核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)分析

晉建廠 黃 虎

（1.海軍裝備部 北京 100841）（2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430060）

1 引言

核動(dòng)力船舶動(dòng)力強(qiáng)勁、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、不依賴于化石燃料，在破冰船/破冰運(yùn)輸船、超大型集裝箱船、定航線遠(yuǎn)程運(yùn)輸超大型礦砂船、大型海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船、海上充電站等大型船舶上有較好的應(yīng)用前景［1］。電力系統(tǒng)為船舶核反應(yīng)堆的負(fù)荷提供必需的電力供應(yīng)，是與反應(yīng)堆的安全性緊密相關(guān)的重要系統(tǒng)，電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)是核動(dòng)力船舶研制的重要難題之一。

核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)與陸地核電站不同，陸地核電站有強(qiáng)大而穩(wěn)定的陸地電網(wǎng)提供供電保障，且廠房面積大，可配置多臺(tái)發(fā)電機(jī)組提供應(yīng)急供電。核動(dòng)力船舶的電網(wǎng)屬孤島電網(wǎng)，無陸地電網(wǎng)作為支援，且總體資源緊張，配置的應(yīng)急發(fā)電機(jī)組數(shù)量有限，因此，核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面臨較多難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。

本文總結(jié)了國(guó)外核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)的配置，對(duì)其設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了分析研究，可為我國(guó)核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

2 俄羅斯“北極”號(hào)核動(dòng)力破冰船電力系統(tǒng)

前蘇聯(lián)“北極”號(hào)核動(dòng)力破冰船于20世紀(jì)70年代建造，排水量約2.3萬噸，配置2座熱功率171MW的OK-900型反應(yīng)堆。圖1所示為“北極”號(hào)核動(dòng)力破冰船電力系統(tǒng)原理圖［2］。

“北極”號(hào)核動(dòng)力破冰船設(shè)有兩個(gè)主電站，1號(hào)主電站配置2臺(tái)2MW的汽輪發(fā)電機(jī)組，2號(hào)主電站配置3臺(tái)2MW的汽輪發(fā)電機(jī)組，另外還配置有1臺(tái)1MW的備用柴油發(fā)電機(jī)組。應(yīng)急電源由應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組和蓄電池組組成，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組單臺(tái)功率2MW。船上還配置有兩個(gè)岸電配電柜，分別連接至兩塊主配電板，用于靠岸時(shí)接收岸電［3～4］。

從“北極”號(hào)核動(dòng)力破冰船的電站配置及電力系統(tǒng)原理圖可分析出其電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：

1）加強(qiáng)主電網(wǎng)供電的可靠性

“北極”號(hào)核動(dòng)力破冰船2號(hào)主電站比1號(hào)主電站多配置了1臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)備用柴油發(fā)電機(jī)組，但這兩臺(tái)機(jī)組既可為2號(hào)主配電板供電，又可通過電站間的跨接電纜為1號(hào)主配電板供電，即每個(gè)主電站除設(shè)置兩臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組外，還配置有兩臺(tái)機(jī)動(dòng)機(jī)組，可為任一主電站供電，以確保主電站的供電可靠性。

主電站機(jī)組中除汽輪發(fā)電機(jī)組外，還配置有不依賴于核蒸汽的柴油發(fā)電機(jī)組，以確保在核反應(yīng)堆出現(xiàn)故障時(shí)，主電站仍具有一定的供電能力，為重要負(fù)荷供電。

2）核動(dòng)力負(fù)荷具有多路供電路徑

核動(dòng)力負(fù)荷由兩塊獨(dú)立的核動(dòng)力裝置配電柜供電，每塊核動(dòng)力裝置配電柜均有三路電源來源，兩路來自于兩個(gè)主電站，一路來自于應(yīng)急柴油機(jī)電站。任一路電源有電即可確保重要核動(dòng)力負(fù)荷的電力供應(yīng)。另外，影響核安全的核動(dòng)力負(fù)荷還可由兩塊獨(dú)立的核動(dòng)力裝置配電柜供電，以確保任一塊核動(dòng)力裝置配電柜有電即可確保核反應(yīng)堆的安全。

3 法國(guó)核動(dòng)力航母電力系統(tǒng)

法國(guó)20世紀(jì)90年代建造了Charles De Gaulle（戴高樂）號(hào)核動(dòng)力航母，該航母裝配兩座K-15壓水堆，總熱功率300MW。該艦設(shè)置2個(gè)主蒸汽輪發(fā)電機(jī)組電站，每個(gè)電站配置2臺(tái)4000kW蒸汽輪發(fā)電機(jī)組；設(shè)置2個(gè)應(yīng)急電站，每個(gè)電站配置2臺(tái)800kW柴油發(fā)電機(jī)組；設(shè)置2個(gè)安全電站，每個(gè)電站配置2臺(tái)250kW燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，全艦總裝機(jī)容量達(dá)到20MW［5］。圖2為“戴高樂”號(hào)航母供電系統(tǒng)示意圖。

圖1 “北極”號(hào)核動(dòng)力破冰船電力系統(tǒng)原理圖

圖2 “戴高樂”號(hào)航母供電系統(tǒng)示意圖

從“戴高樂”號(hào)核動(dòng)力航母的電站配置及供電系統(tǒng)示意圖可推論出多重冗余設(shè)計(jì)是其電力系統(tǒng)的一大特點(diǎn)?！按鞲邩贰碧?hào)核動(dòng)力航母的多重冗余設(shè)計(jì)既體現(xiàn)在電源方面，又體現(xiàn)在配電線路方面。

電源方面，“戴高樂”號(hào)核動(dòng)力航母不僅配置有汽輪發(fā)電機(jī)組和應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，還配置有燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組，電源層級(jí)多、種類多，各類型電源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，確保電源的供電可靠性。

配電線路方面，采用兩舷對(duì)稱的配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證核安全相關(guān)系統(tǒng)能得到多條線路供電。此外，不同電力來源及供電線路間保持完全獨(dú)立，在一條線路或電源損壞時(shí)不會(huì)對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生影響。這些都為發(fā)生事故時(shí)核安全相關(guān)系統(tǒng)能得到有效供電提供了保障。

4 美國(guó)核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)

1）核動(dòng)力商船

美國(guó)1958年開工建造的“薩凡那”號(hào)商船是世界上第一艘核動(dòng)力客貨船，排水量15600噸，裝載一座熱功率76MW的反應(yīng)堆，可提供推進(jìn)功率2.2萬馬力，航速20節(jié)。

“薩凡那”號(hào)核動(dòng)力商船配置了兩臺(tái)750kW的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組和一組蓄電池組作為應(yīng)急電源，反應(yīng)堆出現(xiàn)故障時(shí)，兩臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組迅速啟動(dòng)，向核應(yīng)急負(fù)荷供電，同時(shí)，蓄電池組向儀控、監(jiān)測(cè)類負(fù)荷供電。反應(yīng)堆安全冷卻后，減少了電力需求，此時(shí)，應(yīng)急電源還可驅(qū)動(dòng)750馬力的備用電機(jī)，為船舶提供6節(jié)的航速，緩慢前進(jìn)。

此外，船上還配置了一座壓力10atm、產(chǎn)氣量3400kg/h的常規(guī)鍋爐，必要時(shí)可通過常規(guī)鍋爐為汽輪發(fā)電機(jī)組及推進(jìn)汽輪機(jī)提供一定的蒸汽，確保船舶基本的電力供應(yīng)和驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。

2）核動(dòng)力航母

美國(guó)第一代核動(dòng)力航母“企業(yè)”號(hào)裝備8座A2W型壓水堆，排水量7.5萬噸，推進(jìn)功率28萬馬力，航速可達(dá)33節(jié)。電力系統(tǒng)配置16臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)功率2.5MW，4臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，單機(jī)功率1MW［6］。

20世紀(jì)70年代，美國(guó)開始建造其第二代核動(dòng)力航母Nimitz（尼米茲）級(jí)，滿載排水量9萬噸～10萬噸［7～8］，配置兩座A4W/A1G型壓水堆，推進(jìn)功率28萬馬力，航速30節(jié)以上，全艦電力系統(tǒng)配置8臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組，單臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組功率為8MW，4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組功率為2MW，全艦裝機(jī)功率為72MW［9～10］。

2009年美國(guó)正式開始建造其第三代核動(dòng)力航母“福特”級(jí)，滿載排水量10萬噸［11］，配置兩座A1B型壓水堆，航速30節(jié)以上，全艦裝機(jī)容量較尼米茲級(jí)航母大幅提升，主電網(wǎng)電壓等級(jí)為13.8kV［12～13］。

從美國(guó)“薩凡那”號(hào)核動(dòng)力商船及其三代核動(dòng)力航母配置可分析出其核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）注重電源的冗余配置

“薩凡那”號(hào)核動(dòng)力商船不僅配置有應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，還配置有常規(guī)鍋爐和備用推進(jìn)電機(jī)，確保在反應(yīng)堆故障時(shí)能夠提供必備的應(yīng)急電力供應(yīng)及推進(jìn)動(dòng)力，確保反應(yīng)堆和船舶的安全。核動(dòng)力航母雖未見配置常規(guī)鍋爐，但均配置有柴油發(fā)電機(jī)組提高應(yīng)急供電?！捌髽I(yè)”級(jí)核動(dòng)力航母配置有較多數(shù)量的汽輪發(fā)電機(jī)組，因此其柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)量相對(duì)于反應(yīng)堆數(shù)量而言較少，而“尼米茲”級(jí)和“福特”級(jí)航母每座反應(yīng)堆均對(duì)應(yīng)配置有柴油發(fā)電機(jī)組，確保反應(yīng)堆的應(yīng)急電力供應(yīng)。

2）汽輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)功率逐漸增大，數(shù)量逐漸減少

從“企業(yè)”級(jí)到“尼米茲”級(jí)核動(dòng)力航母，汽輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)功率從2.5MW增大到8MW，數(shù)量從16臺(tái)降至8臺(tái)，機(jī)組數(shù)量減少，降低了系統(tǒng)控制復(fù)雜度，減少了艦員操作的工作量，同時(shí)也說明美國(guó)汽輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)的可靠性大幅提高。

3）電站裝機(jī)容量逐漸增大

“企業(yè)”級(jí)核動(dòng)力航母電站裝機(jī)容量為44MW，“尼米茲”級(jí)核動(dòng)力航母電站裝機(jī)容量為72MW，“福特”級(jí)核動(dòng)力航母電站裝機(jī)容量進(jìn)一步提升，電站裝機(jī)容量逐步增大，尤其是從“尼米茲”級(jí)到“福特”級(jí)，排水量幾乎沒有增加，但是電力系統(tǒng)裝機(jī)容量卻大幅增加，可見其核動(dòng)力航母電氣化程度不斷提升。

5 我國(guó)核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

目前我國(guó)尚無研制成功的水面核動(dòng)力船舶，但隨著國(guó)力的增強(qiáng)，對(duì)于核動(dòng)力船舶的需求越來越迫切，目前已有多家單位開展相關(guān)研究。我國(guó)核動(dòng)力船舶將主要應(yīng)用于極地破冰、遠(yuǎn)洋軍艦、遠(yuǎn)海島礁供電等領(lǐng)域，我國(guó)核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路向美國(guó)靠攏，但受限于國(guó)內(nèi)工業(yè)基礎(chǔ)，不能完全模仿，只能借鑒以往船舶的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在國(guó)外先進(jìn)思想的指引下，不斷改進(jìn)，發(fā)展出適合于我國(guó)的核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

6 結(jié)語

本文對(duì)俄羅斯、法國(guó)、美國(guó)的核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行了分析總結(jié)，為我國(guó)未來核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考，總體而言，核動(dòng)力船舶電力系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）注重冗余配置

核動(dòng)力船舶的供電以汽輪發(fā)電機(jī)組為主，各國(guó)核動(dòng)力船舶均配置有柴油發(fā)電機(jī)組，且一般每座反應(yīng)堆對(duì)應(yīng)配置兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，以確保電源的冗余配置。此外，部分核動(dòng)力船舶還配置有其他動(dòng)力源，比如“戴高樂”的燃?xì)廨啓C(jī)、“薩凡那”的常規(guī)鍋爐，這些設(shè)計(jì)表明各國(guó)均對(duì)核動(dòng)力船舶電源的冗余配置高度重視，在總體資源可承受的前提下，盡量保證核動(dòng)力負(fù)載的冗余供電。

2）機(jī)組數(shù)量逐漸減少，功率逐漸增大

美國(guó)作為擁有核動(dòng)力航母最多的國(guó)家和核動(dòng)力航母使用經(jīng)驗(yàn)最豐富的國(guó)家，其航母電力系統(tǒng)配置代表著世界最先進(jìn)水平和未來的發(fā)展方向，從其三代核動(dòng)力航母的發(fā)展可看出，電力系統(tǒng)逐漸向著單機(jī)功率增大，機(jī)組數(shù)量減少的方向發(fā)展，這也相應(yīng)要求汽輪發(fā)電機(jī)組的可靠性大幅提高。

3）電氣化程度逐步提升

美國(guó)核動(dòng)力航母的電站裝機(jī)功率逐步增大，說明其電氣化程度逐步提升，全艦的自動(dòng)化、智能化水平逐漸提高。