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海上风电升压站平台总体设计探讨

作者：胡斌 罗振宇

来源：《广东造船》2018年第01期

摘 要：本文简要介绍了海上风电升压站平台总体设计中的标准选用、导管架形式、甲板高程计算、上部模块平面布置、靠船设施设计等内容，重点分析了模块平面布置设计应遵循的原则

关键词：海上风电升压站；导管架平台；平面布置； 中图分类号：U663.31 文献标识码：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

随着我国对海洋资源的利用，风电电力工程设计和建造由传统陆域扩展到海洋。由于海上风电机组离岸较远（通常都超过10 km），为了保障电能有效输送，通常在海上风电风机群附近设置海上升压站平台，将风机所发电能的电压升至110 kV或220 kV，再通过海底高压电缆送至岸上的变电站，经过配电送到用户。

海上升压站平台通常为无人值班平台，其管理和控制一般由陆上的集控中心通过遥控进行监控。对海上升压站平台、陆域变电站、管理监控中心进行科学合理规划布置，可以减少风电场登陆海缆敷设长度和用海面积，缩短作业周期，节约工程投资，减少对海洋环境的影响。 海上风电升压站平台总体设计的优劣直接关系到其功能的发挥，关系到安全性、可操作性以及建造作业成本等。因此，设计师应综合运用各种专门知识，包括制造工艺与建筑美学，使各个组成部分能充分发挥应有的功能。本文针对由广东电力设计研究院和广州船舶及海洋工程设计研究院联合完成的海上风电升压站平台总体设计进行分析探讨。 2 主要技术要求

本文海上风电升压站主要针对拟建的阳江沙扒海上风电场（离岸25 km、水深超过20 m），其采用导管架平台形式，设计容量为220 kV、300 MW，共布置两台主变压器，设计寿命不小于25年。

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3 平台总体设计

下面从规范与标准的选取、甲板高程、导管架结构形式、平面布置等方面对海上风电升压站平台设计进行论述。 3.1 标准与规范

海上风电升压站平台设计与建造工程跨越海洋工程和电力工程两个行业，设计建造使用的标准规范必须安全合理。作为海上风电工程重要设施的海上风电升压站平台，首先应满足电力行业升压站相关标准和规范的要求；但海上风电升压站平台作为中国海域内的固定式海上设施，还应满足中国海事局《海上固定平台安全规则》的相关规定。

按照国际惯例，大型的海洋工程项目一般需申请船级社的第三方入级检验并购买相关保险。目前我国还没有专门针对海上风电升压站的规范标准，但是挪威船级社有专门的海上风电场设计标准DNV-OS-J201。该标准主要针对海上风电升压站的安全评价、总布置原则、结构设计、电气设计、防火防爆设计、登乘和补给、紧急响应、建造、服役期检查和维修等内容进行描述。因此，海上风电升压站平台最好是申请船级社入级，如果运营成本有限也建议按DNV-OS-J201标准申请第三方的设计建造检验。 3.2 上部模块尺度和导管架结构形式

上部模块的尺度受到主要设备外形的影响，也关系到导管架的结构形式，因此其尺度应根据主要设备如主变压器、主变散热器、GIS设备、高压配电板等设备的外形进行论证确定。根据收集的国内外升压站平台上部模块尺度资料，结合本升压站电气专业要求的空间，初步确定本升压站平台的上部模块尺度为30 mx30 m，可较好的满足布置要求。

导管架连接上部模块和海底桩基，常用导管架一般有单立柱、三桩腿、四桩腿、八桩腿等形式，具体选择时需根据上部模块尺度、布设海域波浪、海底底质等因素综合考虑确定。目前，国内的采油平台使用的导管架一般为四桩腿或八桩腿桁架式导管架，但海上风电升压站特别是150 MW以下的升压站，由于上部模块甲板面积不大，也有采用单立柱式。本海上升压站的上部模块甲板尺度为30 m×30 m，如果选择单立柱形式，虽然稳定性和防撞安全性有所提高，但其立柱直径太大、钢材用量大，立柱受到的波浪力也大，经济性较差。而升压站接近正方形的甲板平面布置时，工艺布置和空间利用均比较合理，因此使用四桩腿式导管架较为适宜。

3.3上部模块甲板高程

甲板高程指上部模块最下层甲板距海平面的距离，其高度不足将会导致波浪冲击下层甲板产生巨大的波浪力，故应根据《海上固定平台安全规则》的规定进行计算选取。

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一般平台最下层甲板应处于设计环境条件时潮汐与波浪最不利组合情况下的最大波峰高程以上，并留有至少1.5 m的间隙。需要注意的是，环境资料提供的一般为有义波高，计算时应换算为最大波高，否则将会导致甲板高程偏低。经计算本升压站的高程约19.0 m，与表1列出的南海海域主要固定式平台的甲板高程对比，表明本平台的高程基本合理。 3.4 上部模块平面布置

海上风电升压站上部模块上布置有配电装置、二次设备、电抗器、主变压器及散热器、GIS配电设备等；还有配套的站用变电及配电系统、应急柴油发电机系统、消防系统、通风系统、通信系统等公用系统。海上风电升压站不能完全照搬陆地升压站平面布置，要考虑海上风浪流的影响、靠船及补给的方便性以及建造安装的特殊性等问题。因此，如何通过合理的布置保证其安全性和功能的实现是平面布置的首要问题：

（1）平面布置应把握电气主变电系统、公用系统、直升机平台、临时用房等主要几大块关系。主变电系统是平面布置的核心，而主变压器又是变电系统的核心，故应将主变压器布置在平台的中心位置，而配套的散热器、35 kV配电设备、GIS设备、其他公用设备等将围绕主变压器布置；

（2）平面布置应特别关注防火防爆的安全，主变压器集油罐、公用系统的柴油罐、蓄电池室及其出入口和通风口等区域为危险区，布置上应尽量远离含有引火源和引爆源的区域；不同功能的设备特别是主变压器、站用变及接地变压器、应急电源等，应分区布置并用防火隔壁进行分隔，保证系统的冗余度；

（3）平面布置时应充分利用主风向，使危险区逸出的可燃气体进入含有引爆源区域的可能性减至最低；临时生活间应布置于上风向，当万一发生火灾或爆炸时，不应使烟气带入避难和登艇处所；平面布置时还应考虑主导流向，靠船及护舷设施布置在运维船靠泊有利的流向上。

根据以上安全布置原则，在上部模块一甲板上风侧布置满足临时驻守要求的生活用房、备品备件间，下风侧布置柴油罐和冷却油罐；二甲板中部依次布置有35 kV配电室、主变室及主变散热器、 220 kV的GIS室，四个角落分别布置站用变及接地变室（共两个）、柴油发电机变电室及消防设备间；三甲板中部仍为二甲板贯通至本层的主变压器和GIS设备，四个角部布置有电抗器室、消防器材间和蓄电池室、应急柴油发电机、备用柴油发电机等，另在配电室上部布置二次设备间；顶甲板布置有吊机、消防淡水箱及直升机甲板。其中，二甲板的典型平面布置如图1。

3.5 靠船设施及靠船方式

导管架平台必须考虑维修时靠船的方便性和安全性。靠船设施包括靠船护舷和登船平台，其设计由靠泊船舶吨位和适用的靠泊方式决定。靠泊方式由作业任务、泊位状态、船舶性能、