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特高压柔直换流站阀厅屋盖结构选型与优化

石骁

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. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2018.04.015
引用本文: 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. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2018.04.015
Xiao SHI. Structural Selection and Optimal Design of Long Span Roof for VSC-UHVDC Valve Hall[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2018, 5(4): 98-104. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2018.04.015
Citation: Xiao SHI. Structural Selection and Optimal Design of Long Span Roof for VSC-UHVDC Valve Hall[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2018, 5(4): 98-104. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2018.04.015

特高压柔直换流站阀厅屋盖结构选型与优化

doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2018.04.015
基金项目: 

中国能建广东院科技项目“高压大容量柔性直流换流站设计关键技术研究” EV04701W

详细信息
    作者简介:

    石骁(通信作者) 1986-,男,甘肃天水人,工程师,硕士,主要从事变电站、换流站结构设计工作(e-mail)shixiao@gedi.com.cn。

  • 中图分类号: TU393.3

Structural Selection and Optimal Design of Long Span Roof for VSC-UHVDC Valve Hall

图(11) / 表 (3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-16
  • 修回日期:  2017-12-11
  • 刊出日期:  2018-12-25

特高压柔直换流站阀厅屋盖结构选型与优化

doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2018.04.015
    基金项目:

    中国能建广东院科技项目“高压大容量柔性直流换流站设计关键技术研究” EV04701W

    作者简介:

    石骁(通信作者) 1986-,男,甘肃天水人,工程师,硕士,主要从事变电站、换流站结构设计工作(e-mail)shixiao@gedi.com.cn。

  • 中图分类号: TU393.3

摘要:   [目的]  特高压柔性直流阀厅屋盖跨度远超以往工程,传统采用的梯形钢屋架结构体系已无法适用。  [方法]  在无经验可供借鉴的情况下,文章结合特高压柔性直流换流站阀厅的工艺特点,对阀厅大跨度屋盖的结构设计进行了研究,确定了大跨度阀厅屋盖的合理结构形式,并从网架层数、网架高度、节点形式、网格形式方面入手,对柔性直流大跨度阀厅的网架屋盖进行了优化设计。  [结果]  研究表明:优化后的三层斜放四角锥网架屋盖有良好的结构性能和经济效益,是特高压柔性直流阀厅屋盖适宜采用的一种优良结构形式。  [结论]  优化后的网架屋盖结构形式可供类似工程借鉴。

English Abstract

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. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2018.04.015
引用本文: 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. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2018.04.015
Xiao SHI. Structural Selection and Optimal Design of Long Span Roof for VSC-UHVDC Valve Hall[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2018, 5(4): 98-104. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2018.04.015
Citation: Xiao SHI. Structural Selection and Optimal Design of Long Span Roof for VSC-UHVDC Valve Hall[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2018, 5(4): 98-104. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2018.04.015
  • 柔性直流输电技术作为一种新型输电技术,近些年来在国内发展迅速,特别是最近几年已有数个高压和超高压柔性直流输电工程相继建设,但是在±800 kV特高压柔性直流输电领域,至今尚无工程实例[1]。而目前正在开展设计的±800 kV乌东德直流输电工程,如采用柔性直流技术方案,将成为世界上电压等级最高的特高压柔性直流工程。由于电压等级提高,特高压柔直阀厅屋盖跨度远超以往工程,传统采用的梯形钢屋架等屋盖体系已无法适用于特高压柔直阀厅。在无经验可供借鉴的情况下,本文依托乌东德直流输电工程,重点对特高压柔性直流阀厅屋盖的结构选型设计进行研究,为本工程及后续类似工程提供参考。

    • 和常规直流换流站一样,特高压柔性直流换流站阀厅也分高端阀厅和低端阀厅,两者工艺布置相似但高端阀厅建筑体量更大。鉴于篇幅限制,本文以设计难度相对较大的高端阀厅为例开展论述。

      本工程高端阀厅的柔性直流工艺布置方案如图1所示,阀厅内核心设备——柔性直流换流阀布置在阀厅中部,由于重量过大,换流阀采用地面支撑式,此外阀厅内还布置有避雷器、隔离开关等其他设备。阀厅南侧外的联接变压器与阀厅之间设置钢筋混凝土防火墙,北侧墙面上布置高压出线套管。阀厅的内部空间尺寸由电气设备外形尺寸、电气净距要求、设备检修维护空间、升降平台车运行空间等因素确定[2],综合考虑上述因素后,高端阀厅柱内净平面尺寸为86.5 m×89.5 m,屋盖下净空高度为38.5 m。由于带电距离要求,阀厅内部不能设置立柱,整个阀厅为一个单层超高大跨度空间结构。

      图  1  高端阀厅电气平面布置图

      Figure 1.  Electric arrangement of high-voltage valve hall

      根据电气工艺布置方案,特高压柔性直流阀厅结构特点如下:

      石骁:特高压柔直换流站阀厅屋盖结构选型与优化1)跨度大,高度高。本工程高端阀厅屋盖跨度达到近90 m,净空高度近40 m,而以往工程中高端阀厅跨度通常在50 m以内,净空高度在30 m以内,特高压柔性直流阀厅平面尺寸和高度远超以往工程。随着阀厅跨度的显著增大,屋盖结构选型是否合理就显得更加至关重要,直接关系到整个换流站的安全性、可靠性和经济性。

      2)屋盖下悬吊设备和吊车。根据工艺布置要求,虽然重量最大的换流阀设备采用地面支撑式,但屋盖下还是需要悬挂数量较多的避雷器、悬吊绝缘子等设备,此外,为便于后续运行过程中检修和更换阀组,屋盖上还需设置7座5 t的单轨吊车,如图2所示。这就要求屋盖结构下弦宜在同一平面内,以便于电气设备和吊车的安装。

      图  2  高端阀厅屋盖荷载布置图

      Figure 2.  Loads distribution on roof of high-voltage valve hall

    • 根据《高压直流换流站设计技术规定》(DL/T 5223—2005),换流站阀厅结构安全等级为一级,结构重要性系数1.1。

    • 根据《电力设施抗震设计规范》(GB 50260—2013),±330 kV及以上换流站阀厅为重点设防类(乙类)建筑[3]

    • 根据《中国地震动参数区划图》GB 18306—2015,本工程站址在Ⅱ类场地条件下,50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.05 g,对应的地震基本烈度为Ⅵ度,地震动反应谱特征周期均为0.35 s[4]

    • 附加恒荷载主要考虑屋面檩条、屋面板以及设备吊梁自重,按照标准值为1.0 kN/m2的均布荷载考虑。

    • 阀厅屋面按不上人屋面考虑,根据《±800 kV直流换流站设计规范》(GB/T 50789—2012),不上人屋面活荷载标准值取0.7 kN/m2 [5]

    • 阀厅屋盖上的单轨吊车及悬挂设备荷载如图2所示。屋盖上设置7座单轨吊车,计算时考虑2座吊车同时运行。设备荷载按照集中荷载考虑,位置按实布置,每处吊点集中荷载标准值20 kN。

    • 根据《±800 kV直流换流站设计规范》(GB/T 50789—2012),阀厅按100年一遇风压进行设计。本工程100年一遇基本风压取值0.45 kN/m2,相应风速为26.8 m/s。地面粗糙度类别为B类[5]

    • 平面梯形钢屋架具有传力清晰、承载力和竖向刚度大的优点,是以往直流换流站阀厅屋盖最多采用的一种屋盖形式,但对于本工程近90 m的跨度的阀厅屋盖而言,已远远超出平面梯形钢屋架的适用范围。对于这种大跨度结构屋盖,目前在工业建筑中最常采用的有网架结构和空间管桁架结构。

      网架结构一般是以大致相同的格子或尺寸较小的单元(重复)组成的空间网格结构,通常将平板型的空间网格结构称为网架,将曲面型的空间网格结构简称为网壳。网架结构是一种空间网格结构体系,所有杆件均按照空间受力体系工作,传力途径简洁,具有重量轻、刚度大、整体性好、抗震性能强等优点。

      管桁架结构与网架结构相比,省去了下弦纵向杆件和球节点,杆件间采用直接焊接的方式连接。最常见的空间管桁架是空间倒三角形管桁架,这种结构造型美观,线条流畅,安装方便,同时具有良好的自稳定性,还可满足各种不同建筑造型的要求,尤其是构筑圆拱和任意曲线形状比网架结构更有优势。

      换流站阀厅作为工业建筑,对建筑外形并无特别要求,良好的空间受力性能和经济性,以及满足工艺需求是阀厅结构选型主要需要考的虑因素。

      从空间受力性上来讲,网架结构类似板结构,空间整体性好,竖向荷载可沿双向、三向或者四向传递,内力分布较为均匀。而管桁架的空间受力本质上是梁受力体系,屋面竖向荷载集中在桁架梁上,杆件内力分布较为集中,在相同结构高度和荷载的情况下,管桁架弦杆及腹杆的截面规格要比网架大的多。

      从用钢量方面来讲,用钢量受较多因素影响,如边界条件、建筑平面尺寸等,但一般而言,对于建筑长宽比较大的建筑,类似于单向板受力体系,采用于空间桁架结构较为经济,而建筑长宽比较小的建筑,类似于双向板采,用多向传力的均匀的网架结构更为经济,本工程阀厅长宽比接近1,显然更适合采用网架结构体系。

      从屋盖结构功能出发,本工程阀厅大跨度屋盖不仅是空间上的围闭结构,也是单轨吊车及电气设备的承载结构,这就要求屋盖结构必须具备较大的竖向承载力和刚度,网架结构整体性好,内力分布均匀,结构整体刚度较大,而管桁架内力分布较为集中,相同结构高度的情况下刚度比网架要小。

      经过上述分析可知,对于本工程建筑长宽比接近1的阀厅而言,网架结构体系在空间受力性能、用钢量、结构整体性及刚度方面更优,因此本工程阀厅屋盖确定采用网架结构体系。

    • 网架结构可分交叉桁架体系和角锥体系两大类。对于平面形状为矩形且跨度超过60 m以上的大跨度屋盖,通常多采用刚度较大且受力均匀的正方四角锥和斜放四角锥网架[6]。高端阀厅柱内净空尺寸为86.5 m×89.5 m,考虑格构柱本体尺寸后,网架平面尺寸初步按照90 m×90 m考虑;阀厅内部不设置竖向支撑结构,网架为周边支撑形式。

    • 网架球节点主要分为焊接空心球连接和螺栓球连接,如图3图4所示。

      图  3  焊接空心球节点

      Figure 3.  Welded hollow spherical joints

      图  4  螺栓球节点

      Figure 4.  Bolt-sphere joints

      焊接空心球节点的优点是构造和制造均较简单,球体外形美观具万向性,节点制作费较低;缺点是节点与钢管交界处应力集中,且焊接球节点均在现场焊接,需要非常大的焊接工作量,安装工期久,且在多数情况下,大型工件焊接时不能翻身,对焊接要求高且难度大,焊接质量不宜控制。

      当节点处连接杆件轴力均小于1 MN,且满足构造要求的球节点直径不大于300 mm时,可采用螺栓球节点[7]。螺栓球节点优点是制作精度由工厂保证,现场转配快捷工期短,拆装方便;缺点是制作费用比焊接球节点高;此外结合面处需进行密封防腐处理,特别在南方地区应重视防腐。

      焊接空心球节点和螺栓球节点各有优劣,总体而言,焊接球节点适应性好,承载力高,而螺栓球节点现场焊接工作量少,施工速度快。柔性直流换流站中通常有高、低端阀厅共4座,若全采用焊接空心球节点,则焊接安装工作量非常大,相比之下螺栓球节点在缩短工期方面具有明显优势。为节约工期,本工程网架节点优先采用螺栓球节点,仅当个别部位杆件内力过大或螺栓球构造不满足要求时,才采用焊接空心球节点。

    • 网架高度是网架选型的关键点之一。平板型网架的力学模型可等效成一块考虑剪切变形的夹层板,为了保证必要的刚度,网架的高度随跨度L的增加而增大,网架高度既是控制网架变形的主要因素,同时也影响着网架杆件内力的大小,相应也影响着网架节点形式的选取。一般来说网架高度越高,网架刚度就越大,杆件受力越小,但是并非越高越好,网架高度太高一方面会增加施工安装的难度,另一方面由于杆件长细比增加导致杆件截面加大,最终反而可能导致网架用钢量增加。因此合理的网架高度应该是在满足承载力和变形要求的前提下,尽量减小网架杆件数量和用钢量,通常采用试算法来确定合理的网架高度。

      根据《空间网格结构设计技术规程》(JGJ 7—2010),一般平板网架的高度取其跨度的1/10~1/18。由于本工程阀厅跨度达到90 m且悬挂较大荷载,如采用常规的双层网架,则杆件长度基本都在7~9 m之间。网架的轴力杆中,压杆的长细比起控制作用,杆件截面会很大,相应的也会导致球节点直径加大,用钢量会增加,因此本工程网架考虑采用三层网架,可将腹杆长度减小一半,相应也减小了杆件截面和球节点大小[8]

      考虑到正方四角锥和斜放四角锥两种布置形式受力特性不同,杆件内力传递与分布存在差异,因此需对这两种网格形式均进行试算,在相同边界条件下按照不同网架高度和网格尺寸,分别计算两种网格形式的杆件内力、跨中挠度和用钢量,最终对比确定最为合理的网架形式。

    • 正方四角锥和斜放四角锥三层网架均由上弦杆、中弦杆、下弦杆以及上腹杆和下腹杆组成。由于屋面跨度太大,屋面排水如采用小立柱找坡,小立柱高度会超过2 m,很容易失稳,故考虑采用网架变高度找坡,上弦和中弦间变高度,中弦和下弦间等高度。网架支座设置在中弦层上,支座沿四周均匀布置。试算时荷载考虑阀厅屋面附加恒荷载、屋面活荷载、设备吊点以及吊车荷载。计算模型和计算结果分别如图5图6表1表2所示。

      图  5  正放四角锥三层网架

      Figure 5.  Orthogonal pyramid three layer space gird

      图  6  斜放四角锥三层网架

      Figure 6.  Diagonal pyramid three layer space gird

      表 1  正方四角锥三层网架计算结果表

      Table 1.  Calculation results of orthogonal pyramid three layer space gird

      网格尺寸/m 网架高度/m 最大挠度(DL)/mm 最大内力/kN 螺栓球节点数量/个 焊接球节点数量/个 总用钢量/t
      跨中H1H2 端部h1h2 上层最大内力 中层最大内力 下层最大内力
      5×5 3.6+3.6 1.8+3.6 248.8 -2 042.6 -112.8 2 065.2 923 162 457.7
      5×5 3.8+3.8 2.0+3.8 227.4 -1 902.7 -113.9 1 958.6 955 130 459.9
      5×5 4.0+4.0 2.2+4.0 213.3 -1 674.5 -77.9 1 623.9 977 108 455.8
      5×5 4.25+4.25 2.45+4.25 199.8 -1 587.9 -69.0 1 477.6 976 109 454.5

      表 2  斜方四角锥三层网架计算结果表

      Table 2.  Calculation results of diagonal pyramid three layer space gird

      网格尺寸/m 网架高度/m 最大挠度(DL)/mm 最大内力/kN 螺栓球节点数量/个 焊接球节点数量/个 总用钢量/t
      跨中H1H2 端部h1h2 上层最大内力 中层最大内力 下层最大内力
      6×6 3.6+2.8 1.8+2.8 235.9 -1 228.9 656.5 1 273.8 1 163 39 457.1
      6×6 3.6+3.2 1.8+3.2 216.4 -1 091.7 550.4 1 055.2 1 172 30 455.7
      6×6 3.6+3.6 1.8+3.6 201.6 -1 008.3 541.4 1 137.1 1 180 22 446.8
      6×6 4.0+3.6 2.2+3.6 189.2 -965.4 552.3 1 048.8 1 190 12 439.6
    • 通过对比表1表2可以看出:

      1)斜放四角锥三层网架比正放四角锥三层网架刚度大,在相同的荷载及支撑条件下,斜放四角锥三层网架跨中挠度较小。阀厅屋盖挠度按照1/400控制,跨中最大挠度允许值为225 mm,在不考虑预起拱的情况下,正放四角锥网架要8 m高才能满足挠度要求,斜放四角锥网架高度大于6.8 m时即可满足挠度要求。

      2)斜放四角锥三层网架受力较为均匀,跨中弦杆内力相对较小,弦杆最大内力出现在对角线及靠近支座位置,相应的焊接球节点主要分布在对角线及支座附近;而正放四角锥网架跨中弦杆受力较大,螺栓球节点主要集中在跨中。

      3)相同网架高度下,斜放四角锥三层网架焊接球节点较少,在跨中高度7.6 m时,采用斜放四角锥网架仅有12个焊接球节点,而同样高度下,正放四角锥网架要130个焊接球节点。

      4)随着网架高度增加,网架用钢量变化不大,且正放四角锥网架和斜放四角锥网架用钢量也基本相同,说明在一定范围内增加网架高度并不能显著节省用钢量。

      5)综合而言,斜放四角锥受力更为合理,刚度较大,并且焊接球节点数量较少,因此本工程阀厅屋盖采用斜放四角锥三层网架。

    • 采用选定的三层斜放四角锥网架进行整体模型计算。阀厅屋盖平面尺寸90 m×90 m,考虑到试算过程中网架边界条件较为理想,且未考虑温度、地震等作用,因此实际选用的斜放四角锥三层网架高度按照跨中4 m+3.5 m=7.5 m,端部2.2 m+3.5 m =5.7 m考虑,网架支座设置在下弦平面,下弦标高39.7 m。

      阀厅东西两侧采用四肢钢管格构柱,柱距11.25 m,柱顶设置网架支座,格构柱四肢中心距1.2 m×2.5 m。直流场侧由于套管电气距离要求,只能采用双肢格构柱,双肢间距1.5 m。双肢格构柱柱顶设置矩形刚性托梁,在托梁上设置网架支座。

      钢柱从下到上设置4道水平刚性杆件,水平系杆采用平面桁架,两端与钢柱铰接。在东、西侧钢柱中间部位设置两道X型交叉支撑,柱间支撑采用平面桁架,两端与钢柱铰接。

      网架与防火墙、直流场侧托梁的连接采用板式橡胶支座,与东西侧钢柱柱顶连接采用普通平板支座。阀厅整体模型如图7所示。

      图  7  高端阀厅计算模型

      Figure 7.  Calculation model of high-voltage valve hall

      构件约束及边界条件:网架结构均采用热轧无缝钢管,各杆件之间全部铰接。网架与东西侧钢柱采用铰接连接。钢柱间刚性系杆,交叉支撑均与钢柱铰接。桁架柱支管底部按照刚接考虑。

      网架与防火墙、直流场侧支座采用板式橡胶支座,橡胶支座尺寸选为400 mm×400 mm×49 mm,橡胶支座水平刚度3.278 kN/mm,竖向刚度1 913.8 kN/mm,竖向承载力约1.521 MN。

      整体模型采用整体有限元软件计算分析。

    • 高端阀厅整体模型计算结果如表3所示,其中网架屋盖的内力、挠度及前三阶振型及周期如图8图9图10图11所示。

      图  8  挠度图

      Figure 8.  Deflection figure

      图  9  第一振型T1=1.720 s

      Figure 9.  The first modal T1=1.720 s

      图  10  第二振型T2=0.804 s

      Figure 10.  The second modal T2=0.804 s

      图  11  第三振型T3= 0.714 s

      Figure 11.  The third modal T3=0.714 s

      表 3  阀厅计算结果表

      Table 3.  Calculation results of valve hall

      计算参数 计算结果 备注
      网架高跨比 1/12 建议值:1/10~1/18
      杆件最小夹角/(°) 38.19 不宜小于30 °
      跨中挠度(DL)/mm 220 限值225 mm
      水平位移/mm WX 48 限值按160 mm
      WY 51
      EX 22
      EY 45
      杆件最大规格 上层弦杆 D180×12 Q345
      中层弦杆 D140×10 Q345
      下层弦杆 D159×12 Q345
      节点数量/个 螺栓球 1 348
      焊接球 14
      屋盖用钢量/t 465.2 单位用钢量:57 kg/m2
    • 依托乌东德直流输电工程,本文对特高压柔性直流阀厅屋盖进行了结构选型与优化设计,得到以下结论和建议:

      1)根据柔性直流大跨度阀厅的特点,通过对网架结构体系和管桁架体系的特性进行对比可知,网架结构体系在空间受力性能、用钢量、结构整体性及刚度方面较管桁架体系更优。

      2)对于跨度达90 m的柔直阀厅屋盖,采用双层网架杆件长细比较大,采用三层网架可减小杆件计算长度,相应可减小杆件截面尺寸和球节点大小,节约用钢量的同时还可降低施工难度。网架采用优先采用螺栓球节点,仅在内力较大或构造不满足时采用焊接球节点,能够节约工期和降低现场施工难度。

      3)试算结果表明,在同等高度情况下,斜放四角锥网架受力性能和刚度优于正方四角网架,并且焊接球节点数量较少,因此本工程阀厅屋盖采用斜放四角锥三层网架。整体模型计算表明,优化设计后的网架屋盖用钢量仅为57 kg/m2,具有良好的经济性。

  • 参考文献 (8)

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