渤海灣可移動(dòng)核電平臺(tái)方案研究

譚 越, 劉 聰, 王春升, 王國(guó)棟, 李世銘, 馬 強(qiáng)

(中海油研究總院，北京 100028)

渤海灣可移動(dòng)核電平臺(tái)方案研究

譚 越, 劉 聰, 王春升, 王國(guó)棟, 李世銘, 馬 強(qiáng)

(中海油研究總院，北京 100028)

綜合考慮核電站的建造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、換料及應(yīng)急等各種工況，提出了一種可移動(dòng)海上核電平臺(tái)。該平臺(tái)具有類似固定平臺(tái)的作業(yè)環(huán)境，在波浪條件下不會(huì)搖擺，方便了作業(yè)人員的操作與生活。將核島置于水面以下，增加了安全性。提出了人工地基型式，安裝和棄置時(shí)不必動(dòng)用海上施工資源。平臺(tái)也為大型整裝油田或油田群提供了供電的解決方案。

海上核電平臺(tái)；可移動(dòng)平臺(tái)；自升式平臺(tái)；渤海灣；人工地基

0 引 言

渤海灣油田主要通過自發(fā)電以及區(qū)域油田多個(gè)平臺(tái)電站聯(lián)網(wǎng)的方式為生產(chǎn)設(shè)施提供電源。目前面臨著伴生氣量遞減與電力需求增加的矛盾，以及稠油熱采所需熱能成本上升與提高采收率的矛盾。如何實(shí)現(xiàn)油氣產(chǎn)量增量并降低桶油成本，探索可持續(xù)性發(fā)展道路，成為當(dāng)前生產(chǎn)形勢(shì)下迫切需要解決的問題。

建設(shè)海上核電站是解決上述問題的經(jīng)濟(jì)而有效的方法[1]。核能是一種低碳、高效、經(jīng)濟(jì)的大規(guī)模供能模式，50多年來(lái)廣泛應(yīng)用于核動(dòng)力航母、核動(dòng)力潛艇、核動(dòng)力破冰船、核動(dòng)力商船和核動(dòng)力發(fā)電船。采用核能發(fā)電能降低現(xiàn)有發(fā)電成本，就地借助海水冷卻可以有效降低核電運(yùn)行成本，還可以為平臺(tái)帶來(lái)大量的熱進(jìn)行稠油熱采。

世界首座浮動(dòng)核電站“羅蒙諾索夫號(hào)”由俄羅斯建造，漂浮于水面上但并不“移動(dòng)”[2]，其定位“設(shè)于船塢中，或錨定于海岸”，因此尚不能稱為“海上”核電站。截至目前為油氣田開發(fā)服務(wù)的海上核電站還未獲得實(shí)際應(yīng)用。本文提出一種可移動(dòng)海上核電平臺(tái)，可為大型整裝油田或油田群提供供電解決方案。

1 可移動(dòng)平臺(tái)簡(jiǎn)介

可移動(dòng)平臺(tái)有多種類型，其中以自升式平臺(tái)最為典型。自升式平臺(tái)由一個(gè)上部平臺(tái)、樁腿和升降裝置組成。結(jié)構(gòu)型式也是多種多樣的，可以按上部形狀、樁腿數(shù)量和型式、升降系統(tǒng)類型等區(qū)分。就渤海灣作業(yè)而言，我國(guó)已具備自升式平臺(tái)設(shè)計(jì)和建造的能力[3]。

平臺(tái)通常是具有單底或雙層底的箱形甲板結(jié)構(gòu)，其形狀與樁腿的數(shù)量密切相關(guān)，一般是三腿對(duì)應(yīng)三角形，四腿對(duì)應(yīng)矩形。

上部甲板依靠樁腿的支撐升離水面，樁腿除了支撐平臺(tái)的全部重量外，還有承受波浪和海流的作用力。樁腿的型式可分為殼體式和桁架式，其中殼體式適用的水深范圍不超過70m[4]。

樁腿下端部的結(jié)構(gòu)直接與海底接觸，有插樁型、箱墊、沉墊型等不同型式。沉墊型是將樁腿的下端固定到一個(gè)大沉墊上，因此要求海底必須是平坦的。由于沉墊的支撐面積很大，故適用于軟地基區(qū)域，如無(wú)特殊措施，不宜在淤泥區(qū)使用。沉墊型基礎(chǔ)不需要預(yù)壓，但在交變載荷作用下，地基會(huì)發(fā)生變形和強(qiáng)度減小的情況，致使平臺(tái)發(fā)生滑移[5]。

平臺(tái)沉墊中要設(shè)置一些壓載艙,以便注入海水增加平臺(tái)的重量來(lái)達(dá)到增加摩擦力的目的。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),沉墊中除了必要的油艙、水艙、泵艙等艙室外,應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成壓載艙,配置給排水管系,而不設(shè)置空艙,以最大限度地增加平臺(tái)坐底后的重量。為了油氣田開發(fā)以及更有效地利用這些艙室，可將自升式平臺(tái)的沉墊設(shè)計(jì)為儲(chǔ)油艙，使其具有水下儲(chǔ)油功能[6]。

2 核電平臺(tái)主體方案

綜合考慮建造、拖航、安裝、維護(hù)性、重復(fù)利用及渤海海域的實(shí)際環(huán)境和地質(zhì)條件，海上核電平臺(tái)的主要關(guān)鍵技術(shù)有: 適合渤海灣海域應(yīng)用；核設(shè)施須置于海面下；平臺(tái)須滿足抗高強(qiáng)度地震的要求；可方便地解脫及連接；考慮海上換料的可行性。

自升式平臺(tái)站立作業(yè)狀態(tài)時(shí)，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(shí)可不受海水運(yùn)動(dòng)的影響，類似于樁基的固定平臺(tái)；而當(dāng)遷移拖航時(shí)，它將樁腿上升依靠平臺(tái)船體部分浮力實(shí)現(xiàn)自浮拖航，此時(shí)它又具有浮體的特性。因此，兼具固定平臺(tái)和浮式平臺(tái)特性的可移動(dòng)平臺(tái)作為海上核電站的載體是較好的選擇。

2.1 核島位置

核島有堆芯置于海平面以上或以下兩種方案。采用在水面上放置核島是最簡(jiǎn)單直接的方式，且據(jù)初步的估算，樁腿強(qiáng)度、升降裝置能力和甲板面積都可以滿足。但從安全性的角度考慮，不是最優(yōu)的方式。

比較而言，堆芯置于海平面以下雖然增加了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、建造和安裝難度，但通過設(shè)置與海水連通的閥門，在極端嚴(yán)重事故條件下，引入海水直接冷卻，盡可能降低大量放射性物質(zhì)釋放的概率(LRF)，是更為安全的選擇。

參考沉墊儲(chǔ)油的案例[7]，可以設(shè)計(jì)沉墊內(nèi)部艙室以適應(yīng)核設(shè)施的布置，但隨之帶來(lái)的問題是維護(hù)和維修的不便。因此設(shè)置相應(yīng)的人員和管線通道，通道可與平臺(tái)樁腿同步升降，且不承受垂向載荷(見圖1)。管線通道為圓形水密殼體結(jié)構(gòu)，可供人員日常巡檢、維護(hù)或必要時(shí)逃生，以及配套管路、電纜等設(shè)施的安裝。人員和管線通道呈對(duì)角線布置，以便發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)人員可向相反的方向逃生。

圖1 可移動(dòng)核電平臺(tái)示意圖Fig.1 Diagram of mobile offshore nuclear power plant

2.2 換料方式

在每一個(gè)燃料循環(huán)末期，必須更換部分核燃料以維持下一個(gè)燃料循環(huán)的進(jìn)行，因此，核電站必須定期進(jìn)行換料。一般核電廠在換料停堆期間除按計(jì)劃進(jìn)行換料外，還應(yīng)對(duì)與核電廠安全有關(guān)的重要構(gòu)筑物、系統(tǒng)、部件進(jìn)行有計(jì)劃的在役檢查、定期試驗(yàn)、維修等活動(dòng)。此外，核電廠在運(yùn)行期間，由于某些事故的發(fā)生，也可能會(huì)導(dǎo)致核電廠事故停堆[8]。

雖然采用不同的堆型使換料和大修的周期有所不同，但無(wú)論如何這一工況是無(wú)法避免的。換料和大修是核電廠生產(chǎn)活動(dòng)中的重要環(huán)節(jié)，也是生產(chǎn)活動(dòng)中的一個(gè)特殊階段，是一項(xiàng)重要、規(guī)模龐大、復(fù)雜的系統(tǒng)工程。陸地核電站已經(jīng)積累了非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，但由于海洋環(huán)境的特殊性，如果直接在海上換料是非常危險(xiǎn)的。盡管如能在海上完成換料可能會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)利益，但基于核設(shè)施安全性的考慮以及自升式平臺(tái)的可移動(dòng)能力，仍建議返回陸地?fù)Q料。

2.3 平臺(tái)形式

針對(duì)核電站的技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種可移動(dòng)的海上核電平臺(tái)，如圖1所示。平臺(tái)由上部甲板、下部沉墊、連接兩部分可升降的樁腿及通道組成。具有核能發(fā)電、生活以及其他的如制淡水、制熱等能力，用一個(gè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了綜合性和多功能。

上部平臺(tái)為密閉箱形結(jié)構(gòu)，作為平臺(tái)主甲板，設(shè)有主變壓器間、應(yīng)急開關(guān)間、生活樓、直升機(jī)甲板等，如需要還可布置制淡水及制熱設(shè)備。

樁腿為殼體式或桁架式，可適用于120m以內(nèi)甚至更大的水深，60m以內(nèi)可采用殼體式，再深則采用桁架式[4]。樁腿配置若干套升降裝置總成，可將平臺(tái)上部甲板提升或下降一定高度，并將樁腿與平臺(tái)連接固定。如在冰區(qū)使用，平臺(tái)就位后須安裝可拆卸式抗冰裝置。

底部箱形沉墊內(nèi)設(shè)置核島(反應(yīng)堆)，整個(gè)平臺(tái)的總重量約等于或略小于底部沉墊的排水量，即重量與浮力相當(dāng)，重心與浮心在垂向重合，以確保平臺(tái)經(jīng)常性的拔起、下沉和移位。沉墊的上邊緣削斜，以減少波浪和流的作用力。

生產(chǎn)平臺(tái)和沉墊之間的設(shè)置通道，左右各一，作為配套管路、控制管路、控制電纜等設(shè)施的通道，以及人員日常巡檢、維護(hù)和逃生的通道。兩者呈對(duì)角線布置，以保證在某處遇險(xiǎn)時(shí)，人員可以向相反方向逃生。通道下部與沉墊固定連接，上部與平臺(tái)水平連接，可隨樁腿同步升降。

3 核電平臺(tái)基礎(chǔ)方案

坐底式移動(dòng)平臺(tái)對(duì)海底地基的承載力、平整度和坡度都有一定的要求。如果坡度太大，會(huì)使平臺(tái)坐底后產(chǎn)生較大角度的傾斜，可能引起滑移。如承載力不夠，使沉墊入泥的深度超過設(shè)計(jì)深度，可能發(fā)生因?yàn)槟嗤廖搅^大而難以起浮的情況。如地基的平整度不好，具有較大的局部凹凸，可能會(huì)造成平臺(tái)沉墊結(jié)構(gòu)的破壞，引起沉墊漏水，造成起浮的困難[5,9—10]。

采用沉墊式基礎(chǔ)，還需要考慮沖刷、滑移、不均勻沉降等海底地質(zhì)問題。雖然采用防滑樁、擋流墻等措施可以解決上述部分問題[11—12]，但停堆換料時(shí)，需將整個(gè)平臺(tái)拖回到陸地的基地完成，從而使平臺(tái)的可移動(dòng)性能受到影響。

換料和大修要求平臺(tái)在整個(gè)服役期間反復(fù)的移位和就位，盡管自升式平臺(tái)可以方便地移位、拖航，但每次都要返回同一位置進(jìn)行再次就位，要保證安全就位則不可避免地需要克服已有“老腳印”的影響[13]。

根據(jù)《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的抗震Ⅰ類要求，需要能夠承受本區(qū)域可能遭遇的最大地震，且地震峰值加速度不小于0.15g，對(duì)平臺(tái)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)[14]。

綜上所述，海上核電平臺(tái)需要一個(gè)既可以保證平臺(tái)作業(yè)性能，又可滿足平臺(tái)頻繁移位就位的基礎(chǔ)。為此，設(shè)計(jì)了一種人工地基，如圖2所示。

圖2 人工地基立面示意圖
Fig.2 Vertical section of artificial ground

以淤泥質(zhì)軟土地質(zhì)為例，預(yù)先進(jìn)行海底泥面處理，清淤泥，挖溝并回填，形成具有斜面的海底空間。為了使平臺(tái)的傾斜度、總沉降量及動(dòng)力效應(yīng)都不超過限值，打入水泥攪拌樁，組成具有整體性和一定強(qiáng)度的底部基礎(chǔ)，水泥攪拌樁的造價(jià)和安裝費(fèi)用遠(yuǎn)低于鋼樁。安裝混凝土沉箱與鋼質(zhì)框架相結(jié)合的混合型結(jié)構(gòu)，中部設(shè)有與重力式平臺(tái)底部形狀相匹配的凹槽。平臺(tái)就位時(shí)坐于凹槽中，凹槽的斜邊提供了橫向的抗滑移力。在沉箱邊拋石，防止底部沖刷和掏空。整個(gè)人工地基的安裝過程如圖3所示。借鑒了陸上隔振體系的設(shè)計(jì)理念[15]，使之易于實(shí)施，減震控制效果也好。

圖3 人工地基安裝過程示意圖Fig.3 Installation procedure of artificial ground

基于上述設(shè)計(jì)，可移動(dòng)平臺(tái)整體坐于人工地基，如圖4所示，獲得以下優(yōu)點(diǎn): (1)平臺(tái)可移動(dòng)，移位、復(fù)位及棄置簡(jiǎn)單；(2)保證了平臺(tái)的水平度和穩(wěn)定性；(3)解決了平臺(tái)沖刷掏空問題；(4)省去了打防滑樁，設(shè)置擋流墻等投資；(5)滿足了核設(shè)施相關(guān)規(guī)范的抗震要求。

圖4 可移動(dòng)核電平臺(tái)作業(yè)示意圖Fig.4 Operation condition of mobile offshore nuclear power plant

4 結(jié) 語(yǔ)

采用自升式平臺(tái)作為適用于渤海灣的核電平臺(tái)，上部平臺(tái)布置設(shè)備和生活樓，下部沉墊設(shè)置核島(反應(yīng)堆)，兩者之間設(shè)有樁腿及管線和人員通道，平臺(tái)整體坐于人工地基。

平臺(tái)移位及復(fù)位簡(jiǎn)單，保證了核反應(yīng)堆換料要求?？赏ㄟ^樁腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適應(yīng)不同的水深。能夠?qū)崿F(xiàn)自安裝和棄置作業(yè)，減少對(duì)大型施工船舶的依賴，增加施工選擇的靈活性，降低了施工費(fèi)用。

平臺(tái)可將水面下的核設(shè)施與水面上的人員居住及公用設(shè)備分離，同時(shí)又具有核能發(fā)電、生活以及其他需要的功能如制淡水、制熱等。將核島(反應(yīng)堆)置于水面下，并設(shè)置與海水連通的閥門，緊急情況時(shí)海水會(huì)進(jìn)入沉墊，大大提高了應(yīng)急工況的安全性。

設(shè)置人工地基，保證了平臺(tái)的水平度和穩(wěn)定性，解決了平臺(tái)的沖刷掏空問題；省去了打防滑樁、設(shè)置擋流墻等投資，滿足了核設(shè)施相關(guān)規(guī)范的抗震要求。

綜合考慮平臺(tái)的建造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、換料及應(yīng)急等各種工況及渤海海域?qū)嶋H環(huán)境、地質(zhì)條件，自升式可移動(dòng)平臺(tái)作為海上核電設(shè)施的載體是可行的。

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StudyonMobileOffshoreNuclearPowerPlantforBohaiBay

TAN Yue， LIU Cong, WANG Chun-sheng, WANG Guo-dong, LI Shi-ming, MA Qiang

(CNOOCResearchInstitute，Beijing100028，China)

Considering the construction, installation, commissioning, operation, refueling and emergency of nuclear power plant, a mobile platform is proposed. The same as a fixed platform, without the movement due to wave motion, the operators have a mild working and living condition. The nuclear island is located below the sea surface, so the safety is improved. By an artificial ground, the construction vessel is not necessary for installation and decommissioning. The platform provides a power-supply source for large oil field or oil field group.

offshore nuclear power plant; mobile platform; self-elevating platform; Bohai Bay; artificial ground

2017-02-04

中海石油有限公司綜合科研項(xiàng)目“渤海海域油氣開發(fā)核能應(yīng)用技術(shù)預(yù)可行性研究”

譚越(1978—)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事邊際油田開發(fā)、船舶及海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)工作。

TE54

A

2095-7297(2017)03-0157-05