張賓瑞，王小剛，蘇磊

（中廣核工程有限公司, 廣東 深圳 518000）

0 引 言

海上升壓站是海上風電場輸送電的樞紐，它的可靠、安全運行對整個海上風電場起著非常重要的作用。通常海上風電場離岸距離超過10 km，裝機容量超過100 MW時需要設(shè)置海上升壓站，用于匯集海上風機產(chǎn)生的電能、抬升輸出電壓、降低輸電損耗[1-3]。

受益于近年來海上風電補貼政策，我國海上風電工程的開發(fā)和建設(shè)迅速。特別是近兩年來，國內(nèi)又建設(shè)和投運了很多新的海上升壓站，海上升壓站的各建設(shè)和運維單位又積累了豐富的運行經(jīng)驗，對海上升壓站的設(shè)計提出了新的優(yōu)化要求。當前海上升壓站的設(shè)計存在運行模式分析較為簡單、重要設(shè)備間空調(diào)電源為一般負荷、海上升壓站“無人值守”設(shè)計理念并不符合實際，在環(huán)保要求方面考慮不周全等問題。

目前國外專門針對海上升壓站的標準和規(guī)范主要有挪威船級社2020年出版的標準Offshore substations（DNV-ST-0145），該標準對升壓站結(jié)構(gòu)安全等級、布置原則、結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣設(shè)計、防火防爆、疏散逃生、應(yīng)急響應(yīng)、建造以及運維等方面提出了較詳細要求[4]。國內(nèi)針對海上升壓站設(shè)計的規(guī)范主要是《風電場工程110 kV～220 kV海上升壓變電站設(shè)計規(guī)范》（NB/T 31115—2017），該規(guī)范結(jié)合 2017年以前國內(nèi)海上升壓站的設(shè)計運行經(jīng)驗，對海上升壓站的總體布置，電氣一二次設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計，給排水設(shè)計，消防設(shè)計，暖通設(shè)計，逃生與救生設(shè)施設(shè)計，施工組織設(shè)計進行了較為全面地規(guī)定[5]。2019年中國船級社出版了《海上升壓站平臺指南》，該指南主要梳理海上升壓站相對于固定式海洋油氣平臺的異同點，總結(jié)已建在建海上升壓站的功能需求和設(shè)計特點，提出了海上升壓站各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求和檢驗條款[6]。

本文主要分析近年若干海上風電場在建造和運行階段出現(xiàn)的經(jīng)驗反饋，對海上升壓站的運行模式分析、重要設(shè)備間暖通空調(diào)負荷分級、海上升壓站人員值守和環(huán)保要求方面提出了設(shè)計優(yōu)化建議，可用于對后續(xù)新的海上升壓站設(shè)計提供參考。

1 海上升壓站運行模式的設(shè)計優(yōu)化

1.1 海上升壓站運行模式的分析

在海上升壓站的整個生命周期中，海上升壓站實際上存在著建造、調(diào)試、試運行、正常運行、例行檢修、故障檢修或停運等多種運行狀態(tài)，在不同的狀態(tài)下要求海上升壓站具備不同的運行模式。設(shè)計應(yīng)對不同的運行模式進行充分考慮，將海上升壓站建設(shè)成為能夠適應(yīng)各種運行狀態(tài)和環(huán)境條件的“韌性”升壓站。目前國內(nèi)規(guī)范如《風電場工程110 kV～220 kV海上升壓變電站設(shè)計規(guī)范》（NB/T 31115—2017）和中國船級社出版的《海上升壓站平臺指南》并沒有對于海上升壓站的運行模式進行明確的定義和規(guī)定。挪威船級社2020版的Offshore substations（DNV-ST-0145）將海上升壓站的運行模式劃分為正常模式、（N-1）模式、孤島模式、應(yīng)急模式和“黑站”模式。

綜合海上升壓站建造和運維的經(jīng)驗及挪威船級社的規(guī)定，下文對升壓站的五種運行模式分別進行分析，以期對后續(xù)海上升壓站的設(shè)計有所啟發(fā)。

1）正常模式：海上升壓站與電網(wǎng)連接良好，可處于向電網(wǎng)送電或倒送電狀態(tài)；整體上功能齊全，運行正常。電氣一次主設(shè)備都處于正常運行狀態(tài)（并不一定處于滿功率狀態(tài)）；電氣二次設(shè)備軟硬件狀態(tài)良好；與外界的通信設(shè)備功能正常；輔助系統(tǒng)包括給排水、供暖空調(diào)和通風、消防系統(tǒng)功能正常；應(yīng)急設(shè)施包括火警消防，逃生救援設(shè)施持續(xù)處于可用狀態(tài)；相關(guān)人員臨時生活設(shè)施狀態(tài)良好及食品水源儲備充足。這種模式一般存在于海上升壓站試運行或持續(xù)運行期間，設(shè)計應(yīng)充分將正常模式下各種設(shè)備的用電負荷考慮周全。

2）（N-1）模式：海上升壓站仍與電網(wǎng)連接，海上升壓站部分主設(shè)備或輔助設(shè)備由于故障而喪失功能或由于處于調(diào)試階段而未具備功能，但尚不至于切斷與外部電網(wǎng)的聯(lián)系。例如具有兩回海纜的風電場，其中一回因故障而被停用；或者具有兩臺主變的海上升壓站，其中一臺主變故障停用。在（N-1）模式下主系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)功能應(yīng)基本正常；與外界的通信設(shè)備功能基本正常；應(yīng)急設(shè)施包括火警消防，逃生救援設(shè)施仍應(yīng)處于持續(xù)可用狀態(tài)；相關(guān)人員臨時生活設(shè)施及食品水源儲備充足。（N-1）模式一般存在于海上升壓站調(diào)試或故障檢修期間，設(shè)計之初就應(yīng)對海上升壓站進行失效模式與影響分析（FMEA），提供適當?shù)脑O(shè)計冗余和裕量，為電廠調(diào)試或檢修人員提供足夠的時間將（N-1）模式轉(zhuǎn)換為正常模式。

3）孤島模式：當海上風電場的主登陸海纜損壞或陸上送出的架空輸電線路故障時，海上風電場與電網(wǎng)系統(tǒng)斷開，海上風電場就處于孤島模式。在孤島狀態(tài)下海上升壓站除重要和應(yīng)急負荷（包括通信電源、監(jiān)控電源、事故照明、事故通風、消防火災(zāi)和逃生救援設(shè)備等）處于持續(xù)運行狀態(tài)外，主設(shè)備或輔助設(shè)備應(yīng)處于可用狀態(tài)。相關(guān)人員不應(yīng)在升壓站上過夜。孤島模式一般存在于海上升壓站海上調(diào)試初期，主送出海纜全部故障或外部電網(wǎng)故障狀態(tài)。設(shè)計應(yīng)為重要和應(yīng)急負荷提供充足的柴油發(fā)電機、蓄電池等應(yīng)急電源容量[16]。

4）應(yīng)急模式：海上升壓站由于火災(zāi)或其他不可抗力而造成整個升壓站失去功能。海上升壓站應(yīng)具備可靠的防火分區(qū)、防火封堵等被動的防護措施；具備足夠的逃生設(shè)施，比如配備足夠的救生圈、保溫衣、救生艇等救生設(shè)施。

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5）“黑站”模式：海上升壓站失去全部電力但并不是處于應(yīng)急模式。比如海上升壓站在吊裝到位的初期，長期處于孤島模式而導(dǎo)致應(yīng)急電源耗盡等情況。設(shè)計應(yīng)考慮為海上升壓站配置可靠的防火分區(qū)、防火封堵等被動的防護措施；具備足夠的逃生設(shè)施，比如配備足夠的救生設(shè)施和食品；考慮配置小型風光發(fā)電裝置。

1.2 大孤島和小孤島運行模式的優(yōu)化選擇

當風電場正常運行時，海上風電機組通過集電海纜匯集到海上升壓站進一步通過登陸海纜接入電網(wǎng)。風電場發(fā)電時，電能被從風機輸送到電網(wǎng)；風電場不發(fā)電時，電網(wǎng)可以對海上升壓站倒送電進而向風機供電。當海上風電場的主登陸海纜損壞或陸上送出的架空輸電線路故障時，海上風電場與電網(wǎng)系統(tǒng)斷開，海上風電場就會處于孤島狀態(tài)。

當風電場處于孤島運行狀態(tài)時，可以有兩種模式選擇：一種是小孤島運行模式，即海上升壓站重要關(guān)鍵設(shè)備由平臺應(yīng)急柴油發(fā)電機供電運行，升壓站不向風電機組供電，僅需考慮海上升壓站的重要和應(yīng)急負荷，柴油發(fā)電機配置容量和尺寸較小。這種模式下海上升壓站的尺寸和重量以及工程成本都可以有較大的優(yōu)化。另一種是大孤島運行模式，即不僅海上升壓站內(nèi)設(shè)備由平臺柴油機組供電運行，而且升壓站與風電機組串之間保持連接，風機內(nèi)輔助設(shè)備同樣由柴油發(fā)電機組供電運行，柴油發(fā)電機配置容量較大。這種模式下海上升壓站的尺寸和重量較大，整體造價提高。

一般根據(jù)海上風電場廠址附近海域臺風專題報告、風機設(shè)備廠提供的機組的抗臺策略（關(guān)注是否需要后備電源及在何種條件下需要后備電源）、風機廠提供的風力發(fā)電機組維護手冊（關(guān)于機組最大允許斷線時間），以及項目業(yè)主對于工程造價的承受程度綜合考慮選擇運行模式。

以廣東某海上風電場采用MySE5.5-155風電機組為例。該風機在不具備并網(wǎng)條件下，可以在海上環(huán)境下最大允許斷線時間為1個月。在風機未并網(wǎng)投運前，由風機廠負責采取每個月定期運維船運維的方式對風場風機進行維護。由于該海上風電場送出海纜采用2回220 kV海纜，2回海纜同時因事故斷開的概率極小，不考慮因海纜故障導(dǎo)致風電場處于孤島運行狀態(tài)的情況。在該風電場的接入線路存在一般故障時，平均故障修復(fù)時間一般數(shù)小時內(nèi)能完成；根據(jù)《臺風型風力發(fā)電機組》（GB/T 31519—2015）附錄D.3 臺風持續(xù)時間分析，嚴重故障時一般兩周以內(nèi)完成[17]。這意味著海上風電機組可以在小孤島狀態(tài)下得到正常維護，同時能夠采購成本更低的小型柴油發(fā)電機組，因此該風電場最終選擇小孤島運行模式。

2 海上升壓站暖通系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化

2.1 將升壓站二次設(shè)備間空調(diào)設(shè)置為應(yīng)急負荷

目前海上升壓站站用電設(shè)計依據(jù) 《風電場工程110 kV～220 kV 海上升壓變電站設(shè)計規(guī)范》（NB/T 31115—2017）[5]及《海上風力發(fā)電場設(shè)計標準》（GB/T 51308—2019）[18]，以上規(guī)范中“海上升壓變電站內(nèi)的通信電源、監(jiān)控電源、事故照明、事故通風、消防火災(zāi)系統(tǒng)、逃生設(shè)備和導(dǎo)航設(shè)備為應(yīng)急負荷；設(shè)備操作電源為重要負荷；除應(yīng)急負荷和重要負荷外的其它負荷為常規(guī)負荷。海上升壓變電站工作電源應(yīng)滿足應(yīng)急負荷、重要負荷和常規(guī)負荷的供電需求，應(yīng)急電源應(yīng)滿足應(yīng)急負荷和重要負荷的供電需求?！?019年中國船級社頒布了指導(dǎo)性文件《海上升壓站平臺指南》（2019年7月1日后執(zhí)行）中第4.6站用電章節(jié)也未將空調(diào)系統(tǒng)列為應(yīng)急負荷，但是在6.4.7空調(diào)及通風系統(tǒng)章節(jié)中，增加了重要處所通風系統(tǒng)的應(yīng)急電源供電需求“平臺上重要處所的通風空調(diào)系統(tǒng)的電源應(yīng)滿足應(yīng)急電源的供電要求，如應(yīng)急開關(guān)室、中央控制室、蓄電池室、消防泵房、七氟丙烷間/二氧化碳間。所有暖通空調(diào)控制盤的電源亦應(yīng)滿足應(yīng)急電源的供電要求?！痹撝笇?dǎo)文件非強制性要求，且在廣東部分海上風電項目施工完成之后才開始實施。Offshore substations（DNV-ST-0145）5.5 節(jié)輔助能源系統(tǒng)中也未將重要設(shè)備間暖通空調(diào)作為應(yīng)急負荷。

依據(jù)目前國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計廣東某海上風電場海上升壓站，其空調(diào)系統(tǒng)尚未設(shè)計成重要負荷及應(yīng)急負荷。該海上升壓站于2020年11月11日停電，直至11月16日才具備窗口期出海登上升壓站，在此期間未停二次設(shè)備供電。運維人員到達升壓站后發(fā)現(xiàn)，繼保室墻壁溫度高達44.3 ℃，設(shè)備柜內(nèi)溫度超過63 ℃，設(shè)備過熱老化可聞焦糊味較重，部分通信設(shè)備、保護監(jiān)控后臺電腦因高溫死機，霧笛系統(tǒng)后備電源電池全部鼓包。休息倉冰箱掉電，冰箱儲存的食物腐爛。經(jīng)初步分析認為繼保室空調(diào)取電于PC段，全站停電后，繼保室空調(diào)掉電停機，無法制冷；柴油發(fā)電機啟動，繼保室各種保護、通訊等設(shè)備正常運行，特別是UPS電源、直流系統(tǒng)等設(shè)備熱量無法排出。由于海上升壓站為“無人值守”變電站，220 kV系統(tǒng)停電期間，繼保室高溫問題將影響保護裝置設(shè)備使用壽命，并有火災(zāi)風險。休息倉電源也是取電于PC段，停電檢修時無法制冷。

實際運行過程中由于計劃或非計劃停電時海況不好，確實會出現(xiàn)升壓站停電而人員無法及時登上海上升壓站的狀態(tài)，此時控制室內(nèi)重要控制設(shè)備不停電，設(shè)備和房間存在溫度過高的情況，將控制室、應(yīng)急開關(guān)室和蓄電池室暖通空調(diào)作為應(yīng)急負荷，接到應(yīng)急母線上可較好地解決此問題。將休息室內(nèi)插座回路接到應(yīng)急電源母線，以便于運行人員確定何時手動向休息室內(nèi)的空調(diào)和冰箱供電。為此建議在《風電場工程110 kV～220 kV海上升壓變電站設(shè)計規(guī)范》（NB/T 31115—2017）中將升壓站二次設(shè)備間通風空調(diào)設(shè)備設(shè)為應(yīng)急負荷。

同時在應(yīng)急柴油發(fā)電機選型采購時，不僅考慮正式電源失去后，應(yīng)急柴油發(fā)電機供電帶應(yīng)急負荷，也要考慮海陸聯(lián)調(diào)和倒送電期間需求，選用能夠滿足要求的應(yīng)急柴油發(fā)電機，適當增加供貨合同中供應(yīng)商負責的維護保養(yǎng)次數(shù)。

2.2 優(yōu)化暖通空調(diào)布置，避免通風口距橋架過近

廣東某海風項目海上升壓站暖通室外機（#1主變的#1和#2空調(diào)室外機）通風口離電纜太近，通風口距上部220 kV電纜橋架小于30 cm，暖通空調(diào)啟動時橋架溫度最高時超過60 ℃。220 kV電纜廠家根據(jù)環(huán)境溫度60 ℃進行復(fù)核，電纜載流量為735 A，小于載流量要求862 A，不滿足要求。

對于暖通室外機排風口與電纜橋架的距離，國內(nèi)尚無規(guī)范明確規(guī)定，在GB 50217電纜設(shè)計規(guī)范里對熱力管道與電力電纜之間的距離有要求，見表1，明敷的電纜不宜平行敷設(shè)在熱力管道的上部，電纜與管道之間無隔板防護時的允許距離，熱力管道與電力電纜平行時，距離要求不小于1 000 mm，暖通設(shè)備的排風口熱量排放更集中，距離不應(yīng)比此標準小。在海上升壓站的設(shè)計中要求暖通設(shè)備的排風口應(yīng)避開電纜橋架，確實不能避開的，排風口距橋架的距離不應(yīng)小于1 500 mm，可留有空間對排風口進行導(dǎo)流。

表1 電纜與管道之間無隔板防護時允許距離Tab.1 Allowable distance between cable and pipeline without partition protection mm

3 海上升壓站的人性化優(yōu)化設(shè)計

3.1 關(guān)于“無人值守”理念的設(shè)計優(yōu)化

《風電場工程 110 kV～220 kV海上升壓變電站設(shè)計規(guī)范》（NB/T 31115—2017）3.0.5 節(jié)規(guī)定海上升壓變電站應(yīng)按照“無人值守”方式設(shè)計，并按照無人駐守平臺設(shè)計?！盁o人值守”方式理解為允許運維人員必要時進入海上升壓變電站內(nèi)進行巡視和檢修，但不允許運維人員在海上升壓變電站內(nèi)住宿。不設(shè)置生活平臺的海上升壓變電站內(nèi)應(yīng)設(shè)置避難室，避難室內(nèi)配備有必要的應(yīng)急救助設(shè)施，當運維人員由于海況等原因無法及時撤離海上升壓變電站時，可在避難室內(nèi)得到必要的救助。避難室的設(shè)計不包括宿舍、食堂、辦公室、娛樂室等生活設(shè)施和發(fā)電機、消防設(shè)備、污水處理裝置等輔助設(shè)施，這些設(shè)施都是生活平臺的設(shè)計需要。因此根據(jù)規(guī)范海上升壓站沒有休息室的概念，只有避難室的概念。

在海上升壓站安裝、運行和維護的過程中，施工和運行人員經(jīng)常需要在升壓站上工作生活數(shù)天，這時的避難室實際上成為站上人員的休息室。為此目前海上升壓站是按照“無人值守”的理念設(shè)計，但是實際都是按“短期有人值守”的狀態(tài)使用。隨著海上風電場離岸越來越遠，設(shè)計應(yīng)充分調(diào)研和分析建造單位的使用情況，在后續(xù)規(guī)范中將海上升壓站劃分為“無人值守”、“短期有人值守”和“長期有人值守”三種形式。特別是在“短期有人值守”設(shè)計中將避難室調(diào)整為有一定生活功能的臨時休息室，與業(yè)主運行到位充分溝通休息室的功能需求，對休息室進行合理的布置設(shè)計。臨時休息間應(yīng)考慮安裝空調(diào)、冰箱和通風換氣裝置。通風換氣裝置宜為獨立的換風系統(tǒng)并具有擋雨和防鹽霧的功能。

3.2 通信基站和 WIFI的設(shè)置

在海上升壓站上建立通信基站，充分利用送出海纜中復(fù)合的光纖，與陸上基站配合，在海上升壓站至少覆蓋一家通信運營商的信號，實現(xiàn)施工人員的常用通信要求。另外在海上升壓站各層可設(shè)置無線路由，實現(xiàn)WIFI覆蓋，便于海上升壓站的數(shù)字化、信息化管理。

4 海上升壓站使用環(huán)保要求的設(shè)計優(yōu)化

4.1 在海上升壓站增加生活污水處理裝置

根據(jù)《海上升壓站平臺指南》11.3.1~11.3.2規(guī)定[6]：生活污水未經(jīng)處理不得排放入海。如升壓站平臺所在海域禁止排放生活污水，則生活污水需外運。生活污水的排放應(yīng)滿足國家和地方規(guī)定的排放標準。生活污水的排放應(yīng)進行定量。

廣東某海上升壓站衛(wèi)生間原為直排功能且為固定式，根據(jù)指南規(guī)定要求需增加污水處理裝置。主要設(shè)計優(yōu)化內(nèi)容如下：需要修改衛(wèi)生間型式并增加污水處理裝置和房間，在一層甲板下增加操作平臺，對原整體式采購的衛(wèi)生間模塊修改技術(shù)要求，由移動式改為固定式，根據(jù)固定式衛(wèi)生間用電設(shè)備及污水處理設(shè)備的負荷情況增加相應(yīng)電源及控制回路，并在操作平臺上增加照明燈具，增加污水處理設(shè)備的采購要求，根據(jù)具體情況增加相應(yīng)的通風及消防設(shè)備。設(shè)備方面增加污水處理裝置、除臭裝置、固定式衛(wèi)生間、動力箱、控制箱、鋼材、輔材、鹽霧過濾器等。

4.2 在海上升壓站柴油機上增加廢氣處理裝置

海上風電海洋環(huán)評對柴油發(fā)電機提出環(huán)保要求，環(huán)評要求如下：備用柴油發(fā)電機采取水噴淋處理措施后由專門的煙氣管道引至樓頂高空排放，排放的尾氣可符合廣東省地方標準《大氣污染物排放限值》（DB 44/27－2001）[19]二級標準（第 2 時段）限值（見表2）。達到以下排放標準需增加顆粒補集器。在海上升壓站初設(shè)方案審查中，應(yīng)關(guān)注國家標準和環(huán)評報告中對環(huán)保的要求，將相關(guān)要求落實到設(shè)計方案和采購技術(shù)規(guī)范書中。

表2 廣東省地方標準《大氣污染物排放限值》（DB 44/27—2001）摘錄Tab.2 Excerpt from Guangdong local standard Emission limits of air pollutants (DB 44/27—2001)mg/m3

5 結(jié)論

本文主要總結(jié)分析了近年若干海上風電場在建造和運行階段出現(xiàn)的經(jīng)驗反饋，對海上升壓站的運行模式、暖通系統(tǒng)、人性化和環(huán)保要求方面提出了設(shè)計優(yōu)化建議，主要結(jié)論有：

1） 結(jié)合海上升壓站的運行狀態(tài)，對海上升壓站的五種運行模式進行了分析，應(yīng)將海上升壓站建設(shè)成為能夠適應(yīng)各種運行狀態(tài)和環(huán)境條件的“韌性”升壓站。對于海上風電場選擇小孤島還是大孤島運行模式要根據(jù)海上風電場廠址風況、風機設(shè)備的抗臺策略，以及技經(jīng)分析等多種因素綜合分析。

2） 由于實際運行過程中計劃或非計劃停電同時海況不好，會出現(xiàn)升壓站停電而人員無法及時登上海上升壓站的情況，建議將海上升壓站二次設(shè)備間通風空調(diào)設(shè)備設(shè)為應(yīng)急負荷。為避免暖通散熱通道對電氣設(shè)備和電纜的影響，應(yīng)關(guān)注和優(yōu)化暖通空調(diào)布置。

3） 在海上升壓站安裝、運行和維護的過程中，按無人值守理念設(shè)計的避難室實際上成為站上人員短期的休息室，在設(shè)計中建議平衡項目建設(shè)成本和人性化設(shè)施兩方面需求，進一步優(yōu)化規(guī)范中海上升壓站“無人值守”的概念，允許一定的運維人員或建造人員在海上升壓變電站上短期住宿和生活。

4） 海上升壓站的設(shè)計應(yīng)滿足環(huán)保要求，建議在海上升壓站增加生活污水處理裝置，在柴油機上增加廢氣處理裝置。