核動(dòng)力艦船堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)分析

薛 偉，葛 宋，馬曉晨

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150036;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京 100192)

0 引言

核動(dòng)力推進(jìn)相比于蒸汽動(dòng)力、柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等艦船動(dòng)力裝置具有能量密度高、續(xù)航能力強(qiáng)、功率大、不依賴氧氣等優(yōu)點(diǎn)。自1954年第1艘核潛艇下水至今，世界上先后已有近10個(gè)國(guó)家建造了470多艘采用核動(dòng)力推進(jìn)的各類艦船［1］。核動(dòng)力推進(jìn)在船舶動(dòng)力系統(tǒng)中已發(fā)揮著不可替代的作用。

艦艇核動(dòng)力裝置主要由反應(yīng)堆、一回路反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)、二回路主汽輪機(jī)、傳動(dòng)裝置、推進(jìn)軸等組成。與常規(guī)動(dòng)力裝置不同的是，由于核反應(yīng)的特點(diǎn)，反應(yīng)堆在運(yùn)行過(guò)程中停堆后功率不會(huì)立即下降到0，由于緩發(fā)中子引起的裂變、裂變產(chǎn)物的衰變而使堆芯仍有很大的熱功率，這部分余熱如不及時(shí)排除，將會(huì)使堆芯存在熔化的可能。船舶核動(dòng)力裝置運(yùn)行過(guò)程中的潛在危險(xiǎn)性很大一方面來(lái)源于此。必須配備專門的堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)，保證事故停堆后堆芯余熱能及時(shí)排出。堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)的工作需要為水泵等裝置提供持續(xù)、高質(zhì)量的電源，為此需要設(shè)計(jì)可靠的應(yīng)急供電系統(tǒng)。

由于運(yùn)行環(huán)境和使用條件的特殊性，艦艇核動(dòng)力裝置對(duì)于安全性和可靠性提出了很高的要求［2］。堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是核動(dòng)力艦船安全性的關(guān)鍵之一。本文分析2種典型核動(dòng)力艦船——俄羅斯“北極”號(hào)核動(dòng)力破冰船和法國(guó)“戴高樂(lè)”核動(dòng)力航母的堆芯冷卻應(yīng)急供電系統(tǒng)的特點(diǎn);通過(guò)美國(guó)核動(dòng)力航母上應(yīng)急電源原動(dòng)機(jī)及電池的配置情況，初步探討美國(guó)核動(dòng)力航母堆芯應(yīng)急冷卻供電的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)核動(dòng)力艦船堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。

1 俄羅斯“北極”號(hào)破冰船堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)

俄羅斯“北極”號(hào)核動(dòng)力破冰船于1975年4月投入使用，排水量23000 t，裝備2座OK－900型反應(yīng)堆，單堆熱功率171 MW?！氨睒O”號(hào)破冰船電力系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

“北極”號(hào)破冰船上設(shè)有首電站和尾電站，首電站主要包括輔汽輪發(fā)電機(jī)1、2及主配電柜;尾電站包括輔汽輪發(fā)電機(jī)3、4、5、備用柴油發(fā)電機(jī)和主配電柜2。發(fā)電機(jī)和主配電柜分別布置在不同的艙室中，每臺(tái)輔汽輪發(fā)電機(jī)的功率為2 MW，備用柴油發(fā)電機(jī)功率為1 MW。船上還設(shè)有2臺(tái)岸電柜，用于無(wú)船上電源時(shí)給船上供電。備用電源由應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池組組成，蓄電池組配備直流－交流電力轉(zhuǎn)換裝置。應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)由2臺(tái)功率為2 MW的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)和分組 (應(yīng)急)配電柜組成。

圖1 “北極”號(hào)破冰船電力系統(tǒng)示意圖Fig.1 The electric system of the Arktita nuclear powered icebreaker

堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)的電力取自全艦應(yīng)急供電系統(tǒng)，是全艦應(yīng)急供電系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。為了滿足核安全設(shè)計(jì)要求，“北極”號(hào)破冰船上設(shè)置2個(gè)核動(dòng)力裝置專用配電柜，為包括堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)在內(nèi)的核動(dòng)力裝置提供持續(xù)電源。每個(gè)核動(dòng)力裝置專用配電柜可從2個(gè)無(wú)關(guān)聯(lián)的主配電柜和1個(gè)分組 (應(yīng)急)配電柜上獲得電能，確保單獨(dú)一路失電的情況下仍能保證核動(dòng)力裝置的供電安全?！氨睒O”號(hào)破冰船通過(guò)如下供電組合，使核動(dòng)力裝置啟動(dòng)、停止和工作時(shí)都有2路無(wú)關(guān)的電源供電:岸電配電柜+輔汽輪發(fā)電機(jī)，輔汽輪發(fā)電機(jī)+應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)+蓄電池組。

核動(dòng)力船舶對(duì)供電系統(tǒng)的可靠性及不間斷性要求要遠(yuǎn)高于一般常規(guī)動(dòng)力艦船，“北極”號(hào)破冰船上應(yīng)急供電系統(tǒng)的設(shè)置充分體現(xiàn)了對(duì)安全性的重視。

2 法國(guó)“戴高樂(lè)”號(hào)核動(dòng)力航母堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)

“戴高樂(lè)”號(hào)核動(dòng)力航母排水量35000 t，2001年5月服役，采用2座“凱旋”級(jí)核潛艇的K－15型壓水堆，單堆推進(jìn)功率61 MW?！按鞲邩?lè)”號(hào)航母采用潛艇的核動(dòng)力裝置，但其應(yīng)急電源中沒(méi)有作為潛艇標(biāo)準(zhǔn)配置的蓄電池，而采用柴油機(jī)發(fā)電機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)作應(yīng)急電源。這是由于相對(duì)核潛艇，航母上有充足的氧氣來(lái)源，可采用其他替代后備措施?！按鞲邩?lè)”號(hào)航母的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)有其獨(dú)特之處，采用了多種類型的發(fā)電原動(dòng)機(jī)，利用不同類型原動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，增加系統(tǒng)工作的可靠性?！按鞲邩?lè)”號(hào)核動(dòng)力航母的電力系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

航母上設(shè)置了2個(gè)主電站，每個(gè)電站包含2臺(tái)2MW的汽輪發(fā)電機(jī)組，對(duì)稱地布置在兩舷;艦上還設(shè)置了2個(gè)應(yīng)急電站和2個(gè)安全電站，每個(gè)應(yīng)急電站配置3臺(tái)單機(jī)功率0.85 MW的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，每個(gè)安全電站配備了2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)(取代蓄電池作應(yīng)急電源)專門用于反應(yīng)堆的應(yīng)急供電，單機(jī)功率約為1.9 MW。

圖2 “戴高樂(lè)”號(hào)核動(dòng)力航母電力系統(tǒng)示意圖Fig.2 The electric system of the Charles de Gaulle nuclear powered carrier

堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)同樣是全艦應(yīng)急供電系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。 “戴高樂(lè)”號(hào)航母通過(guò)如下供電組合，確保對(duì)反應(yīng)堆的應(yīng)急供電:主電站+應(yīng)急電站柴油發(fā)電機(jī)，應(yīng)急電站柴油發(fā)電機(jī)+安全電站燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)具有啟動(dòng)快、控制方便的特點(diǎn)，可顯著提高設(shè)備供電的可靠性。通過(guò)這種3套電站10臺(tái)機(jī)組的交叉供電配置，包括核反應(yīng)堆堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)在內(nèi)的反應(yīng)堆安全輔助設(shè)備能夠得到持續(xù)、可靠的電力供應(yīng)。

3 美國(guó)核動(dòng)力航母堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)初步分析

美國(guó)“尼米茲”級(jí)核動(dòng)力航母采用2座A4W/A1G反應(yīng)堆，單堆熱功率500～600 MW。其中“尼米茲”號(hào)核動(dòng)力航母的全艦發(fā)電量達(dá)到了72 MW，配備8臺(tái)功率為8 MW的汽輪發(fā)電機(jī)及4臺(tái)2 MW的柴油應(yīng)急發(fā)電機(jī)，此外還配有多組蓄電池。對(duì)于美國(guó)核動(dòng)力航母的相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)披露極少，通過(guò)對(duì)“北極”號(hào)破冰船供電系統(tǒng)的分析及結(jié)合美國(guó)核動(dòng)力航母應(yīng)急供電系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)和蓄電池的配置，可以得出美國(guó)核動(dòng)力航母與“北極”號(hào)破冰船的堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)遵循相同設(shè)計(jì)思路的結(jié)論。由于核動(dòng)力航母的反應(yīng)堆熱功率顯著大于破冰船以及其對(duì)生存能力有更高的要求，需要充分考慮發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量規(guī)格和數(shù)目、多臺(tái)發(fā)電機(jī)組連接方式的可靠性、電站的布置及獨(dú)立性等。

4 核動(dòng)力航母堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

核動(dòng)力系統(tǒng)中堆芯應(yīng)急供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最主要特征體現(xiàn)在對(duì)應(yīng)急供電系統(tǒng)的可靠性和不間斷性的重視，以確保在事故狀態(tài)下應(yīng)急電源能有效工作。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)電源的冗余。對(duì)于核動(dòng)力航母而言，某一反應(yīng)堆發(fā)生停堆時(shí)，仍能由另一個(gè)反應(yīng)堆的汽輪機(jī)發(fā)電維持必要的電源;在主電源失去的情況下，通過(guò)設(shè)置的多個(gè)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，并且考慮到柴油機(jī)的故障率，可再設(shè)有一個(gè)或多個(gè)備用柴油機(jī);還設(shè)有一定容量的蓄電池組，并設(shè)有直流－交流電力轉(zhuǎn)換裝置，維持應(yīng)急柴油機(jī)啟動(dòng)間隙及一次啟動(dòng)失敗時(shí)的供電，為事故處理爭(zhēng)取時(shí)間。

2)供電線路的冗余。采用高可靠性的網(wǎng)形配電方式［3］，保證包括堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)在內(nèi)的核安全相關(guān)的系統(tǒng)能得到至少2條以上的線路供電。

3)不同電力來(lái)源及供電線路間的獨(dú)立性。保持不同供電路徑之間的相對(duì)獨(dú)立，在一條途徑損壞時(shí)不對(duì)其他途徑產(chǎn)生影響。如一母線上的故障不會(huì)對(duì)另一母線造成影響。

對(duì)應(yīng)急電源系統(tǒng)可靠性的重視還體現(xiàn)在:應(yīng)急電源的設(shè)計(jì)提供了充足的裕度，如應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的功率、蓄電池組的容量;應(yīng)急電源系統(tǒng)的測(cè)試和維護(hù)，如柴油機(jī)組定期進(jìn)行可靠性測(cè)試。系統(tǒng)多重冗余性及裕度的設(shè)計(jì)雖然增大了系統(tǒng)的規(guī)模及成本，但考慮到核反應(yīng)堆事故的嚴(yán)重性，這些措施非常必要。

5 結(jié)語(yǔ)

為堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)提供電力供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于核動(dòng)力艦船的安全性至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)典型核動(dòng)力艦船供電系統(tǒng)特點(diǎn)的分析，可看出堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)是全艦應(yīng)急供電系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，強(qiáng)調(diào)安全性和可靠性是應(yīng)急供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，也是核動(dòng)力艦船堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。這種原則通過(guò)設(shè)置應(yīng)急電源冗余、供電線路冗余以及保持不同電力來(lái)源及供電線路間的獨(dú)立性等方式來(lái)體現(xiàn)。

［1］彭敏俊，王兆祥.船舶核動(dòng)力裝置［M］.北京:原子能出版社，2009.

［2］張大發(fā)，船用反應(yīng)堆運(yùn)行與管理［M］.北京:原子能出版社，1993.

［3］龐科旺，船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工程出版社，2010.