渤海湾可移动核电平台方案研究

谭 越, 刘 聪, 王春升, 王国栋, 李世铭, 马 强

(中海油研究总院，北京 100028)

渤海湾可移动核电平台方案研究

谭 越, 刘 聪, 王春升, 王国栋, 李世铭, 马 强

(中海油研究总院，北京 100028)

综合考虑核电站的建造、安装、调试、运行、换料及应急等各种工况，提出了一种可移动海上核电平台。该平台具有类似固定平台的作业环境，在波浪条件下不会摇摆，方便了作业人员的操作与生活。将核岛置于水面以下，增加了安全性。提出了人工地基型式，安装和弃置时不必动用海上施工资源。平台也为大型整装油田或油田群提供了供电的解决方案。

海上核电平台；可移动平台；自升式平台；渤海湾；人工地基

0 引 言

渤海湾油田主要通过自发电以及区域油田多个平台电站联网的方式为生产设施提供电源。目前面临着伴生气量递减与电力需求增加的矛盾，以及稠油热采所需热能成本上升与提高采收率的矛盾。如何实现油气产量增量并降低桶油成本，探索可持续性发展道路，成为当前生产形势下迫切需要解决的问题。

建设海上核电站是解决上述问题的经济而有效的方法[1]。核能是一种低碳、高效、经济的大规模供能模式，50多年来广泛应用于核动力航母、核动力潜艇、核动力破冰船、核动力商船和核动力发电船。采用核能发电能降低现有发电成本，就地借助海水冷却可以有效降低核电运行成本，还可以为平台带来大量的热进行稠油热采。

世界首座浮动核电站“罗蒙诺索夫号”由俄罗斯建造，漂浮于水面上但并不“移动”[2]，其定位“设于船坞中，或锚定于海岸”，因此尚不能称为“海上”核电站。截至目前为油气田开发服务的海上核电站还未获得实际应用。本文提出一种可移动海上核电平台，可为大型整装油田或油田群提供供电解决方案。

1 可移动平台简介

可移动平台有多种类型，其中以自升式平台最为典型。自升式平台由一个上部平台、桩腿和升降装置组成。结构型式也是多种多样的，可以按上部形状、桩腿数量和型式、升降系统类型等区分。就渤海湾作业而言，我国已具备自升式平台设计和建造的能力[3]。

平台通常是具有单底或双层底的箱形甲板结构，其形状与桩腿的数量密切相关，一般是三腿对应三角形，四腿对应矩形。

上部甲板依靠桩腿的支撑升离水面，桩腿除了支撑平台的全部重量外，还有承受波浪和海流的作用力。桩腿的型式可分为壳体式和桁架式，其中壳体式适用的水深范围不超过70m[4]。

桩腿下端部的结构直接与海底接触，有插桩型、箱垫、沉垫型等不同型式。沉垫型是将桩腿的下端固定到一个大沉垫上，因此要求海底必须是平坦的。由于沉垫的支撑面积很大，故适用于软地基区域，如无特殊措施，不宜在淤泥区使用。沉垫型基础不需要预压，但在交变载荷作用下，地基会发生变形和强度减小的情况，致使平台发生滑移[5]。

平台沉垫中要设置一些压载舱,以便注入海水增加平台的重量来达到增加摩擦力的目的。根据设计经验,沉垫中除了必要的油舱、水舱、泵舱等舱室外,应尽量设计成压载舱,配置给排水管系,而不设置空舱,以最大限度地增加平台坐底后的重量。为了油气田开发以及更有效地利用这些舱室，可将自升式平台的沉垫设计为储油舱，使其具有水下储油功能[6]。

2 核电平台主体方案

综合考虑建造、拖航、安装、维护性、重复利用及渤海海域的实际环境和地质条件，海上核电平台的主要关键技术有: 适合渤海湾海域应用；核设施须置于海面下；平台须满足抗高强度地震的要求；可方便地解脱及连接；考虑海上换料的可行性。

自升式平台站立作业状态时，将桩腿插入或坐入海底，船体顺着桩腿上爬，离开海面，工作时可不受海水运动的影响，类似于桩基的固定平台；而当迁移拖航时，它将桩腿上升依靠平台船体部分浮力实现自浮拖航，此时它又具有浮体的特性。因此，兼具固定平台和浮式平台特性的可移动平台作为海上核电站的载体是较好的选择。

2.1 核岛位置

核岛有堆芯置于海平面以上或以下两种方案。采用在水面上放置核岛是最简单直接的方式，且据初步的估算，桩腿强度、升降装置能力和甲板面积都可以满足。但从安全性的角度考虑，不是最优的方式。

比较而言，堆芯置于海平面以下虽然增加了结构的设计、建造和安装难度，但通过设置与海水连通的阀门，在极端严重事故条件下，引入海水直接冷却，尽可能降低大量放射性物质释放的概率(LRF)，是更为安全的选择。

参考沉垫储油的案例[7]，可以设计沉垫内部舱室以适应核设施的布置，但随之带来的问题是维护和维修的不便。因此设置相应的人员和管线通道，通道可与平台桩腿同步升降，且不承受垂向载荷(见图1)。管线通道为圆形水密壳体结构，可供人员日常巡检、维护或必要时逃生，以及配套管路、电缆等设施的安装。人员和管线通道呈对角线布置，以便发生危险时人员可向相反的方向逃生。

图1 可移动核电平台示意图Fig.1 Diagram of mobile offshore nuclear power plant

2.2 换料方式

在每一个燃料循环末期，必须更换部分核燃料以维持下一个燃料循环的进行，因此，核电站必须定期进行换料。一般核电厂在换料停堆期间除按计划进行换料外，还应对与核电厂安全有关的重要构筑物、系统、部件进行有计划的在役检查、定期试验、维修等活动。此外，核电厂在运行期间，由于某些事故的发生，也可能会导致核电厂事故停堆[8]。

虽然采用不同的堆型使换料和大修的周期有所不同，但无论如何这一工况是无法避免的。换料和大修是核电厂生产活动中的重要环节，也是生产活动中的一个特殊阶段，是一项重要、规模庞大、复杂的系统工程。陆地核电站已经积累了非常丰富的经验，但由于海洋环境的特殊性，如果直接在海上换料是非常危险的。尽管如能在海上完成换料可能会带来经济利益，但基于核设施安全性的考虑以及自升式平台的可移动能力，仍建议返回陆地换料。

2.3 平台形式

针对核电站的技术特点，提出了一种可移动的海上核电平台，如图1所示。平台由上部甲板、下部沉垫、连接两部分可升降的桩腿及通道组成。具有核能发电、生活以及其他的如制淡水、制热等能力，用一个平台实现了综合性和多功能。

上部平台为密闭箱形结构，作为平台主甲板，设有主变压器间、应急开关间、生活楼、直升机甲板等，如需要还可布置制淡水及制热设备。

桩腿为壳体式或桁架式，可适用于120m以内甚至更大的水深，60m以内可采用壳体式，再深则采用桁架式[4]。桩腿配置若干套升降装置总成，可将平台上部甲板提升或下降一定高度，并将桩腿与平台连接固定。如在冰区使用，平台就位后须安装可拆卸式抗冰装置。

底部箱形沉垫内设置核岛(反应堆)，整个平台的总重量约等于或略小于底部沉垫的排水量，即重量与浮力相当，重心与浮心在垂向重合，以确保平台经常性的拔起、下沉和移位。沉垫的上边缘削斜，以减少波浪和流的作用力。

生产平台和沉垫之间的设置通道，左右各一，作为配套管路、控制管路、控制电缆等设施的通道，以及人员日常巡检、维护和逃生的通道。两者呈对角线布置，以保证在某处遇险时，人员可以向相反方向逃生。通道下部与沉垫固定连接，上部与平台水平连接，可随桩腿同步升降。

3 核电平台基础方案

坐底式移动平台对海底地基的承载力、平整度和坡度都有一定的要求。如果坡度太大，会使平台坐底后产生较大角度的倾斜，可能引起滑移。如承载力不够，使沉垫入泥的深度超过设计深度，可能发生因为泥土吸附力过大而难以起浮的情况。如地基的平整度不好，具有较大的局部凹凸，可能会造成平台沉垫结构的破坏，引起沉垫漏水，造成起浮的困难[5,9—10]。

采用沉垫式基础，还需要考虑冲刷、滑移、不均匀沉降等海底地质问题。虽然采用防滑桩、挡流墙等措施可以解决上述部分问题[11—12]，但停堆换料时，需将整个平台拖回到陆地的基地完成，从而使平台的可移动性能受到影响。

换料和大修要求平台在整个服役期间反复的移位和就位，尽管自升式平台可以方便地移位、拖航，但每次都要返回同一位置进行再次就位，要保证安全就位则不可避免地需要克服已有“老脚印”的影响[13]。

根据《核电厂抗震设计规范》中规定的抗震Ⅰ类要求，需要能够承受本区域可能遭遇的最大地震，且地震峰值加速度不小于0.15g，对平台基础的设计提出了挑战[14]。

综上所述，海上核电平台需要一个既可以保证平台作业性能，又可满足平台频繁移位就位的基础。为此，设计了一种人工地基，如图2所示。

图2 人工地基立面示意图
Fig.2 Vertical section of artificial ground

以淤泥质软土地质为例，预先进行海底泥面处理，清淤泥，挖沟并回填，形成具有斜面的海底空间。为了使平台的倾斜度、总沉降量及动力效应都不超过限值，打入水泥搅拌桩，组成具有整体性和一定强度的底部基础，水泥搅拌桩的造价和安装费用远低于钢桩。安装混凝土沉箱与钢质框架相结合的混合型结构，中部设有与重力式平台底部形状相匹配的凹槽。平台就位时坐于凹槽中，凹槽的斜边提供了横向的抗滑移力。在沉箱边抛石，防止底部冲刷和掏空。整个人工地基的安装过程如图3所示。借鉴了陆上隔振体系的设计理念[15]，使之易于实施，减震控制效果也好。

图3 人工地基安装过程示意图Fig.3 Installation procedure of artificial ground

基于上述设计，可移动平台整体坐于人工地基，如图4所示，获得以下优点: (1)平台可移动，移位、复位及弃置简单；(2)保证了平台的水平度和稳定性；(3)解决了平台冲刷掏空问题；(4)省去了打防滑桩，设置挡流墙等投资；(5)满足了核设施相关规范的抗震要求。

图4 可移动核电平台作业示意图Fig.4 Operation condition of mobile offshore nuclear power plant

4 结 语

采用自升式平台作为适用于渤海湾的核电平台，上部平台布置设备和生活楼，下部沉垫设置核岛(反应堆)，两者之间设有桩腿及管线和人员通道，平台整体坐于人工地基。

平台移位及复位简单，保证了核反应堆换料要求。可通过桩腿的结构设计适应不同的水深。能够实现自安装和弃置作业，减少对大型施工船舶的依赖，增加施工选择的灵活性，降低了施工费用。

平台可将水面下的核设施与水面上的人员居住及公用设备分离，同时又具有核能发电、生活以及其他需要的功能如制淡水、制热等。将核岛(反应堆)置于水面下，并设置与海水连通的阀门，紧急情况时海水会进入沉垫，大大提高了应急工况的安全性。

设置人工地基，保证了平台的水平度和稳定性，解决了平台的冲刷掏空问题；省去了打防滑桩、设置挡流墙等投资，满足了核设施相关规范的抗震要求。

综合考虑平台的建造、安装、调试、运行、换料及应急等各种工况及渤海海域实际环境、地质条件，自升式可移动平台作为海上核电设施的载体是可行的。

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StudyonMobileOffshoreNuclearPowerPlantforBohaiBay

TAN Yue， LIU Cong, WANG Chun-sheng, WANG Guo-dong, LI Shi-ming, MA Qiang

(CNOOCResearchInstitute，Beijing100028，China)

Considering the construction, installation, commissioning, operation, refueling and emergency of nuclear power plant, a mobile platform is proposed. The same as a fixed platform, without the movement due to wave motion, the operators have a mild working and living condition. The nuclear island is located below the sea surface, so the safety is improved. By an artificial ground, the construction vessel is not necessary for installation and decommissioning. The platform provides a power-supply source for large oil field or oil field group.

offshore nuclear power plant; mobile platform; self-elevating platform; Bohai Bay; artificial ground

2017-02-04

中海石油有限公司综合科研项目“渤海海域油气开发核能应用技术预可行性研究”

谭越(1978—)，男，博士，高级工程师，主要从事边际油田开发、船舶及海洋结构物设计工作。

TE54

A

2095-7297(2017)03-0157-05