智能變電站新型復(fù)合材料預(yù)制艙技術(shù)研究

供稿/國網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 李俊 茍旭丹 李松濤許繼集團(tuán) 張永峰

智能變電站新型復(fù)合材料預(yù)制艙技術(shù)研究

供稿/國網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 李俊 茍旭丹 李松濤許繼集團(tuán) 張永峰

隨著智能變電站的大面積推廣，預(yù)制艙作為其核心設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。由于預(yù)制艙艙體需要適應(yīng)更復(fù)雜、苛刻的條件，其防腐和使用壽命問題尤為重要。本文對智能變電站預(yù)制艙的材料、框架結(jié)構(gòu)和受力情況進(jìn)行了深入分析，結(jié)合仿真分析手段，設(shè)計出一種新型復(fù)合材料預(yù)制艙，并根據(jù)仿真分析結(jié)果進(jìn)行多次調(diào)整，最終完成了智能變電站預(yù)制艙框架實(shí)施方案，解決了預(yù)制艙在腐蝕環(huán)境下的耐腐蝕性問題并延長整個艙體的使用壽命，為智能變電站預(yù)制艙解決了一項(xiàng)科技難題。

一、引言

預(yù)制艙是國網(wǎng)新型預(yù)裝式智能變電站的核心設(shè)備。目前，國家做出建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的重大決策，加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，全力突破發(fā)展中的資源環(huán)境瓶頸。這一轉(zhuǎn)變對電力工業(yè)發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響，變電站建設(shè)模式必須向減少土地占用、降低造價、縮短建設(shè)周期、與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)以及提高運(yùn)行可靠性的模式發(fā)展。因此國網(wǎng)推出了具有極大優(yōu)越性的整站預(yù)制式生產(chǎn)模式，并且從2014年開始，每年投入上百億資金建設(shè)幾百座變電站。所以開展預(yù)制艙關(guān)鍵技術(shù)的研究具有十分重大的意義。

預(yù)制艙采用鋼結(jié)構(gòu)箱房，艙內(nèi)根據(jù)需要配置消防、安防、暖通、照明、通信、智能輔助控制系統(tǒng)及集中配線架（艙）等輔助設(shè)施。其環(huán)境應(yīng)滿足變電站二次設(shè)備運(yùn)行條件及變電站運(yùn)行調(diào)試人員現(xiàn)場作業(yè)要求。

由于預(yù)制艙需要代替原來變電站中的二次基建房屋使用，因此艙體設(shè)計的最大難題是防腐和使用壽命，國網(wǎng)在預(yù)制艙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中明確要求使用壽命為40年。在沿海、靠近化工廠等腐蝕條件惡劣的環(huán)境中，此項(xiàng)要求很難達(dá)到。

二、現(xiàn)有預(yù)制艙防腐壽命方面措施

現(xiàn)有預(yù)制艙多采用鋼結(jié)構(gòu)廂房，通過重防腐噴涂來抵御外界腐蝕。由于鋼結(jié)構(gòu)廂房存在大量焊接結(jié)構(gòu)，焊接后會出現(xiàn)大量飛濺、焊渣、氣孔和虛焊等現(xiàn)象，而在噴砂、打磨、除油和處理過程中也難以完全消除不良隱患。噴涂過程中依然會出現(xiàn)流掛、漏刷、針孔、氣泡以及薄厚不均勻等缺陷，缺陷處都為后期發(fā)生腐蝕的聚集點(diǎn)。因此鋼結(jié)構(gòu)廂房很難實(shí)現(xiàn)40年使用壽命的要求。

所以開展其他新型材料艙體的研究,對于預(yù)制艙今后的發(fā)展、應(yīng)用及推廣具有非常重要的意義。

三、新型復(fù)合材料預(yù)制艙研究

玻璃鋼具有優(yōu)異的力學(xué)性能和超強(qiáng)的耐腐蝕能力，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電發(fā)電葉片，游艇等產(chǎn)品。因此，預(yù)制艙采用玻璃鋼復(fù)合材料，可以充分滿足艙體的力學(xué)及防腐要求。本文將就玻璃鋼復(fù)合材料預(yù)制艙力學(xué)性能進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計與研究，并通過SOLODWORKS進(jìn)行仿真、驗(yàn)證，以提高設(shè)計的準(zhǔn)確性與可靠性。

1．預(yù)制艙結(jié)構(gòu)研究

預(yù)制艙底部采用16號重型槽鋼，排布后整體焊接而成。槽鋼上部鋪設(shè)20mm厚水泥纖維板，滿足4KN/m2承重性能參數(shù)。底部水泥纖維板與艙底密封，避免水汽由底部進(jìn)入艙內(nèi)。艙體底部設(shè)置4個可抽拉式起吊軸，起吊軸滿足艙體滿負(fù)荷承重下起吊要求。

艙體前、后、左、右墻板及頂板內(nèi)外蒙皮采用一次成型的5mm玻璃鋼單板，內(nèi)部采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板多道折彎焊接作為骨架，中間填充40mm聚氨酯保溫材料，保證艙體承重與保溫要求。

由于艙體尺寸太大無法進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)和檢測，所以通過新型的電子仿真分析手段——SOLIDWORKS軟件進(jìn)行分析，既能快速有效的仿真分析，又能較為準(zhǔn)確的得到結(jié)論，為產(chǎn)品設(shè)計提供優(yōu)化設(shè)計的方向。

2.艙體力學(xué)仿真分析

（1）模型簡化。

玻璃鋼預(yù)制艙總重量約13.5t，底座材料采用16#槽鋼拼焊而成，艙體四周立柱采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板多道折彎焊接成骨架，艙體采用兩側(cè)四點(diǎn)吊裝，吊點(diǎn)間水平距離7m。在SOLIDWORKS軟件中，通過一系列的模型簡化和處理，簡化模型如圖1所示。

圖1 玻璃鋼預(yù)制艙簡化模型

（2）網(wǎng)格劃分。

網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解精度、求解收斂性和求解速度。細(xì)化網(wǎng)格可以使計算結(jié)果更精確，但是會增加CPU計算時間、需要更大的存儲空間。因此，網(wǎng)格劃分時需要權(quán)衡計算成本和細(xì)化網(wǎng)格之間的矛盾。借助SOLIDWORKS Simulation，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2、3所示，共有192498個有限元網(wǎng)格單元，有936615個有限元節(jié)點(diǎn)。

（3）工況仿真。

根據(jù)GB 17467—2010《高壓/低壓預(yù)裝式變電站》和GB/T 11022—2011《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》對預(yù)裝式變電站的技術(shù)要求，預(yù)裝式變電站的外殼應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，并應(yīng)耐受以下的負(fù)荷。

圖2 預(yù)制艙網(wǎng)格劃分

圖3 網(wǎng)格劃分局部細(xì)節(jié)

（a）頂部負(fù)荷：最小值為2500N/M2（豎向負(fù)荷或其他負(fù)荷）。

（b）雪（覆冰）負(fù)荷：覆冰厚度20mm（惡劣情況）。

（c）風(fēng)速不超過34m/s（相當(dāng)于圓柱表面上的700Pa）。

本次預(yù)制艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度力學(xué)仿真分析主要從預(yù)制艙的正面承壓12級風(fēng)、頂部承載兩種工況進(jìn)行有限元分析，計算出零部件應(yīng)力、位移的分布圖，給產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

十二級風(fēng)工況分析：風(fēng)速34m/s，風(fēng)壓力0.75KN/ m2。根據(jù)GB/T 4797.5—2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境條件分類自然環(huán)境條件降水和風(fēng)》標(biāo)準(zhǔn)文件的4.4節(jié)中表3和GB/T 11022—2011《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)文件的2.2.2節(jié)，預(yù)制艙在工作環(huán)境中最大受風(fēng)風(fēng)力為12級，即風(fēng)速不超過34m/s（相應(yīng)于圓柱表面上的700Pa）。

12級風(fēng)工況下預(yù)制艙強(qiáng)度仿真計算的位移、應(yīng)力云圖如圖7、8所示。結(jié)果表明，最大變形發(fā)生在艙體立柱中上部位置，最大變形為2.18mm，零部件的最大應(yīng)力為373.2MPa，結(jié)構(gòu)抗風(fēng)壓安全性較高。

艙頂覆冰工況分析：（GB/T 11022—2011要求）。根據(jù)GB 17467—2010第5.13節(jié)要求，預(yù)裝式變電站外殼應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，所能耐受的頂部負(fù)荷最小值為2500N/m2（豎負(fù)荷或其他負(fù)荷）。由于覆冰20mm產(chǎn)生的壓力（200N/m2）遠(yuǎn)小于國標(biāo)規(guī)定的頂部負(fù)荷最小值，本次力學(xué)仿真分析時采用國標(biāo)規(guī)定負(fù)荷值，即2500N/m2。

圖4 12級風(fēng)工況下位移云圖

圖5 12級風(fēng)工況下應(yīng)力云圖

圖6頂部載荷約束圖

艙頂覆冰工況下預(yù)制艙強(qiáng)度仿真計算的位移、應(yīng)力云圖如圖7、8所示。結(jié)果表明，艙體進(jìn)行吊裝時，最大位移變形位于頂部焊接支撐板中間位置，最大變形為1.5099mm，零部件受力應(yīng)力小于50MPa（最大應(yīng)力為110.14MPa），艙體能夠滿足國標(biāo)規(guī)定的頂部負(fù)荷要求。

圖7頂部負(fù)荷工況下位移云圖

圖8頂部負(fù)荷工況下應(yīng)力云圖

（4）仿真分析。

艙體豎向立柱及頂蓋橫梁較密，因此艙體在豎直方向具有良好的力學(xué)性能，如在頂部載荷、雪載情況下。但在艙體橫向受力情況下，艙體安全系數(shù)一般，如在12級風(fēng)工況下預(yù)制艙強(qiáng)度仿真計算的位移、應(yīng)力云圖如圖4、5所示，最大變形發(fā)生在艙體立柱中上部位置，最大變形為2.18mm，零部件的最大應(yīng)力為373.2MPa，結(jié)構(gòu)抗風(fēng)壓安全性一般。

按照仿真分析結(jié)果，在后期設(shè)計中將艙體立柱中間增焊一排水平矩形管，以加強(qiáng)立柱框架的整體穩(wěn)定性，同時頂蓋四角也采用采用電焊機(jī)滿焊形式以提高框架強(qiáng)度。

四、結(jié)語

由于智能變電站預(yù)制艙艙體需要適應(yīng)更復(fù)雜、苛刻的條件要求，而艙體又尺寸太大無法進(jìn)行承重、載荷及抗震實(shí)驗(yàn)。通過SOLIDWORKS可以進(jìn)行仿真分析，可以對設(shè)計進(jìn)行校核，并發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的受力薄弱點(diǎn)，不斷地對艙體性能進(jìn)行優(yōu)化提升。

本研究提出了一種新型復(fù)合材料在預(yù)制艙上的應(yīng)用，并重點(diǎn)研究、分析了框架力學(xué)性能，及通過仿真分析，改進(jìn)了框架結(jié)構(gòu)，完整設(shè)計了一種新的框架結(jié)構(gòu)。通過這一系列的客觀研究得出兩點(diǎn)結(jié)論。

（1）框架的結(jié)構(gòu)形式對框架的力學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用。

（2）焊接形式對提高局部力學(xué)性能有著重要作用。

此次研究缺乏對預(yù)制艙抗震力學(xué)性能的仿真分析與驗(yàn)證，后續(xù)可以通過添加地震波進(jìn)行動態(tài)力學(xué)分析。