核動(dòng)力船舶與核電廠(chǎng)交流電源配置的對(duì)比分析

王　玨，王若楠，劉　樂(lè)，湯青松

核動(dòng)力船舶與核電廠(chǎng)交流電源配置的對(duì)比分析

王玨1，王若楠2，劉樂(lè)1，湯青松1

(1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064；2. 林德工程（杭州）有限公司，杭州 310012)

浮動(dòng)核電平臺(tái)是兼有核動(dòng)力船舶與核電廠(chǎng)屬性的特種船舶。為了優(yōu)化浮動(dòng)核電平臺(tái)的配置方案，對(duì)比分析了兩類(lèi)核設(shè)施的交流電源系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)特征。同時(shí)，結(jié)合最新法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，梳理不同體系下安全評(píng)價(jià)的重要差異，并探討喪失主電源及喪失所有交流電源的應(yīng)對(duì)策略。相關(guān)結(jié)論對(duì)于浮動(dòng)核電平臺(tái)的工程設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建立具有一定的參考意義。

核動(dòng)力船舶 核電廠(chǎng) 交流電源配置 對(duì)比分析

0 引言

與常規(guī)船舶相比，核動(dòng)力船舶對(duì)供電系統(tǒng)的安全性及可靠性要求更高。除船舶工況外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還須考慮核動(dòng)力裝置的各類(lèi)工況，并確保安全系統(tǒng)及重要設(shè)備在事故下的供電。對(duì)于應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)，薛偉等人通過(guò)對(duì)國(guó)外核動(dòng)力船舶的設(shè)計(jì)方案開(kāi)展研究[1]，得出應(yīng)急電源冗余、供電線(xiàn)路冗余等系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則。晉建廠(chǎng)等人分析了美、俄、法三國(guó)核動(dòng)力船舶的電力系統(tǒng)[2]，歸納了冗余配置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及單機(jī)功率增大等發(fā)展趨勢(shì)。胡亮等人對(duì)國(guó)外大容量核動(dòng)力船舶的電站配置、電制和電網(wǎng)等進(jìn)行了研究[3]，梳理了應(yīng)急電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。

上述研究可用于指導(dǎo)浮動(dòng)核電平臺(tái)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？紤]到浮動(dòng)核電平臺(tái)屬于核電安全監(jiān)管范圍，有必要對(duì)核動(dòng)力船舶與核電廠(chǎng)的電源配置開(kāi)展差異化研究，以形成滿(mǎn)足核安全監(jiān)管要求的優(yōu)化方案。

1 核電廠(chǎng)交流電系統(tǒng)

典型二代壓水堆核電廠(chǎng)包含兩臺(tái)單元機(jī)組，每臺(tái)為一堆（反應(yīng)堆）帶一機(jī)（汽輪發(fā)電機(jī)）模式，兩臺(tái)共用部分設(shè)備。多臺(tái)機(jī)組構(gòu)成核電廠(chǎng)基地，公用部分設(shè)備。

其廠(chǎng)用電設(shè)備通常分為以下4類(lèi)[4]：

1）單元廠(chǎng)用設(shè)備：電廠(chǎng)單元機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)需要運(yùn)作的設(shè)備，機(jī)組停運(yùn)后，此類(lèi)設(shè)備可停用；

2）永久廠(chǎng)用設(shè)備：電廠(chǎng)單元機(jī)組停運(yùn)后仍需運(yùn)作的設(shè)備；

3）應(yīng)急廠(chǎng)用設(shè)備：維持電廠(chǎng)主要設(shè)備安全運(yùn)行并確保核安全所需的設(shè)備；

4）共用廠(chǎng)用設(shè)備：包括兩臺(tái)單元機(jī)組的共用設(shè)備及廠(chǎng)內(nèi)多臺(tái)單元機(jī)組的公用設(shè)備，前者參與機(jī)組運(yùn)行，后者通常不直接參與發(fā)電。

對(duì)于不同廠(chǎng)用電設(shè)備，核電廠(chǎng)采用不同的供電方式，單元機(jī)組的典型接線(xiàn)示意圖如圖1所示（各框圖僅作原理說(shuō)明，不代表實(shí)際配置數(shù)量）。對(duì)于單元廠(chǎng)用設(shè)備，由主電網(wǎng)（廠(chǎng)外500 kV主電源）和汽輪發(fā)電機(jī)作為兩路獨(dú)立的電源進(jìn)行供電；對(duì)于永久廠(chǎng)用設(shè)備，考慮機(jī)組停運(yùn)后會(huì)喪失汽輪發(fā)電機(jī)電源，增加輔助電網(wǎng)（廠(chǎng)外220 kV輔助電源，與500 kV主電源實(shí)體隔離）作為第三路電源進(jìn)行供電；對(duì)于應(yīng)急廠(chǎng)用設(shè)備，為保障安全負(fù)荷的供電，除上述正常電源外，還專(zhuān)設(shè)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源；對(duì)于共用廠(chǎng)用設(shè)備，由兩臺(tái)機(jī)組的永久廠(chǎng)用母線(xiàn)各出一路進(jìn)行供電。

圖1 核電廠(chǎng)單元機(jī)組接線(xiàn)示意圖

圖2 核動(dòng)力船舶雙電站接線(xiàn)示意圖

2 核動(dòng)力船舶交流電系統(tǒng)

核動(dòng)力船舶通常包含一至數(shù)個(gè)反應(yīng)堆，一堆帶兩機(jī)模式較常見(jiàn)。與核電廠(chǎng)類(lèi)似，其用電負(fù)荷也可分為4類(lèi)，各類(lèi)負(fù)荷對(duì)核動(dòng)力裝置安全的影響程度及其在停堆后的供電需求有所不同[5]。

以雙堆配置的民用船舶為例[2]，向核動(dòng)力裝置供電的典型交流電源配置如圖2所示，其中，TG表示汽輪發(fā)電機(jī)、SDG表示備用柴油發(fā)電機(jī)，EDG表示應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)。

正常運(yùn)行時(shí)，由汽輪發(fā)電機(jī)向主配電盤(pán)供電；一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)故障時(shí)，啟動(dòng)備用柴油發(fā)電機(jī)向一列主配電盤(pán)供電，并通過(guò)電纜向另一列主配電盤(pán)供電；兩列主配電盤(pán)均失效時(shí)，啟動(dòng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)向應(yīng)急配電盤(pán)供電。其中，一列應(yīng)急配電盤(pán)能接受兩列主配電盤(pán)的供電，一列核動(dòng)力裝置配電盤(pán)能接受兩列主配電盤(pán)和一列應(yīng)急配電盤(pán)的供電。

3 對(duì)比分析

結(jié)合上述交流電配置方案，本節(jié)就兩類(lèi)核設(shè)施的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安全評(píng)價(jià)進(jìn)行對(duì)比。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以雙堆配置為基本單元，對(duì)比前述核電廠(chǎng)雙機(jī)組與核動(dòng)力船舶雙電站向核動(dòng)力裝置供電的交流電系統(tǒng)，得出以下設(shè)計(jì)特征：

1）核動(dòng)力船舶為孤島運(yùn)行，無(wú)外電源（靠岸時(shí)除外），由備用柴油發(fā)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)功能。核電廠(chǎng)包含兩列獨(dú)立的外電源，冗余性高，但不執(zhí)行核安全功能。

2）二者的主電源和應(yīng)急電源設(shè)置方式類(lèi)似，分別由汽輪發(fā)電機(jī)和應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)功能。對(duì)于主電源，核動(dòng)力船舶通常為兩堆各帶兩機(jī)，冗余度較核電廠(chǎng)的兩堆帶兩機(jī)高。對(duì)于應(yīng)急電源，核電廠(chǎng)的兩堆配四機(jī)冗余度較核動(dòng)力船舶的兩堆配兩機(jī)高。

3）二者的供電方式存在一定差異。對(duì)于核電廠(chǎng)的兩臺(tái)機(jī)組，除少數(shù)共用負(fù)荷外，其他三類(lèi)負(fù)荷主要由各自的電源或外電源帶動(dòng)。而核動(dòng)力船舶各電站的主配電盤(pán)均可向另一列電站的應(yīng)急配電盤(pán)和核動(dòng)力裝置配電盤(pán)供電，即能通過(guò)交叉供電增加冗余性。

對(duì)于浮動(dòng)核電平臺(tái)，由于無(wú)外電源支持，可參照核動(dòng)力船舶的方式進(jìn)行主電源配置和供電。同時(shí)，參照核電廠(chǎng)的方式進(jìn)行應(yīng)急電源配置，進(jìn)一步提高安全重要負(fù)荷的供電可靠性。

3.2 安全評(píng)價(jià)

電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)須滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的安全評(píng)價(jià)要求[5,7]，考慮主電力系統(tǒng)故障和應(yīng)急電力系統(tǒng)故障的應(yīng)對(duì)措施。

3.2.1 主電力系統(tǒng)故障

根據(jù)核動(dòng)力船舶入級(jí)規(guī)范的要求[5,6]，安全評(píng)價(jià)中考慮電源系統(tǒng)或配電系統(tǒng)中關(guān)鍵部件失效造成的后果，并將完全喪失主電力供應(yīng)作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故考慮。對(duì)于主電力系統(tǒng)單臺(tái)發(fā)電機(jī)組的單個(gè)部件失效或主配電系統(tǒng)的單個(gè)部件失效，不應(yīng)觸發(fā)緊急停堆。

核電廠(chǎng)安全評(píng)價(jià)中，汽輪機(jī)事故停機(jī)（包括發(fā)電機(jī)事故停機(jī)）、電廠(chǎng)輔助設(shè)備非應(yīng)急交流電源喪失（包括交流配電系統(tǒng)失效）等包絡(luò)性始發(fā)事件屬于中等頻率事件，驗(yàn)收準(zhǔn)則中允許觸發(fā)緊急停堆。其中，可能造成停堆的信號(hào)包括核動(dòng)力裝置熱工參數(shù)（溫度、壓力、流量和水位等）超限或設(shè)備運(yùn)行異常（主泵斷路器關(guān)、主泵轉(zhuǎn)速低-低和控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)失電等）。

在浮動(dòng)核電平臺(tái)設(shè)計(jì)中，如將上述單個(gè)部件失效不導(dǎo)致緊急停堆作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，則須論證各參數(shù)在相應(yīng)工況下不會(huì)觸發(fā)保護(hù)信號(hào)。可供參考的設(shè)計(jì)策略包括：

1）對(duì)于汽輪機(jī)事故停機(jī)，若采用一堆帶一機(jī)模式，則單臺(tái)故障易使核動(dòng)力裝置參數(shù)劇烈波動(dòng)，并引發(fā)緊急停堆；而采用一堆帶雙機(jī)模式，能降低單臺(tái)故障的影響比重，從而減輕事故后果。

2）對(duì)于交流配電系統(tǒng)，不同用電設(shè)備由相應(yīng)區(qū)域（如核電廠(chǎng)分為核島、常規(guī)島及電廠(chǎng)配套設(shè)施）的配電裝置進(jìn)行供電，且重要設(shè)備（如凝結(jié)水泵、給水泵等）采用冗余配置，以避免主配電系統(tǒng)單個(gè)部件失效即完全喪失單個(gè)或多個(gè)功能，進(jìn)而導(dǎo)致緊急停堆。

3.2.2 應(yīng)急電力系統(tǒng)故障

根據(jù)核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)安全規(guī)定的要求[7]，在同時(shí)喪失廠(chǎng)外電源和應(yīng)急電源的情況下，替代電源必須能夠提供必要的電力，即須考慮全廠(chǎng)斷電事故（SBO）的應(yīng)對(duì)。對(duì)于新建核電廠(chǎng)，通常設(shè)一臺(tái)移動(dòng)式SBO專(zhuān)用柴油機(jī)作為替代電源。對(duì)于核動(dòng)力船舶，入級(jí)規(guī)范并未對(duì)喪失全部交流電源（不包括由蓄電池逆變的交流電）的應(yīng)對(duì)措施作出強(qiáng)制規(guī)定。

參考核電廠(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，能夠?qū)е聝?nèi)部交流電喪失的初因事件主要包括：

1）外部事件導(dǎo)致應(yīng)急柴發(fā)輔助系統(tǒng)不可用，包括喪失熱阱、供油線(xiàn)路損壞等；

2）共因故障導(dǎo)致應(yīng)急柴發(fā)不能啟動(dòng)。由于浮動(dòng)核電平臺(tái)無(wú)外電源，內(nèi)部交流電喪失后即發(fā)生全船斷電，故其事故發(fā)生概率預(yù)計(jì)要高于同等水平的核電廠(chǎng)，設(shè)計(jì)中應(yīng)采取有效措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)。

其中，可選用SBO柴發(fā)作為浮動(dòng)核電平臺(tái)的替代電源，受空間限制，不考慮其移動(dòng)使用。同時(shí)，借鑒非能動(dòng)先進(jìn)核電廠(chǎng)的設(shè)計(jì)理念，在安全系統(tǒng)配置中考慮設(shè)置非能動(dòng)余熱排出系統(tǒng)和非能動(dòng)堆腔注水系統(tǒng)，加強(qiáng)縱深防御，并緩解事故下對(duì)替代電源的需求。

4 結(jié)論

本文對(duì)核動(dòng)力船舶與核電廠(chǎng)的交流電源配置開(kāi)展對(duì)比研究，結(jié)合民用核安全及核動(dòng)力船舶入級(jí)規(guī)范要求，優(yōu)化得出以下交流電源配置建議，供研發(fā)浮動(dòng)核電平臺(tái)參考：

1）主電源參照核動(dòng)力船舶配置，一堆帶兩機(jī)，同時(shí)配備用柴發(fā)；

2）應(yīng)急電源參照核電廠(chǎng)配置，一堆配兩臺(tái)應(yīng)急柴發(fā)，同時(shí)增設(shè)第5臺(tái)柴發(fā)作為SBO電源；

3）借鑒先進(jìn)核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)，增設(shè)非能動(dòng)安全系統(tǒng)，與應(yīng)急電力系統(tǒng)共同應(yīng)對(duì)事故工況；

4）船用應(yīng)急電源單獨(dú)設(shè)置，且與核用應(yīng)急電源實(shí)體隔離。

[1] 薛偉, 葛宋, 馬曉晨. 核動(dòng)力艦船堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)分析[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2013, 35（10）: 155-157.

[2] 晉建廠(chǎng), 黃虎. 核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)分析[J]. 艦船電子工程, 2018, 292（10）: 11-13.

[3] 胡亮, 邢維升, 馮筱剛. 國(guó)外核動(dòng)力航母電子系統(tǒng)分析[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2014, 36（10）: 151-155.

[4] 蘇林森等. 900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M]. 北京: 原子能出版社, 2007.

[5] Russian Maritime Register of Shipping. ND No.2-020101-112-E Rules for the Classification and Construction of Nuclear Ships and Floating Facilities[S]. Saint Petersberg: RMRS, 2018.

[6] International Maritime Organization. Res.A.491(XII) Code of Safety for Nuclear Merchant Ships[S]. London: IMO, 1981.

[7] 國(guó)家核安全局. HAF102 核動(dòng)力廠(chǎng)設(shè)計(jì)安全規(guī)定[S]. 北京: 國(guó)家核安全局, 2016.

Contrastive Study on AC Power Supply Configuration of Nuclear Power Plants and Nuclear Ships

Wang Jue1, Wang Ruonan2, Liu Le1, Tang Qingsong1

(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China; 2. Linde Engineering (Hangzhou) Co., Ltd., Hangzhou 310012, China)

nuclear ships; nuclear power plants; AC power supply configuration; contrastive analysis

TL364

A

1003-4862（2019）08-0062-03

2019-01-15

王玨（1989-），男，工程師。研究方向：核動(dòng)力裝置總體設(shè)計(jì)。E-mail：wangjuebey@sina.com