核動力船舶與核電廠交流電源配置的對比分析

王　玨，王若楠，劉　樂，湯青松

核動力船舶與核電廠交流電源配置的對比分析

王玨1，王若楠2，劉樂1，湯青松1

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

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

核動力船舶 核電廠 交流電源配置 對比分析

0 引言

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

上述研究可用于指導(dǎo)浮動核電平臺供電系統(tǒng)的設(shè)計。考慮到浮動核電平臺屬于核電安全監(jiān)管范圍，有必要對核動力船舶與核電廠的電源配置開展差異化研究，以形成滿足核安全監(jiān)管要求的優(yōu)化方案。

1 核電廠交流電系統(tǒng)

典型二代壓水堆核電廠包含兩臺單元機組，每臺為一堆（反應(yīng)堆）帶一機（汽輪發(fā)電機）模式，兩臺共用部分設(shè)備。多臺機組構(gòu)成核電廠基地，公用部分設(shè)備。

其廠用電設(shè)備通常分為以下4類[4]：

1）單元廠用設(shè)備：電廠單元機組正常運行時需要運作的設(shè)備，機組停運后，此類設(shè)備可停用；

2）永久廠用設(shè)備：電廠單元機組停運后仍需運作的設(shè)備；

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

4）共用廠用設(shè)備：包括兩臺單元機組的共用設(shè)備及廠內(nèi)多臺單元機組的公用設(shè)備，前者參與機組運行，后者通常不直接參與發(fā)電。

對于不同廠用電設(shè)備，核電廠采用不同的供電方式，單元機組的典型接線示意圖如圖1所示（各框圖僅作原理說明，不代表實際配置數(shù)量）。對于單元廠用設(shè)備，由主電網(wǎng)（廠外500 kV主電源）和汽輪發(fā)電機作為兩路獨立的電源進行供電；對于永久廠用設(shè)備，考慮機組停運后會喪失汽輪發(fā)電機電源，增加輔助電網(wǎng)（廠外220 kV輔助電源，與500 kV主電源實體隔離）作為第三路電源進行供電；對于應(yīng)急廠用設(shè)備，為保障安全負(fù)荷的供電，除上述正常電源外，還專設(shè)應(yīng)急柴油發(fā)電機作為應(yīng)急電源；對于共用廠用設(shè)備，由兩臺機組的永久廠用母線各出一路進行供電。

圖1 核電廠單元機組接線示意圖

圖2 核動力船舶雙電站接線示意圖

2 核動力船舶交流電系統(tǒng)

核動力船舶通常包含一至數(shù)個反應(yīng)堆，一堆帶兩機模式較常見。與核電廠類似，其用電負(fù)荷也可分為4類，各類負(fù)荷對核動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、SDG表示備用柴油發(fā)電機，EDG表示應(yīng)急柴油發(fā)電機。

正常運行時，由汽輪發(fā)電機向主配電盤供電；一臺汽輪發(fā)電機故障時，啟動備用柴油發(fā)電機向一列主配電盤供電，并通過電纜向另一列主配電盤供電；兩列主配電盤均失效時，啟動應(yīng)急柴油發(fā)電機向應(yīng)急配電盤供電。其中，一列應(yīng)急配電盤能接受兩列主配電盤的供電，一列核動力裝置配電盤能接受兩列主配電盤和一列應(yīng)急配電盤的供電。

3 對比分析

結(jié)合上述交流電配置方案，本節(jié)就兩類核設(shè)施的系統(tǒng)設(shè)計與安全評價進行對比。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

以雙堆配置為基本單元，對比前述核電廠雙機組與核動力船舶雙電站向核動力裝置供電的交流電系統(tǒng)，得出以下設(shè)計特征：

1）核動力船舶為孤島運行，無外電源（靠岸時除外），由備用柴油發(fā)電機執(zhí)行相應(yīng)功能。核電廠包含兩列獨立的外電源，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)置方式類似，分別由汽輪發(fā)電機和應(yīng)急柴油發(fā)電機執(zhí)行相應(yīng)功能。對于主電源，核動力船舶通常為兩堆各帶兩機，冗余度較核電廠的兩堆帶兩機高。對于應(yīng)急電源，核電廠的兩堆配四機冗余度較核動力船舶的兩堆配兩機高。

3）二者的供電方式存在一定差異。對于核電廠的兩臺機組，除少數(shù)共用負(fù)荷外，其他三類負(fù)荷主要由各自的電源或外電源帶動。而核動力船舶各電站的主配電盤均可向另一列電站的應(yīng)急配電盤和核動力裝置配電盤供電，即能通過交叉供電增加冗余性。

對于浮動核電平臺，由于無外電源支持，可參照核動力船舶的方式進行主電源配置和供電。同時，參照核電廠的方式進行應(yīng)急電源配置，進一步提高安全重要負(fù)荷的供電可靠性。

3.2 安全評價

電力系統(tǒng)設(shè)計須滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的安全評價要求[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)對措施。

3.2.1 主電力系統(tǒng)故障

根據(jù)核動力船舶入級規(guī)范的要求[5,6]，安全評價中考慮電源系統(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)計基準(zhǔn)事故考慮。對于主電力系統(tǒng)單臺發(fā)電機組的單個部件失效或主配電系統(tǒng)的單個部件失效，不應(yīng)觸發(fā)緊急停堆。

核電廠安全評價中，汽輪機事故停機（包括發(fā)電機事故停機）、電廠輔助設(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包括核動力裝置熱工參數(shù)（溫度、壓力、流量和水位等）超限或設(shè)備運行異常（主泵斷路器關(guān)、主泵轉(zhuǎn)速低-低和控制棒驅(qū)動機構(gòu)失電等）。

在浮動核電平臺設(shè)計中，如將上述單個部件失效不導(dǎo)致緊急停堆作為設(shè)計指標(biāo)，則須論證各參數(shù)在相應(yīng)工況下不會觸發(fā)保護信號。可供參考的設(shè)計策略包括：

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

2）對于交流配電系統(tǒng)，不同用電設(shè)備由相應(yīng)區(qū)域（如核電廠分為核島、常規(guī)島及電廠配套設(shè)施）的配電裝置進行供電，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)單個部件失效即完全喪失單個或多個功能，進而導(dǎo)致緊急停堆。

3.2.2 應(yīng)急電力系統(tǒng)故障

根據(jù)核電廠設(shè)計安全規(guī)定的要求[7]，在同時喪失廠外電源和應(yīng)急電源的情況下，替代電源必須能夠提供必要的電力，即須考慮全廠斷電事故（SBO）的應(yīng)對。對于新建核電廠，通常設(shè)一臺移動式SBO專用柴油機作為替代電源。對于核動力船舶，入級規(guī)范并未對喪失全部交流電源（不包括由蓄電池逆變的交流電）的應(yīng)對措施作出強制規(guī)定。

參考核電廠經(jīng)驗，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、供油線路損壞等；

2）共因故障導(dǎo)致應(yīng)急柴發(fā)不能啟動。由于浮動核電平臺無外電源，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)計要高于同等水平的核電廠，設(shè)計中應(yīng)采取有效措施進行應(yīng)對。

其中，可選用SBO柴發(fā)作為浮動核電平臺的替代電源，受空間限制，不考慮其移動使用。同時，借鑒非能動先進核電廠的設(shè)計理念，在安全系統(tǒng)配置中考慮設(shè)置非能動余熱排出系統(tǒng)和非能動堆腔注水系統(tǒng)，加強縱深防御，并緩解事故下對替代電源的需求。

4 結(jié)論

本文對核動力船舶與核電廠的交流電源配置開展對比研究，結(jié)合民用核安全及核動力船舶入級規(guī)范要求，優(yōu)化得出以下交流電源配置建議，供研發(fā)浮動核電平臺參考：

1）主電源參照核動力船舶配置，一堆帶兩機，同時配備用柴發(fā)；

2）應(yīng)急電源參照核電廠配置，一堆配兩臺應(yīng)急柴發(fā)，同時增設(shè)第5臺柴發(fā)作為SBO電源；

3）借鑒先進核電廠設(shè)計，增設(shè)非能動安全系統(tǒng)，與應(yīng)急電力系統(tǒng)共同應(yīng)對事故工況；

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

[1] 薛偉, 葛宋, 馬曉晨. 核動力艦船堆芯應(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, 黃虎. 核動力船舶電力系統(tǒng)特點及發(fā)展趨勢分析[J]. 艦船電子工程, 2018, 292（10）: 11-13.

[3] 胡亮, 邢維升, 馮筱剛. 國外核動力航母電子系統(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] 國家核安全局. HAF102 核動力廠設(shè)計安全規(guī)定[S]. 北京: 國家核安全局, 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：核動力裝置總體設(shè)計。E-mail：wangjuebey@sina.com