海上風(fēng)電項(xiàng)目中預(yù)制艙式模塊化升壓站運(yùn)用研究

摘要：全球范圍內(nèi)對(duì)可再生能源的需求持續(xù)上升，海上風(fēng)電項(xiàng)目正逐步成為優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵方向，對(duì)海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢進(jìn)行了深入探討，強(qiáng)調(diào)預(yù)制艙式模塊化升壓站在提高系統(tǒng)效能和減少施工風(fēng)險(xiǎn)方面的核心作用。以1 000 MW級(jí)海上風(fēng)電場為案例，確立了集成化預(yù)制艙設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則與規(guī)范，對(duì)電氣設(shè)備間的功能需求、布局輕量化和施工便利化措施進(jìn)行了分析，并將框架式吊裝方案與常規(guī)吊裝和分段吊裝進(jìn)行了對(duì)比分析，凸顯了模塊化吊裝在成本、工期和安全性方面的顯著優(yōu)勢，達(dá)成了海上升壓站建設(shè)的高效整合與優(yōu)化目標(biāo)，為相關(guān)從業(yè)者提供了實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電項(xiàng)目" 預(yù)制艙式" 模塊化" 升壓站

Research on the Application of Prefabricated Modular Boosting Stations in Offshore Wind Power Projects

WANG Chao" XU Chengbo" ZHANG Wenfang" TIAN Lili" LIU Zhan

Qingdao Teruide Electric Co.， Ltd.， Qingdao， Shandong Province， 266100 China

Abstract： The global demand for renewable energy continues to rise， and offshore wind power projects are gradually becoming the key direction of priority development. This article deeply explores the current status and trend of offshore wind power development， emphasizing the core role of prefabricated modular boosting stations in improving system efficiency and reducing construction risks. With 1000MW offshore wind farm as the case， it established the integrated prefabricated cabin design guidelines principles and specifications， functional requirements， lightweight layout and construction facilitation measures between electrical equipment are analyzed， and the framework lifting scheme was compared and analyzed with conventional lifting and segmented lifting. The significant advantages of modular lifting in terms of cost， schedule， and safety were highlighted， achieving the goal of efficient integration and optimization of offshore boosting station construction， providing practical reference for related practitioners.

Key Words： Offshore wind power project; Prefabricated module; Modular; Boosting station

伴隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變與可再生能源技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，海上風(fēng)電因體現(xiàn)了清潔與可持續(xù)的能源理念，受到了各界的高度關(guān)注。海上風(fēng)電項(xiàng)目有效開發(fā)，能夠減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴和溫室氣體排放量，推動(dòng)生態(tài)保護(hù)的步伐。在當(dāng)前形勢下，海上風(fēng)電項(xiàng)目的預(yù)制艙式模塊化升壓站構(gòu)成一種新型技術(shù)解決方案，其整體化設(shè)計(jì)與模塊化結(jié)構(gòu)顯著提升了施工效率，可以敏捷響應(yīng)復(fù)雜多變的海洋環(huán)境條件。此外，該升壓站擁有更優(yōu)越的安全性和可靠性，為海上風(fēng)電場構(gòu)筑了穩(wěn)固的安全防線。因此，對(duì)海上風(fēng)電項(xiàng)目中預(yù)制艙式模塊化升壓站的運(yùn)用進(jìn)行深入探究，兼具理論意義與突出的實(shí)際價(jià)值。

1 海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量從2018年的不到500萬[ 4]"kW增長到2023年的3 770萬kW，占全球總?cè)萘康?0%，目前我國是全球最大的海上風(fēng)電市場。根據(jù)海上風(fēng)電現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)鏈共鏈行動(dòng)大會(huì)，截至2024年第三季度，我國海上風(fēng)電累計(jì)建成并網(wǎng)3 910萬kW，穩(wěn)居全球第一位，形成了從開發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造到施工建設(shè)、運(yùn)維管理等較為完整的海上風(fēng)電技術(shù)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈^[1]。

由上述可知，我國海上風(fēng)電領(lǐng)域已取得顯著成效，裝機(jī)容量穩(wěn)步增長。而我國對(duì)清潔能源轉(zhuǎn)型的重視是這一增長的關(guān)鍵支撐。我國海上風(fēng)電項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋設(shè)備制造、項(xiàng)目開發(fā)、施工、運(yùn)維等各個(gè)階段正逐步向大型化與高效化過渡。渦輪機(jī)單機(jī)功率持續(xù)增加，我國浮動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)逐步走向成熟，為深水區(qū)域開發(fā)打開了大門。同時(shí)，集成了集成化預(yù)制艙式模塊化升壓站等新型技術(shù)，增強(qiáng)了項(xiàng)目建設(shè)效率和經(jīng)濟(jì)效益水平，降低了施工周期和安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)^[2]。

2 預(yù)制艙式模塊化升壓站的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的升壓站進(jìn)行對(duì)比，預(yù)制艙式模塊化升壓站主要將眾多功能模塊整合于單一艙體之中，此設(shè)計(jì)極大地降低了現(xiàn)場組裝的復(fù)雜程序難度，大幅縮短了工程周期。由于在工廠內(nèi)完成了大部分的制造與檢測工序，現(xiàn)場安裝僅需要進(jìn)行基礎(chǔ)的連接動(dòng)作，顯著降低了因天氣及其他外部因素引起的施工延誤風(fēng)險(xiǎn)^[3]。"""""" 采用預(yù)制艙設(shè)計(jì)，運(yùn)輸和吊裝作業(yè)效率得到顯著提升。陸地上能夠完成制造并檢驗(yàn)各個(gè)模塊，海上運(yùn)輸至目的地后直接執(zhí)行快速吊裝，進(jìn)而優(yōu)化了物流管理的結(jié)構(gòu)，顯著減少了大型起重機(jī)械，也降低了運(yùn)輸過程中可能出現(xiàn)的損壞風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。采用模塊化結(jié)構(gòu)，未來維護(hù)與升級(jí)更為便捷，僅需要替換相應(yīng)模塊，無須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整體拆分重組，優(yōu)化了運(yùn)維作業(yè)的效率^[4]。"""""" 升壓站憑借預(yù)制艙式模塊化設(shè)計(jì)，針對(duì)不同海域、氣候條件和技術(shù)要求，可以按項(xiàng)目需求特點(diǎn)進(jìn)行定制化實(shí)施。設(shè)計(jì)具備靈活性，可以進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，滿足特定環(huán)境下的運(yùn)行參數(shù)。項(xiàng)目開發(fā)單位憑借這種靈活性，可以針對(duì)實(shí)際情況調(diào)整資源配置，增進(jìn)經(jīng)濟(jì)收益水平^[5]。

3 預(yù)制艙式模塊化升壓站的應(yīng)用

3.1 1 000 MW 海上風(fēng)電場概況

某沿海省份計(jì)劃建設(shè)1000 MW級(jí)海上風(fēng)電場，將運(yùn)用最先進(jìn)的渦輪技術(shù)和高效的集電系統(tǒng)，年發(fā)電量預(yù)計(jì)將達(dá)到300萬MWh，可以滿足約20萬戶家庭的清潔電力需求。本工程計(jì)劃建設(shè)多個(gè)升壓站，將低壓電能從各風(fēng)機(jī)收集并提升至高壓，以便輸送至陸地。預(yù)制艙式模塊化升壓站在該過程中發(fā)揮著核心作用，該設(shè)計(jì)集成化顯著減少了建設(shè)所需時(shí)間，顯著提升了系統(tǒng)的整體可靠性和安全性，并且具有卓越的抗腐蝕能力和適應(yīng)性，有效抵御惡劣環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)。

3.2 集成化預(yù)制艙設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目實(shí)施過程中采用預(yù)制艙式模塊化升壓站技術(shù)，依據(jù)模塊化設(shè)計(jì)理念實(shí)施，對(duì)升壓站的功能單元（包括變壓器、開關(guān)設(shè)備、控制系統(tǒng)等）進(jìn)行科學(xué)合理的分類。由于是在工廠預(yù)制，現(xiàn)場施工時(shí)間得以大幅縮短，提高了整體工程品質(zhì)，降低了由天氣等不可預(yù)知因素引發(fā)的施工風(fēng)險(xiǎn)^[6]。"""""" 電氣設(shè)備選型方面，應(yīng)按照額定電壓、額定功率、防護(hù)等級(jí)等規(guī)范，以保障升壓站在極端環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行安全性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面，本工程的設(shè)計(jì)中融入了抗風(fēng)、抗震和防腐蝕的性能考量。材料選擇上，優(yōu)先考慮耐海水腐蝕的不銹鋼或特種涂層材料，盡可能實(shí)現(xiàn)設(shè)備壽命延長與維護(hù)成本降低的目標(biāo)。"""""" 鑒于維護(hù)檢修的便利性需求，考慮集成化預(yù)制艙的維護(hù)檢修便利情況，其設(shè)計(jì)需要保證其良好的可達(dá)性和空間布局，確保操作人員可以便捷地執(zhí)行日常檢查與故障處理。同時(shí)，增強(qiáng)自動(dòng)化程度，實(shí)施智能監(jiān)測技術(shù)平臺(tái)，對(duì)升壓站各組成部分實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)提供運(yùn)行狀況信息，進(jìn)而增強(qiáng)運(yùn)維效能，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析與決策提供有力支撐。"""""" 設(shè)計(jì)所秉持的主要原則是環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展的理念。材料選擇和生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，竭力減少資源耗費(fèi)和廢棄物排放，盡可能地使用可回收材料，滿足綠色建設(shè)的規(guī)范要求。設(shè)計(jì)根據(jù)具體項(xiàng)目需求進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，保證每個(gè)項(xiàng)目均能適應(yīng)特定環(huán)境條件，整體以實(shí)現(xiàn)配置優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)卓越性能為目標(biāo)。

3.3合理配置電氣設(shè)備區(qū)域"""""" 本實(shí)施項(xiàng)目采用66 kV集電系統(tǒng)作為其核心，設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于對(duì)電氣設(shè)備布局進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，滿足項(xiàng)目規(guī)模與技術(shù)要求的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，保障1 000 MW海上風(fēng)電項(xiàng)目的順利運(yùn)行。優(yōu)化電氣設(shè)備間的布局有助于提高設(shè)備運(yùn)行效率，提高維護(hù)檢修便利性。"""""" 根據(jù)66 kV集電線路的需求數(shù)據(jù)，對(duì)所需設(shè)備數(shù)量加以核算，對(duì)1 000 MW海上風(fēng)電場而言，安排8臺(tái)變壓器，變壓器的功率額定規(guī)格為125 MVA，并設(shè)定一定備用容量。按照負(fù)荷特性和運(yùn)行冗余要求，安排4個(gè)開關(guān)柜，每個(gè)開關(guān)柜具備承載2條進(jìn)線和1條出線的能力，采用此設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)風(fēng)機(jī)組的高效管理，靈活調(diào)度。就空間需求維度，變壓器及其配套設(shè)施各需約30 m²的空間，整體設(shè)備間的設(shè)計(jì)面積必須不少于300 m²，確保所有設(shè)備安置后，留有必要的操作區(qū)域。"""""" 本工程實(shí)施輕量化設(shè)計(jì)手段，全面考慮材料選取和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，變壓器基礎(chǔ)構(gòu)件采用高強(qiáng)度鋼材，維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，基礎(chǔ)面積不超過15 m²上限。實(shí)施模塊化設(shè)計(jì)將各種輔助設(shè)施，如冷卻系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等，集成成獨(dú)立的模塊，降低現(xiàn)場施工的復(fù)雜水平，增強(qiáng)安裝效能水平。模塊的重量均未超出500 kg，有利于運(yùn)輸與吊裝作業(yè)，減少現(xiàn)場作業(yè)時(shí)長。"""""" 工廠內(nèi)預(yù)制了電氣設(shè)備間的大部分組件，隨后運(yùn)抵現(xiàn)場進(jìn)行迅速組裝，采用此方法，施工質(zhì)量得到了明顯改善，同樣大幅縮短了施工現(xiàn)場的施工周期。以變壓器為例，前期安裝階段完成連接管道及接地系統(tǒng)的布置，調(diào)試時(shí)間縮短至一半，時(shí)長減少5[ 8]" d，現(xiàn)時(shí)長為2.5[ 9]" d。布置作業(yè)階段，實(shí)施采用標(biāo)準(zhǔn)化接口及連接件，實(shí)現(xiàn)模塊間接口的順暢對(duì)接，降低了因接口不匹配所引起的故障風(fēng)險(xiǎn)，并均勻配置各類散熱裝置，安排充足的空氣流通路徑，每個(gè)散熱單元間應(yīng)保留1 m以上的空間，保證氣流順暢無阻。同時(shí)，各個(gè)區(qū)域配備獨(dú)立的滅火設(shè)施，每處需裝備至少2臺(tái)滅火器，以應(yīng)對(duì)突發(fā)性事故。3.4模塊化吊裝方案"""""" 傳統(tǒng)吊裝作業(yè)一般需要耗時(shí)較長，并且對(duì)施工環(huán)境質(zhì)量設(shè)定較高規(guī)格，易受天氣及其他外部因素的干擾。分段吊裝方法的連接部位較為復(fù)雜，有潛在風(fēng)險(xiǎn)?？蚣苁降跹b方面展現(xiàn)出更高的普適性，能夠大幅減少施工階段所耗費(fèi)的時(shí)間，降低整體開支。

本工程框架式吊裝作業(yè)選用額定起重能力達(dá)600 t的履帶起重機(jī)。預(yù)制艙體的重量大致為150 t，涵蓋變壓器、開關(guān)柜及相關(guān)設(shè)施。采用600t級(jí)起重機(jī)能夠充分保障安全余量。該起重機(jī)有可大幅度伸展的臂桿，覆蓋多個(gè)安裝點(diǎn)區(qū)域，一次性完成多項(xiàng)吊裝任務(wù)。以變壓器為說明對(duì)象，該變壓器的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為4 m×3 m×2.5 m，重量為150 t。作業(yè)實(shí)施階段應(yīng)保證起重機(jī)在合理范圍內(nèi)實(shí)施精確定位作業(yè)，所以依據(jù)海上風(fēng)電場地形特征，規(guī)劃適宜的移動(dòng)路線，防止障礙物干擾。

采用專業(yè)框架支撐將數(shù)個(gè)預(yù)制艙體拼湊成單一整體。該框架結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度鋼材打造，能適應(yīng)各式設(shè)備之重量壓力，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的有效分散。組裝階段各個(gè)模塊借助標(biāo)準(zhǔn)化連接件實(shí)現(xiàn)緊密銜接，并配備防水密封條，以提升防護(hù)效能，每個(gè)框架單元需安裝至少4個(gè)掛鉤，均勻分布受力，防止局部過重負(fù)荷對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞。最終對(duì)整個(gè)升壓站實(shí)施全面的調(diào)試與檢測行動(dòng)，對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行模擬運(yùn)行測試，以驗(yàn)證其正常運(yùn)作。測試涉及變壓器負(fù)荷測試、開關(guān)柜切換測試等測試活動(dòng)，保證設(shè)備運(yùn)行符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語

綜上所述，本文對(duì)預(yù)制艙式模塊化升壓站在1 000 MW海上風(fēng)電項(xiàng)目中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)研究?；趯?duì)海上風(fēng)電發(fā)展動(dòng)態(tài)和預(yù)制艙式升壓站關(guān)鍵作用的剖析，制定了一系列設(shè)計(jì)與施工策略，包括集成化設(shè)計(jì)、電氣設(shè)備合理布局與模塊化吊裝等策略，這些創(chuàng)新實(shí)踐顯著提升了施工效率，也改善了施工成本管控與安全監(jiān)管效果，為后續(xù)類似項(xiàng)目積累了經(jīng)驗(yàn)。技術(shù)進(jìn)步與市場需求增長相輔相成，所以未來技術(shù)進(jìn)步和市場需求的增長將推動(dòng)預(yù)制艙式模塊化升壓站在大規(guī)模復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用，相關(guān)人員需要不斷推陳出新，將智能化、信息化技術(shù)融入實(shí)際施工中，進(jìn)一步提高升壓站建設(shè)的質(zhì)量，為海上風(fēng)電項(xiàng)目提供支持。

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