變電工程模塊化建設(shè)的研究與探討

徐劍佩，許 慧，張冰淇

(浙江省送變電工程有限公司，浙江 杭州 310016)

0 引言

近年來(lái)，在“寧讓電等發(fā)展，不讓發(fā)展等電”的要求下，浙江電網(wǎng)一直以年均新擴(kuò)建百座110 kV 及以上變電站的規(guī)模進(jìn)行建設(shè)。如何高質(zhì)高效建成一座變電站，一直是電力人努力探索的方向。傳統(tǒng)的變電工程施工模式面臨著時(shí)間緊張、成本控制、工程質(zhì)量管理、環(huán)境保護(hù)、產(chǎn)業(yè)工人減少等一系列挑戰(zhàn)。因此，尋求一種能夠提高施工效率、降低成本并確保工程質(zhì)量的新模式顯得尤為重要[1]。模塊化建設(shè)(包括模塊化設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝、維護(hù)等)作為一種新型工程建設(shè)模式，已在其他行業(yè)取得一定成效。通過(guò)將復(fù)雜項(xiàng)目劃分為相對(duì)獨(dú)立的模塊，可以將設(shè)計(jì)、制造、裝配等環(huán)節(jié)進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)并行作業(yè)和快速安裝，不僅可以提高施工效率，還能減少人力資源浪費(fèi)，降低材料損耗，提升工程質(zhì)量。

1 實(shí)施背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，變電工程建設(shè)面臨著工程規(guī)模大、建設(shè)周期短、質(zhì)量要求高、成本管控高等要求，傳統(tǒng)的建設(shè)模式已難以滿足市場(chǎng)和社會(huì)需求。為提高變電工程建設(shè)的質(zhì)量和效率，實(shí)現(xiàn)變電工程的綠色發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)，借鑒其他行業(yè)的成熟經(jīng)驗(yàn)并采用社會(huì)現(xiàn)有的建筑制成品，結(jié)合變電工程特點(diǎn)及地域特色，逐步采用模塊化建設(shè)將成為一種新趨勢(shì)。

2022 年，國(guó)家電網(wǎng)公司提出“六精四化”基建工作要求，在工程建設(shè)上實(shí)施“四化”建設(shè)，以標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)、綠色化為方向、模塊化為方式、智能化為內(nèi)涵，全面推進(jìn)“價(jià)值追求更高、方式手段更新、質(zhì)量效率更優(yōu)”的高質(zhì)量建設(shè)。其中，模塊化建設(shè)是變電工程中最具創(chuàng)新性和前瞻性的一種基建形式，是實(shí)現(xiàn)變電工程智能化和綠色化的重要途徑。變電站模塊化建設(shè)是指將變電站中各個(gè)功能部件按照一定規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)在工廠內(nèi)預(yù)制成標(biāo)準(zhǔn)化或定制化的模塊單元，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝、安裝和調(diào)試的一種建設(shè)形式，其具有施工周期短、占地面積小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行維護(hù)方便等特點(diǎn)，是適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的一種高效節(jié)能的變電站建設(shè)解決方案。

2 變電工程模塊化建設(shè)相關(guān)概念

2.1 模塊化系列概念

模塊化觀點(diǎn)最早應(yīng)用于計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)，每個(gè)模塊完成一個(gè)特定的子功能，所有的模塊按某種方法組裝起成為整體，完成系統(tǒng)所要求的功能。

相應(yīng)的，對(duì)工程建設(shè)模塊化應(yīng)用而言，相關(guān)概念可作如下闡述。

1) 模塊。在工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，模塊是可組合、分解和更換的單元。其可以是一個(gè)部件、一個(gè)設(shè)備、一個(gè)系統(tǒng)或一個(gè)子系統(tǒng)，具有相對(duì)獨(dú)立的功能和結(jié)構(gòu)，且可與其他模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口進(jìn)行連接和交換[2]。

2) 模塊化。模塊化是將復(fù)雜工程建設(shè)系統(tǒng)分解為更好的可組裝模塊的一種方式。模塊化可通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的功能分析和結(jié)構(gòu)分解，設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過(guò)模塊的選擇和組合構(gòu)成不同的工程構(gòu)造，以滿足工程的不同功能需求和應(yīng)用條件。

3) 模塊化施工。通過(guò)對(duì)不同組件設(shè)定不同功能，把一個(gè)工程問(wèn)題分解成多個(gè)小的獨(dú)立的互相作用的組件，通過(guò)機(jī)械化施工、模塊化安裝來(lái)完成復(fù)雜的大型的工程建設(shè)。模塊化建設(shè)可實(shí)現(xiàn)工程各個(gè)模塊的標(biāo)準(zhǔn)化、批量化、工廠化制造和裝配式、機(jī)械化安裝，提高施工效率和質(zhì)量，縮短施工周期。

4) 模塊化設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)是指基于對(duì)工程一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過(guò)模塊的選擇和組合構(gòu)成不同產(chǎn)品，以滿足現(xiàn)場(chǎng)不同施工需求的設(shè)計(jì)方法。模塊化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)工程各個(gè)模塊的相對(duì)獨(dú)立性、互換性、通用性等特征，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，縮短設(shè)計(jì)周期[3]。

2.2 模塊化建設(shè)的規(guī)律

2.2.1 模塊化建設(shè)原則及其特征

通過(guò)近五年的實(shí)踐、研究，逐步梳理并總結(jié)了模塊化建設(shè)的五大特征。

1) 特征一：“少量化”，即盡量以最少量的標(biāo)準(zhǔn)模塊組成盡可能多的產(chǎn)品形態(tài)，同時(shí)保證產(chǎn)品精度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，模塊間的聯(lián)系盡可能簡(jiǎn)單。

2) 特征二：“系列化”，即以有限的產(chǎn)品品種和規(guī)格，最大限度但又經(jīng)濟(jì)合理地滿足工程建設(shè)的需求。

3) 特征三：“獨(dú)立性”，即允許對(duì)模塊進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、修改和調(diào)整，方便不同的專業(yè)化企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)。

4) 特征四：“互換性”，即統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化模塊接口的結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)，使得模塊之間可以輕松互換，以滿足更多不同產(chǎn)品的功能需求。

5) 特征五：“通用性”，即有助于實(shí)現(xiàn)橫向和縱向產(chǎn)品系列之間模塊的通用性以及跨系列產(chǎn)品之間模塊的通用性。

2.2.2 模塊化與“四化”的聯(lián)系

新調(diào)整的“四化”(標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化、綠色化、智能化)，與模塊化有著密切的聯(lián)系，即模塊化是“四化”的載體與表象，而“四化”是模塊化的起點(diǎn)與落腳點(diǎn)。推動(dòng)變電站模塊化建設(shè)的本質(zhì)就是推動(dòng)電網(wǎng)工程領(lǐng)域的“四化”建設(shè)。

1) 標(biāo)準(zhǔn)化是模塊化的前提。只有產(chǎn)品規(guī)格、接口形式、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等完成標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)模塊化構(gòu)配件的自由組合，從而形成滿足功能需求的產(chǎn)品。

2) 機(jī)械化是模塊化的延展。模塊化的特點(diǎn)在于標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制、裝配式安裝，模塊化產(chǎn)品的生產(chǎn)與安裝都依賴機(jī)械化實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還能達(dá)到機(jī)械化減員的效果。

3) 綠色化是模塊化的內(nèi)核。模塊化的最終目的在于減少工程現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，通過(guò)提升施工效率，大幅度降低資源損耗、減少水土污染。

4) 智能化是模塊化的途徑。模塊化制作與安裝過(guò)程均需要智能化輔助，模塊化建設(shè)模式也為變電站智能化發(fā)展創(chuàng)造了條件。

2.3 變電站模塊化建設(shè)的內(nèi)涵與外延

根據(jù)上述模塊化的分析，可以推導(dǎo)出變電站模塊化建設(shè)的內(nèi)涵：一切有利于減少濕作業(yè)或現(xiàn)場(chǎng)加工，有利于提升機(jī)械化施工水平，有利于增進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)安全文明施工水平的作業(yè)方式，就是變電站模塊化建設(shè)的本質(zhì)內(nèi)涵。

同樣，也可以將變電站模塊化外延作進(jìn)一步的延展：所有變電站現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)或現(xiàn)場(chǎng)加工的工序，都是未來(lái)模塊化優(yōu)化發(fā)展的方向；所有現(xiàn)有市場(chǎng)的成熟產(chǎn)品，都是可借鑒并用于變電站模塊化建設(shè)[4]。

3 變電站模塊化建設(shè)體系

變電站模塊化建設(shè)作為變電站建設(shè)的新模式，需要構(gòu)建比較完備的體系，才能實(shí)現(xiàn)有效地推廣應(yīng)用[5]。下面就變電站模塊化建設(shè)體系的構(gòu)建原則進(jìn)行探討。

3.1 供應(yīng)鏈體系構(gòu)建原則

1) 建立變電站模塊化建設(shè)全品類產(chǎn)品體系，以千種產(chǎn)品、千家廠家的量級(jí)，構(gòu)建變電站標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)供應(yīng)鏈體系。

2) 以量大為基準(zhǔn)，構(gòu)建平臺(tái)公司自有購(gòu)銷-配送體系，如裝配式圍墻、鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)外墻板、預(yù)應(yīng)力管樁、螺旋錨等。

3) 以尺寸、顏色、外觀等為基準(zhǔn)，構(gòu)建各電壓等級(jí)變電站模塊化產(chǎn)品系列，由業(yè)主方采購(gòu)或廠家配送，如變電站電氣設(shè)備、衛(wèi)生潔具等。

4) 異形產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制及機(jī)械化安裝，逐步實(shí)現(xiàn)變電站標(biāo)準(zhǔn)化的施工能力，如圍墻基礎(chǔ)、預(yù)制箱涵等。

5) 以專利為支撐創(chuàng)新產(chǎn)品，支持變電站標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)并持續(xù)迭代升級(jí)，如單元式輔助用房、一體化事故油池、單元式消防砂箱等。

3.2 服務(wù)體系構(gòu)建原則

1) 建立變電站標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的全系列模塊化產(chǎn)品目錄，不斷豐富生產(chǎn)與持續(xù)迭代產(chǎn)品類目。

2) 固化變電站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化圖集并持續(xù)迭代。

3) 提供變電站建設(shè)非標(biāo)產(chǎn)品個(gè)性化解決方案。

4) 提供變電站建設(shè)難點(diǎn)與痛點(diǎn)的系統(tǒng)性解決方案。

3.3 產(chǎn)品檢測(cè)體系構(gòu)建原則

針對(duì)市場(chǎng)上模塊化產(chǎn)品良莠不齊且沒(méi)有專門提供模塊化產(chǎn)品檢測(cè)的單位的現(xiàn)狀，可建立一套檢測(cè)制度規(guī)范、檢測(cè)種類齊全、檢測(cè)設(shè)備先進(jìn)的專門針對(duì)變電站模塊化材料的檢測(cè)中心，為全省模塊化變電站提供檢測(cè)服務(wù)[6]。

3.4 專用機(jī)具研究

工廠化加工、模塊化安裝均依托于機(jī)械設(shè)備，研發(fā)應(yīng)用能體現(xiàn)地區(qū)模塊化特色的產(chǎn)品加工機(jī)械、器具，推廣適用于鋼結(jié)構(gòu)吊裝、墻板安裝的專用工器具和建筑機(jī)器人等器械。

3.5 綠色建材研究

對(duì)傳統(tǒng)混凝土預(yù)制構(gòu)配件進(jìn)行綠色化替代，在保障結(jié)構(gòu)安全的前提下，應(yīng)用可再生混凝土進(jìn)行模塊化產(chǎn)品制造，既可減少對(duì)天然石材的依賴程度，也可解決廢舊混凝土對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的破壞，提高混凝土材料的循環(huán)利用率[7]。

3.6 綠色施工方法研究

運(yùn)用螺旋錨基礎(chǔ)方案、預(yù)制臨建道路等綠色施工技術(shù)，減少對(duì)臨建土地的占用與破壞，縮短臨建施工周期，提高資源循環(huán)利用率。

3.7 全壽命周期服務(wù)體系構(gòu)建

建立從模塊化產(chǎn)品生產(chǎn)配送、結(jié)構(gòu)深化、安裝技術(shù)指導(dǎo)、后期維護(hù)的全壽命周期服務(wù)體系，為需求單位提供全方位技術(shù)支持與質(zhì)量保障服務(wù)[8]。

4 變電站模塊化建設(shè)發(fā)展路徑研究

4.1 模塊化平臺(tái)公司的目標(biāo)定位

模塊化平臺(tái)公司旨在打造成為浙江電網(wǎng)工程標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)綜合服務(wù)商，通過(guò)梳理社會(huì)現(xiàn)有建材品類、結(jié)合電網(wǎng)工程特點(diǎn)與浙江省地域特色，進(jìn)行全電壓等級(jí)變電站部品部件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，整合內(nèi)外部資源，持續(xù)創(chuàng)新、迭代，構(gòu)建支撐浙江省電網(wǎng)工程“六精四化”的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)服務(wù)體系，推動(dòng)電網(wǎng)建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展。

4.2 變電站模塊化建設(shè)的目標(biāo)定位

1) 減少電網(wǎng)工程現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員。

2) 加快電網(wǎng)工程整體建設(shè)速度。

3) 提升電網(wǎng)工程本質(zhì)安全水平。

4) 提高電網(wǎng)工程施工工藝品質(zhì)。

5) 推動(dòng)電網(wǎng)工程建設(shè)模式革新。

4.3 變電站模塊化供應(yīng)范圍

以500 kV 輸變電工程為基準(zhǔn)，高標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建混凝土預(yù)制件、成品建(構(gòu))筑物、墻板、裝飾裝修等標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、配送和相應(yīng)技術(shù)服務(wù)體系、標(biāo)準(zhǔn)，并以此為基礎(chǔ)，推動(dòng)相關(guān)體系、標(biāo)準(zhǔn)向110 kV 及以上輸變電工程覆蓋。

4.4 變電站模塊化配送定位

1) 提供110 kV 及以上工程的模塊化設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等系列服務(wù)，通過(guò)不斷積累經(jīng)驗(yàn)、迭代升級(jí)，打造成為浙江省輸變電工程專業(yè)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化配送服務(wù)商。

2) 立足構(gòu)建批量大、體積小、重量輕的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品配送體系，以“平臺(tái)配送+市場(chǎng)化服務(wù)”或“市場(chǎng)配送+平臺(tái)服務(wù)”的方式提供專業(yè)服務(wù)。

3) 根據(jù)產(chǎn)品配送距離的邊際成本，合理確定配送輻射范圍，綜合應(yīng)用工廠加工、現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制等手段，解決標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝等問(wèn)題，降低整體成本。

4) 通過(guò)簽訂長(zhǎng)期合約等方式，與標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品工廠建立長(zhǎng)期戰(zhàn)略合作關(guān)系，嚴(yán)格管控制造工藝和產(chǎn)品質(zhì)量，持續(xù)優(yōu)化迭代、不斷降低成本，滿足“六精四化”要求。

5) 加強(qiáng)市場(chǎng)調(diào)研，及時(shí)掌握模塊化市場(chǎng)最新動(dòng)態(tài)；主動(dòng)服務(wù)對(duì)接，了解需求單位對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化配送產(chǎn)品的功能需求，不斷豐富和擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)化配送品類和服務(wù)范圍，加快建立品類齊全、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的標(biāo)準(zhǔn)化配送體系[9]。

4.5 關(guān)于商業(yè)模式閉環(huán)思考

1) 從構(gòu)建模塊化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化體系入手，通過(guò)服務(wù)體系的標(biāo)準(zhǔn)化，服務(wù)全省110 kV 及以上變電站標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)需求，形成浙江經(jīng)驗(yàn)、浙江標(biāo)準(zhǔn)。

2) 根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品的缺陷或市場(chǎng)空白，通過(guò)產(chǎn)品創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高附加值，并維持標(biāo)準(zhǔn)化配送體系的運(yùn)轉(zhuǎn)。

3) 從細(xì)化分析產(chǎn)品成本入手，嘗試多種生產(chǎn)方式，如自行生產(chǎn)、貼牌加工、合資生產(chǎn)等方式把目前提供的產(chǎn)品和服務(wù)做精、做透、做深，逐步形成商業(yè)閉環(huán)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)變電站模塊化建設(shè)的推進(jìn)，可以提高變電工程建設(shè)效率和質(zhì)量，降低工程風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約工期，降低成本，并減少對(duì)環(huán)境的影響；模塊化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化，有助于優(yōu)化和整合供應(yīng)鏈體系，提高供應(yīng)的效率，降低成本；模塊化建設(shè)體系化，能夠促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和持續(xù)研發(fā)迭代，推動(dòng)綠色建造和可持續(xù)發(fā)展。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，模塊化建設(shè)在變電工程中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，也必將成為電網(wǎng)高質(zhì)量建設(shè)的重要抓手。