海上风电场离岸升压站关键技术研究

文 | 高宏飙，刘碧燕，罗雯雯

海上风电场离岸升压站关键技术研究

文 | 高宏飙，刘碧燕，罗雯雯

海上风电场开发正趋向规模更大、水深更深、离岸更远的方向发展，对于容量较大且离陆地较远的海上风电场，考虑到35kV电缆传输容量、电压降、功率因数等问题，为提高运行经济性，需设立离岸升压站。海上升压站作为离岸型海上风电项目的输变电核心设施，出现故障电量损失巨大，而国内海上升压站建设刚起步，为确保全寿命可靠运行，亟待进一步研究。

国内外海上升压站发展概况

欧洲海上风电发展较早，近二十年积累了大量工程经验。海上变电站的结构布局，从敞开式、到半敞开式、再到全封闭式；基础支撑结构，有重力式、单管桩式、导管架式；输电形式，从小容量、离岸近的交流输电，到大容量、离岸远的柔性直流输电。技术不断升级，逐步适应海上风电场规模发展要求，总体建设及运行经验较成熟。

我国海上升压站建设，总体上还处于起步阶段，2015年10月到2016年12月期间，已建成4个海上升压站。需在运行中检验设计布局和细节，积累施工和运维经验数据，借鉴国外设计与认证标准，积极开展相关研究，不断总结、优化，指导后续项目的建设。

海上升压站的建设发展大致经历了3代：第一代，装机规模20万千瓦以下，交流输电，单台主变或单回海缆，代表工程有丹麦Horns Rev风电场、英国Barrow风电场、中广核如东风电场、大唐滨海风电场、华能如东风电场；第二代，装机规模30万千瓦至60万千瓦，交流输电，多台主变或多回海缆，代表工程有英国Inner Gabbard风电场和Galloper风电场；第三代，柔性直流输电，代表工程有德国Bardl风电场。

国内外典型海上升压站，如表1所示。由表1可见：海上升压站发展也是从简到繁、从浅到深、从单桩到导管架，重量递增。

海上升压站设计、建设及运维关键问题

一、标准规范

目前专门的海上升压站标准主要为《Offshore Substations For Wind Farms》（DNV-OS-J201），该标准主要对防火、防爆、疏散逃生等提出原则性要求，细则主要借鉴海洋平台相关标准，如：《海上固定平台安全规则》《浅海固定平台建造检验规范》《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法》（APIRP2A-WSD）；由于海上与陆上环境不同、海洋平台和海上升压站特点不同、国内和国外标准适用性不同，给海上升压站设计、施工带来困扰，需深入研究。

表1 国内外典型海上升压站

二、海上升压站结构

海上升压站结构一般包括基础结构（下部结构）和平台结构（上部结构）。基础结构一般分为导管架式、单桩、重力式、自升式。平台主要为钢结构，主要布置电气设备。

目前国内没有成熟的海上升压站设计规范，由于其平台结构形式、受力方式类似于海上石油平台，因此在设计分析过程中，可参照海上石油平台分析方法。

以某项目为例，场址水深14m，50年一遇波高7.8m，波周期8.4s，离岸20km，四层平台，高20m，主结构32.4×40m，总重2460t，如图1。

电缆层以上的两层封闭，顶部、侧面结构方便主变压器更换时吊运。下部结构为导管架，受力、拼装与基础导管架不同，吊装运输也相对复杂、要求更高。

（一）电气设备布置

一层为电缆层及结构转换层；二层为主变、GIS、高压电抗器、35kV配电室、站用变、低电阻系统和继电保护室；三层为动态无功补偿、低压、直流和通信室。并用tribon三维建模，查找电气系统、暖通系统、消防系统设计中，设备、管道、电缆及结构的干涉问题，进行优化修改。

（二） 通风设备与冷却系统

海洋大气环境具有高湿度、高盐分的特点，为了给升压站设备营造一个类似陆上的工作环境，设计通风暖通系统，包括通风装置和加热冷却装置，控制单元根据季节气候的交替、主要设备层及排风、送风主通道的温度和湿度变化，以及海上升压站各主要机电设备的运行工况，对风冷空调系统、排风系统、送风系统等进行控制，使空气的温湿度、流速及新鲜度、洁净度等指标符合要求。

1.GIS室、开关柜室事故排风

在GIS室、开关柜室设置SF6气体泄漏报警装置，当接收到SF6气体泄漏信号后，启动排机组排气。

2.主变室应急排风系统

主变室屋顶设置应急排机组，当主变室空调器（包括备用空调器）均发生故障时，开启应急排风系统进行排风，排机组出口电动风阀与机组联锁。

（三） 海上升压站SCADA系统和通信系统

海上升压站SCADA系统一般分成2个独立的系统，1个为升压站的监控系统，另1个为风电场本身的监控系统。SCADA系统提供监视所有不同设备的数字、模拟或总线传输的信号，SCADA系统能适应极限环境。SCADA功能：有编程工具，易形成带有搜索和分类功能的历史报告；能接收和储存海上升压站平台所有监控设备、消防报警数据，报警和事件、所选测量值的长期储存，趋势数据的储存、报警分析及管理。

海上升压站离岸距离远，风大浪大，无线通信容易受到漫反射干扰而信号中断频繁。为保证海上通信的正常，网络和数据可通过海底光电复合海缆内的光纤传输至陆上，并设光缆或卫星通信作为备用。平台局域网接至所有房间、无线电话收发器覆盖所有室内。安装3台甚高频电台，保证平台上人员与服务供给船、直升机联系和应急呼叫，其中1台在员工房间、2台在可充电房间内。

（四） 平台救生装置、逃生通道与集散区

图1 海上升压站结构模型

图2 穿舱件与斜撑干涉图

海上升压站平台一般按照无人值守设计，允许少量运行检修人员逗留，平台上配备足够数量的救生衣、救生圈、救生筏等，所有救生设备均需经中国船级社认可。

1.救生衣

按设置人数配备足够带有哨笛和救生衣灯的救生衣，救生衣存放位置易于达到和取用，并标有醒目标识；在不易取得救生衣及远离救生筏区域，也准备足够的救生衣；在救生筏、海上疏散系统上提供抗暴露服。

2.救生圈

配置足够的救生圈，且标明所属平台名，不少于一半的救生圈配置自亮浮灯，不少于2个救生圈配置有自亮浮灯和自亮烟雾信号，不少于2个分开放置的救生圈配置漂浮救生绳，绳索长度至少是甲板至水线距离的1.5倍或30米，二者取大；救生圈沿甲板边缘布置，在危险区外。

3.逃生通道和逃生路线指示灯

在设计中通过疏散分析对逃生路线进行评估，识别和消除危险点：如在逃生过程中的各种拥挤可能，救援队伍逆人流前进等；确保逃生通道足够可靠，逃生路践、集合站、登陆站或救生筏不会因偶然事件而不能使用。

对可能定期或临时住人的任何区域至少有2条逃生通道，通向甲板或登船点；每个设备空间如主要电气设备，有2条主要逃生通道，且通行便捷、没有障碍、沿途门都能便捷打开；主要逃生通道或楼梯，净宽不小于1m，高度不小于2.1m，有醒目标志、显示逃生方向。逃生通道沿线无有毒烟气、致命热载、热液体或坠物。所有门都能一人开启，门均向逃生方向开启，且不妨碍外侧逃生通道。

逃生路线指示灯，除生活区外，都安装在甲板逃生路线、拐角和叉路口，由应急电源供电。

逃生集合点根据在有组织和有效安排下疏散的实际人数设置，并考虑担架运送伤员要求；位于救生船登陆点，或通向救生船或主要逃生通道的保护区域；有应急照明，广播、报警和通信系统，能在危险时立即警告和引导人员。在主要逃生集合点配备：2部便携式无线电发报装置，广播装备、启动应急装置关闭的装备，安装在逃生集合点附近，广播、报警和应急通信系统由应急发电机、UPS供电。

（五）消防系统

海上升压站离岸远，一旦发生火灾，主要靠自救。平台上安装一套自动火灾探测、报警系统和灭火系统，火灾报警系统集成在SCADA和通讯系统技术标准中。

1.火灾探测

根据不同火灾监测设备和范围类型，安装一定数量的不同类型的探测器。感烟器安装在DNV-OS-J201海上升压站标准推荐的每一个空间，感烟探测器符合DS/EN54-7 和DS/EN54-12标准，安装后应进行不同条件下的烟检测试验。在备用柴油发电机房和车间等房间，惰性气体应能覆盖，并安装感温探测器。火焰探测器安装在屋外区域，如主变散热器区域和柴油储存区，火焰探测器符合DS/EN54-10标准。手报的火灾报警应布置在没有安装惰性气体或喷淋手动释放点的通达/逃生路径上，手动惰性气体释放按钮安装在惰性气体覆盖的房间外，手动喷淋释放按钮应布置在喷淋覆盖区域附近。

2.火灾报警

报警音响器应布置在整个平台，确保在所有地点的室内和室外均能听到。当惰性气体将释放或已释放时，火灾报警应能听到。惰性气体覆盖的房间，应安装1个黄色出逃闪光引导灯，在惰性气体释放前黄色闪光灯闪30秒，警示在区域人员。

3.灭火系统（见表2）

三、海洋腐蚀与防腐

海上升压站所处于海水、盐雾的苛刻海洋腐蚀环境，电化学腐蚀导致钢构强度、电气设备性能降低。

（一）设备防腐蚀措施

1.主要采用密封、隔离腐蚀源的防腐，设备部件安装位置由室外改为室内，显著降低腐蚀，例如门铰链（图3）。

表2 消防灭火系统类型

2.将海上升压站电气设备布置在封闭的空间内。

3.散热量极大的主变压器。

（1）采用“海水、冷却水、变压器油”二级热交换的闭式循环水冷系统，避免了与盐雾接触带来的腐蚀。

（2）选用GIT系统（图4），采用六氟化硫气体绝缘，敞开式布置。

（3）主变压器本体及油枕、中性点设备为户内布置；散热器及油管为户外布置，密封式变压器没有呼吸器和胶囊式储油罐，通过容量可变的散热器（图5），散热器需通过5000次以上伸缩疲劳试验，解决热胀冷缩绝缘油体积的变化，变压器油不能吸收外界水分，因而不会降低绝缘度，氧气、盐雾没法进入油箱，避免了腐蚀。同时散热器可伸缩的设计要求，不宜使用镀锌防腐，采用电泳漆层防腐，涂层厚度既满足防腐要求，又满足散热效果。

（二） 结构腐蚀及保护

海生物的污损，如藤壶、苔藓虫、石灰虫和海藻等，对钢结构的腐蚀影响较大。由于污损层的不渗透性和外污损层中嗜氧菌的呼吸作用，使钢结构表面形成缺氧环境，引起氧浓差腐蚀。

采用PTC包覆防腐蚀系统，大于25年防腐蚀保护寿命，且服役寿命周期内免维护。

海上升压站施工

一、升压站主体施工方案

主体施工，按施工区水深，可采用不同的施工方案：

1.整体吊装式：传统施工方法，拼装完成后，采用海上大型浮吊进行吊装。

2.浮运自升式：类似自升式平台，升压站平台（带4根桩腿），浮运至现场，插腿，抬升至设计标高。

3.浮拖法：先沉桩，平底驳船装载升压站平台浮运至现场，乘高潮位将驳船插入桩位中间，退潮时将平台搁支在桩上，抽出驳船，完成安装。

二、 导管架式海上升压站施工

1.岸上制作

具体包括：钢管桩制作、导管架制造与总装（图6）、上部组块制造与总装、舾装及设备安装。

2.导管架基础结构施工

施工流程：钢结构运输→导管架沉放、调平→钢管桩沉桩施工→钢管桩、导管架连接调平与灌浆。

图3 高压细水雾灭火系统

图4 室内门铰链（左）、室外门铰链（右）

图5 GIT系统

图6 封闭式变压器上容量可变的散热器

3.上部组块吊装（图8）

为保护升压站内部预组装完成的电气设备，正式起吊前需试吊，控制吊装上部组块柱底部的水平和竖向加速度（不大于0.2g），采用重力加速度测量仪，对吊装时水平和竖向加速度实时监测。

图7 导管架制造与总装

图8 上部组块制造与总装

图9 上部组块吊装

海上升压站运行及维护

海上升压站采用小船进行人员运送，小船可在浪高为1.2m以下行驶，可以将超过3吨的货物装卸到机组平台。预计在前10年每个机组每年需维护性访问2次；随机组服役时间增长，故障和下海维护次数将增加。对机组24小时远程监控。一天中14个小时保持两艘船待命以运送工作人员解决小问题（冬天有一艘）。

结论

海上升压站的设计、制作、运输、安装、运行维护是一项复杂的系统工程，任一环节出现问题，在海上都会付出数倍的代价。本文通过借鉴国外经验，结合国内施工能力，对关键技术进行研究，为海上升压站经济、可靠建设及运行提供良好的工程指导。

（作者单位：江苏海上龙源风力发电有限公司）