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    海上升压变电站设计及建造研究

    浏览次数:309来源:中国风电能源网编辑:李锴时间:2017-07-24


      摘 要:针对我国海上风电的发展特点,对国内外现有海上升压站的设计、建造进行了简要分析,旨在为后续类似项目设计、建造提供指导。

      早在20世纪八九十年代,欧洲就开始陆续修建海上风电场项目,在海上风电场输变电技术方面积累了不少工程经验。而我国2000年以前的项目均没有设置海上升压站,随着我国海上风电的发展, “十三五”期间,我国将进入海上风电规模化发展期,要开发建设离岸距离远(大于12 km)、容量较大(200~400 MW)的海上风电场,而这些风电工程均需设置海上升压站 。

      1、设计概况

      1.1 海上升压站类型

      根据风电场选址,针对不同的施工水平及环境条件,形成了两种模式的海上升压站结构——模块装配式海上升压站结构和整体式海上升压站结构。模块装配式海上升压站是将升压站分为若干个模块,如变压器模块、高压模块、中压模块、站用电模块、辅助系统模块、控制模块等,每个模块都采用钢结构,在陆上组装厂制作,在陆上完成模块内的设备安装调试,然后各模块单独运至现场起吊并就位,各模块安装完成后现场再进行各模块之间的连接。整体式海上升压站是将整个升压站上部结构作为一个整体,在陆上组装厂完成整个升压站的制造、设备安装和调试,然后整体运至现场,采用大型起重船安装。选择何种方式取决于工程的实际施工、运输条件和能力。

      上海振华重工(集团)股份有限公司负责建造的第一座中广核如东150 MW海上风电场示范项目海上升压站、华能如东300 MW海上风电场工程110 kV海上升压站以及江苏滨海300 MW海上风电场项目工程220 kV海上升压站均为整体式海上升压站。

      1.2 设计总则说明

      根据《Offshore substations for wind farms》(DNV-OS-J201)的分类,海上升压站一般分为无人操作的海上升压站(A类)、临时或者长期有人操作驻守的海上升压站(B类)以及无人操作的海上升压站平台加一个生活平台(C类)。通常情况下,离岸距离近一些的中小型交流海上升压站选择A类,离岸距离近一些的大型交流海上升压站或者直流海上升压站选择B类,海上风电场连续分期建设时可选择C类。

      2、结构设计方案

      海上升压站结构设计包括上部结构、下部支撑结构设计。以220 kV海上升压站为例,目前国内建成的或者是在建的项目,220 kV海上升压站均由上部组块和下部基础(单桩或导管架基础)组成。

      2.1 上部结构布置

      一层(甲板层)主要作为电缆层及结构转换层,主要布置有事故油池、救生装置、楼梯间等。

      二层为整个海上升压站主要核心区域,布置主变、主变散热器、开关室、接地变室、低压配电室、应急配电室、GIS室以及水泵房等辅助房间。

      三层为主变室和GIS室上部挑空,同时布置蓄电池室、通信继保室、避难室、柴油机房及暖通机房等。

      顶层一般布置悬臂吊、空调外机、通信天线、气象侧风雷达、避雷针;另外,可根据实际需要,布置直升机悬停区。

      2.2 下部结构布置

      海上升压站的基础形式根据地质条件、水深条件、上部结构尺寸重量等条件,可以考虑单桩基础、多桩基础、导管架基础或高桩承台基础。导管架基础的适用范围较广,对于水深较深的区域采用导管架基础。

      2.3 防腐设计

      海上风力发电机的使用寿命一般为25年,海上升压站考虑在正常维护的情况下,其防腐设计年限也应不小于25年。大气区宜采用满足C5-M腐蚀性环境要求的防腐涂层进行保护,在浪溅区、水位变动区、水下区宜采用满足Im2腐蚀性环境要求的防腐涂层结合牺牲阳极进行防护,在泥下区宜采用牺牲阳极进行防护。

      3、电气设计方案

      按照目前的厂址规划方案和项目开展情况,300 MW是一个海上风电场项目较为常见的装机容量。本文拟在此容量的基础上考虑电气设计方案,为以后的项目设计提供参考。

      目前投产或者已经在建的海上升压站,风电场均采用二级升压方式,机组升压变高压侧选择35 kV电压等级,场内集电线路采用35 kV海底电缆方案,风电场经过海上升压站升压到220 kV后,通过海底电缆送至陆上集控中心,转架空线后接入系统。两级升压的方案能快速升压,减少升压环节,减少损耗。

      3.1 主要电气设备选型(电气一次)

      总结欧洲海上风电场的运行经验,海上升压站设备宜布置在全密封、微正压的屋内结构物中,并配置带有海风处理装置的暖通空调系统。另一方面,电气设备和其他设备本身的防腐能力要加强和提高,防腐等级符合ISO 14922,达到相应的C4级或C5级要求。

      3.1.1 220 kV主变压器

      海上升压站主变采用三相、低压双分裂、自然油循环自冷却型,油浸式、有载调压升压式电力变压器。海上升压站选址一般位于潮湿、重盐雾的地区,所以电气设计方案一般采用主变、散热器分体布置,高压侧采用户内GIS,低压侧采用户内SF 6 气体绝缘金属封闭开关柜。本体户内布置,散热器户外布置,以控制海上腐蚀环境对设备的影响。

      3.1.2 220 kV主变中性点设备

      主变220 kV侧中性点采用经隔离开关接地方式,配置一套中性点成套设备。

      3.1.3 220 kV配电装置

      采用GIS实现。

      3.1.4 35 kV配电装置

      35 kV配电装置主要涉及40.5 kV开关柜、站用变兼接地变压器以及35 kV中性点设备。海上升压站40.5 kV配电装置采用SF 6 充气绝缘型,为箱式型式,户内单列布置,主变35 kV进线及接地变出线均采用电缆方式。35 kV系统采用小电阻接地,每段35 kV母线配置一台接地变(其中两台兼场变)及一面接地电阻柜。

      3.1.5 0.4 kV配电装置

      0.4 kV配电装置主要包括柴油机及0.4 kV低压配电屏。

      海上升压站采用柴油发电机作为站用电源的应急备用电源,当全站停电时,需启动柴油机,供重要负荷运行。海上升压站内通信电源、远动电源、监控电源、事故照明及事故通风、消防火灾系统、导航设备等为一级负荷,设备操作电源为二级负荷,其他均为三级负荷。海上升压站中,所有一、二级负荷设计有两回线路供电。

      低压配电屏配置分工作配电屏和应急配电屏,采用户内单列布置。

      3.2 电气二次

      海上升压站和陆上集控中心统一配置计算机监控系统,设备配置和功能要求按照海上升压站“无人值守”方案设计。通过海底电缆中的复合光纤,由陆上集控中心实现对海上升压站目标及海上风机的实时远程监控,最大限度地优化了海上升压站整体运行方式。

      4、安全系统设计

      4.1 防雷接地设计

      为了保证升压站设备的安全运行和值班人员的人身安全,结合海上升压站平台的特点,遵照IEEE std.80标准《IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding》和国家标准GB/T50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》、GB 50169—2006《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》等规定的原则,依照大电流接地系统的方式进行设计。

      4.2 直击雷保护

      海上升压站内需要进行直击雷保护的设备有顶部平台甲板、VAST天线、气象站、VHF天线、GPS天线、NAVTEX天线、暖通室外设备、空调室外机、变压器户外散热器。

      根据设备布置及吊机上避雷针位置,海上升压站顶部需设置一定数量的针式接闪器,与吊机避雷针形成联合保护,主要保护VAST天线、气象站、VHF天线、GPS天线、NAVTEX天线、通信天线、暖通室外设备、空调室外机。顶部平台甲板和变压器户外散热器通过针式接闪器、避雷针、保护围栏联合保护。

      4.3 配电装置的侵入雷电波保护

      在配电装置的适当部位配置氧化锌避雷器,以防止雷电侵入波对电气设备的损害。海上升压站的220 kV GIS与海底电缆连接处、与主变连接处,35 kV进出线处均设置氧化锌避雷器,以保护站内设备。400 V低压配电系统装设防浪涌保护器。

      4.4 接地网布置

      海上升压站以4根基础大钢管桩作为自然接地体,平台内所有接地装置最终均连接至钢管桩上。钢结构平台应焊接成整体,形成完好的电气通路。

      海上升压站内各层设置接地网,主接地网沿房间墙壁明敷布置,支线接地网沿地面明敷布置。不同层之间通过结构钢立柱形成电气联系,至少保证主网和2根不同立柱可靠连接。

      所有电气设备均应进行接地,电气设备每个接地部分应以单独的接地线与接地干线相连,严禁在一个接地线中串联几个需要接地的部分。

      5、给排水和暖通方案

      海上升压站上主变压器、柴油发电机等容易引发B类火灾的设备及其设置场所均采用高压细水雾灭火系统。400 V主配电盘、应急配电盘、蓄电池、继电保护装置、40.5 kV高压开关柜、电阻柜等柜室设备中使用火探管式气体灭火系统。应急避难室、暖通用房、GIS室、40.5 kV开关室等设备用房及所有电气用房架空地板下采用高压细水雾系统进行保护。

      6、建造施工原则

      海上升压站施工建造应遵循“先陆上后海上”、 “先水上后水下”的原则。建造过程中,应根据结构、电气、暖通、管系、舾装各专业特点,合理制定施工工序,减少各专业之间的交叉及相互干扰。

      海上升压站上部组块宜在陆上完成全部设备安装、调试后,整体吊装装船,发运至海上升压站站址安装就位。

      7、结语

      海上升压站集中体现了电力工程与海洋工程的结合,是集功能性、环保性、安全性、经济性于一体的集成产物。在吸收消化欧洲海上风电场的建造经验的基础上,将上述成果充分应用到实际工程中,可为后续项目提供更多的经验积累和技术储备。

     

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