CN113529677A - 一种用浮托法安装的紧凑式海上换流站 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用浮托法安装的紧凑式海上换流站，包括上部组块和导管架，所述上部组块的平面四角设置竖向通道，所述上部组块的南侧、北侧和中间位置各设一条水平交通道以形成工字形走廊布置，所述上部组块的底部设置整体式底部框架，所述整体式底部框架作为主厂房的梁，所述整体式底部框架作为上部组块和导管架的结构转换层。本发明采用单侧副厂房布置和直流室隔层布置的组合可以有效利用直流室的垂向空间，进而使得各层交通走道的布置形式可以由“回”字形简化为“工”字形，同时兼顾了结构整体重心与几何形心的水平位置偏差在可接受的范围内，使得海上换流站上部组块的平面横向尺寸较传统的双侧副厂房可减小15米左右。

Description

一种用浮托法安装的紧凑式海上换流站
技术领域
本发明涉及一种海上换流站，尤其是涉及一种用浮托法安装的紧凑式海上换流站，适用于海上风力发电领域。
背景技术
海上风力发电为战略性新兴产业，近几年发展迅速，但目前我国海上风电场离岸距离一般都在30 km以内，所以现阶段的电能输出都是通过交流海缆，尚未有直流输出技术应用的案例。
随着海上风电向更大规模、更远距离发展，传统交流输电方式的经济性已不再适用。一般情况下，当海上风电场离岸距离超过60km时，应考虑直流输电的方式。采用直流输电的海上风电场，需要建设海上换流站，海上换流站是将海上风电场的电能用交流线路汇集、然后转换成直流输出的核心装置。
我国陆上直流输电领域已发展多年，已建成有数座陆上换流站。常规的陆上换流站，一般按照交流~直流的工艺流程，设置有换流变压器、高压开关、桥臂电抗器、换流阀、限流电抗器、直流场内设备等功能模块，换流变压器一般布置在室外，其余设备则设置在一列单层厂房内。但海上换流站由于建造方法和所处环境有所不同，其布置方案、结构型式、冷却方式等均与陆上存在显著差异。
现有的海上换流站的技术方案（ZL 201910302415.7）一般为：采用一主二副的厂房布置模式；主厂房布置阀厅（内部为换流阀相关组件）、直流室（内部为桥臂电抗器相关组件），相应空间的大跨度结构采用大型实腹梁；双侧对称副厂房布置给排水、暖通、电气二次等辅助性功能模块；海上安装采用高位浮托技术，施工期设置甲板临时支撑框架（DSF），在大跨度的主厂房中央提供支撑。该方案初步解决了设备的对称、紧凑布置问题，使海上换流站的功能得以实现，但仍然存在一些缺陷：第一，由于对称性的要求在双侧设置副厂房，导致平面尺寸较大，空间利用率低且上部结构重量较大；第二，主厂房的大跨度实腹梁刚度小，阀厅垂向变形较大，可能影响换流阀的正常使用性能；第三，DSF重量可达3000余吨，但安装就位后即与结构分离，在长期运行状态下起不到支撑结构的作用，性价比较低。综上，有必要对现有技术方案进行改进，进一步降低海上换流站结构的施工难度，提升工程经济性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：
海上换流站是一种超大型海洋工程结构组块，既需要保障各类电气设备的功能实现，又必须兼顾施工的可行性与造价的经济性。针对传统技术方案中的不足，本发明需解决的技术问题包括：
1、海上换流站上部组块的平面尺度与重量过大，空间利用率不足。
2、大跨度实腹梁重量大且刚度小，设备房间地板变形较大，影响精密设备的正常使用。
3、施工期设置的DSF仅能在役前状态提供临时性作用，长期在位状态与结构分离，该部分工程量投入与效益比较低。
为此，本发明采用如下技术方案：
一种用浮托法安装的紧凑式海上换流站，其特征在于：所述用浮托法安装的紧凑式海上换流站包括上部组块和导管架，所述上部组块的平面四角设置竖向通道，所述上部组块的南侧、北侧和中间位置各设一条水平交通道以形成工字形走廊布置，所述上部组块的底部设置整体式底部框架，所述整体式底部框架作为主厂房的梁，所述整体式底部框架作为上部组块和导管架的结构转换层。
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：所述上部组块的下侧东西分别设置一主一副两厂房，所述主厂房内的南北侧设有通高的阀厅，所述副厂房分为三层，一层设置海水冷却系统，二层布置水箱、消防泵房和海水淡化系统，三层布置通风空调系统。
作为本发明的优选技术方案：所述阀厅的上方布置直流室，所述直流室内在靠近直流出现套管的下方设置隔层以设置二次设备间。
作为本发明的优选技术方案：所述直流室内采用不等高布置。
作为本发明的优选技术方案：所述二次设备间的一侧为电缆层，所述二次设备间的另一侧设有继保室、通信机房和蓄电池室，所述直流室在二次设备间的外侧同高度处设有桥臂电抗器本体，所述继保室、通信机房和蓄电池室在靠近桥臂电抗器本体的一侧墙体设置桁架，所述桁架的高度为继保室、通信机房和蓄电池室的层高，所述桁架的上、下弦杆为继保室、通信机房和蓄电池室的上、下层梁。
作为本发明的优选技术方案：直流室在隔层的上方与电缆层对应的位置布置高压绝缘开关、联结变压器和动力与控制设备。
作为本发明的优选技术方案：所述整体式底部框架包括上弦杆、下弦杆、竖撑杆和斜撑杆，外侧竖撑杆与上部组件的柱位置相对应，内侧竖撑杆与导管架的支腿位置相对应。
作为本发明的优选技术方案：所述竖撑杆的下端内侧设置桩腿对接缓冲单元。
作为本发明的优选技术方案：所述导管架为分体式或者整体式。
本发明提供一种用浮托法安装的紧凑式海上换流站，具有如下有益效果：
1、单侧副厂房布置和直流室隔层布置的组合可以有效利用直流室的垂向空间，进而使得各层交通走道的布置形式可以由“回”字形简化为“工”字形，即减少了一条纵向走廊的需求，同时兼顾了结构整体重心与几何形心的水平位置偏差在可接受的范围内，使得海上换流站上部组块的平面横向尺寸较传统的双侧副厂房可减小15米左右，钢结构重量也可相应地得到大幅度降低。
2、采用整体式底部框架技术后可以解决单侧副厂房布置导致的结构偏心问题，底部框架可作为上部组块和下部导管架的结构转换层，将不对称的上部结构转换为对称竖杆布置，使得对称的竖杆与下部对称的导管架结构相对应，传力路径更加合理。
3、采用整体式底部框架技术还可以起到加强阀厅刚度、减小阀厅变形的作用。阀厅底部的梁作为整体桁架的上弦杆，可由传统技术的30~40m跨度减小至10~20m跨度，从而避免设置大跨度实腹梁。
4、采用整体式底部框架技术，还可以替代传统高位浮托方案中的DSF并产生额外的有益效果。整体式底部框架同样保障上部组块安装高度的效果，避免DSF3000t~4000t用钢量的一次性临时投资；同时，在竖杆下端内侧设置LMU，避免了传统方案中上部组块与下部导管架之间必须设置的十余米的悬臂段，使连接部分不存在薄弱层，加大了整体结构的刚度，减小了上部组块与下部导管架的相对剪切变形。
5、通过上述所有技术的组合应用，紧凑式与传统的换流站相比，总体用钢量（上部组块+底部框架+桩基）可减少1000吨以上。
附图说明
图1为本发明的上部组块与分体式导管架的正视图。
图2为本发明的上部组块的一层平面布置图。
图3为本发明的上部组块的二层平面布置图。
图4为本发明的上部组块的三层平面布置图。
图5为本发明的上部组块的四层平面布置图。
图6为本发明的上部组块的五层平面布置图。
图7为本发明的上部组块的六层平面布置图。
图8为本发明的上部组块与整体式导管架的正视图。
图9为本发明的导管架的侧视图。
具体实施方式
为进一步说明本发明内容、特点与功效，兹列举一个实施例，并配合附图说明如下。
（1）如图1~4所示，海上换流站的上部组块总体又分为上下两部分，其中下侧部分为一主一副两厂房。主厂房的南北两侧为通高的阀厅11,；副厂房分为三层，一层设置海水冷却系统12，二层布置水箱13、消防泵房14和海水淡化系统15，三层布置通风空调系统16。
（2）如图5~7所示，在阀厅上方与副厂房相对的一侧布置直流室21。直流室21采用不等高布置，在靠近直流出线套管22一侧的下方设置一个隔层。隔层的中间与电缆室23连通，预留直流出线电缆的通道；两侧分别为继保室24、通信机房25和蓄电池室26。继保室24、通信机房25和蓄电池室26在靠近桥臂电抗器本体27的一侧墙体设置桁架结构，桁架的高度即为继保室24、通信机房25和蓄电池室26的层高，桁架上、下弦杆为继保室24、通信机房25和蓄电池室26的上、下层梁，桁架撑杆为圆形钢管。电缆室23的上方，与直流出线套管22同层布置高压绝缘开关（GIS）28、联结变压器29以及配套的动力与控制设备30。
（3）如图2~7所示，在上部组块平面四角设置竖向通道（楼梯间和电梯）31，南侧、北侧和中间各一条水平交通道32~34，并以此形成“工”字形走廊布置。
由（1）（2）（3）所述的布置，既保证了用于交流向直流转换的各功能模块相对位置逻辑的合理性，提高了空间利用率，又可以使得上部组块重心的水平位置与几何形心基本重合，不会对下部导管架结构产生过大的偏心荷载。
（4）如图1所示，在上部组块的底部设置整体式底部框架41。整体式底部框架41由上弦杆42、下弦杆43、竖撑杆44、斜撑杆45组成：整体式底部框架41即为阀厅底部的梁；上弦杆42、下弦杆43、竖撑杆44为圆形钢管；外侧竖撑杆44与上部结构柱位置对应，内侧竖撑杆44与导管架51支腿位置对应，在竖撑杆44下端内侧设置桩腿对接缓冲单元（LMU）；斜撑杆45用以传递上下部的荷载，将上部结构荷载传递给导管架；在导管架51内侧的斜撑杆45与下弦杆43组成下的节点位置与装船、运输期间滑道支撑的位置一一对应，本实施例中对应两条滑道的情况；下弦杆43与船体甲板相连。
（5）如图1、8~9所示，导管架可采用图1中51的分体形式，亦可采用图8中52的整体形式，视结构所处水深以及浮托安装船吃水等不同限制条件而定。当采用整体形导管架结构时，一侧导管架用一排LMU与上部组块连接，每排LMU组成单片的导管架。为保证单片导管架稳定及更好的承担水平力，在单片导管架的外侧设置一排辅助桩。两个单片导管架用临时支撑框架连接成一个整体，整体安装，导管架安装完、沉桩完成后，将中间的临时支撑框架拆除，形成浮托法进船的槽口。
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 (9)

1.一种用浮托法安装的紧凑式海上换流站，其特征在于：所述用浮托法安装的紧凑式海上换流站包括上部组块和导管架，所述上部组块的平面四角设置竖向通道，所述上部组块的南侧、北侧和中间位置各设一条水平交通道以形成工字形走廊布置，所述上部组块的底部设置整体式底部框架，所述整体式底部框架作为主厂房的梁，所述整体式底部框架作为上部组块和导管架的结构转换层。
2.根据权利要求1所述的用浮托法安装的紧凑式海上换流站，其特征在于：所述上部组块的下侧东西分别设置一主一副两厂房，所述主厂房内的南北侧设有通高的阀厅，所述副厂房分为三层，一层设置海水冷却系统，二层布置水箱、消防泵房和海水淡化系统，三层布置通风空调系统。
3.根据权利要求2所述的用浮托法安装的紧凑式海上换流站，其特征在于：所述阀厅的上方布置直流室，所述直流室内在靠近直流出现套管的下方设置隔层以设置二次设备间。
4.根据权利要求3所述的用浮托法安装的紧凑式海上换流站，其特征在于：所述直流室内采用不等高布置。
5.根据权利要求3所述的用浮托法安装的紧凑式海上换流站，其特征在于：所述二次设备间的一侧为电缆层，所述二次设备间的另一侧设有继保室、通信机房和蓄电池室，所述直流室在二次设备间的外侧同高度处设有桥臂电抗器本体，所述继保室、通信机房和蓄电池室在靠近桥臂电抗器本体的一侧墙体设置桁架，所述桁架的高度为继保室、通信机房和蓄电池室的层高，所述桁架的上、下弦杆为继保室、通信机房和蓄电池室的上、下层梁。
6.根据权利要求5所述的用浮托法安装的紧凑式海上换流站，其特征在于：直流室在隔层的上方与电缆层对应的位置布置高压绝缘开关、联结变压器和动力与控制设备。
7.根据权利要求1所述的用浮托法安装的紧凑式海上换流站，其特征在于：所述整体式底部框架包括上弦杆、下弦杆、竖撑杆和斜撑杆，外侧竖撑杆与上部组件的柱位置相对应，内侧竖撑杆与导管架的支腿位置相对应。
8.根据权利要求7所述的用浮托法安装的紧凑式海上换流站，其特征在于：所述竖撑杆的下端内侧设置桩腿对接缓冲单元。
9.根据权利要求1所述的用浮托法安装的紧凑式海上换流站，其特征在于：所述导管架为分体式或者整体式。
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