輸也相對復(fù)雜、要求更高。

（一）電氣設(shè)備布置

一層為電纜層及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層；二層為主變、GIS、高壓電抗器、35kV配電室、站用變、低電阻系統(tǒng)和繼電保護(hù)室；三層為動態(tài)無功補(bǔ)償、低壓、直流和通信室。并用tribon三維建模，查找電氣系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)、消防系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)備、管道、電纜及結(jié)構(gòu)的干涉問題，進(jìn)行優(yōu)化修改。

（二） 通風(fēng)設(shè)備與冷卻系統(tǒng)

海洋大氣環(huán)境具有高濕度、高鹽分的特點，為了給升壓站設(shè)備營造一個類似陸上的工作環(huán)境，設(shè)計通風(fēng)暖通系統(tǒng)，包括通風(fēng)裝置和加熱冷卻裝置，控制單元根據(jù)季節(jié)氣候的交替、主要設(shè)備層及排風(fēng)、送風(fēng)主通道的溫度和濕度變化，以及海上升壓站各主要機(jī)電設(shè)備的運行工況，對風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)等進(jìn)行控制，使空氣的溫濕度、流速及新鮮度、潔凈度等指標(biāo)符合要求。

1.GIS室、開關(guān)柜室事故排風(fēng)

在GIS室、開關(guān)柜室設(shè)置SF6氣體泄漏報警裝置，當(dāng)接收到SF6氣體泄漏信號后，啟動排機(jī)組排氣。

2.主變室應(yīng)急排風(fēng)系統(tǒng)

主變室屋頂設(shè)置應(yīng)急排機(jī)組，當(dāng)主變室空調(diào)器（包括備用空調(diào)器）均發(fā)生故障時，開啟應(yīng)急排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行排風(fēng)，排機(jī)組出口電動風(fēng)閥與機(jī)組聯(lián)鎖。

（三） 海上升壓站SCADA系統(tǒng)和通信系統(tǒng)

海上升壓站SCADA系統(tǒng)一般分成2個獨立的系統(tǒng)，1個為升壓站的監(jiān)控系統(tǒng)，另1個為風(fēng)電場本身的監(jiān)控系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)提供監(jiān)視所有不同設(shè)備的數(shù)字、模擬或總線傳輸?shù)男盘?，SCADA系統(tǒng)能適應(yīng)極限環(huán)境。SCADA功能：有編程工具，易形成帶有搜索和分類功能的歷史報告；能接收和儲存海上升壓站平臺所有監(jiān)控設(shè)備、消防報警數(shù)據(jù)，報警和事件、所選測量值的長期儲存，趨勢數(shù)據(jù)的儲存、報警分析及管理。

海上升壓站離岸距離遠(yuǎn)，風(fēng)大浪大，無線通信容易受到漫反射干擾而信號中斷頻繁。為保證海上通信的正常，網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)可通過海底光電復(fù)合海纜內(nèi)的光纖傳輸至陸上，并設(shè)光纜或衛(wèi)星通信作為備用。平臺局域網(wǎng)接至所有房間、無線電話收發(fā)器覆蓋所有室內(nèi)。安裝3臺甚高頻電臺，保證平臺上人員與服務(wù)供給船、直升機(jī)聯(lián)系和應(yīng)急呼叫，其中1臺在員工房間、2臺在可充電房間內(nèi)。

（四） 平臺救生裝置、逃生通道與集散區(qū)

圖1 海上升壓站結(jié)構(gòu)模型

圖2 穿艙件與斜撐干涉圖

海上升壓站平臺一般按照無人值守設(shè)計，允許少量運行檢修人員逗留，平臺上配備足夠數(shù)量的救生衣、救生圈、救生筏等，所有救生設(shè)備均需經(jīng)中國船級社認(rèn)可。

1.救生衣

按設(shè)置人數(shù)配備足夠帶有哨笛和救生衣燈的救生衣，救生衣存放位置易于達(dá)到和取用，并標(biāo)有醒目標(biāo)識；在不易取得救生衣及遠(yuǎn)離救生筏區(qū)域，也準(zhǔn)備足夠的救生衣；在救生筏、海上疏散系統(tǒng)上提供抗暴露服。

2.救生圈

配置足夠的救生圈，且標(biāo)明所屬平臺名，不少于一半的救生圈配置自亮浮燈，不少于2個救生圈配置有自亮浮燈和自亮煙霧信號，不少于2個分開放置的救生圈配置漂浮救生繩，繩索長度至少是甲板至水線距離的1.5倍或30米，二者取大；救生圈沿甲板邊緣布置，在危險區(qū)外。

3.逃生通道和逃生路線指示燈

在設(shè)計中通過疏散分析對逃生路線進(jìn)行評估，識別和消除危險點：如在逃生過程中的各種擁擠可能，救援隊伍逆人流前進(jìn)等；確保逃生通道足夠可靠，逃生路踐、集合站、登陸站或救生筏不會因偶然事件而不能使用。

對可能定期或臨時住人的任何區(qū)域至少有2條逃生通道，通向甲板或登船點；每個設(shè)備空間如主要電氣設(shè)備，有2條主要逃生通道，且通行便捷、沒有障礙、沿途門都能便捷打開；主要逃生通道或樓梯，凈寬不小于1m，高度不小于2.1m，有醒目標(biāo)志、顯示逃生方向。逃生通道沿線無有毒煙氣、致命熱載、熱液體或墜物。所有門都能一人開啟，門均向逃生方向開啟，且不妨礙外側(cè)逃生通道。

逃生路線指示燈，除生活區(qū)外，都安裝在甲板逃生路線、拐角和叉路口，由應(yīng)急電源供電。

逃生集合點根據(jù)在有組織和有效安排下疏散的實際人數(shù)設(shè)置，并考慮擔(dān)架運送傷員要求；位于救生船登陸點，或通向救生船或主要逃生通道的保護(hù)區(qū)域；有應(yīng)急照明，廣播、報警和通信系統(tǒng)，能在危險時立即警告和引導(dǎo)人員。在主要逃生集合點配備：2部便攜式無線電發(fā)報裝置，廣播裝備、啟動應(yīng)急裝置關(guān)閉的裝備，安裝在逃生集合點附近，廣播、報警和應(yīng)急通信系統(tǒng)由應(yīng)急發(fā)電機(jī)、UPS供電。

（五）消防系統(tǒng)

海上升壓站離岸遠(yuǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，主要靠自救。平臺上安裝一套自動火災(zāi)探測、報警系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)，火災(zāi)報警系統(tǒng)集成在SCADA和通訊系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中。

1.火災(zāi)探測

根據(jù)不同火災(zāi)監(jiān)測設(shè)備和范圍類型，安裝一定數(shù)量的不同類型的探測器。感煙器安裝在DNV-OS-J201海上升壓站標(biāo)準(zhǔn)推薦的每一個空間，感煙探測器符合DS/EN54-7 和DS/EN54-12標(biāo)準(zhǔn)，安裝后應(yīng)進(jìn)行不同條件下的煙檢測試驗。在備用柴油發(fā)電機(jī)房和車間等房間，惰性氣體應(yīng)能覆蓋，并安裝感溫探測器?；鹧嫣綔y器安裝在屋外區(qū)域，如主變散熱器區(qū)域和柴油儲存區(qū)，火焰探測器符合DS/EN54-10標(biāo)準(zhǔn)。手報的火災(zāi)報警應(yīng)布置在沒有安裝惰性氣體或噴淋手動釋放點的通達(dá)/逃生路徑上，手動惰性氣體釋放按鈕安裝在惰性氣體覆蓋的房間外，手動噴淋釋放按鈕應(yīng)布置在噴淋覆蓋區(qū)域附近。

2.火災(zāi)報警

報警音響器應(yīng)布置在整個平臺，確保在所有地點的室內(nèi)和室外均能聽到。當(dāng)惰性氣體將釋放或已釋放時，火災(zāi)報警應(yīng)能聽到。惰性氣體覆蓋的房間，應(yīng)安裝1個黃色出逃閃光引導(dǎo)燈，在惰性氣體釋放前黃色閃光燈閃30秒，警示在區(qū)域人員。

3.滅火系統(tǒng)（見表2）

三、海洋腐蝕與防腐

海上升壓站所處于海水、鹽霧的苛刻海洋腐蝕環(huán)境，電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致鋼構(gòu)強(qiáng)度、電氣設(shè)備性能降低。

（一）設(shè)備防腐蝕措施

1.主要采用密封、隔離腐蝕源的防腐，設(shè)備部件安裝位置由室外改為室內(nèi)，顯著降低腐蝕，例如門鉸鏈（圖3）。

表2 消防滅火系統(tǒng)類型

2.將海上升壓站電氣設(shè)備布置在封閉的空間內(nèi)。

3.散熱量極大的主變壓器。

（1）采用“海水、冷卻水、變壓器油”二級熱交換的閉式循環(huán)水冷系統(tǒng)，避免了與鹽霧接觸帶來的腐蝕。

（2）選用GIT系統(tǒng)（圖4），采用六氟化硫氣體絕緣，敞開式布置。

（3）主變壓器本體及油枕、中性點設(shè)備為戶內(nèi)布置；散熱器及油管為戶外布置，密封式變壓器沒有呼吸器和膠囊式儲油罐，通過容量可變的散熱器（圖5），散熱器需通過5000次以上伸縮疲勞試驗，解決熱脹冷縮絕緣油體積的變化，變壓器油不能吸收外界水分，因而不會降低絕緣度，氧氣、鹽霧沒法進(jìn)入油箱，避免了腐蝕。同時散熱器可伸縮的設(shè)計要求，不宜使用鍍鋅防腐，采用電泳漆層防腐，涂層厚度既滿足防腐要求，又滿足散熱效果。

（二） 結(jié)構(gòu)腐蝕及保護(hù)

海生物的污損，如藤壺、苔蘚蟲、石灰蟲和海藻等，對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕影響較大。由于污損層的不滲透性和外污損層中嗜氧菌的呼吸作用，使鋼結(jié)構(gòu)表面形成缺氧環(huán)境，引起氧濃差腐蝕。

采用PTC包覆防腐蝕系統(tǒng)，大于25年防腐蝕保護(hù)壽命，且服役壽命周期內(nèi)免維護(hù)。

海上升壓站施工

一、升壓站主體施工方案

主體施工，按施工區(qū)水深，可采用不同的施工方案：

1.整體吊裝式：傳統(tǒng)施工方法，拼裝完成后，采用海上大型浮吊進(jìn)行吊裝。

2.浮運自升式：類似自升式平臺，升壓站平臺（帶4根樁腿），浮運至現(xiàn)場，插腿，抬升至設(shè)計標(biāo)高。

3.浮拖法：先沉樁，平底駁船裝載升壓站平臺浮運至現(xiàn)場，乘高潮位將駁船插入樁位中間，退潮時將平臺擱支在樁上，抽出駁船，完成安裝。

二、 導(dǎo)管架式海上升壓站施工

1.岸上制作

具體包括：鋼管樁制作、導(dǎo)管架制造與總裝（圖6）、上部組塊制造與總裝、舾裝及設(shè)備安裝。

2.導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工

施工流程：鋼結(jié)構(gòu)運輸→導(dǎo)管架沉放、調(diào)平→鋼管樁沉樁施工→鋼管樁、導(dǎo)管架連接調(diào)平與灌漿。

圖3 高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)

圖4 室內(nèi)門鉸鏈（左）、室外門鉸鏈（右）

圖5 GIT系統(tǒng)

圖6 封閉式變壓器上容量可變的散熱器

3.上部組塊吊裝（圖8）

為保護(hù)升壓站內(nèi)部預(yù)組裝完成的電氣設(shè)備，正式起吊前需試吊，控制吊裝上部組塊柱底部的水平和豎向加速度（不大于0.2g），采用重力加速度測量儀，對吊裝時水平和豎向加速度實時監(jiān)測。

圖7 導(dǎo)管架制造與總裝

圖8 上部組塊制造與總裝

圖9 上部組塊吊裝

海上升壓站運行及維護(hù)

海上升壓站采用小船進(jìn)行人員運送，小船可在浪高為1.2m以下行駛，可以將超過3噸的貨物裝卸到機(jī)組平臺。預(yù)計在前10年每個機(jī)組每年需維護(hù)性訪問2次；隨機(jī)組服役時間增長，故障和下海維護(hù)次數(shù)將增加。對機(jī)組24小時遠(yuǎn)程監(jiān)控。一天中14個小時保持兩艘船待命以運送工作人員解決小問題（冬天有一艘）。

結(jié)論

海上升壓站的設(shè)計、制作、運輸、安裝、運行維護(hù)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，在海上都會付出數(shù)倍的代價。本文通過借鑒國外經(jīng)驗，結(jié)合國內(nèi)施工能力，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，為海上升壓站經(jīng)濟(jì)、可靠建設(shè)及運行提供良好的工程指導(dǎo)。

（作者單位：江蘇海上龍源風(fēng)力發(fā)電有限公司）