預(yù)制艙式變電站在高海拔光伏項(xiàng)目中的應(yīng)用

肖 利 建， 高 爽

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

近幾年來(lái)，我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)了迅速的發(fā)展和擴(kuò)張，目前，中國(guó)的光伏行業(yè)產(chǎn)能已經(jīng)穩(wěn)居世界前列，是全球最大的光伏設(shè)備出口國(guó)。2010年之后，國(guó)內(nèi)光伏裝機(jī)規(guī)模持續(xù)上升，近兩年的光伏行業(yè)新增裝機(jī)規(guī)模有所放緩，但每年仍有30～40 GW新增裝機(jī)容量。

四川省是中國(guó)西南地區(qū)的水電大省，省內(nèi)的光伏項(xiàng)目近幾年來(lái)初具規(guī)模，但在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中，裝機(jī)規(guī)模占比仍然相對(duì)較小，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。四川地?shì)西高東低，省內(nèi)的年總輻射分布按照地理分布，自西向東逐漸減少。川西高原地區(qū)，包括甘孜藏族自治州、涼山彝族自治州和阿壩藏族羌族自治州，以及攀枝花地區(qū)，是四川省太陽(yáng)能資源較好的地區(qū)。這些區(qū)域的年太陽(yáng)能總輻射量在4 100 ～5 500 MJ/m2以上,日照時(shí)數(shù)超過(guò)1 800 h，具有較好的開(kāi)發(fā)價(jià)值[1-2]。集中式光伏發(fā)電站項(xiàng)目一般需要占用較大的地表面積以安裝足夠的光伏電池板。因此，通常選址在人煙稀少、地勢(shì)開(kāi)闊的區(qū)域。川西高原地區(qū)人口密度小，面積廣闊，且經(jīng)過(guò)四川省多年的能源開(kāi)發(fā)建設(shè)，已具備了較好的電力輸出條件，非常適宜于開(kāi)發(fā)山地光伏項(xiàng)目。盡管如此，由于川西高原地區(qū)較特殊的地理?xiàng)l件，這類(lèi)項(xiàng)目在建設(shè)過(guò)程中又面臨海拔高、氣候條件惡劣、建設(shè)場(chǎng)地地表起伏不平、施工難度大等困難[3]。預(yù)制艙式變電站因其在工期、質(zhì)量、項(xiàng)目管理、環(huán)境影響等方面的優(yōu)勢(shì)，在新能源項(xiàng)目中具有較強(qiáng)的適用性，適合應(yīng)用在該類(lèi)高海拔山地光伏建設(shè)項(xiàng)目中。本文通過(guò)預(yù)制艙式變電站在正斗光伏電站中的應(yīng)用，對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析和介紹。

2 正斗光伏電站的基本情況

正斗光伏電站工程場(chǎng)址位于四川省甘孜藏族自治州鄉(xiāng)城縣正斗鄉(xiāng)頂貢大草原，場(chǎng)址區(qū)域?yàn)楦呱侥翀?chǎng)。場(chǎng)址南北長(zhǎng)約1.4 km，東西寬約1.8 km，植被以草甸為主，零星見(jiàn)樹(shù)木；地形坡度以0～10°為主，地勢(shì)開(kāi)闊，地形平坦，場(chǎng)內(nèi)海拔高度3 920～4 010 m，屬山地地貌。鄉(xiāng)城縣地處四川省西部青藏高原東南緣，屬于亞熱帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，主要特征是雨量少而集中，干濕季分明；降雨多集中在6～8月，冬、春季雨量少。日照充足，氣溫年差較小，日差較大，最高溫度出現(xiàn)在7月份，最低溫度出現(xiàn)在1月份，無(wú)霜期短，年平均霜期218.4 d，無(wú)霜期146.6 d。項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)冬季氣溫極低，氣候惡劣，因此，每年的4月份仍有大雪極端天氣出現(xiàn)。

本項(xiàng)目總裝機(jī)容量為50 MWp，項(xiàng)目采用280 Wp單晶硅組件，組串式逆變器，平單軸式跟蹤支架系統(tǒng)。電站陣列區(qū)共包括32個(gè)子陣，每個(gè)陣列區(qū)布置1臺(tái)35 kV歐式箱變，采用3回35 kV集電線路接入220 kV升壓站35 kV母線，并通過(guò)1臺(tái)100 MVA的變壓器升壓至220 kV。電站新建220 kV升壓站1座，通過(guò)同期建設(shè)的220 kV高壓輸電線路接入項(xiàng)目西南方向的茨巫220 kV變電站220 kV側(cè)間隔。正斗光伏電站于2017年1月進(jìn)場(chǎng)施工準(zhǔn)備，根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)要求，需在2017年6月30日前并網(wǎng)發(fā)電，期間面臨冬季施工、春節(jié)長(zhǎng)假、運(yùn)輸?shù)缆吠ㄐ袟l件差等困難，建設(shè)任務(wù)艱巨。另外，由于本項(xiàng)目地處高山牧場(chǎng)區(qū)域，根據(jù)國(guó)家環(huán)保政策的要求，項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中還需考慮項(xiàng)目施工對(duì)項(xiàng)目所在地生態(tài)環(huán)境的影響，減少對(duì)高山草甸的破壞，該因素也對(duì)項(xiàng)目的施工組織措施、技術(shù)方案等方面提出較高的要求。

3 預(yù)制艙式變電站在高山光伏建設(shè)中的優(yōu)勢(shì)

本項(xiàng)目地處4 000 m高海拔地區(qū)，冬季氣候極端惡劣，早晚溫差大。因此，在冬季施工過(guò)程中，若變電站主體建筑采用混凝土框架結(jié)構(gòu)，則混凝土養(yǎng)護(hù)將面臨較大困難，費(fèi)用成本較高，周期較長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際的工期情況，本項(xiàng)目最終采用預(yù)制艙式變電站建設(shè)方案。

3.1 建設(shè)工期

傳統(tǒng)混凝土框架結(jié)構(gòu)變電站在施工過(guò)程中，包括紅線范圍內(nèi)的場(chǎng)地平整、基礎(chǔ)開(kāi)挖、基礎(chǔ)澆筑、主體框架澆筑、墻體砌筑、室內(nèi)外裝修等工序。而采用預(yù)制艙式變電站，則前期僅需完成紅線范圍內(nèi)的場(chǎng)地平整、基礎(chǔ)開(kāi)挖、基礎(chǔ)澆筑及預(yù)埋件埋設(shè)，后續(xù)待預(yù)制艙運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)之后進(jìn)行吊裝即可，土建工程工期大為縮短。同時(shí)，也可以避免在高寒、高海拔地區(qū)進(jìn)行冬季施工的困難[4]。

電氣工程方面，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)變電站在土建工作完成并交面后，才能進(jìn)入室內(nèi)的電氣設(shè)備吊裝作業(yè)、電纜敷設(shè)、配線、上電調(diào)試等工序，需要較長(zhǎng)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間。而預(yù)制艙式變電站方案，可以將艙體生產(chǎn)工作與土建基礎(chǔ)澆筑工作同時(shí)開(kāi)展，在基礎(chǔ)混凝土等強(qiáng)期，即可在預(yù)制艙制造廠內(nèi)開(kāi)展艙內(nèi)電氣設(shè)備安裝、敷設(shè)電纜、電纜配線、廠內(nèi)上電調(diào)試等工作，大幅度減少現(xiàn)場(chǎng)電氣安裝工作量和安裝周期[5]。

3.2 工程質(zhì)量

傳統(tǒng)混凝土框架結(jié)構(gòu)變電站與預(yù)制艙式變電站相比，混凝土澆筑量較大。本項(xiàng)目所在地位于高寒高海拔區(qū)域，面臨冬季施工的難題，一方面，作業(yè)人員難以及時(shí)就位，另一方面，混凝土養(yǎng)護(hù)成本較高，且由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制，混凝土澆筑質(zhì)量管控難度較大。采用預(yù)制艙方案可以大幅減少現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑量，并且預(yù)制艙體在專(zhuān)業(yè)工廠內(nèi)生產(chǎn)，質(zhì)量更有保障，可以有效提高建筑質(zhì)量。

在電氣設(shè)備安裝方面，采用傳統(tǒng)混凝土框架結(jié)構(gòu)，則所有電氣設(shè)備需要在土建交面之后，在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝調(diào)試，而預(yù)制艙式變電站建設(shè)方案中，大部分電氣設(shè)備可在工廠內(nèi)完成艙內(nèi)組裝和主要配線工作。通常情況下，工廠內(nèi)安裝調(diào)試條件較好、安裝人員技術(shù)較高、安裝調(diào)試工具更為齊全，相較于現(xiàn)場(chǎng)安裝而言，可以實(shí)現(xiàn)更好的安裝質(zhì)量和工藝水平[6-7]。

3.3 項(xiàng)目管控

預(yù)制艙式變電站，在艙體內(nèi)集成了升壓站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、中低壓開(kāi)關(guān)柜設(shè)備、站用變壓器設(shè)備、通信設(shè)備、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備、消防設(shè)備、工業(yè)電視設(shè)備、直流系統(tǒng)設(shè)備等設(shè)備，具有高度的集成性，減少了設(shè)備采購(gòu)標(biāo)段的劃分，降低了項(xiàng)目建設(shè)中的協(xié)調(diào)工作量，有利于建設(shè)方的項(xiàng)目管控[8]。

3.4 環(huán)境影響

相較于傳統(tǒng)方案，預(yù)制艙式變電站方案大大減少了變電站占地面積和土建工作量，現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)人員數(shù)量大為減少，降低了現(xiàn)場(chǎng)施工臨建設(shè)施的使用需求，省減了混凝土澆筑方量，極大地減少了施工作業(yè)對(duì)項(xiàng)目所在地環(huán)境的負(fù)面影響，有利于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的保護(hù)。

4 預(yù)制艙式變電站在正斗光伏項(xiàng)目中的應(yīng)用

4.1 總體設(shè)計(jì)方案

正斗光伏項(xiàng)目預(yù)制艙式變電站共設(shè)置艙體7個(gè)，包括中控艙1個(gè)、二次設(shè)備艙1個(gè)、35 kV設(shè)備艙1個(gè)、站用電設(shè)備艙1個(gè)、蓄電池艙1個(gè)、生活艙2個(gè)。預(yù)制艙體的主體骨架由優(yōu)質(zhì)碳鋼、型鋼及鋼板等金屬材料經(jīng)整體焊接而成， 以保證足夠的強(qiáng)度連接，并形成等電位。艙體的底架部件由型鋼焊接而成，主要鋼材材質(zhì)選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，框架、門(mén)板及頂蓋均采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板經(jīng)噴砂、熱浸鋅防腐處理或采用不銹鋼部件(圖1)。預(yù)制艙體的墻體結(jié)構(gòu)由外墻板、防火板、吸濕層、骨架內(nèi)保溫層、內(nèi)墻板等組成。預(yù)制艙頂部采用人字型結(jié)構(gòu)，人字型頂部斜度大于3°，并配套設(shè)置排水槽和落水管。

圖1 艙體底部結(jié)構(gòu)

在艙體功能劃分中，中控艙內(nèi)主要裝設(shè)電站綜自系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)備、調(diào)度設(shè)備、逆變器監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)備、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)備、工業(yè)電視顯示屏等；二次設(shè)備艙內(nèi)裝設(shè)升壓站內(nèi)的控制、保護(hù)屏柜、服務(wù)器機(jī)柜、通信機(jī)柜等設(shè)備；站用電設(shè)備艙內(nèi)裝設(shè)400 V站用電配電盤(pán)、站用變等；35 kV設(shè)備艙內(nèi)裝設(shè)接集電線路的35 kV充氣式開(kāi)關(guān)柜，并通過(guò)絕緣管母線與主變低壓側(cè)相連，另外，還通過(guò)電力電纜連接電站SVG設(shè)備；蓄電池預(yù)制艙內(nèi)主要裝設(shè)直流系統(tǒng)蓄電池，采用防爆艙體；生活預(yù)制艙內(nèi)主要布置運(yùn)行人員生活起居設(shè)施，供運(yùn)行值班人員使用，預(yù)制艙式變電站總體布置方式，見(jiàn)圖2。

圖2 正斗升壓站航拍圖

表1 兩種方案標(biāo)段數(shù)量對(duì)比

4.2 采購(gòu)方案

升壓站內(nèi)電氣設(shè)備較多，相較常規(guī)建設(shè)方案，采用預(yù)制艙式變電站建設(shè)方案，在設(shè)備采購(gòu)階段需要對(duì)標(biāo)段劃分進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在預(yù)制艙采購(gòu)標(biāo)段中進(jìn)行設(shè)備集成。本項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中，將主要的控制、保護(hù)設(shè)備以及高低壓開(kāi)關(guān)柜設(shè)備等均集成到預(yù)制艙設(shè)備標(biāo)中。

由表1可以看出，新的建設(shè)方案中，標(biāo)段數(shù)量明顯減少，對(duì)于項(xiàng)目建設(shè)方而言，這種調(diào)整降低了采購(gòu)工作量，減小了各標(biāo)段之間的管理協(xié)調(diào)難度。

4.3 運(yùn) 輸

預(yù)制艙一般體積較大，在運(yùn)輸中應(yīng)選用大型平板拖車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸。而且，根據(jù)公路超限運(yùn)輸?shù)囊?guī)定，對(duì)于體積過(guò)大的艙體還需進(jìn)行分段運(yùn)輸。同時(shí)，需提早向交通管理部門(mén)申辦超限運(yùn)輸手續(xù)。本項(xiàng)目中，二次設(shè)備艙體積龐大，采用了分段運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)拼接的方式，其余艙體均整體運(yùn)輸。

預(yù)制艙式變電站在廠內(nèi)已完成了主要電氣設(shè)備的艙內(nèi)安裝工作，為防止設(shè)備在運(yùn)輸和吊裝過(guò)程中的損傷，在運(yùn)輸前應(yīng)采取額外的加固措施(圖3)。

圖3 運(yùn)輸保護(hù)措施

4.4 吊裝和拼艙

預(yù)制艙裝及落位都需要采吊裝，預(yù)制艙基本吊卸具有吊/航吊、吊桿、卸扣、吊帶和鋼絲繩。預(yù)制艙吊卸落位于運(yùn)輸輛時(shí)，采麻繩、鋼絲繩等加固件將預(yù)制艙與體結(jié)實(shí)牢固地連接在一起(圖4)。

4.5 實(shí)際應(yīng)用中的要點(diǎn)

預(yù)制艙式變電站方案，相較于傳統(tǒng)變電站建設(shè)實(shí)施方案有不少的優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處，還需要注意以下方面：

圖4 艙體吊裝

(1)設(shè)計(jì)先行。盡早確定設(shè)計(jì)方案和電氣設(shè)備供應(yīng)商。預(yù)制艙式變電站成套性強(qiáng)的特點(diǎn)，是其優(yōu)點(diǎn)之一，但在工程實(shí)施中，這一特點(diǎn)也要求項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作提早開(kāi)展，盡早完成設(shè)備選型、確定品牌，否則，將嚴(yán)重制約預(yù)制艙整體設(shè)計(jì)、制作工作，變優(yōu)勢(shì)為劣勢(shì)。

(2)加強(qiáng)統(tǒng)籌管理，合理安排施工工序。預(yù)制艙式變電站在項(xiàng)目建設(shè)工期方面的主要優(yōu)勢(shì)在于可以變直線工期為并行作業(yè)，有效縮短項(xiàng)目整體建設(shè)周期。在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)充分協(xié)調(diào)各作業(yè)單位的工期進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)的有序、無(wú)縫銜接。

(3)做好運(yùn)輸和吊裝方案策劃。預(yù)制艙式變電站的艙體運(yùn)輸是一個(gè)重點(diǎn)，亦是一個(gè)難點(diǎn)，一般山地光伏項(xiàng)目均地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，在艙體設(shè)計(jì)階段，應(yīng)提前開(kāi)展運(yùn)輸策劃工作，以確保艙體運(yùn)輸方案的可行性和安全性。

(4)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)拼接施工工藝的管控。由于公路超限運(yùn)輸?shù)南拗疲笮团擉w一般需進(jìn)行分割運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)拼接。預(yù)制艙體的使用年限一般在20～30年以上，內(nèi)部多有精密設(shè)備。因此，艙體的拼接質(zhì)量非常重要，應(yīng)嚴(yán)格按照施工工序進(jìn)行，做好艙體拼接、密封、電氣連接和整艙檢驗(yàn)工作。

5 結(jié) 語(yǔ)

正斗光伏電站已于2017年6月底順利并網(wǎng)發(fā)電，年利用小時(shí)數(shù)連年超過(guò)設(shè)計(jì)值，取得了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。本項(xiàng)目采用了一些先進(jìn)的技術(shù)和施工方案，如大規(guī)模應(yīng)用在高海拔山地條件下的平單軸跟蹤系統(tǒng)、智能光伏運(yùn)維管理系統(tǒng)、新型箱變基礎(chǔ)方案等，預(yù)制艙式變電站作為較新穎的變電站實(shí)施方案，也在本項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了成功的應(yīng)用。預(yù)制艙式變電站因其在工期、質(zhì)量、項(xiàng)目管理、環(huán)境影響等方面的優(yōu)勢(shì)，在新能源項(xiàng)目中具有較強(qiáng)的適用性，適合應(yīng)用于該類(lèi)高海拔山地光伏建設(shè)項(xiàng)目中，本文通過(guò)預(yù)制艙式變電站在正斗光伏電站中的應(yīng)用，對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析和介紹。預(yù)制艙式變電站近年來(lái)在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用較多，一些主流廠家不斷推出新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品，是未來(lái)變電站建設(shè)方式的一個(gè)發(fā)展方向，其特點(diǎn)符合高海拔山地光伏建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)際需求，值得推廣。