民用核動力船舶電力系統方案研究

劉宙鋒，王艷婷

民用核動力船舶電力系統方案研究

劉宙鋒，王艷婷

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

本文以民用核動力船舶的發展方向為立足點，充分考慮民用核動力船舶的安全性、可靠性、冗余性、經濟性設計需求，給出了不同用途下的民用核動力船舶電力系統解決方案。此外，針對自航類核動力船舶所有交流電源失效的可能性和救援的時差性，提供了一種增加附加直流電源來保證安全性的解決方案。

核動力船舶電力系統 應急電力系統 附加直流電源

0 引言

隨著石油資源的日益緊缺，新能源的利用開始日趨發展。對于船舶來說，核能相對其他新能源，在穩定性、能量密度性、持續性方面有著不可比擬的優勢，再加上近年來浮動式小堆技術的日益成熟，小型反應堆在船舶上的應用也變為可能。

因此，核動力船舶在民用船舶的應用必將越來越廣泛。俄羅斯院士號核動力船舶已經開始發電；中國也在大力推進核動力船舶的發展，中船重工第七一九所等單位也正在開展海洋核動力平臺的設計工作。長遠看來，核動力船舶具有廣闊的民用市場應用前景[1]。

1 核動力船舶概述

根據是否具備自主航行能力劃分，核動力船舶的發展主要分為兩個方向，如圖1所示。

圖1 核動力船舶分類框圖

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

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

無論是非自航類核動力船舶還是自航類核動力船舶，由于所處海洋環境相對陸上核電站較為惡劣，救援等應急措施相對也較為困難，因此，作為核電站安全重要保障之一的電力系統的設計尤為重要。

2 核動力船舶電力系統方案

2.1 非自航類核動力船舶電力系統方案

相對于自航類核動力船舶，非自航類核動力船舶由于長期處于固定位置，因此比較類似于陸上核電站。

2.1.1優先電源

非自航類核動力船舶的優先電源配置應遵循相關法律法規。現針對配置單個反應堆的非自航類核動力船舶優先電源設計要點論述如下。

1）在啟動和正常運行期間，從輸電系統到安全級電力系統最少應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）優先電源向安全級電源供電的線路應實體獨立，其設計和安裝應在運行、假設事故和環境條件下使兩條優先電源線路同時故障的可能性最小[2-4]。

由上述要點分析得出，非自航類核動力船舶應配置有兩路獨立的優先電源。綜合以上設計要點，提供了一種可行的優先電源供電流程框圖，如圖2所示。

圖2 單堆非自航類核動力船舶優先電源流程框圖

針對多堆的非自航類核動力船舶，由于兩路優先電源的獨立性，因此，仍只需配置兩路優先電源。

2.1.2應急電力系統

非自航類核動力船舶的應急電力系統配置應遵循相關法律法規。現針對配置單個反應堆的應急電力系統設計要點論述如下。

1）作為最低限度，應急電力系統必須滿足單一故障準則[3,5-9]。

2）應急電力系統必須分成幾個獨立的、多重的序列[3,5-9]。

3）按照獨立性原則，應急電力系統的各序列相互間必須借助實體分隔和功能隔離進行保護[3,5-9]。

由上述要點分析得出，非自航類核動力船舶每個反應堆至少應配置有兩套相互獨立、相互冗余的應急電力系統。綜合以上設計要點，提供了一種可行的應急電力系統供電流程框圖，如圖3所示。

圖3 單堆非自航類核動力船舶應急電力系統流程框圖

針對多堆的非自航類核動力船舶，由于應急電力系統的獨立性，因此，每堆均至少配置兩套相互獨立、相互冗余的應急電力系統。

2.1.3附加電源

非自航類核動力船舶的附加電源配置應遵循相關法律法規。現針對附加電源設計要點論述如下。

1）應設有一個附加電源，它在失去優先電源和應急電力系統全部交流電源的情況下，可以向任一應急電力系統的應急配電裝置恢復供電[2-3,9]。

2）附加電源可由一臺或兩臺發電機組組成，驅動裝置可以是柴油機或汽輪機[2,3,9]。

由上述要點分析得出，每條非自航類核動力船舶（而非每堆）至少應配置有一個附加電源。因此，應配置有一條為非自航類核動力船舶提供移動附加電源的補給船，并能及時為非自航類核動力船舶提供附加電源。以兩個反應堆為例，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 自航類核動力船舶電力系統方案

與陸上核電站相比，自航類核動力船舶孤島運行，無法提供廠外電源，其供電安全性、可靠性由平臺自身保證。因此，自航類核動力船舶自身的電力系統必須設計得更加安全可靠。

2.2.1主電力系統

自航類核動力船舶的主電力系統配置應遵循相關法律法規。現針對配置單個反應堆的主電力系統設計要點論述如下。

1）主電力系統至少應配備一臺備用發電機組[8,10]。

2）備用發電機應有足夠的容量來保證核蒸汽供給系統冷態啟動和維持船舶正常操作和可居住條件所需的100%電力[8,10]。

3）主電力系統至少要被分為兩個區段，每個區段有自己的主開關板，且每區段至少由一臺工作發電機供電[8,10-11]。

由上述要點分析得出，自航類核動力船舶應配置有兩個區段的主電力系統，且每個區段應有一臺工作發電機及一臺備用發電機（在考慮工作發電機必須依賴于反應堆而運行的情況下）。綜合以上設計要點，提供了一種可行的主電力系統供電流程框圖，如圖5所示。

圖4 雙堆非自航類核動力船舶附加電源流程框圖

圖5 單堆自航類核動力船舶主電力系統流程框圖

針對兩堆的自航類核動力船舶，應盡量考慮到兩個反應堆之間的單一故障原則，因此，每堆均應配置兩個區段的主電力系統和對應數量的電源。

但對于配置三個及以上反應堆的自航類核動力船舶，即使考慮到反應堆之間的單一故障原則，也可以認為必有一個以上的反應堆運行正常。因此，主電力系統的區段和電源的數量可以酌情減少。

2.2.2應急電力系統

自航類核動力船舶的應急電力系統配置應遵循相關法律法規。現針對配置單個反應堆的應急電力系統設計要點論述如下。

1）單一故障情況下，包括發電機組和配電系統的應急電力系統要具有足夠的獨立性、冗余性和可測試性以滿足它的安全功能[3-10]。

2）應急電力系統至少要包括三個應急配電系統[3-10]。

3）應急配電系統必須完全分開，使得任何基準事故將不會使應急配電系統的失效數超過一個[3-10]。

由上述要點分析得出，自航類核動力船舶應配置有三套應急電力系統，且每套應急電力系統之間互相隔離、互相冗余。綜合以上設計要點，提供了一種可行的應急電力系統供電流程框圖，如圖6所示。

圖6 單堆自航類核動力船舶應急電力系統流程框圖

針對多堆的自航類核動力船舶，應盡考慮到多個反應堆同時故障的可能性，因此，當自航類核動力船舶的多個反應堆共用三套應急電力系統時，應急電源的容量應能同時滿足多個反應堆應急情況下的需求。

2.2.3過渡電源

自航類核動力船舶的過渡電源配置應遵循相關法律法規。現針對配置單個反應堆的過渡電源設計要點：1）考慮到應急發電機的啟動時間，應急電力系統必須配置過渡電源[8,10,11]；2）過渡電源應是分隔的，以致基準事故不會超過一個電源的失效[8,10]。

由上述要點分析得出，自航類核動力船舶配置的過渡電源應與應急電力系統一一對應，三套應急電力系統應同時配置三套過渡電源。綜合以上設計要點，提供了一種可行的主電力系統供電流程框圖，如圖7所示。

2.2.4救援電源

當自航類核動力船舶出現安全事故導致主電力系統不可用時，為降低嚴重安全事故發生的可能性，此時應有補給救援船舶迅速前往應急救援。

補給救援船舶應當配有一套救援電源，為自航類核動力船舶任一應急電力系統的應急配電裝置恢復供電。以兩個反應堆為例，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 單堆自航類核動力船舶過渡電源流程框圖

圖8 雙堆自航類核動力船舶附加電源流程框圖

2.2.5附加直流電源

針對自航類核動力船舶所有交流電源失效情況下可能出現的極其嚴重的核安全事故，而由于自航類核動力船舶的應急救援時間較長，過渡電源無法提供足夠的能源來保證核動力船舶的安全性，提供了一種配置附加直流電源的方法來保證核動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，為任一應急電力系統的應急配電裝置恢復供電。附加直流電源的容量至少應保證在任何設計航行海域內，滿足救援船最大抵達救援時間的供電需求。

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 單堆自航類核動力船舶附加電源流程框圖

3 結論

核動力船舶的發展是未來船舶行業的重中之重，電力系統是保障核動力船舶安全可靠的必要保證。本文針對不同類型的核動力船舶，對電力系統的組成和結構提出了不同的方案，為電力系統的配置提供了有效可行的思路，對于未來核動力船舶電力系統設計體系以及救援體系的建立，有著較大的參考價值。

為降低嚴重核安全事故發生可能性，本文提供了一種增加附加直流電源來的研究方案。但由于目前還未有民用自航類核動力船舶的應用實例，有關救援船的配置也僅處于理論設想階段，因此，文中對于附加直流電源的配置，以及在容量方面的需求，也需要根據未來國家對核動力船舶支持、救援等體系的建立，進行進一步的詳細論證和分析，為保障核動力船舶的安全可靠提供有力的支持。

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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。E-mail: 289488579@qq.com