民用核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)方案研究

劉宙鋒，王艷婷

民用核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)方案研究

劉宙鋒，王艷婷

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

本文以民用核動(dòng)力船舶的發(fā)展方向?yàn)榱⒆泓c(diǎn)，充分考慮民用核動(dòng)力船舶的安全性、可靠性、冗余性、經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)需求，給出了不同用途下的民用核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)解決方案。此外，針對(duì)自航類核動(dòng)力船舶所有交流電源失效的可能性和救援的時(shí)差性，提供了一種增加附加直流電源來(lái)保證安全性的解決方案。

核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng) 應(yīng)急電力系統(tǒng) 附加直流電源

0 引言

隨著石油資源的日益緊缺，新能源的利用開(kāi)始日趨發(fā)展。對(duì)于船舶來(lái)說(shuō)，核能相對(duì)其他新能源，在穩(wěn)定性、能量密度性、持續(xù)性方面有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，再加上近年來(lái)浮動(dòng)式小堆技術(shù)的日益成熟，小型反應(yīng)堆在船舶上的應(yīng)用也變?yōu)榭赡堋?/p>

因此，核動(dòng)力船舶在民用船舶的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。俄羅斯院士號(hào)核動(dòng)力船舶已經(jīng)開(kāi)始發(fā)電；中國(guó)也在大力推進(jìn)核動(dòng)力船舶的發(fā)展，中船重工第七一九所等單位也正在開(kāi)展海洋核動(dòng)力平臺(tái)的設(shè)計(jì)工作。長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)，核動(dòng)力船舶具有廣闊的民用市場(chǎng)應(yīng)用前景[1]。

1 核動(dòng)力船舶概述

根據(jù)是否具備自主航行能力劃分，核動(dòng)力船舶的發(fā)展主要分為兩個(gè)方向，如圖1所示。

圖1 核動(dòng)力船舶分類框圖

1）非自航類核動(dòng)力船舶。這一類核動(dòng)力船舶長(zhǎng)期在固定位置工作，主要用作能源供給或固定生產(chǎn)所需，不需要具備自主航行能力，因此不配備推進(jìn)裝置。

2）自航類核動(dòng)力船舶。這一類核動(dòng)力船舶在不同海域工作，主要用作貨物運(yùn)送、或者從事破冰科考等專業(yè)任務(wù)，需要經(jīng)常性的變換位置，因此必須具備自主航行能力，配備推進(jìn)裝置。

無(wú)論是非自航類核動(dòng)力船舶還是自航類核動(dòng)力船舶，由于所處海洋環(huán)境相對(duì)陸上核電站較為惡劣，救援等應(yīng)急措施相對(duì)也較為困難，因此，作為核電站安全重要保障之一的電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要。

2 核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)方案

2.1 非自航類核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)方案

相對(duì)于自航類核動(dòng)力船舶，非自航類核動(dòng)力船舶由于長(zhǎng)期處于固定位置，因此比較類似于陸上核電站。

2.1.1優(yōu)先電源

非自航類核動(dòng)力船舶的優(yōu)先電源配置應(yīng)遵循相關(guān)法律法規(guī)。現(xiàn)針對(duì)配置單個(gè)反應(yīng)堆的非自航類核動(dòng)力船舶優(yōu)先電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)論述如下。

1）在啟動(dòng)和正常運(yùn)行期間，從輸電系統(tǒng)到安全級(jí)電力系統(tǒng)最少應(yīng)有兩條線路可以使用，以便滿足事故期間、事故后和安全停堆的要求[2-3]。

2）優(yōu)先電源向安全級(jí)電源供電的線路應(yīng)實(shí)體獨(dú)立，其設(shè)計(jì)和安裝應(yīng)在運(yùn)行、假設(shè)事故和環(huán)境條件下使兩條優(yōu)先電源線路同時(shí)故障的可能性最小[2-4]。

由上述要點(diǎn)分析得出，非自航類核動(dòng)力船舶應(yīng)配置有兩路獨(dú)立的優(yōu)先電源。綜合以上設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提供了一種可行的優(yōu)先電源供電流程框圖，如圖2所示。

圖2 單堆非自航類核動(dòng)力船舶優(yōu)先電源流程框圖

針對(duì)多堆的非自航類核動(dòng)力船舶，由于兩路優(yōu)先電源的獨(dú)立性，因此，仍只需配置兩路優(yōu)先電源。

2.1.2應(yīng)急電力系統(tǒng)

非自航類核動(dòng)力船舶的應(yīng)急電力系統(tǒng)配置應(yīng)遵循相關(guān)法律法規(guī)?，F(xiàn)針對(duì)配置單個(gè)反應(yīng)堆的應(yīng)急電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)論述如下。

1）作為最低限度，應(yīng)急電力系統(tǒng)必須滿足單一故障準(zhǔn)則[3,5-9]。

2）應(yīng)急電力系統(tǒng)必須分成幾個(gè)獨(dú)立的、多重的序列[3,5-9]。

3）按照獨(dú)立性原則，應(yīng)急電力系統(tǒng)的各序列相互間必須借助實(shí)體分隔和功能隔離進(jìn)行保護(hù)[3,5-9]。

由上述要點(diǎn)分析得出，非自航類核動(dòng)力船舶每個(gè)反應(yīng)堆至少應(yīng)配置有兩套相互獨(dú)立、相互冗余的應(yīng)急電力系統(tǒng)。綜合以上設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提供了一種可行的應(yīng)急電力系統(tǒng)供電流程框圖，如圖3所示。

圖3 單堆非自航類核動(dòng)力船舶應(yīng)急電力系統(tǒng)流程框圖

針對(duì)多堆的非自航類核動(dòng)力船舶，由于應(yīng)急電力系統(tǒng)的獨(dú)立性，因此，每堆均至少配置兩套相互獨(dú)立、相互冗余的應(yīng)急電力系統(tǒng)。

2.1.3附加電源

非自航類核動(dòng)力船舶的附加電源配置應(yīng)遵循相關(guān)法律法規(guī)?，F(xiàn)針對(duì)附加電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)論述如下。

1）應(yīng)設(shè)有一個(gè)附加電源，它在失去優(yōu)先電源和應(yīng)急電力系統(tǒng)全部交流電源的情況下，可以向任一應(yīng)急電力系統(tǒng)的應(yīng)急配電裝置恢復(fù)供電[2-3,9]。

2）附加電源可由一臺(tái)或兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組組成，驅(qū)動(dòng)裝置可以是柴油機(jī)或汽輪機(jī)[2,3,9]。

由上述要點(diǎn)分析得出，每條非自航類核動(dòng)力船舶（而非每堆）至少應(yīng)配置有一個(gè)附加電源。因此，應(yīng)配置有一條為非自航類核動(dòng)力船舶提供移動(dòng)附加電源的補(bǔ)給船，并能及時(shí)為非自航類核動(dòng)力船舶提供附加電源。以兩個(gè)反應(yīng)堆為例，提供了一種可行的附加電源供電流程框圖，如圖4所示。

2.2 自航類核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)方案

與陸上核電站相比，自航類核動(dòng)力船舶孤島運(yùn)行，無(wú)法提供廠外電源，其供電安全性、可靠性由平臺(tái)自身保證。因此，自航類核動(dòng)力船舶自身的電力系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)得更加安全可靠。

2.2.1主電力系統(tǒng)

自航類核動(dòng)力船舶的主電力系統(tǒng)配置應(yīng)遵循相關(guān)法律法規(guī)?，F(xiàn)針對(duì)配置單個(gè)反應(yīng)堆的主電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)論述如下。

1）主電力系統(tǒng)至少應(yīng)配備一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)組[8,10]。

2）備用發(fā)電機(jī)應(yīng)有足夠的容量來(lái)保證核蒸汽供給系統(tǒng)冷態(tài)啟動(dòng)和維持船舶正常操作和可居住條件所需的100%電力[8,10]。

3）主電力系統(tǒng)至少要被分為兩個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段有自己的主開(kāi)關(guān)板，且每區(qū)段至少由一臺(tái)工作發(fā)電機(jī)供電[8,10-11]。

由上述要點(diǎn)分析得出，自航類核動(dòng)力船舶應(yīng)配置有兩個(gè)區(qū)段的主電力系統(tǒng)，且每個(gè)區(qū)段應(yīng)有一臺(tái)工作發(fā)電機(jī)及一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)（在考慮工作發(fā)電機(jī)必須依賴于反應(yīng)堆而運(yùn)行的情況下）。綜合以上設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提供了一種可行的主電力系統(tǒng)供電流程框圖，如圖5所示。

圖4 雙堆非自航類核動(dòng)力船舶附加電源流程框圖

圖5 單堆自航類核動(dòng)力船舶主電力系統(tǒng)流程框圖

針對(duì)兩堆的自航類核動(dòng)力船舶，應(yīng)盡量考慮到兩個(gè)反應(yīng)堆之間的單一故障原則，因此，每堆均應(yīng)配置兩個(gè)區(qū)段的主電力系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)數(shù)量的電源。

但對(duì)于配置三個(gè)及以上反應(yīng)堆的自航類核動(dòng)力船舶，即使考慮到反應(yīng)堆之間的單一故障原則，也可以認(rèn)為必有一個(gè)以上的反應(yīng)堆運(yùn)行正常。因此，主電力系統(tǒng)的區(qū)段和電源的數(shù)量可以酌情減少。

2.2.2應(yīng)急電力系統(tǒng)

自航類核動(dòng)力船舶的應(yīng)急電力系統(tǒng)配置應(yīng)遵循相關(guān)法律法規(guī)?，F(xiàn)針對(duì)配置單個(gè)反應(yīng)堆的應(yīng)急電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)論述如下。

1）單一故障情況下，包括發(fā)電機(jī)組和配電系統(tǒng)的應(yīng)急電力系統(tǒng)要具有足夠的獨(dú)立性、冗余性和可測(cè)試性以滿足它的安全功能[3-10]。

2）應(yīng)急電力系統(tǒng)至少要包括三個(gè)應(yīng)急配電系統(tǒng)[3-10]。

3）應(yīng)急配電系統(tǒng)必須完全分開(kāi)，使得任何基準(zhǔn)事故將不會(huì)使應(yīng)急配電系統(tǒng)的失效數(shù)超過(guò)一個(gè)[3-10]。

由上述要點(diǎn)分析得出，自航類核動(dòng)力船舶應(yīng)配置有三套應(yīng)急電力系統(tǒng)，且每套應(yīng)急電力系統(tǒng)之間互相隔離、互相冗余。綜合以上設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提供了一種可行的應(yīng)急電力系統(tǒng)供電流程框圖，如圖6所示。

圖6 單堆自航類核動(dòng)力船舶應(yīng)急電力系統(tǒng)流程框圖

針對(duì)多堆的自航類核動(dòng)力船舶，應(yīng)盡考慮到多個(gè)反應(yīng)堆同時(shí)故障的可能性，因此，當(dāng)自航類核動(dòng)力船舶的多個(gè)反應(yīng)堆共用三套應(yīng)急電力系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)急電源的容量應(yīng)能同時(shí)滿足多個(gè)反應(yīng)堆應(yīng)急情況下的需求。

2.2.3過(guò)渡電源

自航類核動(dòng)力船舶的過(guò)渡電源配置應(yīng)遵循相關(guān)法律法規(guī)?，F(xiàn)針對(duì)配置單個(gè)反應(yīng)堆的過(guò)渡電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)：1）考慮到應(yīng)急發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，應(yīng)急電力系統(tǒng)必須配置過(guò)渡電源[8,10,11]；2）過(guò)渡電源應(yīng)是分隔的，以致基準(zhǔn)事故不會(huì)超過(guò)一個(gè)電源的失效[8,10]。

由上述要點(diǎn)分析得出，自航類核動(dòng)力船舶配置的過(guò)渡電源應(yīng)與應(yīng)急電力系統(tǒng)一一對(duì)應(yīng)，三套應(yīng)急電力系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)配置三套過(guò)渡電源。綜合以上設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提供了一種可行的主電力系統(tǒng)供電流程框圖，如圖7所示。

2.2.4救援電源

當(dāng)自航類核動(dòng)力船舶出現(xiàn)安全事故導(dǎo)致主電力系統(tǒng)不可用時(shí)，為降低嚴(yán)重安全事故發(fā)生的可能性，此時(shí)應(yīng)有補(bǔ)給救援船舶迅速前往應(yīng)急救援。

補(bǔ)給救援船舶應(yīng)當(dāng)配有一套救援電源，為自航類核動(dòng)力船舶任一應(yīng)急電力系統(tǒng)的應(yīng)急配電裝置恢復(fù)供電。以兩個(gè)反應(yīng)堆為例，提供了一種可行的救援電源供電流程框圖，供電流程框圖如圖8所示。

圖7 單堆自航類核動(dòng)力船舶過(guò)渡電源流程框圖

圖8 雙堆自航類核動(dòng)力船舶附加電源流程框圖

2.2.5附加直流電源

針對(duì)自航類核動(dòng)力船舶所有交流電源失效情況下可能出現(xiàn)的極其嚴(yán)重的核安全事故，而由于自航類核動(dòng)力船舶的應(yīng)急救援時(shí)間較長(zhǎng)，過(guò)渡電源無(wú)法提供足夠的能源來(lái)保證核動(dòng)力船舶的安全性，提供了一種配置附加直流電源的方法來(lái)保證核動(dòng)力船舶安全性的解決方案。

配置一組附加直流電源，能在所有交流電源失效的情況下，為任一應(yīng)急電力系統(tǒng)的應(yīng)急配電裝置恢復(fù)供電。附加直流電源的容量至少應(yīng)保證在任何設(shè)計(jì)航行海域內(nèi)，滿足救援船最大抵達(dá)救援時(shí)間的供電需求。

提供了一種可行的救援電源供電流程框圖，供電流程框圖如圖9所示。

圖9 單堆自航類核動(dòng)力船舶附加電源流程框圖

3 結(jié)論

核動(dòng)力船舶的發(fā)展是未來(lái)船舶行業(yè)的重中之重，電力系統(tǒng)是保障核動(dòng)力船舶安全可靠的必要保證。本文針對(duì)不同類型的核動(dòng)力船舶，對(duì)電力系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)提出了不同的方案，為電力系統(tǒng)的配置提供了有效可行的思路，對(duì)于未來(lái)核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系以及救援體系的建立，有著較大的參考價(jià)值。

為降低嚴(yán)重核安全事故發(fā)生可能性，本文提供了一種增加附加直流電源來(lái)的研究方案。但由于目前還未有民用自航類核動(dòng)力船舶的應(yīng)用實(shí)例，有關(guān)救援船的配置也僅處于理論設(shè)想階段，因此，文中對(duì)于附加直流電源的配置，以及在容量方面的需求，也需要根據(jù)未來(lái)國(guó)家對(duì)核動(dòng)力船舶支持、救援等體系的建立，進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)論證和分析，為保障核動(dòng)力船舶的安全可靠提供有力的支持。

[1] 趙洪冉, 趙智萍. 核動(dòng)力在民用船舶上的應(yīng)用[J]. 中國(guó)核電, 2014, 14(9): 8-10.

[2] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì). 核電廠優(yōu)先電源: GB/T 13177-2008[S]. 2008.

[3] 中國(guó)國(guó)家能源局. 核電廠廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則: NB-T 20051-2011[S]. 2011.

[4] 王寧. 核電機(jī)組電氣設(shè)計(jì)分析[J]. 中國(guó)核電，2010, 3(4): 308-315.

[5] 中國(guó)國(guó)家核安全局. 核電廠應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng): HAD102-13-1996[S]. 1996

[6] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì). 核電廠安全級(jí)電力系統(tǒng)準(zhǔn)則: GB/T 12788-2008 [S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[7] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì). 單一故障準(zhǔn)則應(yīng)用于核電廠安全系統(tǒng): GB/T 13626-2008[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[8] 張力, 劉宙鋒等. 海洋核動(dòng)力平臺(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要[J]. 船電技術(shù), 2017, 37(11): 36-37.

[9] 中國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). 核電廠備用電源用柴油發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)則: EJ-T 625-2004[S]. 北京: 中國(guó)國(guó)防科技工業(yè)局, 2004.

[10] IMO. Res. A491 code of safety for nuclear m-erchant ships[S]. 1981.

[11] 中國(guó)船級(jí)社. 鋼制海船入級(jí)規(guī)范[S]. 北京: 中國(guó)船級(jí)社, 2014.

Power System Scheme Research of Civil Nuclear Power Vessel

Liu Zhoufeng, Wang Yanting

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

TM665.1

A

1003-4862（2019）03-0010-04

2018-10-30

劉宙鋒（1987-），男，工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。E-mail: 289488579@qq.com