薛 偉，葛 宋，馬曉晨

(1.中國船舶重工集團公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150036;2.中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100192)

0 引言

核動力推進相比于蒸汽動力、柴油機、燃氣輪機等艦船動力裝置具有能量密度高、續(xù)航能力強、功率大、不依賴氧氣等優(yōu)點。自1954年第1艘核潛艇下水至今，世界上先后已有近10個國家建造了470多艘采用核動力推進的各類艦船［1］。核動力推進在船舶動力系統(tǒng)中已發(fā)揮著不可替代的作用。

艦艇核動力裝置主要由反應(yīng)堆、一回路反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)、二回路主汽輪機、傳動裝置、推進軸等組成。與常規(guī)動力裝置不同的是，由于核反應(yīng)的特點，反應(yīng)堆在運行過程中停堆后功率不會立即下降到0，由于緩發(fā)中子引起的裂變、裂變產(chǎn)物的衰變而使堆芯仍有很大的熱功率，這部分余熱如不及時排除，將會使堆芯存在熔化的可能。船舶核動力裝置運行過程中的潛在危險性很大一方面來源于此。必須配備專門的堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)，保證事故停堆后堆芯余熱能及時排出。堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)的工作需要為水泵等裝置提供持續(xù)、高質(zhì)量的電源，為此需要設(shè)計可靠的應(yīng)急供電系統(tǒng)。

由于運行環(huán)境和使用條件的特殊性，艦艇核動力裝置對于安全性和可靠性提出了很高的要求［2］。堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)的設(shè)計是核動力艦船安全性的關(guān)鍵之一。本文分析2種典型核動力艦船——俄羅斯“北極”號核動力破冰船和法國“戴高樂”核動力航母的堆芯冷卻應(yīng)急供電系統(tǒng)的特點;通過美國核動力航母上應(yīng)急電源原動機及電池的配置情況，初步探討美國核動力航母堆芯應(yīng)急冷卻供電的特點。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)核動力艦船堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)的設(shè)計原則。

1 俄羅斯“北極”號破冰船堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)

俄羅斯“北極”號核動力破冰船于1975年4月投入使用，排水量23000 t，裝備2座OK－900型反應(yīng)堆，單堆熱功率171 MW?！氨睒O”號破冰船電力系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

“北極”號破冰船上設(shè)有首電站和尾電站，首電站主要包括輔汽輪發(fā)電機1、2及主配電柜;尾電站包括輔汽輪發(fā)電機3、4、5、備用柴油發(fā)電機和主配電柜2。發(fā)電機和主配電柜分別布置在不同的艙室中，每臺輔汽輪發(fā)電機的功率為2 MW，備用柴油發(fā)電機功率為1 MW。船上還設(shè)有2臺岸電柜，用于無船上電源時給船上供電。備用電源由應(yīng)急柴油發(fā)電機和蓄電池組組成，蓄電池組配備直流－交流電力轉(zhuǎn)換裝置。應(yīng)急柴油發(fā)電機由2臺功率為2 MW的應(yīng)急柴油發(fā)電機和分組 (應(yīng)急)配電柜組成。

圖1 “北極”號破冰船電力系統(tǒng)示意圖Fig.1 The electric system of the Arktita nuclear powered icebreaker

堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)的電力取自全艦應(yīng)急供電系統(tǒng)，是全艦應(yīng)急供電系統(tǒng)的一個組成部分。為了滿足核安全設(shè)計要求，“北極”號破冰船上設(shè)置2個核動力裝置專用配電柜，為包括堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)在內(nèi)的核動力裝置提供持續(xù)電源。每個核動力裝置專用配電柜可從2個無關(guān)聯(lián)的主配電柜和1個分組 (應(yīng)急)配電柜上獲得電能，確保單獨一路失電的情況下仍能保證核動力裝置的供電安全?！氨睒O”號破冰船通過如下供電組合，使核動力裝置啟動、停止和工作時都有2路無關(guān)的電源供電:岸電配電柜+輔汽輪發(fā)電機，輔汽輪發(fā)電機+應(yīng)急柴油發(fā)電機，應(yīng)急柴油發(fā)電機+蓄電池組。

核動力船舶對供電系統(tǒng)的可靠性及不間斷性要求要遠高于一般常規(guī)動力艦船，“北極”號破冰船上應(yīng)急供電系統(tǒng)的設(shè)置充分體現(xiàn)了對安全性的重視。

2 法國“戴高樂”號核動力航母堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)

“戴高樂”號核動力航母排水量35000 t，2001年5月服役，采用2座“凱旋”級核潛艇的K－15型壓水堆，單堆推進功率61 MW?！按鞲邩贰碧柡侥覆捎脻撏У暮藙恿ρb置，但其應(yīng)急電源中沒有作為潛艇標(biāo)準(zhǔn)配置的蓄電池，而采用柴油機發(fā)電機和燃氣輪機發(fā)電機作應(yīng)急電源。這是由于相對核潛艇，航母上有充足的氧氣來源，可采用其他替代后備措施?！按鞲邩贰碧柡侥傅碾娏ο到y(tǒng)設(shè)計有其獨特之處，采用了多種類型的發(fā)電原動機，利用不同類型原動機的特點，取長補短，增加系統(tǒng)工作的可靠性。“戴高樂”號核動力航母的電力系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

航母上設(shè)置了2個主電站，每個電站包含2臺2MW的汽輪發(fā)電機組，對稱地布置在兩舷;艦上還設(shè)置了2個應(yīng)急電站和2個安全電站，每個應(yīng)急電站配置3臺單機功率0.85 MW的應(yīng)急柴油發(fā)電機，每個安全電站配備了2臺燃氣輪機發(fā)電機(取代蓄電池作應(yīng)急電源)專門用于反應(yīng)堆的應(yīng)急供電，單機功率約為1.9 MW。

圖2 “戴高樂”號核動力航母電力系統(tǒng)示意圖Fig.2 The electric system of the Charles de Gaulle nuclear powered carrier

堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)同樣是全艦應(yīng)急供電系統(tǒng)的一個組成部分。 “戴高樂”號航母通過如下供電組合，確保對反應(yīng)堆的應(yīng)急供電:主電站+應(yīng)急電站柴油發(fā)電機，應(yīng)急電站柴油發(fā)電機+安全電站燃氣輪機發(fā)電機。燃氣輪機具有啟動快、控制方便的特點，可顯著提高設(shè)備供電的可靠性。通過這種3套電站10臺機組的交叉供電配置，包括核反應(yīng)堆堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)在內(nèi)的反應(yīng)堆安全輔助設(shè)備能夠得到持續(xù)、可靠的電力供應(yīng)。

3 美國核動力航母堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)初步分析

美國“尼米茲”級核動力航母采用2座A4W/A1G反應(yīng)堆，單堆熱功率500～600 MW。其中“尼米茲”號核動力航母的全艦發(fā)電量達到了72 MW，配備8臺功率為8 MW的汽輪發(fā)電機及4臺2 MW的柴油應(yīng)急發(fā)電機，此外還配有多組蓄電池。對于美國核動力航母的相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計披露極少，通過對“北極”號破冰船供電系統(tǒng)的分析及結(jié)合美國核動力航母應(yīng)急供電系統(tǒng)的原動機和蓄電池的配置，可以得出美國核動力航母與“北極”號破冰船的堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)遵循相同設(shè)計思路的結(jié)論。由于核動力航母的反應(yīng)堆熱功率顯著大于破冰船以及其對生存能力有更高的要求，需要充分考慮發(fā)電機組的單機容量規(guī)格和數(shù)目、多臺發(fā)電機組連接方式的可靠性、電站的布置及獨立性等。

4 核動力航母堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)的設(shè)計原則

核動力系統(tǒng)中堆芯應(yīng)急供電系統(tǒng)設(shè)計的最主要特征體現(xiàn)在對應(yīng)急供電系統(tǒng)的可靠性和不間斷性的重視，以確保在事故狀態(tài)下應(yīng)急電源能有效工作。具體體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)電源的冗余。對于核動力航母而言，某一反應(yīng)堆發(fā)生停堆時，仍能由另一個反應(yīng)堆的汽輪機發(fā)電維持必要的電源;在主電源失去的情況下，通過設(shè)置的多個應(yīng)急柴油發(fā)電機組進行發(fā)電，并且考慮到柴油機的故障率，可再設(shè)有一個或多個備用柴油機;還設(shè)有一定容量的蓄電池組，并設(shè)有直流－交流電力轉(zhuǎn)換裝置，維持應(yīng)急柴油機啟動間隙及一次啟動失敗時的供電，為事故處理爭取時間。

2)供電線路的冗余。采用高可靠性的網(wǎng)形配電方式［3］，保證包括堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)在內(nèi)的核安全相關(guān)的系統(tǒng)能得到至少2條以上的線路供電。

3)不同電力來源及供電線路間的獨立性。保持不同供電路徑之間的相對獨立，在一條途徑損壞時不對其他途徑產(chǎn)生影響。如一母線上的故障不會對另一母線造成影響。

對應(yīng)急電源系統(tǒng)可靠性的重視還體現(xiàn)在:應(yīng)急電源的設(shè)計提供了充足的裕度，如應(yīng)急柴油發(fā)電機的功率、蓄電池組的容量;應(yīng)急電源系統(tǒng)的測試和維護，如柴油機組定期進行可靠性測試。系統(tǒng)多重冗余性及裕度的設(shè)計雖然增大了系統(tǒng)的規(guī)模及成本，但考慮到核反應(yīng)堆事故的嚴重性，這些措施非常必要。

5 結(jié)語

為堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)提供電力供電系統(tǒng)的設(shè)計對于核動力艦船的安全性至關(guān)重要。通過對典型核動力艦船供電系統(tǒng)特點的分析，可看出堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)是全艦應(yīng)急供電系統(tǒng)的一個組成部分，強調(diào)安全性和可靠性是應(yīng)急供電系統(tǒng)設(shè)計的核心，也是核動力艦船堆芯應(yīng)急冷卻供電系統(tǒng)的設(shè)計原則。這種原則通過設(shè)置應(yīng)急電源冗余、供電線路冗余以及保持不同電力來源及供電線路間的獨立性等方式來體現(xiàn)。

［1］彭敏俊，王兆祥.船舶核動力裝置［M］.北京:原子能出版社，2009.

［2］張大發(fā)，船用反應(yīng)堆運行與管理［M］.北京:原子能出版社，1993.

［3］龐科旺，船舶電力系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京:機械工程出版社，2010.