0引言

隨著全球能源危機(jī)與環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻,綠色低碳已成為各行各業(yè)發(fā)展的核心導(dǎo)向,電力行業(yè)作為能源消耗與碳排放的重點(diǎn)領(lǐng)域,其綠色轉(zhuǎn)型尤為關(guān)鍵。配電站作為電力傳輸與分配的重要節(jié)點(diǎn),其建設(shè)模式直接影響電網(wǎng)的整體綠色水平。傳統(tǒng)配電站多采用混凝土結(jié)構(gòu),存在施工周期長、現(xiàn)場作業(yè)量大、建筑材料消耗多、建筑垃圾排放量大等問題,與綠色節(jié)能理念相悖。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)配電站通過工廠預(yù)制構(gòu)件、現(xiàn)場快速組裝的方式,能有效減少現(xiàn)場施工對環(huán)境的干擾,降低資源消耗,符合綠色電網(wǎng)建設(shè)的要求。近年來,我國在配電網(wǎng)建設(shè)中不斷推廣“五新”技術(shù)(新技術(shù)、新材料、新工藝、新工具、新設(shè)備),裝配式鋼結(jié)構(gòu)作為新工藝的重要代表,在多個(gè)工程中得到應(yīng)用。沙坪供電所10 kv西區(qū)線牛路村2公用配電站新建工程采用戶外裝配式鋼結(jié)構(gòu)雙層配電站設(shè)計(jì),在滿足電力供應(yīng)需求的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了綠色節(jié)能目標(biāo),為裝配式鋼結(jié)構(gòu)配電站的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了典型案例。本文基于該工程實(shí)踐,系統(tǒng)分析綠色節(jié)能導(dǎo)向下裝配式鋼結(jié)構(gòu)配電站的設(shè)計(jì)選擇與應(yīng)用要點(diǎn)。

1裝配式鋼結(jié)構(gòu)配電站的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和理論支持

1.1 設(shè)計(jì)原則

綠色節(jié)能導(dǎo)向下的裝配式鋼結(jié)構(gòu)配電站設(shè)計(jì)需遵循系統(tǒng)性原則,綜合考慮節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)境保護(hù)等多維度目標(biāo)。

節(jié)地方面,應(yīng)充分利用場地空間,采用緊湊化布局,減少土地占用。沙坪供電所10 kv西區(qū)線牛路村2公用配電站選址位于村內(nèi)空地,通過雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高土地利用率,符合《綠色低碳電網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》中“合理利用零散空間”的要求。

節(jié)能方面,需優(yōu)化設(shè)備選型與能源利用效率,選用低損耗變壓器、節(jié)能型開關(guān)柜等設(shè)備,降低運(yùn)行能耗。該工程配置的800 kvA變壓器為SC(B)14型,屬于節(jié)能型產(chǎn)品,其空載損耗與負(fù)載損耗均低于傳統(tǒng)變壓器,符合國家能效標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí),通過合理設(shè)計(jì)電氣主接線,減少線路損耗,10 kv側(cè)采用單母線接線,0.4 kv側(cè)采用單母線接線并采用TN—C—S接地型式,確保電能傳輸效率。

節(jié)材方面,應(yīng)優(yōu)先選用可循環(huán)、可再生的建筑材料,減少不可再生資源的消耗。裝配式鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件多采用高強(qiáng)度鋼材,其回收率高、可重復(fù)利用,符合節(jié)材要求。該工程中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件均采用工廠預(yù)制,現(xiàn)場組裝精度高,材料浪費(fèi)少,與傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)相比,鋼材利用率提高約20%。

環(huán)境保護(hù)方面,需減少施工與運(yùn)行過程對周邊環(huán)境的影響。施工階段應(yīng)制定環(huán)境保護(hù)計(jì)劃,采取防塵、降噪、水土保持等措施;運(yùn)行階段應(yīng)避免污染物排放,如選用環(huán)保型絕緣材料、防火封堵材料等。該工程在施工中采用機(jī)械夯實(shí)代替水撼法回填,減少水資源消耗與水土流失,符合綠色施工要求。

1.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系

工程設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循多層標(biāo)準(zhǔn)體系,均源自項(xiàng) 目《施工圖設(shè)計(jì)說明書》的明確要求。

首先是國家標(biāo)準(zhǔn),GB50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]規(guī)定設(shè)備選型能效指標(biāo),如選用的SC (B)14-800 kVA變壓器,空載損耗≤0.5%額定容量;GB50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]指導(dǎo)電纜截面選擇,10 kV電纜采用3× 120 mm2(載流量315 A),滿足最大負(fù)荷280 A的需求。

再就是行業(yè)規(guī)范,Q/CSG10012—2005《中國南方電網(wǎng)城市配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》要求配電站具備自動(dòng)化功能,本工程設(shè)置一套配電智能網(wǎng)關(guān),符合“遙測、遙信”功能要求,與《附件1 施工圖設(shè)計(jì)說明書》中“智能化部分”設(shè)計(jì)一致。

最后是反事故措施,本工程遵循《中國南方電網(wǎng)公司反事故措施》,高壓柜配置SF6全絕緣斷路器及線路側(cè)接地開關(guān),滿足“防誤閉鎖”與“接地保護(hù)”要求,已在工程中落實(shí)。

1.3 結(jié)構(gòu)力學(xué)理論支撐

裝配式鋼結(jié)構(gòu)的選型需基于材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)理論,核心在于確保構(gòu)件強(qiáng)度、穩(wěn)定性與抗震性能。根據(jù)GB50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3],鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算公式為:

式中:σ為構(gòu)件應(yīng)力(Mpa);N為軸向力(N);An為凈截面面積(mm2);Mx、My分別為繞x軸、y軸的彎矩(N.mm);γx、γy為截面塑性發(fā)展系數(shù);wnx、wny為凈截面抵抗矩(mm3);f為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(Mpa)。

該工程選用Q355B鋼材,f=310 Mpa,根據(jù)《施工圖設(shè)計(jì)說明書》,配電站需承載一臺800 kVA變壓器及4面低壓柜、7面高壓柜,總重約12 t。經(jīng)計(jì)算,雙層結(jié)構(gòu)立柱在承受上述荷載時(shí),應(yīng)力值為210 Mpa,小于設(shè)計(jì)值,滿足強(qiáng)度要求?？拐鹪O(shè)計(jì)方面,《勘察報(bào)告》明確場地地震烈度為Ⅶ度,設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g,采用反應(yīng)譜法計(jì)算水平地震作用:

式中:FEk為總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值(N);α1為水平地震影響系數(shù)最大值(0.08);Geq為等效總重力荷載(N),取總重力荷載的85%。

計(jì)算得總水平地震力為32 kN,鋼結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》限值要求,抗震性能達(dá)標(biāo)。

2裝配式鋼結(jié)構(gòu)配電站的工程應(yīng)用案例分析

2.1 工程概況

沙坪供電所10 kV西區(qū)線牛路村2公用配電站新建工程位于廣東省江門市鶴山市沙坪鎮(zhèn)牛路村,建設(shè)性質(zhì)為新建,項(xiàng)目類別為縣級配電網(wǎng),資金來源為省級公司投資,建設(shè)起止時(shí)間為2024年12月30日至2025年6月30日。工程新建戶外裝配式鋼結(jié)構(gòu)雙層配電站1座,配置800 kVA變壓器1臺、低壓柜4面、高壓柜7面,新敷設(shè)10kV電纜FYZA-YJV22-8.7/15kV-3×120mm²長11 m、FYZA-YJV22-8.7/15kV-3×70 mm²長25 m,拆除低壓線BVV-95和BVV-70各0.055 km。

該工程的建設(shè)旨在解決牛路村區(qū)域的電力供應(yīng)問題,提高供電可靠性與電能質(zhì)量。通過采用裝配式鋼結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了綠色節(jié)能與高效施工的目標(biāo),為農(nóng)村配電網(wǎng)升級改造提供了示范。

2.2地質(zhì)條件與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.2.1地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)的工程轉(zhuǎn)化

《勘察報(bào)告》顯示,場地土層分布自上而下為雜填土①、粉細(xì)砂②、砂質(zhì)黏性土③、全風(fēng)化花崗巖④1、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖④2、中風(fēng)化花崗巖④3,如圖1所示。其中雜填土質(zhì)地松散,厚度2.55 m;粉細(xì)砂飽和松散,厚度2.10 m;砂質(zhì)黏性土有可塑性,厚度12.75 m;全風(fēng)化花崗巖厚度2.70 m;強(qiáng)風(fēng)化花崗巖厚度2.00 m。地下水埋深1.60~1.80 m,對鋼結(jié)構(gòu)具微腐蝕性,腐蝕速率<0.05 mm/a。

地基承載力特征值fak是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的核心參數(shù),通過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)計(jì)算:

式中:N為校正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù),砂質(zhì)黏性土的N=10.7。

計(jì)算得fak=122 kpa,考慮地區(qū)經(jīng)驗(yàn)修正,計(jì)算值與《勘察報(bào)告》推薦值150 kpa接近,驗(yàn)證了數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2.2樁基設(shè)計(jì)的理論計(jì)算

因表層土承載力不足,采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁端持力層為全風(fēng)化花崗巖(fak=280 kpa)。單樁豎向承載力特征值計(jì)算公式為:

式中:Ra為單樁承載力(kN);qp為樁端阻力特征值(kpa);Ap為樁截面面積(m²);up為樁周長(m);qs為樁側(cè)阻力特征值(kpa);l,為各土層樁長(m)。

工程采用φ800 mm樁,Ap=0.503 m2,up=2.513 m,樁長18 m穿越①~③層后進(jìn)入④層3 m。代入《勘察報(bào)告》參數(shù),第④層qp=4000 kpa,qs分別為①層10 kpa、②層15kpa、③層22kpa、④層60kpa,計(jì)算得Ra=2890kN,滿足設(shè)備總荷載1 800 kN要求,安全系數(shù)1.6,與設(shè)計(jì)方案一致。

2.3施工工藝與安全管理

該工程采用裝配式施工工藝,主要流程包括構(gòu)件工廠預(yù)制、運(yùn)輸、現(xiàn)場組裝、設(shè)備安裝等環(huán)節(jié)。構(gòu)件預(yù)制在工廠內(nèi)完成,采用自動(dòng)化生產(chǎn)線加工,保證構(gòu)件精度;運(yùn)輸過程中采用專用車輛,避免構(gòu)件變形;現(xiàn)場組裝采用螺栓連接,減少焊接作業(yè),提高施工效率。施工周期較傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)縮短約2個(gè)月,減少了現(xiàn)場作業(yè)對周邊環(huán)境的干擾。

施工過程中,針對危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程采取了嚴(yán)格的安全管理措施。根據(jù)《中低壓配網(wǎng)項(xiàng)目危險(xiǎn)性較大分部分項(xiàng)工程清單》,該工程涉及基坑開挖、臨近帶電體作業(yè)、起重吊裝等危大工程。基坑開挖深度雖未超過3 m,但地質(zhì)條件復(fù)雜,采用人工開挖方式,摸清地下管線分布后再進(jìn)行機(jī)械作業(yè);臨近帶電體作業(yè)時(shí),保持與高壓帶電體的安全距離,設(shè)置安全警示標(biāo)志;起重吊裝作業(yè)時(shí),對吊裝范圍進(jìn)行圍蔽,施工人員做好安全防護(hù)。通過制定專項(xiàng)施工方案、安全技術(shù)交底、定期安全檢查等措施,確保了施工安全。

3綠色性能評價(jià)指標(biāo)與量化分析

3.1 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

基于《施工圖設(shè)計(jì)說明書》中“綠色低碳電網(wǎng)建設(shè)”要求,結(jié)合工程實(shí)際,從節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保4個(gè)維度建立評價(jià)體系(表1),控制項(xiàng)需全部滿足,評分項(xiàng)按完成度計(jì)分(滿分100分)。

3.2 節(jié)能效益的理論模型

采用全生命周期評價(jià)(LCA)模型計(jì)算節(jié)能效益,公式為:

Esave=E傳統(tǒng)-E裝配=(E材+E施+E運(yùn))傳統(tǒng)-(E材+E施+E運(yùn))裝配

式中:Esave為節(jié)能量(kw.h);E材、E施、E運(yùn)分別為材料生產(chǎn)、施工、運(yùn)行階段能耗。

根據(jù)《施工圖設(shè)計(jì)說明書》數(shù)據(jù),傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)總能耗850 000 kw.h,裝配式結(jié)構(gòu)為595 000kw.h,節(jié)能量255 000 kw.h,按0.6 kgCO2/(kw.h)計(jì)算,本項(xiàng)目折合減排CO2約153 t,綠色效益顯著。

4 結(jié)束語

裝配式鋼結(jié)構(gòu)配電站通過工廠化預(yù)制與模塊化施工,顯著降低了資源消耗與環(huán)境影響。沙坪供電所工程實(shí)踐表明,其設(shè)計(jì)需系統(tǒng)性融合節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材與環(huán)保目標(biāo):采用雙層結(jié)構(gòu)提升土地利用率30%,節(jié)能設(shè)備降低變壓器損耗30%,高強(qiáng)度鋼材實(shí)現(xiàn)95%構(gòu)件回收率,機(jī)械夯實(shí)工藝減少了水土流失。地質(zhì)條件適應(yīng)性設(shè)計(jì)確保了樁基承載力滿足安全系數(shù)1.6,抗震性能符合Ⅶ度烈度要求。量化評價(jià)證實(shí)全生命周期節(jié)能量達(dá)255 000 kw.h,CO2減排153 t,綠色評分95分。該模式縮短工期40%,減排建筑垃圾80%,印證了裝配式鋼結(jié)構(gòu)在配電站建設(shè)中應(yīng)用的高效性與可持續(xù)性。推廣此類技術(shù)對實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)低碳轉(zhuǎn)型、支撐農(nóng)村地區(qū)可靠供電具有重要示范價(jià)值,未來需進(jìn)一步優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)以提升綜合效益。

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《機(jī)電信息》2025年第21期第15篇