CN110970826A - 一种用于海上换流站的整体式空间结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于海上换流站的整体式空间结构，主要涉及海上风电开发领域，特别是海上电气升压平台领域。本发明所提供的用于海上换流站的整体式空间结构内的上部组块形成“三横四纵”的空间框架体系，其中横向桁架用于承担主要的结构大跨度重量荷载，纵向桁架用于传递荷载并与横向桁架一起形成整体，并传递给导管架及桩基础，保障结构具有足够的整体刚度，固有振动频率大于0.6 s，从而远离波浪主频率，减小结构在环境荷载作用下的振动。运输期间通过设置临时绑扎件分担阀厅横向框架主柱上的受力，降低在海上运输期船舶发生横摇、纵摇或垂荡等惯性作用时主框架发生失稳的风险，避免主柱构件设计尺寸过大。

Description

一种用于海上换流站的整体式空间结构
技术领域
本发明涉及一种用于海上换流站的整体式空间结构，主要涉及海上风电开发领域，特别是海上电气升压平台领域。
背景技术
海上换流站是海上风电新能源开发从近浅海小容量走向深远海大容量的必然产物。海上换流站需要容纳多种重型设备，例如超过1000吨的换流阀及其附件，以及单台重量500~600吨的联结变压器等。再考虑必要的水冷、暖通等功能房间，上部组块的总重量将达到2万吨左右，规模远超传统的海上交流升压站，也与技术相对成熟的陆上换流站在空间布置方法与结构拓扑上存在显著差异。
对于2万吨级的海上平台，从经济性角度出发，当前最优的海上安装方案为浮托法。与采用浮托法安装的同等吨位的其他形式海洋平台相比，海上换流站的结构面临更大的挑战。现有公开的技术方案仅针对海上换流站的总体布置，如“用于海上风电场的固定式海上换流站”（ZL 201721551239.3）和“一种用于柔性直流输电系统的海上换流站”（CN201910302415.7），尚不存在能够进行工程应用的结构实施方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：
1. 重荷载、大跨度上部组块的结构安全
（1）为了满足浮托安装时进退船的需要，下部导管架的中央需要设置开槽，刚好位于换流阀所处的阀厅下方，主结构中央的跨度可达50~60m，缺乏有效支撑。由于阀厅内部无法设置柱与撑，因此只能依靠阀厅下方的梁系与边缘的框架进行传力和承载，存在静力作用下整体承载能力不足的风险。
（2）在浮托荷载转移之前的海上运输期间，浮托船舶上的支撑框架对上部组块的支撑作用仅能存在于阀厅内侧下方，阀厅高度较大，存在惯性作用下整体失稳风险。
（3）安装就位后，上部组块与下部导管架各自具有较强的整体刚度，且上、下重量比较大。而由于设置浮托安装桩柱对接缓冲单元的需要，上、下组块之间的连接部位管型构件长度较大，在地震等动力作用下抵抗水平剪力的能力较差，成为水平刚度相对较小的薄弱层，存在局部连接破坏进而导致整体失效的风险。
2、设备对结构响应的高要求
（1）海上换流站内的换流阀、联结变压器、高压开关等设备的正常使用性能对结构支撑的变形要求非常苛刻，一般长期垂向变形不能超过设备基础梁跨度的千分之一，安装时的垂向变形不能超过1mm，传统的钢质海上平台结构作法很难满足此项要求。
（2）海上换流站内的换流阀、联结变压器、高压开关等设备对结构的抗振动特性比较敏感，过大的惯性加速度可能引起设备内部组件的损坏或停运，因此对于海上换流站在波浪、地震、靠船等动力作用下的结构振动响应指标具有较严格的要求，难以得到较为经济的振动控制解决方案。
3、大型钢结构连接节点的承载能力
海上换流站的结构尺寸与荷载效应较大，结构变形与动力响应控制要求高，梁柱断面与常用规格钢板壁厚的比值小，关键位置处的梁——柱等连接节点存在较大的钢板局部屈曲或冲剪破坏的风险。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：
一种用于海上换流站的整体式空间结构，其特征在于：所述用于海上换流站的整体式空间结构包括上部组块和下部组块，所述上部组块在平面的横向上设置三榀通长、通高的主桁架，纵向设置四榀桁架；所述下部组块采用横向双片导管架基础，两片导管架之间的间距与上部组块内阀厅的横向跨度保持一致；每片导管架基础均为双排连接结构且纵向通长，导管架的主导管的水平位置与上部组块柱系位置相一致；基础钢管桩内置在导管架的主导管中并插入海床以下，钢管桩和导管架的主导管之间通过灌浆进行连接，导管架底高程位于泥面以下0.5m，灌浆段亦延伸至泥面位置。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：上部组块与导管架分别制作、运输与安装；其中，上部组块在装船与海上运输期通过荷载转换框架支承在建造场地或浮托安装船舶的滑轨上，上部组块的纵向与船舶的纵向保持一致，在上部组件的横向桁架的中央底部设置支撑与安装甲板缓冲模块；海上运输期间，在两榀外侧横向桁架的外侧纵向设置自直通阀厅屋顶的临时绑扎件，对接安装前将其拆除。
作为本发明的优选技术方案：所述临时绑扎件包括甲板支撑框架，所述甲板支撑框架与上部组块的连接位置上设置甲板支撑单元以实现支撑；所述甲板支撑框架在上部组块的3轴和5轴立面位置设有斜向临时支撑以分担上部组块内阀厅横向框架支柱上的受力；所述甲板支撑框架在上部组块的下部设有滑移钢板且在于滑移钢板相应的位置处设有滑移轨道。
作为本发明的优选技术方案：所述导管架先于上部组块在海上进行安装就位，随后进行打桩作业，完成后钢管桩顶高程略低于导管架顶高程；钢管桩顶与导管架内部之间设置皇冠板，并进行灌浆施工；灌浆强度达到预定要求后，在导管架顶安装桩柱对接缓冲单元，桩柱对接缓冲单元的外径与导管架顶保持一致；上部组块与导管架对接的主柱下边缘设置锥形插尖，主柱与锥形插尖内部均设置有十字型加强板；浮托安装过程中上部组块的重量通过锥形插尖逐渐由荷载转换框架逐渐转移到桩柱对接缓冲单元和导管架上，锥形插尖压缩缓冲单元内部的橡胶组件，最终使得上部组块和下部组块的外壁实现钢与钢接触，再进行海上焊接固定，并在连接高程的平面内安装后安装式抗剪支撑；为便于后安装式抗剪支撑的安装，支撑杆在运输前就固定在底层甲板底部，随上部组块一起运输和安装，浮托对接完成后，将支撑杆释放并进行连接。
作为本发明的优选技术方案：所述上部组块内阀厅类主设备房间下方的主框架承力构件采用带有横向加劲肋的高组合梁截面型式，并且在设备支撑的正下方设置可调式基础，所述可调式基础由上、下双层板组成，设备与上层板之间依靠螺栓进行连接，下层板可根据设备房间的实际不平整度在安装现场进行打磨、切削或增加垫片。
作为本发明的优选技术方案：对于上部组块框架的复杂节点区域，两侧梁构件的上翼缘顶端取齐，采用节点板贯通、柱与斜撑打断的型式，节点板厚度与梁构件翼缘板厚度相一致，节点板边缘至柱、撑构件焊接边缘的距离为50 cm；如果梁构件等高则下翼缘处理方式同理，且梁腹板加厚并贯通，上、下节点板之间设置四段与主柱尺寸、位置均一致的1/4圆周弧形加强板；如果梁构件不等高时则采用柱贯通、两侧下翼缘板分别延伸形成内、外节点板的型式，其中：外节点板宽度为50 cm，厚度与相应梁构件下翼缘板厚度一致；内节点板宽度为梁构件下翼缘板宽度较大者的0.7倍，厚度为相应梁构件下翼缘板宽度的0.07倍与厚度两者中的较大值；两个不等高的内节点板之间设有两段腹板厚度与梁腹板较大者相同、宽度与内节点板宽度相同的加劲板。
本发明提供一种用于海上换流站的整体式空间结构，具有如下技术效果：
（1）上部组块形成“三横四纵”的空间框架体系，其中横向桁架用于承担主要的结构大跨度重量荷载，纵向桁架用于传递荷载并与横向桁架一起形成整体，并传递给导管架及桩基础，保障结构具有足够的整体刚度，固有振动频率大于0.6 s，从而远离波浪主频率，减小结构在环境荷载作用下的振动。
（2）运输期间通过设置临时绑扎件分担阀厅横向框架主柱上的受力，降低在海上运输期船舶发生横摇、纵摇或垂荡等惯性作用时主框架发生失稳的风险，避免主柱构件设计尺寸过大。
（3）通过钢管桩顶下沉的方式可使桩柱对接缓冲单元及上部主柱的外径与导管架一致，提高了连接部位构件自身的截面承载能力，同时在桩柱对接缓冲单元上端与上部组块连接处（相当于连接层的跨中位置）设置了后安装式抗剪支撑，可以有效加强连接部位的水平承载力，保证连接部位的侧向刚度。
（4）设置带加劲肋的组合式主结构梁与设备安装期的可调节式基础，提高主要设备房间下方主次梁结构体系的刚度，保障重要电气设备的使用性能。
（5）上部组块的框架节点的型式既保持了足够的强度承载能力与韧性冗余度，同时又避免了占用过大空间和产生过大重量。
（6）上述功能组合，可以得到具有良好传力路径、各组成部分充分发挥材料潜力的海上换流站结构型式，结构重量优化，施工方案经济可行。
附图说明
图1为本发明所提供的用于海上换流站的整体式空间结构的A/C/E轴立面图。
图2为本发明所提供的用于海上换流站的整体式空间结构的1/7轴立面图。
图3为本发明所提供的用于海上换流站的整体式空间结构的2/6轴立面图。
图4为本发明所提供的用于海上换流站的整体式空间结构的3/4轴立面图。
图5为本发明所提供的用于海上换流站的整体式空间结构的5轴立面图。
图6为本发明所提供的用于海上换流站的整体式空间结构的上部组块的一层甲板平面图。
图7为本发明所提供的用于海上换流站的整体式空间结构的上部组块的二层甲板平面图。
图8为本发明所提供的用于海上换流站的整体式空间结构的上部组块的三层甲板平面图。
图9为本发明所提供的用于海上换流站的整体式空间结构的上部组块的四层甲板平面图。
图10为本发明所提供的用于海上换流站的整体式空间结构的上部组块的五层甲板平面图。
图11为本发明所提供的用于海上换流站的整体式空间结构的上部组块的顶层甲板平面图。
图12为本发明所提供的用于海上换流站的整体式空间结构的上部组块运输期临时绑扎布置图。
图13为本发明的锥形插尖、桩柱对接缓冲单元与后安装抗剪支撑的布置图。
图14为本发明的可调式基础的布置图。
图15~20为本发明的上部组块内典型节点型式图。
具体实施方式
为进一步说明本发明内容、特点与功效，兹列举以下海上换流站实施例，并配合附图说明如下。
如图1~5所示，本实施例中，用于海上换流站的整体式空间结构包括上部组块1和导管架2两个部分，图1为本实施例A/C/E轴立面，图2为1/7轴立面，图3为2/6轴立面，图4为3/4轴立面，图5为5轴立面。导管架2分成两片，1~2轴设置导管架2a分片，6~7轴设置导管架2b分片；上部组块分为六层，包含以下设备空间：柴油储油罐室111，阀冷却控制间112，阀冷却设备间113，海水淡化设备间114，海水泵房115，阀厅116，新风机房121，消防泵房122，暖通机房123，通风井道131，二次设备室132，蓄电池室133，直流室141，柴油机室142，站用电室143，空调制冷机房144，电缆层145， 500kV GIS室151，备品备用间152， 220kV GIS室153，联结变室154，站用变室155，吊机161，直升机平台162。
如图6所示，一层甲板内布置阀厅116，阀厅116贯通二、三层甲板，一层甲板层高8m，一层甲板1~2轴侧由北向南依次布置柴油储油罐室111，阀冷却控制间112，阀冷却设备间113，海水淡化设备间114，6~7轴侧由北向南依次布置阀冷却设备间113和海水泵房115，在平台南北设置吊装平台及集合区117，本实施例中的平台东侧设置交通桥118，可通往生活平台；
如图7所示，二层甲板中间为阀厅116上空，二层层高8 m，1~2轴侧由北向南依次布置新风机房121，消防泵房122，暖通机房123，6~7轴侧由北向南依次布置新风机房121，暖通机房123；
如图8所示，三层甲板中间为阀厅116上空，三层层高8 m，1~2轴侧由北向南依次布置新风机房121、通风井道131，二次设备室132，蓄电池室133，6~7轴侧布置暖通机房124；
如图9所示，四层甲板的3~5轴设置电缆层145，5~7轴布置直流室141，直流室141贯通四、五层，四层层高8 m，平台西侧由北向南依次布置通风井道131、柴油机室142，站用电室143，平台东侧由北向南依次布置空调制冷机房144和通风井道131；
如图10所示，五层甲板的2~3轴由北向南依次布置500kV GIS室151，备品备用间152，220kV GIS室153，3~4轴靠近C轴房间为联结变室154，南北两侧布置站用变室155，5~7轴为直流室141上空，层高16 m；
如图11所示，顶层甲板中间布置吊机161，在平台东南角设置直升机平台162；
如图12所示，上部组块在运输时采用甲板支承框架3对上部组块进行临时支撑，在上部组块的3轴和5轴立面位置，采用斜向临时支撑31来分担上部组块内阀厅横向框架主柱上的受力，并降低海上运输期主框架发生失稳的风险；上部组块装船时利用滑移钢板32在滑移轨道33进行滑移实现装船，上部组块1与甲板支承框架3在连接位置设置甲板支承单元34；
如图13所示，上部组块1和导管架2在海上安装对接，钢管桩21低于导管架2顶，钢管桩21和导管架2之间用皇冠板22进行连接，在导管架2顶设置桩柱对接缓冲单元23，锥形插尖11插入桩柱对接缓冲单元23中，上部组块1就位后，将随上部组块1携带的后安装式抗剪支撑24a下移至24b位置并焊接固定，达到增强侧向刚度的作用；
如图14所示，采用可调节式基础4，可调节式基础4由上下两块基础钢板41a、41b和横纵两块筋板42a、42b组成，上部组件内的设备通过螺栓孔43与可调节式基础4进行螺栓连接，根据房间地面的水平度，通过对下层基础钢板41a进行打磨、切削或者加垫板进行调节，保障重要电气设备的使用性能；
如图15~20所示，上部组块框架节点类型包括等高梁连接和不等高梁连接。图15~17为等高梁连接时的典型节点图，图18~20为不等高梁连接时的典型节点图。两种节点包含以下部件：211-梁，212-立柱，213-斜撑，214-加厚腹板，215-加劲板，216-加劲板，217-节点板，218-节点管，221-矮梁，222-高梁，223-立柱，224-上节点板，225-加劲板，226-外节点板，227-内节点板。
如图15~17所示，本实施例等高梁连接时，各等高梁211的上翼缘顶面和下翼缘底面取齐，采用与梁211翼缘等厚的节点板217贯通，并将立柱212和斜撑213在节点板217外表面打断；在上下节点板217之间，设置与立柱212尺寸及位置一致的节点管218；沿斜撑213方向，设置与梁211腹板等高的加厚腹板214，并穿过节点管218；另一个方向梁211的腹板穿过节点管218，与腹板211焊接，并在腹板211对侧设置穿过节点管218的加劲板216；在斜撑213下方的腹板214两侧，设置加劲板215。
如图18~20所示，本实施例不等高梁连接时，矮梁221和高梁222的上翼缘顶面取齐，采用与高梁222翼缘等厚的上节点板224贯通，将立柱223在上节点板224处打断；矮梁221和高梁222的下翼缘底面，分别设置与高梁222翼缘等厚的外节点板226和内节点板227，立柱223在矮梁221和高梁222的下翼缘外节点板226和内节点板227处均贯通；在矮梁221下翼缘和高梁222下翼缘的内节点板227之间，设置加劲板225。
以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于海上换流站的整体式空间结构，其特征在于：所述用于海上换流站的整体式空间结构包括上部组块和下部组块，所述上部组块在平面的横向上设置三榀通长、通高的主桁架，纵向设置四榀桁架；所述下部组块采用横向双片导管架基础，两片导管架之间的间距与上部组块内阀厅的横向跨度保持一致；每片导管架基础均为双排连接结构且纵向通长，导管架的主导管的水平位置与上部组块柱系位置相一致；基础钢管桩内置在导管架的主导管中并插入海床以下，钢管桩和导管架的主导管之间通过灌浆进行连接，导管架底高程位于泥面以下0.5m，灌浆段亦延伸至泥面位置。
2.根据权利要求1所述的用于海上换流站的整体式空间结构，其特征在于：上部组块与导管架分别制作、运输与安装；其中，上部组块在装船与海上运输期通过荷载转换框架支承在建造场地或浮托安装船舶的滑轨上，上部组块的纵向与船舶的纵向保持一致，在上部组件的横向桁架的中央底部设置支撑与安装甲板缓冲模块；海上运输期间，在两榀外侧横向桁架的外侧纵向设置自直通阀厅屋顶的临时绑扎件，对接安装前将其拆除。
3.根据权利要求2所述的用于海上换流站的整体式空间结构，其特征在于：所述临时绑扎件包括甲板支撑框架，所述甲板支撑框架与上部组块的连接位置上设置甲板支撑单元以实现支撑；所述甲板支撑框架在上部组块的3轴和5轴立面位置设有斜向临时支撑以分担上部组块内阀厅横向框架支柱上的受力；所述甲板支撑框架在上部组块的下部设有滑移钢板且在于滑移钢板相应的位置处设有滑移轨道。
4.根据权利要求1所述的用于海上换流站的整体式空间结构，其特征在于：所述导管架先于上部组块在海上进行安装就位，随后进行打桩作业，完成后钢管桩顶高程略低于导管架顶高程；钢管桩顶与导管架内部之间设置皇冠板，并进行灌浆施工；灌浆强度达到预定要求后，在导管架顶安装桩柱对接缓冲单元，桩柱对接缓冲单元的外径与导管架顶保持一致；上部组块与导管架对接的主柱下边缘设置锥形插尖，主柱与锥形插尖内部均设置有十字型加强板；浮托安装过程中上部组块的重量通过锥形插尖逐渐由荷载转换框架逐渐转移到桩柱对接缓冲单元和导管架上，锥形插尖压缩缓冲单元内部的橡胶组件，最终使得上部组块和下部组块的外壁实现钢与钢接触，再进行海上焊接固定，并在连接高程的平面内安装后安装式抗剪支撑；为便于后安装式抗剪支撑的安装，支撑杆在运输前就固定在底层甲板底部，随上部组块一起运输和安装，浮托对接完成后，将支撑杆释放并进行连接。
5.根据权利要求1所述的用于海上换流站的整体式空间结构，其特征在于：所述上部组块内阀厅类主设备房间下方的主框架承力构件采用带有横向加劲肋的高组合梁截面型式，并且在设备支撑的正下方设置可调式基础，所述可调式基础由上、下双层板组成，设备与上层板之间依靠螺栓进行连接，下层板可根据设备房间的实际不平整度在安装现场进行打磨、切削或增加垫片。
6. 根据权利要求1所述的用于海上换流站的整体式空间结构，其特征在于：对于上部组块框架的复杂节点区域，两侧梁构件的上翼缘顶端取齐，采用节点板贯通、柱与斜撑打断的型式，节点板厚度与梁构件翼缘板厚度相一致，节点板边缘至柱、撑构件焊接边缘的距离为50 cm；如果梁构件等高则下翼缘处理方式同理，且梁腹板加厚并贯通，上、下节点板之间设置四段与主柱尺寸、位置均一致的1/4圆周弧形加强板；如果梁构件不等高时则采用柱贯通、两侧下翼缘板分别延伸形成内、外节点板的型式，其中：外节点板宽度为50 cm，厚度与相应梁构件下翼缘板厚度一致；内节点板宽度为梁构件下翼缘板宽度较大者的0.7倍，厚度为相应梁构件下翼缘板宽度的0.07倍与厚度两者中的较大值；两个不等高的内节点板之间设有两段腹板厚度与梁腹板较大者相同、宽度与内节点板宽度相同的加劲板。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114604378A (zh) * 2022-03-17 2022-06-10 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 一种海上换流站阀厅结构体系
CN115370201A (zh) * 2021-05-19 2022-11-22 南通振华重型装备制造有限公司 一种换流站上部组块模块化建造工艺
CN115378020A (zh) * 2022-08-09 2022-11-22 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 基于对称双极系统的海上换流站单平台布置结构

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