一种封闭式紧凑型海上换流站的制作方法

本发明涉及一种封闭式紧凑型海上换流站，特别是适用于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柔性直流输电系统的海上换流站，适用于海上风力发电领域。

背景技术：

1、海上风力发电是一个新兴的产业，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，所以目前我国海上风电的电能都是通过交流海缆输出，尚未有直流输出的案例。随着海上风电向更大规模、更远距离发展，传统的交流输电方式已经不再适应。一般情况下，当海上风电场离岸距离超过60km时，交流输电方式已不经济，此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装置。

2、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、直流场等设备，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差异，其布置方案、结构型式、施工工艺、冷却方式等的需求和特征都不相同，陆上换流站的技术及经验无法直接套用。

3、我国海上换流站的建设刚刚起步。现有的海上换流站的技术方案，一般将阀厅置于上部组块下层空间的中央位置，例如参照如下专利文献：cn106685240a海上风电柔性直流输电换流站桥臂阀塔布局及海上平台、cn110042819a一种用于柔性直流输电系统的海上换流站以及cn212506191u一种用浮托法安装的紧凑式海上换流站。阀厅是换流站的核心房间，占地面积和设备重量均较大，放置于下层有利于降低上部组块结构的重心，减小船运阶段对驳船载重能力的限制，扩大可选船机的范围。但是，由于阀厅为大跨度开间结构，内部无法设置斜撑，导致阀厅空间的横向刚度及其地面的垂向刚度过小，不利于结构维持整体的横向稳定性和控制阀厅内地面支撑的阀塔设备的振动易损性。在这种情况下，为了保证结构的承载能力与正常使用性能，不可避免地需要大幅增加结构的钢材用量。

4、同时，阀厅置于下层后，为了避免平铺造成的空间浪费，gis、直流室等房间势必将布置在组块上层，造成进、出线海缆均需上穿数十米的层高。除海缆自身重量存在浪费且提升、安装施工困难外，各种回转与连接需求也极大地限制了电缆室（井）的可优化空间，进而造成海上换流站整体尺度过大。阀厅下置、直流设备上置的前提下，换流阀的水暖辅助系统势必置于阀厅的两侧（cn110042819a）或一侧（cn212506191u），形成双侧或单侧副厂房，主厂房与副厂房之间又进一步地需要设置检修通道。在逐步逻辑递推后，海上换流站组块的尺度与重量将难以控制、压缩。

5、此外，为了与上部组块形成整体框架以便于提供良好的传力路径，下部基础的立柱布置将受到组块房间边墙的对中限制。上、下部每一侧设置双排支座的方案对应的是该侧具有副厂房（cn110042819a），无副厂房提供边墙时就需要额外设置荷载转换层进行自重的有效传导（cn212506191u），结构型式均不经济；而每一侧只有单排支柱与上部边墙共线时，该段悬臂柱高度往往超过20 m，抗横向荷载能力严重不足，是海上换流站结构系统中最为薄弱的环节，需要通过同时采取减轻上部组块重量和增强单排支柱侧向刚度的方式方能实现。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：

2、1）、阀厅结构横向刚度不足——在换流站上部组块的海上运输期和在位运行期，船舶的横摇或纵摇运动以及地震作用会令结构产生显著的横向荷载效应。阀厅为大开间结构，内部无法设置斜撑，整体空间的横向刚度小。当海上换流站位于海浪较大或地震烈度较高的区域时，在运输工况或地震工况下可能发生结构动力失稳的风险。

3、2）、阀厅地面垂向刚度不足——阀厅为大开间结构，其梁的跨度较大。现有技术中当阀厅布置在上部组块的下层时，其下方需设置浮托安装船舶的进出通道，无法设置斜撑加强。大多数阀厅内换流阀的结构型式为底部支撑，设备垂向变形及振动控制的难度过大，通过加大梁断面尺寸提高刚度的效果不明显，为达成控制目标而导致的用钢量增大将难以承受。

4、3）、进出海缆提升高度过大——现有技术中当阀厅布置在上部组块的下层时，进线gis和直流室势必需要设置在阀厅的上方，则进线海缆和出线直流海缆均需至少跨越整个阀厅（30米左右）的层高，自重浪费巨大，提升非常不便，也导致电缆井需要更大的空间。

5、4）、上部组块尺寸、重量过大——现有技术中当阀厅布置在上部组块的下层而进线gis和直流室布置在上部组块的上层时，辅助系统组成的副厂房以及主、副厂房之间的检修通道不够紧凑，空间利用率低，造成了尺寸及其直接相关的重量居高不下，建造、运输、安装成本高企。

6、5）、上下连接单排柱刚度过小——现有技术中作为海上换流站深水条件下的导管架一般为整体式、单排柱连接的导管架型式，即与上部结构采用两侧各一排悬臂柱连接，因为悬臂柱高度往往超过20 m，即使采取了加大柱截面等方法，仍存在单排柱侧向刚度过小的问题。

7、为此，本发明采用如下技术方案：

8、针对传统海上换流站上部组块方案结构振动易损性高、尺度大、重量大导致工程经济性不佳的缺点，本发明采用阀厅上置、紧凑布置、梯形整体式导管架技术：

9、一种封闭式紧凑型海上换流站，所述封闭式紧凑型海上换流站包括上部组块、导管架和钢管桩，其特征在于：所述上部组块为具有5层空间的封闭式全钢结构；

10、自下而上依次如下布置：

11、一层：两侧是进线电缆室和直流室，直流室为一~三层通高，中间为两列换流阀冷却设备室，两列之间为检修通道；

12、二层：进线电缆室的上方为进线gis室，进线gis室为二~三层通高，阀冷却设备室的上方为两列暖通空调设备室，两列之间为检修通道；

13、三层：暖通空调设备室的上方分别是电气二次通讯继保室以及柴油机、蓄电池等厂用电室；

14、四层：进线gis室上方为电缆室，直流室上方为阀厅，阀厅为四~五层通高，电缆室与阀厅之间为检修通道；

15、五层：电缆层上方为两个换流变压器室和换流gis室，换流变压器室和换流gis室与阀厅之间为检修通道。

16、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：

17、作为本发明的优选技术方案：在阀厅、直流场和换流变压器室采用轨道移动摄像技术，即沿巡视通道的设备房间内墙设置摄像头轨道，在轨道上设置可移动式远程控制摄像头，摄像头除可以进行常规的转动、缩放外，自身位置亦可移动，能够以多角度观察设备的运行情况，达到所观察到的设备运行情况与人工巡视观察到的情况相似的状态。

18、作为本发明的优选技术方案：换流变压器室内的设备采用采用三绕组变压器技术，即在主体换流变压器内设置第三绕组，引出10 kv电压，由此可以取消专门的站用变压器及其设备房间。

19、作为本发明的优选技术方案：海上换流站的导管架采用梯形立面的整体式结构技术，与上部组块通过两侧的单排柱进行连接；海上换流站的导管架内两侧单排柱中间区域的上方为供浮托船舶进出的开槽通道，下方为连接成整体的矩形导管架桁架结构；外侧为立面呈直角梯形的支撑结构，其梯形的斜边支撑在作为梯形下底的连接柱上，梯形的上底位于外侧作为基础插桩的套管。

20、作为本发明的优选技术方案：海上换流站的导管架内位于中间区域的底部框架上设有作为插桩套管的立柱，与外侧的套管-桩一起提供结构向基础的传力路径。

21、作为本发明的优选技术方案：四层、五层内的阀厅下层空间的房间隔墙处设置斜撑以有效支撑阀厅地面。

22、作为本发明的优选技术方案：一层、四层的外围设置四周的外走廊，同时二层、三层和五层的内部设置单走道。

23、本发明提供一种封闭式紧凑型海上换流站，具有如下有益效果：

24、1）、本发明将海上换流站上部组块中的阀厅布置在上层空间，冷却与暖通设备间、直流场布置在下层空间，由于冷却与暖通设备间、直流场的开间小，冷却与暖通设备间、直流场等四层、五层内的阀厅下层空间的房间隔墙处可以设置斜撑，有效支撑阀厅地面。现有技术的阀厅下置方案受限于浮托安装工艺，底部无法形成有效支撑，阀厅内设备的振动与形变易损性非常高。与之相比，本技术方案大幅提高了阀厅底板结构的横向与垂向刚度，能够以较少的钢材用量实现对结构关键位置的承载能力与正常使用性能保障，可以适应更长途、恶劣的海况条件运输及在位运行。

25、2）、本发明将海上换流站的阀厅置于上部组块的上层空间后，现有技术方案中的进线gis室便可下移至第二层，直流场便可下移至第一层。由此，进线海缆仅需经过一层电缆层即可到达进线gis室，直流出线海缆可直接到达一层的直流场，大幅减小了海缆的提升高度与自身用量，有效解决了现有技术中海缆提升施工的难度高与电缆房间尺度过大影响总体布置的问题。

26、3）、现有技术方案中，阀厅内的换流阀、直流场中的桥臂电抗器以及换流变室内的换流变压器均需要进行人工巡视检查，因此其设备周边均设置有巡视通道。巡视通道的大量存在显著增加了房间的尺寸，造成平面整体尺寸过大、空间利用率不高。本发明采用运行期由移动摄像头代替人工巡视的技术，取消房间内的巡视通道，海上换流站上部组块整体尺度和重量得以有效降低。

27、4）、现有技术方案中，海上换流站需要设置两台站用变压器，用于将35kv或66kv的进线电压降至10 kv电压，供站内用电。本发明采用三绕组变压器技术，可以节省站用变压器的空间，避免设置站用变压器室，进而可以实现将水暖、电气二次等辅助系统全部压缩在两层、两列空间内，海上换流站上部组块整体尺度和重量得以有效降低。

28、5）、现有技术方案中，海上换流站上部组块每层均设置回字型走廊，造成平面尺寸过大、空间浪费。本发明采用内部单走道设置，同时在平面复杂、设备众多的第一、四层设置四周的外走廊解决可达性问题，避免出现因内部局部楼层尺寸需求较大而导致全站尺度统一扩大的浪费空间现象。

29、6）、本发明采用整体式梯形立面外部支撑导管架上下连接柱的技术，对连接柱形成了侧向支撑体系，改善了连接柱的受力体系，大幅增加侧向刚度。同时，与上部组块各项紧凑化的技术相结合、适应，通过将梯形支撑结构的外侧套管与导管架底部框架的内侧套管一起作为基础插桩位置，有效解决了现有技术方案中传统的脚靴式深水导管架桩靴空间布置困难、结构型式复杂、钢材用量浪费的问题。