海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)總體設(shè)計(jì)探討

胡斌　羅振宇

摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹了海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)總體設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)選用、導(dǎo)管架形式、甲板高程計(jì)算、上部模塊平面布置、靠船設(shè)施設(shè)計(jì)等內(nèi)容，重點(diǎn)分析了模塊平面布置設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電升壓站；導(dǎo)管架平臺(tái)；平面布置；

中圖分類(lèi)號(hào)：U663.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)對(duì)海洋資源的利用，風(fēng)電電力工程設(shè)計(jì)和建造由傳統(tǒng)陸域擴(kuò)展到海洋。由于海上風(fēng)電機(jī)組離岸較遠(yuǎn)（通常都超過(guò)10 km），為了保障電能有效輸送，通常在海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)群附近設(shè)置海上升壓站平臺(tái)，將風(fēng)機(jī)所發(fā)電能的電壓升至110 kV或220 kV，再通過(guò)海底高壓電纜送至岸上的變電站，經(jīng)過(guò)配電送到用戶(hù)。

海上升壓站平臺(tái)通常為無(wú)人值班平臺(tái)，其管理和控制一般由陸上的集控中心通過(guò)遙控進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)海上升壓站平臺(tái)、陸域變電站、管理監(jiān)控中心進(jìn)行科學(xué)合理規(guī)劃布置，可以減少風(fēng)電場(chǎng)登陸海纜敷設(shè)長(zhǎng)度和用海面積，縮短作業(yè)周期，節(jié)約工程投資，減少對(duì)海洋環(huán)境的影響。

海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)總體設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到其功能的發(fā)揮，關(guān)系到安全性、可操作性以及建造作業(yè)成本等。因此，設(shè)計(jì)師應(yīng)綜合運(yùn)用各種專(zhuān)門(mén)知識(shí)，包括制造工藝與建筑美學(xué)，使各個(gè)組成部分能充分發(fā)揮應(yīng)有的功能。本文針對(duì)由廣東電力設(shè)計(jì)研究院和廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合完成的海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行分析探討。

2 主要技術(shù)要求

本文海上風(fēng)電升壓站主要針對(duì)擬建的陽(yáng)江沙扒海上風(fēng)電場(chǎng)（離岸25 km、水深超過(guò)20 m），其采用導(dǎo)管架平臺(tái)形式，設(shè)計(jì)容量為220 kV、300 MW，共布置兩臺(tái)主變壓器，設(shè)計(jì)壽命不小于25年。

3 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

下面從規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的選取、甲板高程、導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形式、平面布置等方面對(duì)海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)設(shè)計(jì)與建造工程跨越海洋工程和電力工程兩個(gè)行業(yè)，設(shè)計(jì)建造使用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范必須安全合理。作為海上風(fēng)電工程重要設(shè)施的海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)，首先應(yīng)滿(mǎn)足電力行業(yè)升壓站相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求；但海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)作為中國(guó)海域內(nèi)的固定式海上設(shè)施，還應(yīng)滿(mǎn)足中國(guó)海事局《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》的相關(guān)規(guī)定。

按照國(guó)際慣例，大型的海洋工程項(xiàng)目一般需申請(qǐng)船級(jí)社的第三方入級(jí)檢驗(yàn)并購(gòu)買(mǎi)相關(guān)保險(xiǎn)。目前我國(guó)還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)海上風(fēng)電升壓站的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，但是挪威船級(jí)社有專(zhuān)門(mén)的海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)DNV-OS-J201。該標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)海上風(fēng)電升壓站的安全評(píng)價(jià)、總布置原則、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、防火防爆設(shè)計(jì)、登乘和補(bǔ)給、緊急響應(yīng)、建造、服役期檢查和維修等內(nèi)容進(jìn)行描述。因此，海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)最好是申請(qǐng)船級(jí)社入級(jí)，如果運(yùn)營(yíng)成本有限也建議按DNV-OS-J201標(biāo)準(zhǔn)申請(qǐng)第三方的設(shè)計(jì)建造檢驗(yàn)。

3.2 上部模塊尺度和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形式

上部模塊的尺度受到主要設(shè)備外形的影響，也關(guān)系到導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)形式，因此其尺度應(yīng)根據(jù)主要設(shè)備如主變壓器、主變散熱器、GIS設(shè)備、高壓配電板等設(shè)備的外形進(jìn)行論證確定。根據(jù)收集的國(guó)內(nèi)外升壓站平臺(tái)上部模塊尺度資料，結(jié)合本升壓站電氣專(zhuān)業(yè)要求的空間，初步確定本升壓站平臺(tái)的上部模塊尺度為30 mx30 m，可較好的滿(mǎn)足布置要求。

導(dǎo)管架連接上部模塊和海底樁基，常用導(dǎo)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(shí)需根據(jù)上部模塊尺度、布設(shè)海域波浪、海底底質(zhì)等因素綜合考慮確定。目前，國(guó)內(nèi)的采油平臺(tái)使用的導(dǎo)管架一般為四樁腿或八樁腿桁架式導(dǎo)管架，但海上風(fēng)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(wěn)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(jīng)濟(jì)性較差。而升壓站接近正方形的甲板平面布置時(shí)，工藝布置和空間利用均比較合理，因此使用四樁腿式導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致波浪沖擊下層甲板產(chǎn)生巨大的波浪力，故應(yīng)根據(jù)《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算選取。

一般平臺(tái)最下層甲板應(yīng)處于設(shè)計(jì)環(huán)境條件時(shí)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(huán)境資料提供的一般為有義波高，計(jì)算時(shí)應(yīng)換算為最大波高，否則將會(huì)導(dǎo)致甲板高程偏低。經(jīng)計(jì)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(tái)的甲板高程對(duì)比，表明本平臺(tái)的高程基本合理。

3.4 上部模塊平面布置

海上風(fēng)電升壓站上部模塊上布置有配電裝置、二次設(shè)備、電抗器、主變壓器及散熱器、GIS配電設(shè)備等；還有配套的站用變電及配電系統(tǒng)、應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等公用系統(tǒng)。海上風(fēng)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(fēng)浪流的影響、靠船及補(bǔ)給的方便性以及建造安裝的特殊性等問(wèn)題。因此，如何通過(guò)合理的布置保證其安全性和功能的實(shí)現(xiàn)是平面布置的首要問(wèn)題：

（1）平面布置應(yīng)把握電氣主變電系統(tǒng)、公用系統(tǒng)、直升機(jī)平臺(tái)、臨時(shí)用房等主要幾大塊關(guān)系。主變電系統(tǒng)是平面布置的核心，而主變壓器又是變電系統(tǒng)的核心，故應(yīng)將主變壓器布置在平臺(tái)的中心位置，而配套的散熱器、35 kV配電設(shè)備、GIS設(shè)備、其他公用設(shè)備等將圍繞主變壓器布置；

（2）平面布置應(yīng)特別關(guān)注防火防爆的安全，主變壓器集油罐、公用系統(tǒng)的柴油罐、蓄電池室及其出入口和通風(fēng)口等區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū)，布置上應(yīng)盡量遠(yuǎn)離含有引火源和引爆源的區(qū)域；不同功能的設(shè)備特別是主變壓器、站用變及接地變壓器、應(yīng)急電源等，應(yīng)分區(qū)布置并用防火隔壁進(jìn)行分隔，保證系統(tǒng)的冗余度；

（3）平面布置時(shí)應(yīng)充分利用主風(fēng)向，使危險(xiǎn)區(qū)逸出的可燃?xì)怏w進(jìn)入含有引爆源區(qū)域的可能性減至最低；臨時(shí)生活間應(yīng)布置于上風(fēng)向，當(dāng)萬(wàn)一發(fā)生火災(zāi)或爆炸時(shí)，不應(yīng)使煙氣帶入避難和登艇處所；平面布置時(shí)還應(yīng)考慮主導(dǎo)流向，靠船及護(hù)舷設(shè)施布置在運(yùn)維船靠泊有利的流向上。

根據(jù)以上安全布置原則，在上部模塊一甲板上風(fēng)側(cè)布置滿(mǎn)足臨時(shí)駐守要求的生活用房、備品備件間，下風(fēng)側(cè)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(gè)角落分別布置站用變及接地變室（共兩個(gè)）、柴油發(fā)電機(jī)變電室及消防設(shè)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(shè)備，四個(gè)角部布置有電抗器室、消防器材間和蓄電池室、應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)、備用柴油發(fā)電機(jī)等，另在配電室上部布置二次設(shè)備間；頂甲板布置有吊機(jī)、消防淡水箱及直升機(jī)甲板。其中，二甲板的典型平面布置如圖1。

3.5 靠船設(shè)施及靠船方式

導(dǎo)管架平臺(tái)必須考慮維修時(shí)靠船的方便性和安全性。靠船設(shè)施包括靠船護(hù)舷和登船平臺(tái)，其設(shè)計(jì)由靠泊船舶噸位和適用的靠泊方式?jīng)Q定。靠泊方式由作業(yè)任務(wù)、泊位狀態(tài)、船舶性能、貨載配置、環(huán)境載荷、船員狀況、信息資料等方面因素決定。海上風(fēng)電升壓站的靠泊作業(yè)任務(wù)主要是人員登乘平臺(tái)和物資的補(bǔ)給，而靠泊船舶的貨載配置、環(huán)境限制條件、船員狀況和信息資料等需要通過(guò)營(yíng)運(yùn)管理來(lái)控制。在設(shè)計(jì)時(shí)為了平臺(tái)安全，基于目前風(fēng)電運(yùn)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(jìn)器的船舶可根據(jù)實(shí)際情況選用船首靠泊、船尾靠泊和平靠等方式，其他船舶應(yīng)使用平靠或不拋錨不帶纜跟蹤靠泊?？坎创膰嵨患翱坎捶绞酱_定后即可進(jìn)行靠船設(shè)施的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了海上風(fēng)電升壓站平臺(tái)的甲板高程、導(dǎo)管架、總布置、靠船設(shè)施設(shè)計(jì)等，還有防火區(qū)劃分、直升機(jī)甲板布置等限于篇幅不再展開(kāi)。海上風(fēng)電升壓站的平面布置是項(xiàng)目成功的關(guān)鍵，希望本文的總結(jié)分析對(duì)后續(xù)的海上升壓站設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有一定的參考作用。

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