核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)配置要點(diǎn)分析

2021-07-06 13:55:54谷孝利何炎平劉亞?wèn)|趙永生

艦船科學(xué)技術(shù) 2021年6期

谷孝利，何炎平，黃超，劉亞?wèn)|，趙永生

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

0 引言

我國(guó)正在大力發(fā)展海洋核能，建造商用核動(dòng)力船舶值得期待。開(kāi)展商用核動(dòng)力船舶設(shè)計(jì)和建造，國(guó)內(nèi)并沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可借鑒。核動(dòng)力船舶與常規(guī)船舶最大的區(qū)別在于動(dòng)力系統(tǒng)，而動(dòng)力系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的原動(dòng)力，與電力系統(tǒng)密不可分。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)用于指導(dǎo)核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)配置的法規(guī)與規(guī)范還處于空白。國(guó)內(nèi)有關(guān)建造陸上核電廠的核安全法規(guī)及導(dǎo)則內(nèi)容相對(duì)全面，但海上“孤島”型核動(dòng)力電站與陸上核電站又有所不同，其沒(méi)可接的廠外電源，電站的安全性、可靠性、冗余性全部依靠核動(dòng)力船舶自身電力系統(tǒng)來(lái)保證[1-2]。

國(guó)際上有關(guān)核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)配置的法規(guī)和規(guī)范，主要有IMO《核能商船安全規(guī)則》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“規(guī)則”）和俄羅斯船級(jí)社《核動(dòng)力船舶及浮動(dòng)設(shè)施的分類(lèi)和建造規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“規(guī)范”）[3-4]。文章通過(guò)對(duì)“規(guī)則”和“規(guī)范”的分析研究，總結(jié)出在電力系統(tǒng)配置方面，核動(dòng)力船舶有別于常規(guī)動(dòng)力船舶的若干要點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)相關(guān)要點(diǎn)進(jìn)行闡述分析，供后續(xù)開(kāi)發(fā)核動(dòng)力船舶參考。

文章將從主電力系統(tǒng)、應(yīng)急電力系統(tǒng)和臨時(shí)電源3 個(gè)方面對(duì)核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)配置進(jìn)行分析研究。

1 主電力系統(tǒng)

“規(guī)則”和“規(guī)范”中對(duì)于主電力系統(tǒng)及其組成部分的定義基本上一致。

主電力系統(tǒng)是由主電源、備用電源以及主配電板組成的系統(tǒng)，用于向蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)負(fù)載和所有船舶負(fù)載供電。

主電源是在備用電源或應(yīng)急電源不工作情況下，利用運(yùn)行的蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)，保持船舶正常操縱和正常可居住條件所需的電源。

備用電源是獨(dú)立于蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)，在蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生故障或其他異常情況時(shí)替代發(fā)生故障的主電源。備用電源向保證船舶安全的負(fù)載供電，并在最低居住條件下恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)，并使蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)在沒(méi)有應(yīng)急發(fā)電機(jī)參與的情況下按計(jì)劃啟動(dòng)和冷卻。

核動(dòng)力船舶主電力系統(tǒng)配置要點(diǎn)：

通過(guò)對(duì)“規(guī)則”和“規(guī)范”的研究分析，總結(jié)出核動(dòng)力船舶主電力系統(tǒng)配置若干要點(diǎn)。相關(guān)要點(diǎn)均區(qū)別于常規(guī)動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)配置，在后續(xù)發(fā)展核動(dòng)力船舶時(shí)值得重點(diǎn)關(guān)注。

1）核動(dòng)力船舶主電力系統(tǒng)必須配置主電源和備用電源，且備用電源必須獨(dú)立于蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)，備用電源的容量和供電范圍有明確要求。

常規(guī)動(dòng)力船舶，即使是電力推進(jìn)船舶，主電源要求至少配置2 臺(tái)發(fā)電機(jī)。如船舶推進(jìn)必須依靠主電源，則如果船舶正常由1 臺(tái)及以上發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行同時(shí)供電，應(yīng)設(shè)有自動(dòng)卸載裝置，以保證供電連續(xù)性；如果船舶正常由1 臺(tái)發(fā)電機(jī)供電，則應(yīng)在船舶失電后自啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)，以保證供電連續(xù)性。由此可見(jiàn)，常規(guī)動(dòng)力船舶并未強(qiáng)制要求配置備用電源，僅對(duì)主電源的數(shù)量和容量有要求。即使是“船舶正常由1 臺(tái)發(fā)電機(jī)供電，應(yīng)在船舶失電后自啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)，以保證供電連續(xù)性”的這種電站配置，啟動(dòng)的備用發(fā)電機(jī)也屬于主電源至少配置2 臺(tái)發(fā)電機(jī)中的1 臺(tái)[5]。

因此，后續(xù)開(kāi)展核動(dòng)力船舶主電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可看成是核動(dòng)力裝置與常規(guī)船舶的結(jié)合，核動(dòng)力裝置承擔(dān)主電源部分，常規(guī)船舶的主電源則轉(zhuǎn)換成核動(dòng)力船舶的備用電源，還同時(shí)要承擔(dān)核動(dòng)力裝置所必要的負(fù)載。相當(dāng)于常規(guī)船舶主電源在配置容量時(shí)除了滿足船舶日常的負(fù)載需求外，還要特別考慮核動(dòng)力裝置的功率需求，包括提供關(guān)閉反應(yīng)堆并將其保持在安全狀態(tài)至少30 天所需的電能，以及啟動(dòng)和冷卻蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)所需的電能[6]。

既然核動(dòng)力船舶的備用電源可看做常規(guī)船舶的主電源來(lái)設(shè)計(jì)，那備用電源的原動(dòng)機(jī)動(dòng)力源一定是獨(dú)立于蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)。

2）主電力系統(tǒng)至少包含2 個(gè)獨(dú)立的電站，每一電站都應(yīng)包括主發(fā)電機(jī)、備用發(fā)電機(jī)和主配電板，當(dāng)處于 “一般操作”或“次要故障”狀態(tài)等級(jí)下的任何電站發(fā)生故障時(shí)，不影響彼此運(yùn)行。每一主配電板應(yīng)位于單獨(dú)的艙室中，這些艙室之間用水密和防火結(jié)構(gòu)分隔，主配電板母排之間可以用適當(dāng)?shù)拈_(kāi)關(guān)進(jìn)行連接。

這實(shí)際上是對(duì)核動(dòng)力船舶主發(fā)電機(jī)、備用發(fā)電機(jī)、主配電板數(shù)量的最低要求進(jìn)行了強(qiáng)制規(guī)定，即核動(dòng)力船舶主電力系統(tǒng)至少配置2 臺(tái)主發(fā)電機(jī)、2 臺(tái)備用發(fā)電機(jī)、2 套主配電板。

主電力系統(tǒng)至少分成2 個(gè)獨(dú)立電站，每一電站的主配電板應(yīng)位于用水密和防火結(jié)構(gòu)分隔的獨(dú)立艙室內(nèi)。這里的要求和常規(guī)電力推進(jìn)船舶電站的要求有相似之處，但常規(guī)電力推進(jìn)船舶僅要求將主配電板至少分成2 個(gè)獨(dú)立分段，但配電板還是同一個(gè)，沒(méi)有要求將2 個(gè)獨(dú)立分段安裝于獨(dú)立艙室內(nèi)的要求[4]。同時(shí)核動(dòng)力船舶各獨(dú)立電站之間允許通過(guò)開(kāi)關(guān)和電纜進(jìn)行連接。

故核動(dòng)力船舶發(fā)電機(jī)和主配電板除應(yīng)滿足最低數(shù)量的配置要求外，同時(shí)要滿足每一主配電板應(yīng)安裝于用水密防火結(jié)構(gòu)分隔的獨(dú)立艙室的布置要求。此時(shí)，各電站的主發(fā)電機(jī)可布置在同一個(gè)艙室內(nèi)，備用發(fā)電機(jī)應(yīng)布置在與主發(fā)電機(jī)隔開(kāi)的艙室。

3）備用發(fā)電機(jī)應(yīng)能在主配電板失電時(shí)自啟動(dòng)，并在蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)安全運(yùn)行所需的時(shí)間內(nèi)承擔(dān)負(fù)載。備用發(fā)電機(jī)與主發(fā)電機(jī)至少能短時(shí)并聯(lián)并轉(zhuǎn)移負(fù)載。運(yùn)行的備用發(fā)電機(jī)和主發(fā)電機(jī)的總功率應(yīng)足以向維持船舶在正常操縱狀態(tài)和適宜居住條件下所需的負(fù)載提供電能，此時(shí)允許切斷船舶的非至關(guān)重要的負(fù)載。

這里要求備用發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟和主配電板的失電信號(hào)聯(lián)鎖，有些類(lèi)似于常規(guī)船舶應(yīng)急發(fā)電機(jī)自啟動(dòng)與主配電板失電的關(guān)系，但同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了備用發(fā)電機(jī)可與主發(fā)電機(jī)至少能短時(shí)并聯(lián)并轉(zhuǎn)移負(fù)載，這又區(qū)別于常規(guī)船舶應(yīng)急發(fā)電機(jī)與主配電板之間的關(guān)系。故備用發(fā)電機(jī)與主發(fā)電機(jī)的關(guān)系是能在主發(fā)故障導(dǎo)致主配電板失電時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，且能與主發(fā)同時(shí)并聯(lián)工作，但不強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)期并聯(lián)工作。

同時(shí)，在主發(fā)故障而備用發(fā)電機(jī)自啟動(dòng)投入工作后，與仍在網(wǎng)工作的主發(fā)電機(jī)的總功率應(yīng)能滿足正常的船舶操縱狀態(tài)和適宜居住的條件，但允許切斷船舶的非重要負(fù)載。這就要求在考慮備用發(fā)電機(jī)功率時(shí)，不但要考慮滿足船舶日常的負(fù)載需求以及核動(dòng)力裝置安全所需的負(fù)載需求，還要考慮備用發(fā)電機(jī)與1 臺(tái)主發(fā)電機(jī)同時(shí)工作時(shí)，要能維持船舶正常狀態(tài)下的推進(jìn)能力。

4）任何反應(yīng)堆狀態(tài)等級(jí)下，包括極其稀有的嚴(yán)重事故，并考慮除導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)等級(jí)的初始事件外的電力系統(tǒng)的單一故障，配置的發(fā)電機(jī)應(yīng)能夠提供關(guān)閉反應(yīng)堆所需的電能，并將其保持在安全狀態(tài)至少30 天。

上面提到的 “配置的發(fā)電機(jī)”，有多重意思。如核動(dòng)力船舶配置了2 個(gè)或者以上的核堆，當(dāng)一個(gè)核堆處于任何狀態(tài)等級(jí)下，包括極其稀有的嚴(yán)重事故，另一個(gè)核堆配置的發(fā)電機(jī)應(yīng)“能夠提供關(guān)閉反應(yīng)堆所需的電能，并將其保持在安全狀態(tài)至少30 天”。如核動(dòng)力船舶配置為單核堆，當(dāng)核堆處于任何狀態(tài)等級(jí)下，包括極其稀有的嚴(yán)重事故，則要求獨(dú)立于蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的備用發(fā)電機(jī)或者應(yīng)急發(fā)電機(jī)應(yīng)“能夠提供關(guān)閉反應(yīng)堆所需的電能，并將其保持在安全狀態(tài)至少30 天”。這就要求在配置備用發(fā)電機(jī)和應(yīng)急發(fā)電機(jī)的容量時(shí)，要考慮“能夠提供關(guān)閉反應(yīng)堆所需的電能，并將其保持在安全狀態(tài)至少30 天”的要求。

圖1 主電力系統(tǒng)配置示意圖Fig.1 Main power system single line

2 應(yīng)急電力系統(tǒng)

應(yīng)急電力系統(tǒng)由應(yīng)急發(fā)電機(jī)、應(yīng)急配電板組成，并獨(dú)立于主電力系統(tǒng)，在主、備用電源不可用的情況下，對(duì)蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)和船舶整體安全至關(guān)重要的負(fù)載供電，其容量還應(yīng)當(dāng)足以關(guān)閉反應(yīng)堆，隨后切換到冷亞臨界狀態(tài)，并為執(zhí)行反應(yīng)堆安全功能的負(fù)載供電。應(yīng)急發(fā)電機(jī)獨(dú)立于蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)。

核動(dòng)力船舶應(yīng)急電力系統(tǒng)配置要點(diǎn)：

1）應(yīng)急電力系統(tǒng)包括至少2 臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)和2 個(gè)相互獨(dú)立的應(yīng)急配電系統(tǒng)。應(yīng)急電力系統(tǒng)和應(yīng)急發(fā)電機(jī)應(yīng)獨(dú)立于蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)。可為蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)負(fù)載和船舶應(yīng)急負(fù)載分別設(shè)置獨(dú)立的應(yīng)急發(fā)電機(jī)和配電系統(tǒng)，此時(shí)，應(yīng)至少設(shè)置2 套為蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)供電的應(yīng)急發(fā)電機(jī)及應(yīng)急配電系統(tǒng)，和至少設(shè)置1 臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)及獨(dú)立的應(yīng)急配電系統(tǒng)給船舶應(yīng)急負(fù)載。

這里對(duì)應(yīng)急發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源進(jìn)行了規(guī)定，一定是獨(dú)立于蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的，且對(duì)應(yīng)急電力系統(tǒng)的最低配置進(jìn)行了限制。當(dāng)核動(dòng)力船舶為蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)負(fù)載和船舶負(fù)載分別設(shè)置獨(dú)立的應(yīng)急發(fā)電機(jī)和配電系統(tǒng)，則核動(dòng)力船舶至少應(yīng)配置3 套獨(dú)立的應(yīng)急發(fā)電機(jī)和配電系統(tǒng)，其中2 套給蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)，1 套給船舶應(yīng)急負(fù)載[7]。

2）應(yīng)急配電板應(yīng)由各主配電板供電。如應(yīng)急配電板的負(fù)載僅用于應(yīng)急模式下由應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電，則可免去由各主配電板供電的要求。

這里強(qiáng)調(diào)了應(yīng)急配電板從主配電板得電的冗余性。不管主電力系統(tǒng)分成多少獨(dú)立電站，要求應(yīng)急配電板能從每一獨(dú)立電站的主配電板獲得電力。但每一主配電板供電給應(yīng)急配電板的各回路之間的關(guān)系并沒(méi)有描述，各供電回路之間可以是同時(shí)供電給應(yīng)急配電板也可以是任意時(shí)候只有一路供電回路工作，其它回路只有在工作回路故障或者人為切換時(shí)才投入供電工作。2 種方式在功能實(shí)現(xiàn)上差異不大，但在具體設(shè)計(jì)和操作時(shí)差異不小。如果所有獨(dú)立的電站任意時(shí)候均處于并車(chē)同時(shí)工作狀態(tài)，則各回路同時(shí)供電的方式，在每一次合閘供電回路時(shí)，不需要特別的注意事項(xiàng)，但當(dāng)各獨(dú)立電站沒(méi)有并聯(lián)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，每一次合閘供電回路，都相當(dāng)于一次并車(chē)過(guò)程，會(huì)存在沒(méi)有達(dá)到并車(chē)要求而強(qiáng)行并車(chē)的風(fēng)險(xiǎn)。如不能有效的杜絕這種風(fēng)險(xiǎn)，建議各主配電板到應(yīng)急配電板的供電回路之間采取互鎖，任意時(shí)候只能一路工作，其它回路處于備用。

3）應(yīng)急發(fā)電機(jī)應(yīng)通過(guò)連接的應(yīng)急配電板母排失電信號(hào)和反應(yīng)堆應(yīng)急保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作信號(hào)自動(dòng)啟動(dòng)。

需要注意，如果應(yīng)急發(fā)電機(jī)僅給船舶應(yīng)急負(fù)載供電而不對(duì)核動(dòng)力裝置應(yīng)急負(fù)載供電，則此應(yīng)急發(fā)電機(jī)的自啟動(dòng)信號(hào)不需與反應(yīng)堆應(yīng)急保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作信號(hào)聯(lián)鎖。

4）負(fù)責(zé)安全系統(tǒng)的負(fù)載由應(yīng)急配電板通過(guò)兩個(gè)回路供電。

5）應(yīng)急時(shí)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)不應(yīng)直接同步。

圖2 應(yīng)急電力系統(tǒng)配置示意圖Fig.2 Emergency system single line

3 臨時(shí)電源

臨時(shí)電源是在其它電源不可用時(shí)，確保向指蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量裝置、輻射監(jiān)測(cè)裝置以及其它對(duì)船舶安全至關(guān)重要的儀器和指示器供電不小于30 min。

配置要點(diǎn)：

1）至少設(shè)置2 套獨(dú)立的臨時(shí)電源；

2）臨時(shí)電源的布置和安裝應(yīng)保證在任一狀態(tài)等級(jí)下，不超過(guò)一個(gè)臨時(shí)電源失效；

3）如蓄電池作為臨時(shí)電源，則應(yīng)為蓄電池配備足夠容量的充電器，可使蓄電池從完全放電狀態(tài)到充滿電狀態(tài)，不超過(guò)8 h；

4）用于蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的臨時(shí)電源的蓄電池可位于最高連續(xù)甲板以下；

常規(guī)動(dòng)力船舶，只有客船對(duì)于臨時(shí)電源有強(qiáng)制要求，如貨船的應(yīng)急發(fā)電機(jī)帶有自啟動(dòng)功能，可免除設(shè)置臨時(shí)電源。

核動(dòng)力船舶臨時(shí)電源的供電范圍更強(qiáng)調(diào)與核動(dòng)力裝置有關(guān)的重要負(fù)載，同時(shí)兼顧與船舶安全至關(guān)重要的負(fù)載。如果核動(dòng)力船舶按屬性歸為貨船，則臨時(shí)電源供電范圍僅需考慮與核動(dòng)力裝置有關(guān)的重要負(fù)載，如核動(dòng)力船舶按屬性歸為客船，則還應(yīng)當(dāng)考慮與船舶安全有關(guān)的重要負(fù)載。當(dāng)按照客船來(lái)要求來(lái)配置臨時(shí)電源時(shí)，建議將與核動(dòng)力裝置相關(guān)的臨時(shí)電源與船舶安全相關(guān)的臨時(shí)電源分開(kāi)設(shè)置，即至少設(shè)置2 套臨時(shí)電源給核動(dòng)力裝置相關(guān)負(fù)載，1 套給船舶安全相關(guān)負(fù)載。這樣設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)在不但有利于布置，更有利于臨時(shí)電源的冗余性和獨(dú)立性。

圖3 臨電電源配置示意圖Fig.3 Transitional system single line

4 結(jié) 語(yǔ)