海上風電升壓站平臺總體設計探討

胡斌　羅振宇

摘 要：本文簡要介紹了海上風電升壓站平臺總體設計中的標準選用、導管架形式、甲板高程計算、上部模塊平面布置、靠船設施設計等內容，重點分析了模塊平面布置設計應遵循的原則

關鍵詞：海上風電升壓站；導管架平臺；平面布置；

中圖分類號：U663.31 文獻標識碼：A

Abstract： The selection of the standards and rules，jacket platform forms， deck elevation calculation， the upper deck module layout， access and transfer facilities for the general arrangement of the offshore substation are briefly introduced，and the principles for the general arrangement of it are analyzed and emphasized.

Key words： Offshore substation； Jacket platform；General arrangement；

1 前言

隨著我國對海洋資源的利用，風電電力工程設計和建造由傳統陸域擴展到海洋。由于海上風電機組離岸較遠（通常都超過10 km），為了保障電能有效輸送，通常在海上風電風機群附近設置海上升壓站平臺，將風機所發電能的電壓升至110 kV或220 kV，再通過海底高壓電纜送至岸上的變電站，經過配電送到用戶。

海上升壓站平臺通常為無人值班平臺，其管理和控制一般由陸上的集控中心通過遙控進行監控。對海上升壓站平臺、陸域變電站、管理監控中心進行科學合理規劃布置，可以減少風電場登陸海纜敷設長度和用海面積，縮短作業周期，節約工程投資，減少對海洋環境的影響。

海上風電升壓站平臺總體設計的優劣直接關系到其功能的發揮，關系到安全性、可操作性以及建造作業成本等。因此，設計師應綜合運用各種專門知識，包括制造工藝與建筑美學，使各個組成部分能充分發揮應有的功能。本文針對由廣東電力設計研究院和廣州船舶及海洋工程設計研究院聯合完成的海上風電升壓站平臺總體設計進行分析探討。

2 主要技術要求

本文海上風電升壓站主要針對擬建的陽江沙扒海上風電場（離岸25 km、水深超過20 m），其采用導管架平臺形式，設計容量為220 kV、300 MW，共布置兩臺主變壓器，設計壽命不小于25年。

3 平臺總體設計

下面從規范與標準的選取、甲板高程、導管架結構形式、平面布置等方面對海上風電升壓站平臺設計進行論述。

3.1 標準與規范

海上風電升壓站平臺設計與建造工程跨越海洋工程和電力工程兩個行業，設計建造使用的標準規范必須安全合理。作為海上風電工程重要設施的海上風電升壓站平臺，首先應滿足電力行業升壓站相關標準和規范的要求；但海上風電升壓站平臺作為中國海域內的固定式海上設施，還應滿足中國海事局《海上固定平臺安全規則》的相關規定。

按照國際慣例，大型的海洋工程項目一般需申請船級社的第三方入級檢驗并購買相關保險。目前我國還沒有專門針對海上風電升壓站的規范標準，但是挪威船級社有專門的海上風電場設計標準DNV-OS-J201。該標準主要針對海上風電升壓站的安全評價、總布置原則、結構設計、電氣設計、防火防爆設計、登乘和補給、緊急響應、建造、服役期檢查和維修等內容進行描述。因此，海上風電升壓站平臺最好是申請船級社入級，如果運營成本有限也建議按DNV-OS-J201標準申請第三方的設計建造檢驗。

3.2 上部模塊尺度和導管架結構形式

上部模塊的尺度受到主要設備外形的影響，也關系到導管架的結構形式，因此其尺度應根據主要設備如主變壓器、主變散熱器、GIS設備、高壓配電板等設備的外形進行論證確定。根據收集的國內外升壓站平臺上部模塊尺度資料，結合本升壓站電氣專業要求的空間，初步確定本升壓站平臺的上部模塊尺度為30 mx30 m，可較好的滿足布置要求。

導管架連接上部模塊和海底樁基，常用導管架一般有單立柱、三樁腿、四樁腿、八樁腿等形式，具體選擇時需根據上部模塊尺度、布設海域波浪、海底底質等因素綜合考慮確定。目前，國內的采油平臺使用的導管架一般為四樁腿或八樁腿桁架式導管架，但海上風電升壓站特別是150 MW以下的升壓站，由于上部模塊甲板面積不大，也有采用單立柱式。本海上升壓站的上部模塊甲板尺度為30 m×30 m，如果選擇單立柱形式，雖然穩定性和防撞安全性有所提高，但其立柱直徑太大、鋼材用量大，立柱受到的波浪力也大，經濟性較差。而升壓站接近正方形的甲板平面布置時，工藝布置和空間利用均比較合理，因此使用四樁腿式導管架較為適宜。

3.3上部模塊甲板高程

甲板高程指上部模塊最下層甲板距海平面的距離，其高度不足將會導致波浪沖擊下層甲板產生巨大的波浪力，故應根據《海上固定平臺安全規則》的規定進行計算選取。

一般平臺最下層甲板應處于設計環境條件時潮汐與波浪最不利組合情況下的最大波峰高程以上，并留有至少1.5 m的間隙。需要注意的是，環境資料提供的一般為有義波高，計算時應換算為最大波高，否則將會導致甲板高程偏低。經計算本升壓站的高程約19.0 m，與表1列出的南海海域主要固定式平臺的甲板高程對比，表明本平臺的高程基本合理。

3.4 上部模塊平面布置

海上風電升壓站上部模塊上布置有配電裝置、二次設備、電抗器、主變壓器及散熱器、GIS配電設備等；還有配套的站用變電及配電系統、應急柴油發電機系統、消防系統、通風系統、通信系統等公用系統。海上風電升壓站不能完全照搬陸地升壓站平面布置，要考慮海上風浪流的影響、靠船及補給的方便性以及建造安裝的特殊性等問題。因此，如何通過合理的布置保證其安全性和功能的實現是平面布置的首要問題：

（1）平面布置應把握電氣主變電系統、公用系統、直升機平臺、臨時用房等主要幾大塊關系。主變電系統是平面布置的核心，而主變壓器又是變電系統的核心，故應將主變壓器布置在平臺的中心位置，而配套的散熱器、35 kV配電設備、GIS設備、其他公用設備等將圍繞主變壓器布置；

（2）平面布置應特別關注防火防爆的安全，主變壓器集油罐、公用系統的柴油罐、蓄電池室及其出入口和通風口等區域為危險區，布置上應盡量遠離含有引火源和引爆源的區域；不同功能的設備特別是主變壓器、站用變及接地變壓器、應急電源等，應分區布置并用防火隔壁進行分隔，保證系統的冗余度；

（3）平面布置時應充分利用主風向，使危險區逸出的可燃氣體進入含有引爆源區域的可能性減至最低；臨時生活間應布置于上風向，當萬一發生火災或爆炸時，不應使煙氣帶入避難和登艇處所；平面布置時還應考慮主導流向，靠船及護舷設施布置在運維船靠泊有利的流向上。

根據以上安全布置原則，在上部模塊一甲板上風側布置滿足臨時駐守要求的生活用房、備品備件間，下風側布置柴油罐和冷卻油罐；二甲板中部依次布置有35 kV配電室、主變室及主變散熱器、 220 kV的GIS室，四個角落分別布置站用變及接地變室（共兩個）、柴油發電機變電室及消防設備間；三甲板中部仍為二甲板貫通至本層的主變壓器和GIS設備，四個角部布置有電抗器室、消防器材間和蓄電池室、應急柴油發電機、備用柴油發電機等，另在配電室上部布置二次設備間；頂甲板布置有吊機、消防淡水箱及直升機甲板。其中，二甲板的典型平面布置如圖1。

3.5 靠船設施及靠船方式

導管架平臺必須考慮維修時靠船的方便性和安全性。靠船設施包括靠船護舷和登船平臺，其設計由靠泊船舶噸位和適用的靠泊方式決定。靠泊方式由作業任務、泊位狀態、船舶性能、貨載配置、環境載荷、船員狀況、信息資料等方面因素決定。海上風電升壓站的靠泊作業任務主要是人員登乘平臺和物資的補給，而靠泊船舶的貨載配置、環境限制條件、船員狀況和信息資料等需要通過營運管理來控制。在設計時為了平臺安全，基于目前風電運維船的尺寸、噸位和操作性能，建議排水量小于300 t具有雙推進器的船舶可根據實際情況選用船首靠泊、船尾靠泊和平靠等方式，其他船舶應使用平靠或不拋錨不帶纜跟蹤靠泊。靠泊船的噸位及靠泊方式確定后即可進行靠船設施的設計。

4 結語

本文簡要介紹了海上風電升壓站平臺的甲板高程、導管架、總布置、靠船設施設計等，還有防火區劃分、直升機甲板布置等限于篇幅不再展開。海上風電升壓站的平面布置是項目成功的關鍵，希望本文的總結分析對后續的海上升壓站設計開發具有一定的參考作用。

參考文獻

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