外海超大型升壓站結構設計

卿啟忠

(中國鐵建港航局集團有限公司 廣東珠海 519000)

1 引言

隨著世界油氣資源供應日趨緊張，世界各國均將目光投向了蘊含豐富風能資源的廣袤海洋。為了加大對海上風能的利用，探索開發(fā)利用海上風能也成為當前我國在新能源領域的主要研究方向[1]。作為海上風力發(fā)電場的“心臟”，海上升壓站擔負著電力集中、電力送出、設備保護、監(jiān)視控制等重任，其結構十分復雜。

2 工程概況

大連市莊河海上風電場址Ⅳ1(350 MW)項目場區(qū)中心離岸35.2 km，原泥面標高-28.5 m，水深達30 m，風電場配套建設一座220 kV海上升壓站。施工海域地質條件較復雜，且受潮汐、波浪等惡劣海況影響較為嚴重。本文結合開闊海域各種工況對升壓站進行結構分析，并對施工階段及正常運行階段進行受力分析，確保升壓站在整個使用壽命周期的運行安全。

3 海上升壓站結構設計

3.1 海上升壓站上部組塊選型(見表1)

由表1可知，在施工環(huán)境條件、船機設備、工期均需滿足的前提下，擬采用整體式海上升壓站[2]。

3.2 海上升壓站基礎選型(見表2)

表2 海上升壓站基礎對比

由表2可知，導管架式作為本工程海上升壓站的基礎方案[3]。

3.3 海上升壓站總體方案

220 kV海上升壓站結構共由3部分組成:樁基礎、導管架、上部組塊，其中樁基礎與導管架套筒采用灌漿連接，上部組塊與導管架采用焊接連接。

導管架頂標高+15.0 m，底標高-29.0 m。主導管采用φ1.5-1.8 m鋼管，在標高+11.0 m及-27.0 m處設水平拉筋 φ1.0 m鋼管及斜拉筋φ1.0 m鋼管，導管架局部節(jié)點用鋼材EH36-Z35加強。導管架上設靠船構件、登船平臺等附屬構件，導管架約重1 354.4 t。

鋼管樁采用4根φ2.8 m鋼管樁，壁厚45～60 mm，樁長52.75 m，樁頂高程-16.75 m，樁底高程-69.5 m，泥面標高約-28.5 m，樁入泥約41.0 m，以粉砂層為樁基持力層。

海上升壓站上部組塊共3層，第一層布置消防泵房、水箱間、臨時休息室、油罐室等設備，根據設備高度要求及電纜敷設要求，層高6.5 m；第二層布置主變、開關室、低壓配電室、應急配電室、GIS室、高壓電抗器室和二次設備室，層高5.5 m；第三層為暖通機房、通信繼保室、中控室、蓄電池室和柴油機房，層高5.0 m；屋頂層設置空調室外機、氣象觀測站、激光測風雷達、避雷針、通訊天線及主變檢修孔，設有直升機平臺，布置額定吊重5 t的懸臂吊。上部組塊整體尺寸為58.2 m×52.2 m×21.5 m，重約 3 650.8 t，升壓站結構型式如圖1所示。

圖1 升壓站結構

3.4 海上升壓站結構設計

3.4.1 海上升壓站防潮高程確定[4]

根據《風電場工程110 kV～220 kV海上升壓變電站設計規(guī)范》(NB/T 31115—2017)第4.0.12條，海上升壓站底板甲板上表面高程應符合式(1):

式中，H為極端高潮位，取3.57 m；Hb為極端高潮位的最大波高，取11.65 m；D為安全氣隙高度，取2.67 m；Hl為底層甲板高度，取1 m。

T＝3.57+2/3×11.65+2.67+1＝15 m

故升壓站底板上表面高程定位+15 m。

3.4.2 各工況下升壓站適應能力分析[5]

海上升壓站結構計算采用有限元計算軟件，鋼管樁、導管架和上部結構的支柱、撐桿和梁采用梁單元，鋼管樁和地基土采用p-y曲線法，對結構受力、變形及地基土屈服特性進行了詳細計算分析。

(1)樁基承載力驗算[6]

軸向抗壓極限承載力API規(guī)范建議，單樁軸向抗壓極限承載力Qd可按式(2)估算，并應考慮樁內土芯閉塞效應的影響。

式中，Qf為樁側摩阻力(kN)；Qp為樁端總承載力(kN)；f為單位樁側摩阻力(kPa)；As為樁側表面積(m2)；q為單位樁端承載力(kPa)；Ap為樁端總面積(m2)。

樁基正常工況容許承載力為0.7倍的極限承載力，極端工況和地震工況容許承載力為0.8倍的極限承載力，同時地震工況時考慮液化土的折減。升壓站基礎鋼管樁外徑2.8 m，壁厚40～60 mm，長度52.75 m，樁端進入粉砂層，進行海上升壓站樁基承載力計算[7]，計算結果如表3所示。

表3 樁基承載力計算結果[8]

結果分析表明:樁基承載力滿足設計要求。

(2)海上升壓站模態(tài)分析[9]

海上升壓站一階頻率考慮避開波浪頻率范圍，以有限元對海上升壓站整體系統(tǒng)進行瞬時模態(tài)動態(tài)分析，經計算其整體系統(tǒng)一階頻率為0.678 Hz。其中模態(tài)分析首先進行海上升壓站結構樁基線性化，然后以升壓站結構重量、附加重量、設備重量和活荷載轉化為質量，最后進行模態(tài)分析[10]，海上升壓站1～6階振型圖如圖2所示。

圖2 海上升壓站1～6階振型圖

本工程海上升壓站海域波浪重現期5～100年一遇的波浪波峰周期為6.04～8.87 s，相應波浪振動頻率為0.113～0.166 Hz。從成果看出，系統(tǒng)固有頻率與波浪振動頻率相差較大，故海上升壓站運行時不會與波浪荷載發(fā)生共振。

(3)海上升壓站應力計算結果

①正常工況應力

正常工況下，海上升壓站考慮整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定系數后，各主要桿件的材料應力如圖3所示。

圖3 正常工況UC云圖

結果分析:樁基礎最大UC值0.381；導管架立桿最大UC值0.436，水平桿最大UC值0.186，斜撐最大UC值2.245；上部結構立桿最大UC值0.410，斜撐最大UC值0.559，主梁最大UC值0.714，均滿足設計要求。

②極端工況應力

極端控制工況下，海上升壓站考慮整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定系數后，各主要桿件的材料應力如圖4所示。

圖4 極端工況UC云圖

結果分析:樁基礎最大UC值0.551；導管架立桿最大UC值0.548，水平桿最大UC值0.226，斜撐最大UC值0.326；上部結構立桿最大UC值0.596，斜撐最大UC值0.711，主梁最大UC值0.913，均滿足設計要求。

③地震工況應力

地震工況下，海上升壓站考慮整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定系數后，各主要桿件的材料應力如圖5所示。

圖5 地震工況UC云圖

結果分析:導管架立桿最大UC值0.506，水平桿最大UC值0.213，斜撐最大UC值0.276；上部結構立桿最大UC值0.462，斜撐最大UC值0.574，主梁最大UC值0.869，均滿足設計要求。

④安裝工況應力

上部組塊安裝工況假定在四個主柱子上各設置一個吊點，吊繩與垂直夾角小于 5°。安裝工況(海上或陸上整體吊裝)下，海上升壓站考慮整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定系數后，各主要桿件的材料應力如圖6所示。

圖6 安裝工況UC云圖

結果分析:上部結構立桿最大UC值0.70，斜撐最大UC值0.86，主梁最大UC值0.98，均滿足設計要求。

(4)海上升壓站結構變形計算結果

正常工況下，海上升壓站各主要桿件的位移和允許變形如表4所示。

表4 正常工況結構變形計算結果

結果分析:樁基礎、導管架、上部結構的各桿件的位移和允許變形均滿足設計要求。

(5)疲勞計算結果

海上升壓站空間鋼結構型式難免在管節(jié)點處存在較高的應力集中情況，在設備荷載、波浪、海流等循環(huán)往復荷載作用下，管節(jié)點處的應力集中現象影響到接頭的疲勞強度，本工程海上升壓站結構疲勞設計的壽命年限為28年[11]，計算結果如表5所示。

表5 海上升壓站結構關鍵部位疲勞損傷計算結果

從整體疲勞分析計算結果來看，升壓站樁基礎-泥面處、導管架-撐桿和上部組塊-立柱處的疲勞壽命均大于280年(28×10)。綜上所述，海上升壓站結構滿足疲勞設計要求。

(6)冰荷載影響計算結果[12]

根據莊河海域冰荷載數據情況，建立有限元模型，對升壓站平臺進行整體分析。

①靜冰力作用下平臺結構響應

從表6可以看出，在四種工況下的極值靜冰力的作用，結構的最大位移、應力較小，滿足要求。

表6 極值冰力作用下平臺結構的響應

②動冰力作用下平臺結構響應(見表7)

表7 動冰力作用下平臺結構響應

從表7可以看出，動冰力作用下平臺結構響應，滿足要求。

4 結束語

風電產業(yè)作為全球最為熱門的可再生清潔能源發(fā)電產業(yè)之一，對國家的經濟發(fā)展和社會進步都具有舉足輕重的作用。本文設計研究的外海超大型海上升壓站更是風電產業(yè)中的核心技術，目前已成功在華能大連市莊河海上風電場址Ⅳ1(350 MW)項目實施。該設計方案的應用對后續(xù)海上升壓站提供了可靠的技術支持，在保證結構安全運行的前提下，提高了經濟效益，為發(fā)展風電產業(yè)作出一定的貢獻。