海上风电220 kV海底光电复合电缆敷设施工技术

2022-08-26孙焕锋沙欣宇

水电与新能源 2022年8期

孙焕锋，雷传，沙欣宇，葛畅

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122；2.浙江华东工程咨询有限公司，浙江杭州 311122；3.浙江大学海洋学院，浙江舟山 316021)

随着世界各国的能源短缺，清洁能源日益受到各国政府的重视，其中海上风能资源逐渐走入人们的视野。我国海上风能资源丰富，因此海上风电项目在我国能够大力发展，我国沿海各省正大力开展海上风电工程建设[1-3]。海上风电场一般由海上风机、海上升压站、海底缆线等部分组成，其中风力发电机组所发的电力，需要通过海底缆线输送到海上升压站，将电压提升后送往陆上集控中心并入当地电网[4-5]。

220 kV海缆路由较长，此种规格海缆单根载重达5 323 t，且采用大直径大长度220 kV三芯光电复合海缆，对海缆过驳、登陆及敷设过程中自身的弯曲半径、侧压力、牵引力和海缆应力退扭控制要求较高。

目前，许多学者对海底电缆的保护系统[6-8]、监测技术[9]及登陆技术[10]等开展了相关的研究，但是，对海上风电220 kV海底光电复合电缆敷设施工技术还有待进一步的研究。结合江苏启东海上风电工程，对大直径大长度220 kV海底电缆敷设施工关键技术进行研究，为类似工程提供参考。

1 工程概况

江苏启东H2号海上风电场工程位于江苏启东近海海域,场区中心离岸距离约40 km，规划装机容量250 MW。本工程设有陆上集控中心和220 kV海上升压站。海上风机所发电能经升压站升压后，拟通过220 kV海底光电复合电缆接入陆上集控中心；经综合规划、开发时序等因素综合考虑，陆上集控中心为启东H1～H3号项目合建；陆上集控中心电气及土建设计均按800 MW总容量考虑(见图1)。

图1 H2号220 kV海缆路由示意

1.1 220 kV海缆设计参数

本工程范围内 H2#项目的海底电缆为220 kV海上升压站至陆上集控中心内的1回3×630 127/220 kV海底光电复合缆三芯交联聚乙烯绝缘电力电缆(海底电缆型号为HYJQF41-F 3×630 mm2+SM3×36C)，海缆长度为46.29 km，主要的技术参数见表1。

表1 220 kV海缆主要技术参数

1.2 工程水文地质

本工程位于启东海域，场区中心离岸距离约32 km，海底地形变化较为平缓，属南黄海滨海相沉积地貌单元。场区内地基土表层以粉砂、淤泥质粉质粘土为主。全年有效波高平均值为0.92 m，最大波高为5.27 m，周期平均值为3.90 s，最大值为8.70 s。

2 海缆敷设施工流程

本工程有两条海缆，分别长15.176 km和31.13 km。

15.176 km海缆敷设施工采用无动力平底方驳“申海驳1”作为主施工船，采用的施工工艺为：在设计路由上预铺设主牵引钢丝绳控制施工船匀速敷埋施工。31.13 km海缆敷设施工采用 DP 船“东方海工01”作为主施工船。施工流程见图2。“东方海工01”在风况6级及以下可采用DP敷设方式，定位精度较高、施工效率较快。

图2 海缆敷设施工流程

3 施工方案

3.1 散装过缆

15.176 km海缆载重达1 700 t，选择接缆船为“申海驳1”，最大载缆量2 500 t，配备电动转盘且接缆船也为海缆敷设施工船。过驳时采用平面退扭方式，大大减少电缆残余扭力，提高施工质量。31.13 km海缆载重达3 500 t，选择接缆船为“东方海工01”,最大载缆量3 500 t，同样配备电动转盘，满足装载、弯曲半径、侧压力等要求。

海缆装载为盘绕方式，采用海缆转盘自动盘缆，人员监护，少量人工配合。首先，施工船靠泊海缆厂家码头后带缆固定；工厂出来的海缆头绑扎上钢绳网套，安装活转头，再与牵引钢绳连接，将海缆头牵引至转盘的海缆入口，船上输缆机输送电缆进入缆盘，海缆转盘转动，自动盘放海缆(见图3)。盘绕前海缆头部预留5 m长度在海缆盘外，以方便海缆的测试。海缆转盘线速度、输缆机速度均由电脑控制，与厂家的输缆速度同步。一般情况下，输缆速度控制在1.5 km/h以内。

图3 海缆入盘

3.2 主牵引钢缆敷设

依据DGPS定位，将施工船开至始端登陆点处的路由轴线。当锚艇在对应位置抛射牵引锚后将主牵引钢缆连接并开始敷设，直到放置于施工船上的30 t卷扬机与主牵引钢缆连接。当到达终端登陆点附近时，将预制于该位置处的锚钢丝与主牵引钢缆相接。为了确保施工船能够沿着设计路由进行施工，整个施工环节均由DGPS定位，并在转向点位置处需将锚下至沿设计路由方向延长180 m位置处，将精度控制在±10 m范围内。

3.3 第一批海缆登陆施工

安排人员对登陆点至施工船间进行测距、路由沿程清除块石、废弃缆绳等障碍物。本工程人工围塘附近块石较多，提前清除路由附近的全部石块，防止牵引时海缆被磨损。务必确保土建电缆沟主体工程应完成。由于登陆点至集控中心沿程拐点较多，拟在每个电缆沟拐点处固定转角滑轮，其余在中途每隔2 m设置平板滑轮减小摩擦配备10 t卷扬机1台、10 t布缆机2台、5 t绞磨机2台、挖机2台作为陆地拉缆设备，机位布置图如图4。

图4 陆上段拉缆设备平面布置

启动主施工船布缆机将海缆通过入水槽送入水中，在海缆入水段每隔1 m垫浮漂助浮；工作艇牵引海缆头，并使海缆在海面上呈S摆放，过程中保持通讯畅通，并密切注视海缆登陆质量另有一艘工作艇监视和控制海面上海缆弯曲情况，防止海缆打圈或向远处漂移；由于抛放海缆较长，则考虑等到下一个涨潮时段继续作业，直至海缆抛放完毕。用钢丝绳将海缆端头网套与10 t卷扬机连接，待小潮汛之后完成二次登陆。登陆过程中通讯畅通、拉力同步，并密切关注海缆质量，防止磨损。海缆牵引到位后按要求保留一定余量，登陆点处采用锚固装置固定。海上登陆完成后剩余解除浮漂，沿设计路由将海缆放在海床上，挖机进行直埋保护。

3.4 常规海缆埋设施工

抛缆完成之后，“申海驳1”在高平潮时段离开就位点，由AC2-1向KP5.15方向进行常规海缆敷设。

1)埋设犁投放。埋设犁起吊，脱离停放架；海缆装入埋设犁腹部，关上门板并在埋设犁海缆出口处设置吊点，保证投放埋设犁时海缆的弯曲半径；埋设犁缓缓搁置海床面；潜水员水下检查海缆与埋设犁相对位置，并解除吊点；启动二台高压海水泵；启动埋深监测系统；启动牵引卷扬机。

2)埋设调节与控制。埋设犁的埋设速度由收绞牵引钢丝绳的速度来调节。海缆埋设速度一般控制在3～8 m/min，取决于海床底质情况。底质较硬时，适当降低埋设速度，控制在5 m/min，以增加埋深。本工程采用二台高压水泵，最大流量可以达到600 m3/h，确保施工船的牵引速度在8 m/min时，海缆的最大埋设深度可达到4 m。由于本项目H3号220 kV海缆路由与本路由间隔30 m，在施工前必须对H3的实际路由控制点在导航软件中进行标定，敷埋过程中利用拖轮、锚艇进行纠偏，防止敷设路由向H3偏离。

3.5 第二批海缆常规敷设施工

第二批31.13 km海缆由“东方海工01”进行常规敷设作业。选择在水流较小的时机，“东方海工01”向KP14.2方向释放约0.6 km海缆，同步绑扎浮胎抛于海面，由大功率锚艇配合牵引海缆头与驳船对接，期间由工作艇控制海缆弯曲半径，防止打扭。

此后“东方海工01”从KP14.6位置向升压站方向进行常规敷设作业。当敷设至升压站平台附近锚泊就位后，计算电缆自J管下口上平台的长度，并在该处电缆位置绑一浮漂以标识，方便后续弯曲限制器和中心夹具安装。登陆之前，同时在甲板上安装J管中心夹具和弯曲限制器，待海缆进J管且弯曲限制器导入锁紧后，进行海缆锚固，对管口实施防火封堵等措施。

复合海缆引上升压站平台，首先应释放牵引绳，用轮胎将电缆绑扎后助浮于海面上，使电缆在海面上形成一“Ω”形。预先在电缆终端平台上安装好钢丝绳，等到电缆头从水面露出，将钢丝绳与电缆牵引头相连接。采用人力与机械配合使复合缆通过J型管下端口，并通过牵引设备将复合缆移至对应位置并通过，锚固装置固定在升压站甲板平台。将光缆和电缆分离开来，将光缆接至光缆接续盒，转接为无金属光缆引至中控继保室中的光纤配线架，并进行光纤熔接；电缆接入终端制作平台。

稳桩平台放置于自航驳上，自航驳靠于起重29左舷，稳桩平台开口处朝向起重29吊机方向，通过起重29全回转大臂进行稳桩平台吊装。吊装前将一名起重指挥、7名作业人员(包含焊接人员)及2名测量人员吊至稳桩平台顶，搭设人行梯供测量人员进行稳桩平台定位(首根桩采用星站差分技术，后续桩采用GPS定位)，随后施工人员利用索具钩辅助完成稳桩平台吊索具挂钩。