民用核动力船舶电力系统方案研究

刘宙锋，王艳婷

民用核动力船舶电力系统方案研究

刘宙锋，王艳婷

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

本文以民用核动力船舶的发展方向为立足点，充分考虑民用核动力船舶的安全性、可靠性、冗余性、经济性设计需求，给出了不同用途下的民用核动力船舶电力系统解决方案。此外，针对自航类核动力船舶所有交流电源失效的可能性和救援的时差性，提供了一种增加附加直流电源来保证安全性的解决方案。

核动力船舶电力系统 应急电力系统 附加直流电源

0 引言

随着石油资源的日益紧缺，新能源的利用开始日趋发展。对于船舶来说，核能相对其他新能源，在稳定性、能量密度性、持续性方面有着不可比拟的优势，再加上近年来浮动式小堆技术的日益成熟，小型反应堆在船舶上的应用也变为可能。

因此，核动力船舶在民用船舶的应用必将越来越广泛。俄罗斯院士号核动力船舶已经开始发电；中国也在大力推进核动力船舶的发展，中船重工第七一九所等单位也正在开展海洋核动力平台的设计工作。长远看来，核动力船舶具有广阔的民用市场应用前景[1]。

1 核动力船舶概述

根据是否具备自主航行能力划分，核动力船舶的发展主要分为两个方向，如图1所示。

图1 核动力船舶分类框图

1）非自航类核动力船舶。这一类核动力船舶长期在固定位置工作，主要用作能源供给或固定生产所需，不需要具备自主航行能力，因此不配备推进装置。

2）自航类核动力船舶。这一类核动力船舶在不同海域工作，主要用作货物运送、或者从事破冰科考等专业任务，需要经常性的变换位置，因此必须具备自主航行能力，配备推进装置。

无论是非自航类核动力船舶还是自航类核动力船舶，由于所处海洋环境相对陆上核电站较为恶劣，救援等应急措施相对也较为困难，因此，作为核电站安全重要保障之一的电力系统的设计尤为重要。

2 核动力船舶电力系统方案

2.1 非自航类核动力船舶电力系统方案

相对于自航类核动力船舶，非自航类核动力船舶由于长期处于固定位置，因此比较类似于陆上核电站。

2.1.1优先电源

非自航类核动力船舶的优先电源配置应遵循相关法律法规。现针对配置单个反应堆的非自航类核动力船舶优先电源设计要点论述如下。

1）在启动和正常运行期间，从输电系统到安全级电力系统最少应有两条线路可以使用，以便满足事故期间、事故后和安全停堆的要求[2-3]。

2）优先电源向安全级电源供电的线路应实体独立，其设计和安装应在运行、假设事故和环境条件下使两条优先电源线路同时故障的可能性最小[2-4]。

由上述要点分析得出，非自航类核动力船舶应配置有两路独立的优先电源。综合以上设计要点，提供了一种可行的优先电源供电流程框图，如图2所示。

图2 单堆非自航类核动力船舶优先电源流程框图

针对多堆的非自航类核动力船舶，由于两路优先电源的独立性，因此，仍只需配置两路优先电源。

2.1.2应急电力系统

非自航类核动力船舶的应急电力系统配置应遵循相关法律法规。现针对配置单个反应堆的应急电力系统设计要点论述如下。

1）作为最低限度，应急电力系统必须满足单一故障准则[3,5-9]。

2）应急电力系统必须分成几个独立的、多重的序列[3,5-9]。

3）按照独立性原则，应急电力系统的各序列相互间必须借助实体分隔和功能隔离进行保护[3,5-9]。

由上述要点分析得出，非自航类核动力船舶每个反应堆至少应配置有两套相互独立、相互冗余的应急电力系统。综合以上设计要点，提供了一种可行的应急电力系统供电流程框图，如图3所示。

图3 单堆非自航类核动力船舶应急电力系统流程框图

针对多堆的非自航类核动力船舶，由于应急电力系统的独立性，因此，每堆均至少配置两套相互独立、相互冗余的应急电力系统。

2.1.3附加电源

非自航类核动力船舶的附加电源配置应遵循相关法律法规。现针对附加电源设计要点论述如下。

1）应设有一个附加电源，它在失去优先电源和应急电力系统全部交流电源的情况下，可以向任一应急电力系统的应急配电装置恢复供电[2-3,9]。

2）附加电源可由一台或两台发电机组组成，驱动装置可以是柴油机或汽轮机[2,3,9]。

由上述要点分析得出，每条非自航类核动力船舶（而非每堆）至少应配置有一个附加电源。因此，应配置有一条为非自航类核动力船舶提供移动附加电源的补给船，并能及时为非自航类核动力船舶提供附加电源。以两个反应堆为例，提供了一种可行的附加电源供电流程框图，如图4所示。

2.2 自航类核动力船舶电力系统方案

与陆上核电站相比，自航类核动力船舶孤岛运行，无法提供厂外电源，其供电安全性、可靠性由平台自身保证。因此，自航类核动力船舶自身的电力系统必须设计得更加安全可靠。

2.2.1主电力系统

自航类核动力船舶的主电力系统配置应遵循相关法律法规。现针对配置单个反应堆的主电力系统设计要点论述如下。

1）主电力系统至少应配备一台备用发电机组[8,10]。

2）备用发电机应有足够的容量来保证核蒸汽供给系统冷态启动和维持船舶正常操作和可居住条件所需的100%电力[8,10]。

3）主电力系统至少要被分为两个区段，每个区段有自己的主开关板，且每区段至少由一台工作发电机供电[8,10-11]。

由上述要点分析得出，自航类核动力船舶应配置有两个区段的主电力系统，且每个区段应有一台工作发电机及一台备用发电机（在考虑工作发电机必须依赖于反应堆而运行的情况下）。综合以上设计要点，提供了一种可行的主电力系统供电流程框图，如图5所示。

图4 双堆非自航类核动力船舶附加电源流程框图

图5 单堆自航类核动力船舶主电力系统流程框图

针对两堆的自航类核动力船舶，应尽量考虑到两个反应堆之间的单一故障原则，因此，每堆均应配置两个区段的主电力系统和对应数量的电源。

但对于配置三个及以上反应堆的自航类核动力船舶，即使考虑到反应堆之间的单一故障原则，也可以认为必有一个以上的反应堆运行正常。因此，主电力系统的区段和电源的数量可以酌情减少。

2.2.2应急电力系统

自航类核动力船舶的应急电力系统配置应遵循相关法律法规。现针对配置单个反应堆的应急电力系统设计要点论述如下。

1）单一故障情况下，包括发电机组和配电系统的应急电力系统要具有足够的独立性、冗余性和可测试性以满足它的安全功能[3-10]。

2）应急电力系统至少要包括三个应急配电系统[3-10]。

3）应急配电系统必须完全分开，使得任何基准事故将不会使应急配电系统的失效数超过一个[3-10]。

由上述要点分析得出，自航类核动力船舶应配置有三套应急电力系统，且每套应急电力系统之间互相隔离、互相冗余。综合以上设计要点，提供了一种可行的应急电力系统供电流程框图，如图6所示。

图6 单堆自航类核动力船舶应急电力系统流程框图

针对多堆的自航类核动力船舶，应尽考虑到多个反应堆同时故障的可能性，因此，当自航类核动力船舶的多个反应堆共用三套应急电力系统时，应急电源的容量应能同时满足多个反应堆应急情况下的需求。

2.2.3过渡电源

自航类核动力船舶的过渡电源配置应遵循相关法律法规。现针对配置单个反应堆的过渡电源设计要点：1）考虑到应急发电机的启动时间，应急电力系统必须配置过渡电源[8,10,11]；2）过渡电源应是分隔的，以致基准事故不会超过一个电源的失效[8,10]。

由上述要点分析得出，自航类核动力船舶配置的过渡电源应与应急电力系统一一对应，三套应急电力系统应同时配置三套过渡电源。综合以上设计要点，提供了一种可行的主电力系统供电流程框图，如图7所示。

2.2.4救援电源

当自航类核动力船舶出现安全事故导致主电力系统不可用时，为降低严重安全事故发生的可能性，此时应有补给救援船舶迅速前往应急救援。

补给救援船舶应当配有一套救援电源，为自航类核动力船舶任一应急电力系统的应急配电装置恢复供电。以两个反应堆为例，提供了一种可行的救援电源供电流程框图，供电流程框图如图8所示。

图7 单堆自航类核动力船舶过渡电源流程框图

图8 双堆自航类核动力船舶附加电源流程框图

2.2.5附加直流电源

针对自航类核动力船舶所有交流电源失效情况下可能出现的极其严重的核安全事故，而由于自航类核动力船舶的应急救援时间较长，过渡电源无法提供足够的能源来保证核动力船舶的安全性，提供了一种配置附加直流电源的方法来保证核动力船舶安全性的解决方案。

配置一组附加直流电源，能在所有交流电源失效的情况下，为任一应急电力系统的应急配电装置恢复供电。附加直流电源的容量至少应保证在任何设计航行海域内，满足救援船最大抵达救援时间的供电需求。

提供了一种可行的救援电源供电流程框图，供电流程框图如图9所示。

图9 单堆自航类核动力船舶附加电源流程框图

3 结论

核动力船舶的发展是未来船舶行业的重中之重，电力系统是保障核动力船舶安全可靠的必要保证。本文针对不同类型的核动力船舶，对电力系统的组成和结构提出了不同的方案，为电力系统的配置提供了有效可行的思路，对于未来核动力船舶电力系统设计体系以及救援体系的建立，有着较大的参考价值。

为降低严重核安全事故发生可能性，本文提供了一种增加附加直流电源来的研究方案。但由于目前还未有民用自航类核动力船舶的应用实例，有关救援船的配置也仅处于理论设想阶段，因此，文中对于附加直流电源的配置，以及在容量方面的需求，也需要根据未来国家对核动力船舶支持、救援等体系的建立，进行进一步的详细论证和分析，为保障核动力船舶的安全可靠提供有力的支持。

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[2] 中国国家标准化委员会. 核电厂优先电源: GB/T 13177-2008[S]. 2008.

[3] 中国国家能源局. 核电厂厂用电系统设计准则: NB-T 20051-2011[S]. 2011.

[4] 王宁. 核电机组电气设计分析[J]. 中国核电，2010, 3(4): 308-315.

[5] 中国国家核安全局. 核电厂应急动力系统: HAD102-13-1996[S]. 1996

[6] 中国国家标准化委员会. 核电厂安全级电力系统准则: GB/T 12788-2008 [S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.

[7] 中国国家标准化委员会. 单一故障准则应用于核电厂安全系统: GB/T 13626-2008[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.

[8] 张力, 刘宙锋等. 海洋核动力平台电力系统设计概要[J]. 船电技术, 2017, 37(11): 36-37.

[9] 中国国防科学技术工业委员会. 核电厂备用电源用柴油发电机组准则: EJ-T 625-2004[S]. 北京: 中国国防科技工业局, 2004.

[10] IMO. Res. A491 code of safety for nuclear m-erchant ships[S]. 1981.

[11] 中国船级社. 钢制海船入级规范[S]. 北京: 中国船级社, 2014.

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

刘宙锋（1987-），男，工程师。研究方向：船舶电力系统。E-mail: 289488579@qq.com