大規(guī)模電化學(xué)儲能電站的裝配式技術(shù)研究

李 杰 儲方舟 季 鵬

(1.中國能源建設(shè)集團江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 210000；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇 南京 210000； 3.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

0 引言

儲能是通過特定的裝置或物理介質(zhì)將不同形式的能量通過不同方式儲存起來，以便在需要時利用的技術(shù)。目前，儲能方式主要分為機械儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能和相變儲能等四類[1]。當(dāng)前能源發(fā)展，要求儲能方式具有投資少、效率高、維護簡單、使用安全等優(yōu)點，針對上述要求，電化學(xué)儲能從四大儲能方式中脫穎而出，逐漸成為主流研究方向。目前，以電化學(xué)儲能為代表的新型儲能技術(shù)已經(jīng)進入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用階段，如何實現(xiàn)快速高效的建成電化學(xué)儲能電站工程，盡早實現(xiàn)并網(wǎng)投產(chǎn)，成為儲能電站建設(shè)工程亟待解決的問題。

自2013年上海建造國內(nèi)第一個裝配式變電站以來，裝配式變電站的建設(shè)取得了令人滿意的發(fā)展，僅2018年在全國范圍內(nèi)就相繼建成了110 kV變電站達數(shù)十座，但目前國內(nèi)對于裝配式儲能電站建設(shè)方法的研究較少，行業(yè)內(nèi)沒有統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)程或規(guī)范。

本文通過蘇州昆山儲能電站裝配式設(shè)計和施工方案，從工程建造的角度剖析裝配式儲能電站的設(shè)計和施工方法，希望以此能為國內(nèi)儲能電站的后續(xù)建設(shè)和形成統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提供思路和啟發(fā)。

1 工程概況

為提升蘇州昆山電網(wǎng)接納可再生能源能力，服務(wù)綠色能源轉(zhuǎn)型，考慮在蘇州已退役的220 kV昆山變建設(shè)昆山儲能電站，規(guī)劃于2019年年底投運。蘇州昆山儲能電站建設(shè)規(guī)模為110.88 MW/193.6 MWh，儲能電池采用半戶內(nèi)全預(yù)制艙布置，單體容量目前為全國第一，在電化學(xué)儲能領(lǐng)域具有標(biāo)志性的意義。

該儲能電站擬建站址位于蘇州昆山市火車南站西南側(cè)約900 m的退役昆山220 kV變電站內(nèi)，廟燈路南側(cè)，中環(huán)西路東側(cè)。擬建站址面積20 813 m2。

2 昆山儲能電站裝配式建設(shè)方案

2.1 儲能電站預(yù)制設(shè)計方案

2.1.1儲能電池艙基礎(chǔ)預(yù)制設(shè)計

把整個儲能電池集裝箱基礎(chǔ)拆成U型模塊，整個基礎(chǔ)分為兩種模塊，模塊1是邊部帶側(cè)板的U型模板，模塊2是中部無側(cè)板的U型模塊。模塊1重量約為10 t，模塊2重量約為7.5 t。模塊與模塊之間的連接方式采用承插口形式，在截面中部采用膩子復(fù)合橡膠密封條，通過預(yù)應(yīng)力鋼筋鎖緊裝置壓緊。節(jié)與節(jié)外側(cè)采用雙組分聚硫密封膠密封，內(nèi)側(cè)采用改性硅酮密封膠沿內(nèi)側(cè)一圈封堵，與膩子復(fù)合橡膠密封條一起形成兩道防水。具體如圖1所示。

2.1.2預(yù)制防火墻設(shè)計

根據(jù)GB 50016—2014建筑設(shè)計防火規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定，該工程中，兩個電池組基礎(chǔ)之間需要采用防火墻隔離，防火墻長度為14.2 m，高度為4.0 m，厚度0.3 m，墻厚度需要滿足耐火極限3 h要求。

采用預(yù)制整體式鋼筋混凝土T型構(gòu)件，單個構(gòu)件的重量約為9 t，寬度在2 m左右。板與板的連接采用陰陽榫連接，表面板縫采用耐候膠勾縫。儲能電池艙防火墻拆分如圖2所示。

2.1.3預(yù)制電纜溝設(shè)計

混凝土預(yù)制電纜溝，分為地面和地下兩種。具有施工工藝簡單、可工廠標(biāo)準(zhǔn)化制作，工期短，減少現(xiàn)場濕作業(yè)和冬季施工不利影響等優(yōu)點。同時，由于電纜溝在工廠內(nèi)分段預(yù)制，相比較現(xiàn)澆混凝土電纜溝而言，外觀質(zhì)量、平整度、混凝土色差等質(zhì)量問題更容易得到控制。與儲能電池艙基礎(chǔ)相同的是，模塊與模塊之間的連接方式同樣采用承插口形式，在截面中部采用膩子復(fù)合橡膠密封條，通過預(yù)應(yīng)力鋼筋鎖緊裝置壓緊。

2.2 儲能電站預(yù)制施工方案

2.2.1施工步驟

預(yù)制構(gòu)件、安裝用材料及配件等應(yīng)符合產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)手冊的規(guī)定，并按照GB/T 51231—2016裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進行進場驗收。安裝施工前，應(yīng)進行測量放線、設(shè)置構(gòu)件安裝定位標(biāo)識。測量放線應(yīng)符合GB 50026—2007工程測量規(guī)范中的有關(guān)規(guī)定。預(yù)制構(gòu)件吊裝就位后，應(yīng)及時校準(zhǔn)并采取臨時固定措施，并應(yīng)符合GB 50666—2011混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定。具體要求如下：

1)準(zhǔn)備工作：施工放線定位定標(biāo)高，基槽開挖并清理，砂石墊層處理淺層地基，澆筑墊層。

2)產(chǎn)品運輸及吊卸：產(chǎn)品高寬及重量均未超出常規(guī)運輸要求，所以可以采用正常運輸工具及方法運輸。按照現(xiàn)場吊裝半徑，選擇適合噸位的汽車吊或履帶吊施工。

3)產(chǎn)品拼裝：按預(yù)先編號逐個吊入基槽，將構(gòu)件逐個平整對位。

4)檢查調(diào)整各構(gòu)件連通性，平整性，在構(gòu)件端面的膠圈槽內(nèi)按要求黏貼膠圈。

5)連接各構(gòu)件：內(nèi)側(cè)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋鎖緊節(jié)段，壓緊膠圈；外側(cè)采用螺栓連接各構(gòu)件。

6)打密封膠：內(nèi)側(cè)拼縫采用改性硅酮密封膠沿內(nèi)側(cè)一圈封堵，外側(cè)拼縫采用雙組分聚硫密封膏嵌實。

7)回填土：用素土分層夯實基槽空隙。

2.2.2拼縫防水做法

本工程拼縫處防水采用膩子復(fù)合橡膠密封條加改性硅酮密封膠組成兩道防水體系。由于膩子復(fù)合橡膠密封條位置在構(gòu)件的端面上，所以需要通過預(yù)應(yīng)力鎖緊裝置壓密實。具體要求如下：

1)為防止不均勻沉降，若地基承載力較差，需要對地基進行處理，并且加厚墊層。

2)在構(gòu)件端面膠圈槽位置黏貼膠圈，拼接時采用預(yù)壓應(yīng)力壓實膠圈，達到防水效果。

3)外側(cè)拼縫采用雙組分聚硫密封膠嵌縫。

4)內(nèi)側(cè)拼縫采用改性硅酮密封膠嵌縫。

拼縫形式為柔性連接，對不均勻沉降有一部分抵抗作用。

2.2.3預(yù)制構(gòu)件防腐做法

本工程采用玻璃鋼對預(yù)制構(gòu)件表面纏繞包裹的方法進行防護，工程所在地?zé)o凍脹作用，取玻璃鋼厚度為3 mm，可以抵抗較強腐蝕。玻璃鋼外裹預(yù)制構(gòu)件只是防腐的其中一個方案，為了達到更好的防腐效果，對鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件自身的材料組成作出針對抗腐蝕的優(yōu)化，提高預(yù)制構(gòu)件本身的抗腐蝕能力。本工程的鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件采用混凝土等級不小于C35，保護層厚度不小于50 mm，水灰比不大于0.4，水泥品種選用普通硅酸鹽水泥，并添加礦渣微細(xì)粉。同時，在配制混凝土的過程中摻入防腐劑、鋼筋阻銹劑，以此達到提高鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件自身抗腐蝕能力。

3 儲能裝配式與傳統(tǒng)現(xiàn)澆的比較

3.1 技術(shù)經(jīng)濟比較

為使本工程施工方案的技術(shù)經(jīng)濟性更趨合理、設(shè)計方案更加優(yōu)化，本節(jié)分別從人工、工期及造價方面開展了儲能建設(shè)裝配式與傳統(tǒng)現(xiàn)澆的技術(shù)經(jīng)濟比較工作，具體比較分析見表1～表3。

表1 人工對比(1個集裝箱基礎(chǔ))

表2 養(yǎng)護周期對比

表3 造價對比 元

通過以上兩種方案對比，可得出以下結(jié)論：

1)現(xiàn)澆方案運用較為傳統(tǒng)，對施工環(huán)境適應(yīng)效果較好，但對于儲能電站施工周期要求如此之高的情況下難度較大。在工程所在位置，帶來的污染影響也是較大，后期施工存在較大不確定性，容易造成較大的浪費，且工程質(zhì)量難以控制。

2)對比初始投資而言，裝配式地下基礎(chǔ)成本相較于傳統(tǒng)現(xiàn)澆基礎(chǔ)增加了700元/m3，優(yōu)勢并不明顯；但從人工成本的角度來看，降低了90%的人工費用，因而預(yù)制裝配式地下基礎(chǔ)能大幅度減少作業(yè)時間，提高了勞動效率。

3)預(yù)制構(gòu)件一次性投資的模板及模具均可反復(fù)使用，如后期江蘇省電網(wǎng)側(cè)儲能電站工程大規(guī)模開展且設(shè)計實現(xiàn)模塊化，全壽命周期內(nèi)成本可大幅度降低。

3.2 環(huán)境影響和社會效益比較

3.2.1環(huán)境影響比較

傳統(tǒng)現(xiàn)澆在施工過程中會產(chǎn)生大量的揚塵和較高的噪聲，同時不可避免的濕作業(yè)使施工現(xiàn)場十分泥濘且觀感極差。裝配式作業(yè)避免了大量的濕作業(yè)，現(xiàn)場更加整潔，噪聲得到非常有效的控制，施工過程也更加高效。可見，裝配式作業(yè)相比較于傳統(tǒng)現(xiàn)澆作業(yè)更符合環(huán)境友好的理念。

3.2.2社會效益比較

裝配式是新興的施工方式，國內(nèi)相較于國外起步晚，但依托于我國工程建設(shè)的龐大體量，自2016年國務(wù)院印發(fā)關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見之后，鋪開速度迅猛。裝配式儲能電站作為新興裝配式建設(shè)浪潮中的一員，在設(shè)計、改造、擴建、施工等方面都存在待研究的空白。儲能電站的裝配式建設(shè)有助于擴充我國裝配式建設(shè)的技術(shù)寶庫，提高我國裝配式建設(shè)水平在國際上的話語權(quán)。

4 結(jié)語

本文針對全國最大單體容量電化學(xué)儲能工程——蘇州昆山儲能電站項目展開研究，儲能電站的裝配式建設(shè)目前在國內(nèi)的研究較少，本文通過提出該儲能電站的預(yù)制設(shè)計方案、具體的施工過程和細(xì)節(jié)做法，同時從經(jīng)濟的角度對比裝配式與傳統(tǒng)現(xiàn)澆兩種施工方案，最終總結(jié)得到裝配式儲能電站的優(yōu)越性，并旨在為今后裝配式儲電站的建設(shè)提供參考和思路。

同時，本文通過對昆山儲能電站的建設(shè)分析提出一些對未來裝配式儲能電站的思考和展望：

1)儲能電站的選址和定容需要兼顧長遠(yuǎn)經(jīng)濟效益和建設(shè)難度兩方面，希望今后有較為完善合理的選址和定容方法，形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2)國內(nèi)目前尚無規(guī)范針對不同的裝機容量對裝配式構(gòu)件的設(shè)計和施工方法作出規(guī)定，尚未形成統(tǒng)一的設(shè)計和施工標(biāo)準(zhǔn)，希望今后能夠有通用的設(shè)計方案以滿足設(shè)計和施工的深度協(xié)同。