適用于渤海灣的海上核電平臺方案比選研究

譚 越，劉 聰，王國棟

（中海油研究總院，北京 100028）

適用于渤海灣的海上核電平臺方案比選研究

譚 越，劉 聰，王國棟

（中海油研究總院，北京 100028）

渤海是我國海上油氣開發(fā)的重要海域，對電、熱的需求迅速增加，而傳統(tǒng)采用的燃油或燃氣發(fā)電方式又受制于燃料供應問題，海上核電站是解決上述問題的有效措施。此文探討了海上核電站方案比選的原則，針對渤海海域作業(yè)的平臺載體開展初步比選。對人工島、導管架平臺、重力式平臺、浮式平臺、可移動式平臺等載體型式進行了對比，推薦浮式和可移動式平臺作為渤海海域海上核電平臺的載體方案。

海上核電平臺；人工島；導管架；重力式平臺；浮式平臺；可移動式平臺

海上油氣開發(fā)設施通常是通過以下這些方法提供電力：自發(fā)電、由陸地電網(wǎng)通過遠距離海底電纜供電、區(qū)域油田多個平臺電站聯(lián)網(wǎng)。如渤海油田主要通過自發(fā)電，以及區(qū)域油田多個平臺電站聯(lián)網(wǎng)的方式為生產設施提供電源。

隨著海洋石油開發(fā)的不斷發(fā)展，面臨著海上油田伴生氣量快速衰減與電力需求迅速增加的矛盾。由于主力平臺自產伴生燃料氣嚴重不足，外輸燃料氣的燃料成本巨大，或燃燒價格昂貴的柴油來作為補充燃料，這些成了制約油田開發(fā)的一個瓶頸。與此同時，渤海稠油油田規(guī)模開發(fā)對供熱也有著巨大需求。

建設海上核電站是解決上述問題的一個經濟有效的方法，目前，我國國內研究單位已經開展了充分的建設方案論證工作，證明其完全具備工程應用條件[1-2]。核能屬于清潔能源，采用海上小型堆供電，不會產生碳化物和硫化物等有害氣體，保護海洋生態(tài)環(huán)境，符合國家促進節(jié)能減排，實現(xiàn)低碳經濟的要求，可降低海洋油氣開發(fā)成本[3]。

1 海上核電站簡介

建設海上核電站的設想最早產生于美國，其海上核電平臺布設如圖1示意。美國西屋電氣公司1970年就提出了建設方案并進行了一系列試驗。美國軍方在當時也建造了世界上第一個浮式反應堆“MH-1A”，并于1968 ～ 1975年在巴拿馬運河區(qū)服役，因嚴重受損而于1976年停止運行，但從未發(fā)生“核污染”事故。后來，由于國家能源政策的變化，美國中止了在該領域的探索。

世界首座浮動核電站“羅蒙諾索夫號”由俄羅斯建造，主要用于給俄羅斯北部偏遠地區(qū)供電?！傲_蒙諾索夫號”是一艘非自航船，長140 m，寬30 m，高10 m。其排水量為21 500 t，大約有70名船員。這艘船上將裝配兩個KLT-40型核反應堆，最多可產生70 MW的電能或是300 MW的熱能。在船上所產生的電將通過海上和陸上的設備輸送到需要的地點。計劃于2016年投入使用[4]。

實際上，上述兩個浮式核電站并非真正意義上的“海上”核電站，因為它們漂浮于水面上但并不“移動”，只是“設于船塢中，或錨定于海岸”。為油氣田開發(fā)服務的海上核電站還沒有真正的應用先例。因為真正漂浮于海上的浮式結構物，受海洋環(huán)境載荷的影響，將時刻處于運動中，對帶有核設施浮式裝置的安全性將產生不利的影響。

麻省理工學院的研究人員提出將200 MW或更大功率的反應堆安裝在一個圓柱形浮動平臺的中心，該平臺離岸約 10 km。浮動電廠四面都是較深的海水，與海水的近距離便于冷卻，結構的下段大部分將被永久淹沒，以向反應堆安全殼容器提供非能動散熱[5]。但這一概念顯然并不適用于渤海的淺水海域。

圖1 海上核電平臺示意圖

2 平臺方案比選原則探討

海上核電站是一種新鮮事物，在沒有實際工程應用案例參考的前提下，也需要走過由淺水逐漸邁向深水的過程，因此，平臺的目標應用海域定為渤海灣。

雖然，渤海灣的海洋工程結構已積累了豐富的經驗，但對于核電平臺是個全新的題目，無論采用何種載體結構形式，均需要研發(fā)，既無成功的工程案例參考，也沒有具體的可依據(jù)規(guī)范。

在平臺方案選擇時，還是基于成熟的結構型式。在這一水深范圍內已有應用的平臺型式包括：人工島、導管架平臺、重力式平臺、浮式平臺、可移動式平臺等。方案的比選要充分考慮海洋平臺與核電設施結合的特點[6]：

（1）僅將平臺作為核能及其他設施的載體；

（2）盡可能減少平臺與核設施的界面；

（3）無可參考實際工程項目的前提下，充分考慮風險；

（4）無設計標準，偏安全、偏“保守”地選擇平臺方案；

（5）可以利用國內的資源完成建造和安裝；

（6）考慮操作等階段可能存在的問題[7]；

（7）兼顧設有陸上基地和無陸上基地兩種情況。

3 海上核電平臺結構型式

3.1 人工島

人工島屬于較為成熟的技術，此方案為先在海上建設人工島嶼，然后將核電站及相關設施放置于島上。初步選定采用圍壁式人工島，是一種適合于海床面積大、軟地基地區(qū)的人工島形式。其由主體結構、內部結構、基礎、上部結構組成。該類型的人工島，采用模塊化的設計以及施工手段，充分發(fā)揮了陸地的優(yōu)勢，可節(jié)省大量的工程時間及費用，其施工方便、安全可靠、經濟實用[8]。人工島方案示意圖如圖2所示。

對于海上核電站，如采用人工島技術，則可以完成海上換料工作，同時避免了陸上基地的建設。人工島能提供比較大的生產場地，相當于將陸地核電站直接搬遷至海上。

中國國家海洋局2007年曾下發(fā)《關于加強海上人工島建設用海管理的意見》，稱為了防止給海洋生態(tài)環(huán)境造成災難性后果，中國今后將嚴格控制人工島建設的數(shù)量和密度，盡量減少這種用海類型對海洋生態(tài)環(huán)境造成的影響[9]?！敖ㄔO海洋油氣勘探開采作業(yè)所使用的人工島的用海范圍原則上控制在海圖水深3米以淺海域”。

3.2 導管架平臺

樁基導管架平臺是渤海使用最普遍的一種海洋平臺型式，由于將核島置于海面下較為困難，基本上有兩種選擇：核電站整體將置于上部組塊，或將它完整地封閉起來，安置于水下，用打樁的方法固定于泥面[10]。但后者實際上是采用兩種海工結構物，因此存在連接和界面問題。此外由于核設施對于地震設計的要求較高，為滿足相關規(guī)范將會導致結構鋼材量的增加[11]。導管架方案示意圖如圖3所示。

圖2 人工島方案示意圖

圖3 導管架方案示意圖

3.3 重力式平臺

重力式混凝土沉箱平臺由上部的鋼制組塊和下部的混凝土罐體組成，屬于成熟技術，但作為海上核電站的載體還是一個全新的課題。

重力式平臺甲板面積與導管架平臺面積相當，而下部的沉箱有較大的空間，使得核設施與平臺成為一個整體。較大的罐體很容易實現(xiàn)將核島（反應堆）置于水面以下，增加了安全性。安裝不必動用海上施工資源。船體具有足夠的空間，設有多個壓載水艙，可安裝多個小型堆，其內部的設備布置較為容易。上部可設有月池和換料裝置，實現(xiàn)海上換料，減少了建造陸上基地的投資。

平臺可采用破土吸泥下沉、超載擠淤下沉、導流下沉以及負壓下沉等方法就位。根據(jù)國外重力式平臺的經驗，如果僅僅靠平臺底部與海底相互作用產生的抗滑力還不足以克服風、浪、流、冰等對平臺作用的水平滑移力，這就必須采取其它方法增強混凝土平臺的抗滑移能力，但同時投資也會相應增加。重力式平臺方案示意圖如圖4所示。

圖4 重力式平臺方案示意圖

3.4 浮式平臺

世界上首座浮式核電站是排水量為21 500 t的“羅蒙諾索夫號”，但由于工作的海洋環(huán)境條件不同，還不能完全稱為“海上”浮式核電站。浮動式結構用于海上核電站的載體，基本上參考海洋工程常用的FPSO形式，船體有圓筒型和船型，可采用單點或多點系泊[12]。其他類型的浮式核電站可參考文獻[10]。

浮動式核電平臺甲板面積和承載能力大，可根據(jù)核島大小和數(shù)量設計為不同的排水量，同時可將核島艙大部分放置于海平面以下。無論采取何種系泊型式，都能夠實現(xiàn)解脫和連接。但由于采用系泊定位的方式，在海上作業(yè)期間，船體總是處在運動中，對核設施的運營提出了更高的要求。

3.5 可移動平臺

自升式平臺用于海洋石油開發(fā)已有多年歷史，分為沉墊式和插樁式，其中沉墊式主要用于60 m以內水深，也稱為座底式。平臺由上船體、升降機構、樁腿及海底支承結構等幾部份組成。海底支承結構為聯(lián)接于諸樁腿的一個大的水平沉墊，沉墊底下一般還設置了縱橫交叉的防滑裙板。該平臺具有移位方便的特點，同時在位時又具有固定式平臺的優(yōu)點。

參考自升式沉墊平臺的型式，提出適用于海上核電站的可移動式方案，該方案示意圖如圖5所示。核島布置于自升式平臺下部沉墊內，常規(guī)島、配套設施及生活樓位于上部平臺甲板。平臺站立作業(yè)狀態(tài)時，將樁腿插入或坐入海底，船體順著樁腿上爬，離開海面，工作時可不受海水運動的影響，類似于樁基的固定平臺；而當遷移拖航時，它將樁腿上升依靠平臺船體部分浮力實現(xiàn)自浮拖航，因而它又具有浮體的特性。

綜上所述，歸納海上核電平臺結構形式的優(yōu)缺點見表1。

圖5 可移動平臺方案示意圖

表1 結構形式方案比選

4 結語

載體的型式要確保技術可行、安全可靠、經濟合理、環(huán)境友好，并依據(jù)以下標準進行比較：

（1）以目標油田為設計基礎，兼顧渤海灣其他區(qū)塊應用；

（2）核電平臺具有支持稠油熱采能力；

（3）平臺須能夠長周期服役；

（4）平臺須具有抗冰能力；

（5）平臺須滿足抗高強度地震的要求；

（6）核電站與其支撐結構物或基礎可方便的解脫及連接；

（7）核設施須置于海面下，考慮海上換料的可行性。

上述方案有堆芯置于海平面以上和以下兩種，比較而言，堆芯置于海平面以下雖然增加了結構的設計、建造和安裝難度，但在極端嚴重事故條件下，考慮引入海水直接冷卻，盡可能降低LRF（大量放射性物質釋放概率），是更為安全的選擇。

僅從核電站運行安全的角度考慮，人工島或固定式方案是最優(yōu)的選擇，因為相當于在海洋中建造一個地基，然后將傳統(tǒng)的陸地核電站整體搬至其上即可。但核設施在運營期間，要進行多次的換料和大修換，這些工作不宜在海上實施。因為在海上更換核燃料的難度較大，由此導致極大的風險增加。將反應堆運至岸上基地換料，再將反應堆運回海上則更為理想。由于換料，維修，以及服務地點的變化，海上核電站的“移動”能力是非常必要的。

僅從結構方面的比較，形成如下初步認識：

（1）人工島方案海上工程量大，投資高，換料位置在海上，對海洋環(huán)境影響較大；

（2）固定式平臺方案受核設施地震設計條件影響，對海底地質條件要求較高，換料、安裝和棄置均較為復雜；

（3）考慮核能設施在運行期間要多次換料，因此載體具有移位能力較為重要。

綜合考慮上述因素，建議對可移動式和浮式方案展開進一步的研究。

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Comparison and Selection of Offshore Nuclear Power Plant for Bohai Bay

TAN Yue, LIU Cong, WANG Guodong
（CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China）

Bohai bay is an important part of China offshore oil fi eld development, with great increasing in the demand for power and heat. The offshore energy power generation mode, such as fuel and natural gas, can be constrained due to shortage of fuel. Building offshore nuclear power plant is an effective solution. The scheme comparing principles for offshore nuclear power plant is discussed. Comparisons and evaluations of different platform types have been made, including artif i cial island, jacket platform, gravity platform, fl oating platform, mobile platform. Finally, the fl oating platform and mobile platform are proposed to be used for building offshore nuclear power plant for Bohai bay.

Offshore nuclear power plant; artif i cial island; jacket; gravity platform; fl oating platform; mobile platform

TE54

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2017.02.078

1008-2336（2017）02-0078-05

2016-07-29；改回日期：2017-04-06

譚越，男，1978年生，博士，高級工程師，主要從事邊際油田開發(fā)、船舶及海洋結構物設計工作。

E-mail：tanyue2@cnooc.com.cn。