换流站柔直阀厅大跨度网架结构安装创新研究

换流站柔直阀厅大跨度网架结构安装创新研究

卿东生

中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东 广州 510000

【摘 要】特高压柔直输电工程的换流站阀厅网架跨度远超同类型其他工程，网架结构安装难度高且无经验借鉴，本文以昆柳龙直流输电工程龙门换流站为例，分析其柔直阀厅大跨度网架结构的安装方案，并进行创新和可行性研究。研究表明：阀厅网架结构拼装后，利用阀厅钢结构永久竖向管桁架柱作为支撑结构，采用穿心式千斤顶作整体提升进行安装的方案可行有效，可供类似工程参考。

【关键词】换流站；柔直阀厅；大跨度网架结构安装

【中图分类号】TU758.11 【文献标识码】B

引言

柔性直流输电技术近年来在国内发展迅速，是构建灵活、坚强、高效电网的有效途径,代表着直流输电的未来发展方向^[1-2]。±800kV昆柳龙直流输电工程作为世界上电压等级最高的特高压柔性直流工程^[3]，柔直阀厅网架跨度远超以往工程。在没有经验可以借鉴的情况下，本文依托昆柳龙工程广东地区受端——龙门换流站工程，对其柔直阀厅大跨度网架结构安装方案进行研究，为后续类似工程提供参考。

工程概况

昆柳龙直流输电工程采取±800kV特高压三端直流，是我国首个三端特高压直流输电示范工程，也是南方电网首个“双八百”直流输电工程。龙门换流站四厅两楼采用“一”字形布置^[4]，自东向西依次为主控楼、极2高端阀厅、极2低端阀厅、极1低端阀厅、极1高端阀厅、辅控楼；北边依次为桥臂电抗场地、直流场；南边依次为柔直换流变区、搬运广场。

阀厅为大跨度单层建筑物，其中高端阀厅平面轴线尺寸为89.5m(宽)×89.0m(长)，净空高度35.5m；低端阀厅平面轴线尺寸为80.5m(宽) ×68.5m(长)，净空高度22.8m；主桁架柱采用立体管桁架结构，抗风柱桁架采用平面管桁架结构；屋盖采用三层正放四角锥网架，网架杆件之间的连接绝大部分采用螺栓球节点，个别受力较大部位采用焊接空心球节点；网架下弦设置转换梁、设备吊梁和吊车梁； 低端阀厅网架结构最大跨度为68.5m，自身高度7.1m，安装高度约为22.8m；高端阀厅网架结构最大跨度为89.5m，自身高度8.471m，安装高度约为35.5m。低端阀厅极1网架和附属结构（檩条、下吊挂、吊车梁）重量为473t，低端阀厅极2网架重量为506t，高端阀厅极1网架重量为725t，高端阀厅极2网架重量为733t，提升总重量为2437t。

图1 低端阀厅结构剖面图 图2 高端阀厅结构剖面图

大跨度网架结构安装的难度分析

在龙门换流站的实际施工中，主要存在着以下难点影响网架的安装：

首先是网架为三层正放四角锥网架，自身高度大、跨度大、重量大、安装高度大，并且下弦杆安装有设备吊梁，安装施工难度较大，高空安全风险高；

其次是工期紧，低端阀厅网架安装工期要求50天，高端阀厅网架安装工期要求60天；

阀厅周边布置有主辅控楼、阀冷设备间、阀冷水池，需与网架结构平行施工，因此网架结构拼装只能在有限空间范围内作业；

阀厅钢柱之间设置有联系桁架及柱间支撑，在阀厅钢柱吊装完成后形成相对有限空间，大型起重设备进出阀厅存在较大困难；

最后还有网架安装的质量要求，即整体网架安装后纵横向长度不大于L/2000，且不大于30mm，挠度值。

网架结构安装的方案研究

方案提出

根据现场情况，综合考虑作业内容和过往屋盖安装方式，龙门换流站阀厅网架安装有高空散拼、整体提升、整体顶升、空中滑移四种备选方案，分析如下：

高空散拼需要搭设满堂脚手架，满堂拆除后再安装吊梁。过程中高空胎架用量大、搭设困难，工期长，费用高，施工方法技术含量低，无法安排穿插施工；下吊梁及屋面檩条需要后装；高空作业时间长，安全风险高。

整体顶升需要再设置临时支撑结构，设置9个顶升点。结构体系提升工况与设计工况差异较大；中心区补件难度大；高端顶升高度大，不适合。

空中滑移需要设置两条滑道。但滑移措施设计和施工控制难度加大；对技术和设备要求很高；下吊梁及屋面檩条需要后装；综合费用较大。

相比之下，整体提升充分利用场地条件和原有竖向结构作为支撑结构，不需要另外施作支撑结构基础，且下吊梁及屋面檩条可以一起提升到位，工期可控，更为合理。

四种备选方案的经济性分析如下：

表1 方案工期、经济性对比分析表（以极2低端为例）

综合对比分析，将拼装完成的网架整体提升的方案更具可操作行，更符合安全、工期和经济性的要求。

具体方案

阀厅网架结构安装的整体提升方案为：利用永久竖向管桁架柱作为支撑结构，在竖向支撑结构上增设提升钢平台安装提升设备，同时在提升网架下增设吊点和吊具，采用穿心式千斤顶作整体提升，提升范围为除四周一个球间以外的全部网架结构，包括屋面檩条以及设备吊梁，其中极二低端提升重量共计506吨。在提升单元达到设计位置后，先将四周一个球间杆件在地面拼装成小拼单元后采用吊车起吊补装。

具体提升安装方案分为五步：

建模分析，与设计单位反复迭代优化并邀请专家评审，布置提升点。

按最大提升重量设计双极低端、高端分别具有互换性即不改造或稍作改造即可互换的提升平台。要求安全可靠，杆件最大应力比<0.7。

按最大提升重量设计双极低端、高端分别具有互换性即不改造或稍作改造即可互换的提升吊点。要求安全可靠，杆件最大应力比<0.7。

提升过程中实行提升单元竖向位移与提升反力“双重”控制；分四次分别提升200mm高静置、提升2000mm装下吊梁、提升10000mm观测、提升至设计位置。提升过程中设置变形计对钢绞线进行监测并通过同步系统传感器采集反力数值，实时调整油压，确保压力接近设计值。要求同步提升偏差<20mm。

按照F→G→1→9轴的顺序，分批分级进行补件卸载，降低不同步效应。卸载过程中实施两批补杆，三级卸载，即杆件全部补完后按30%、30%、40%的比例卸载提升反力。

图3 网架提升方案示意图

方案实施

提升点布置

初步方案布置9个提升点，报乌东德直流项目部广州分部后，由乌东德直流项目部组织研讨会，经过技术、经济分析，决定增设3个吊点，共计12个吊点，分别位于网架结构的如图4所示位置。

图4最终低端阀厅吊点布置图

提升平台研制

提升平台要求双极低端、高端分别具有互换性，不改造或稍作改造互换；安全可靠，杆件最大应力比<0.7；按最大提升重量设计。在格构柱和联系桁架顶部设置提升平台，由提升梁B300×250×12，前立柱P194×12，后立柱、联系杆P140×5，插板t=12mm组成，材质均为Q345B。各杆件之间均采用焊接连接，焊缝均采用熔透焊缝，焊缝等级二级，加劲板、托梁与提升梁之间均采用双面角焊缝连接，焊脚尺寸10mm，共设计三种型式平台。

而后采用空间有限元程序ansys对提升平台提升工况进行仿真模拟分析，得到以下结论：提升平台结构最大应力比为0.81，最大剪应力比为0.70，杆件应力比均小于1，满足要求。

提升点研制

提升下吊点由临时加固杆和临时管组成。设计要求同样要满足双极低端、高端分别具有互换性，不改造或稍作改造互换，且安全可靠，杆件最大应力比<0.7。临时加固杆一端焊接在屋盖结构焊接球和插板上，另一端焊接在临时管上，插板厚度t=10mm。下吊点加固杆与临时管和原结构、插板之间均采用焊接连接，焊缝均采用熔透焊缝，焊缝等级二级。极2低端阀厅共设计了四种型式的下吊点。

利用空间有限元程序ansys对提升点进行应力分析（取最大提升反力655kN），得到以下结论：提升时，杆件最大应力为172MPa（应力集中），其中大部分应力均在153MPa以下，小于规范要求的300MPa，满足要求。

提升反力及同步性控制

提升过程中需要对提升单元竖向位移与提升反力进行“双重”控制，并实施分步提升，即提升200mm高静置→提升2000mm装下吊梁→提升10000mm观测→提升至设计位置，且要求同步提升偏差<20mm。提升过程中，设置变形计对钢绞线进行监测，并通过同步系统传感器采集反力数值，实时调整油压，确保压力接近设计值。具体措施如下：

提升设备选用

选用穿心式液压千斤顶，提升能力强，稳定、可靠，低加速度，装拆方便。具体设备参数如下：

表2提升设备参数表

同步控制

提升设备匹配：根据总提升反力配备提升设备，保证各个提升吊点的液压提升设备配置系数基本一致，以保证提升（下降）结构的空中稳定，即要求各个吊点在上升或下降过程中能够保持一定的同步性（±20mm）。

表3 吊点与提升设备匹配表

提升分四步进行：提升200mm高静置、提升2000mm装下吊梁、提升10000mm观测、提升至设计位置。每次提升后对竖向位移进行测量，然后进行调平处理。

同步反力监测数据如下：

表4 龙门换流站低端阀厅极2离地加载对比表

补件卸载控制

网架提升到位后，钢结构分批分级卸载流程如下：割除吊点下弦预装段，预装段切割线到插板保持2cm距离，以防损伤插板和临时加固杆，再将插板表面打磨光滑，补装后装杆件，通过提升器和倒链调节26个支座球，保证支座球球心在同一标高。而后依次卸载北侧、南侧、西侧、东侧吊点30%的提升反力，并重复此步骤再依次卸载吊点30%、40%的提升反力完成卸载。

图5 后装杆件示意图 图6 下弦预装段示意图

工程施工效果

工期目标

低端阀厅极2网架结构安装的工期：

拼装时间：8月28日~9月20日

第一次试提升装下吊梁：9月21~9月9月24日

第二次试提升并静置：9月25日~9月26日

正式提升：9月27日~9月27日

补件及卸载：9月28日~10月14日

总工期：46天；短于目标值50天。

质量目标

整体网架安装后纵横向长度偏差（要求不大于L/2000，且不大于30mm）：

南北向5轴线偏差+20mm，东西向C~D中间轴线偏差+25mm，均不大于30mm；

南 北向挠度值为108mm，东西向挠度值为92mm，均小于挠度值。

图 7 低端阀厅极2网架安装后5轴轴线扰度示意图

图8 低端阀厅极2网架安装后C~D中间轴线扰度示意图

表5 极2低端应力监测记录表1

表6 极2低端应力监测记录表2

技术效益

利用永久结构作为整体提升支撑结构，不需要另行施作基础及支撑结构，拼装及提升占用阀厅场地时间短，为其他工序争取了时间，为以后柔直阀厅同类型屋盖结构安装提供了宝贵实践经验。

品牌效益

通过龙门换流站柔直阀厅网架结构安装工作的顺利完成，施工单位和承包商的相关施工经验都获得了极大的提升，得到业主和监理单位的好评，同时由施工单位编制完成的《网架整体提升作业指导手册》，可供更广泛的技术人员掌握有关技术及质量控制要领，增强了其公司品牌竞争力，为公司开拓更广泛的市场作出了贡献。

总结

综上分析，特高压换流站的柔直阀厅大跨度网架结构安装中通常遇到自身高度大、跨度大、重量大、安装高度大等问题，安装施工难度大，高空安全风险高，并且伴随工期紧、作业空间有限的难题，同时网架安装还需要符合相关的质量要求，综合困难程度极高。

在这样的施工条件下，龙门换流站施工单位创新性地利用场地条件和原有竖向结构作为支撑，在支撑结构上增设提升钢平台安装提升设备，采用穿心式千斤顶作整体同步提升，最后将四周一个球间杆件在地面拼装成小拼单元后采用吊车起吊补装，在有限空间分别在于50天（低端）、60天（高端）内完成网架结构安装，从而不影响室内其它项目施工，并为项目施工安全、工期保障创造条件。

总体来说是龙门换流站柔直阀厅大跨度网架整体提升的施工方案是一项高效高质量的施工方法，对今后柔直阀厅大跨度网架结构安装的施工有一定的借鉴和参考价值！

【参考文献】

李岩,罗雨,许树楷,等.柔性直流输电技术:应用、进步与期望[J].南方电网技术,2015,9(1):7-13.

马为民,吴方,杨一鸣,等.柔性直流输电技术的现状及应用前景分析[J].高压电技术.2014,40(8):2429-2439._

石骁.特高压柔直换流站阀厅屋盖结构选型与优化[J].南方能源建设,2018,5(4):98-104.

刘振亚.国家电网公司输变电工程典型设计±500kV、3000MW直流换流站分册[M].北京:中国电力出版社,2008

作者简介：卿东生（1970年-），男，高级经济师，主要研究方向为电力工程土建、电气安装施工，E-mail：qds3288@sohu.com。