核动力船舶电力系统特点及发展趋势分析

晋建厂 黄 虎

（1.海军装备部 北京 100841）（2.中国舰船研究设计中心 武汉 430060）

1 引言

核动力船舶动力强劲、续航时间长、不依赖于化石燃料，在破冰船/破冰运输船、超大型集装箱船、定航线远程运输超大型矿砂船、大型海上浮式生产储油船、海上充电站等大型船舶上有较好的应用前景［1］。电力系统为船舶核反应堆的负荷提供必需的电力供应，是与反应堆的安全性紧密相关的重要系统，电力系统设计是核动力船舶研制的重要难题之一。

核动力船舶电力系统与陆地核电站不同，陆地核电站有强大而稳定的陆地电网提供供电保障，且厂房面积大，可配置多台发电机组提供应急供电。核动力船舶的电网属孤岛电网，无陆地电网作为支援，且总体资源紧张，配置的应急发电机组数量有限，因此，核动力船舶电力系统的设计面临较多难点和关键点。

本文总结了国外核动力船舶电力系统的配置，对其设计思路进行了分析研究，可为我国核动力船舶电力系统的设计提供参考和借鉴。

2 俄罗斯“北极”号核动力破冰船电力系统

前苏联“北极”号核动力破冰船于20世纪70年代建造，排水量约2.3万吨，配置2座热功率171MW的OK-900型反应堆。图1所示为“北极”号核动力破冰船电力系统原理图［2］。

“北极”号核动力破冰船设有两个主电站，1号主电站配置2台2MW的汽轮发电机组，2号主电站配置3台2MW的汽轮发电机组，另外还配置有1台1MW的备用柴油发电机组。应急电源由应急柴油发电机组和蓄电池组组成，应急柴油发电机组单台功率2MW。船上还配置有两个岸电配电柜，分别连接至两块主配电板，用于靠岸时接收岸电［3～4］。

从“北极”号核动力破冰船的电站配置及电力系统原理图可分析出其电力系统设计具有以下特点：

1）加强主电网供电的可靠性

“北极”号核动力破冰船2号主电站比1号主电站多配置了1台汽轮发电机组和1台备用柴油发电机组，但这两台机组既可为2号主配电板供电，又可通过电站间的跨接电缆为1号主配电板供电，即每个主电站除设置两台汽轮发电机组外，还配置有两台机动机组，可为任一主电站供电，以确保主电站的供电可靠性。

主电站机组中除汽轮发电机组外，还配置有不依赖于核蒸汽的柴油发电机组，以确保在核反应堆出现故障时，主电站仍具有一定的供电能力，为重要负荷供电。

2）核动力负荷具有多路供电路径

核动力负荷由两块独立的核动力装置配电柜供电，每块核动力装置配电柜均有三路电源来源，两路来自于两个主电站，一路来自于应急柴油机电站。任一路电源有电即可确保重要核动力负荷的电力供应。另外，影响核安全的核动力负荷还可由两块独立的核动力装置配电柜供电，以确保任一块核动力装置配电柜有电即可确保核反应堆的安全。

3 法国核动力航母电力系统

法国20世纪90年代建造了Charles De Gaulle（戴高乐）号核动力航母，该航母装配两座K-15压水堆，总热功率300MW。该舰设置2个主蒸汽轮发电机组电站，每个电站配置2台4000kW蒸汽轮发电机组；设置2个应急电站，每个电站配置2台800kW柴油发电机组；设置2个安全电站，每个电站配置2台250kW燃气轮机发电机组，全舰总装机容量达到20MW［5］。图2为“戴高乐”号航母供电系统示意图。

图1 “北极”号核动力破冰船电力系统原理图

图2 “戴高乐”号航母供电系统示意图

从“戴高乐”号核动力航母的电站配置及供电系统示意图可推论出多重冗余设计是其电力系统的一大特点。“戴高乐”号核动力航母的多重冗余设计既体现在电源方面，又体现在配电线路方面。

电源方面，“戴高乐”号核动力航母不仅配置有汽轮发电机组和应急柴油发电机组，还配置有燃气轮发电机组，电源层级多、种类多，各类型电源优势互补，确保电源的供电可靠性。

配电线路方面，采用两舷对称的配电网络结构，保证核安全相关系统能得到多条线路供电。此外，不同电力来源及供电线路间保持完全独立，在一条线路或电源损坏时不会对其它设备产生影响。这些都为发生事故时核安全相关系统能得到有效供电提供了保障。

4 美国核动力船舶电力系统

1）核动力商船

美国1958年开工建造的“萨凡那”号商船是世界上第一艘核动力客货船，排水量15600吨，装载一座热功率76MW的反应堆，可提供推进功率2.2万马力，航速20节。

“萨凡那”号核动力商船配置了两台750kW的应急柴油发电机组和一组蓄电池组作为应急电源，反应堆出现故障时，两台应急柴油发电机组迅速启动，向核应急负荷供电，同时，蓄电池组向仪控、监测类负荷供电。反应堆安全冷却后，减少了电力需求，此时，应急电源还可驱动750马力的备用电机，为船舶提供6节的航速，缓慢前进。

此外，船上还配置了一座压力10atm、产气量3400kg/h的常规锅炉，必要时可通过常规锅炉为汽轮发电机组及推进汽轮机提供一定的蒸汽，确保船舶基本的电力供应和驱动动力。

2）核动力航母

美国第一代核动力航母“企业”号装备8座A2W型压水堆，排水量7.5万吨，推进功率28万马力，航速可达33节。电力系统配置16台汽轮发电机组，单机功率2.5MW，4台应急柴油发电机组，单机功率1MW［6］。

20世纪70年代，美国开始建造其第二代核动力航母Nimitz（尼米兹）级，满载排水量9万吨～10万吨［7～8］，配置两座A4W/A1G型压水堆，推进功率28万马力，航速30节以上，全舰电力系统配置8台汽轮发电机组，单台汽轮发电机组功率为8MW，4台柴油发电机组，单台柴油发电机组功率为2MW，全舰装机功率为72MW［9～10］。

2009年美国正式开始建造其第三代核动力航母“福特”级，满载排水量10万吨［11］，配置两座A1B型压水堆，航速30节以上，全舰装机容量较尼米兹级航母大幅提升，主电网电压等级为13.8kV［12～13］。

从美国“萨凡那”号核动力商船及其三代核动力航母配置可分析出其核动力船舶电力系统具有以下特点：

1）注重电源的冗余配置

“萨凡那”号核动力商船不仅配置有应急柴油发电机组，还配置有常规锅炉和备用推进电机，确保在反应堆故障时能够提供必备的应急电力供应及推进动力，确保反应堆和船舶的安全。核动力航母虽未见配置常规锅炉，但均配置有柴油发电机组提高应急供电。“企业”级核动力航母配置有较多数量的汽轮发电机组，因此其柴油发电机组数量相对于反应堆数量而言较少，而“尼米兹”级和“福特”级航母每座反应堆均对应配置有柴油发电机组，确保反应堆的应急电力供应。

2）汽轮发电机组单机功率逐渐增大，数量逐渐减少

从“企业”级到“尼米兹”级核动力航母，汽轮发电机组单机功率从2.5MW增大到8MW，数量从16台降至8台，机组数量减少，降低了系统控制复杂度，减少了舰员操作的工作量，同时也说明美国汽轮发电机组单机的可靠性大幅提高。

3）电站装机容量逐渐增大

“企业”级核动力航母电站装机容量为44MW，“尼米兹”级核动力航母电站装机容量为72MW，“福特”级核动力航母电站装机容量进一步提升，电站装机容量逐步增大，尤其是从“尼米兹”级到“福特”级，排水量几乎没有增加，但是电力系统装机容量却大幅增加，可见其核动力航母电气化程度不断提升。

5 我国核动力船舶电力系统发展趋势

目前我国尚无研制成功的水面核动力船舶，但随着国力的增强，对于核动力船舶的需求越来越迫切，目前已有多家单位开展相关研究。我国核动力船舶将主要应用于极地破冰、远洋军舰、远海岛礁供电等领域，我国核动力船舶电力系统的设计思路向美国靠拢，但受限于国内工业基础，不能完全模仿，只能借鉴以往船舶的设计经验，在国外先进思想的指引下，不断改进，发展出适合于我国的核动力船舶电力系统设计方法。

6 结语

本文对俄罗斯、法国、美国的核动力船舶电力系统进行了分析总结，为我国未来核动力船舶电力系统的设计提供参考，总体而言，核动力船舶电力系统具有以下几个特点：

1）注重冗余配置

核动力船舶的供电以汽轮发电机组为主，各国核动力船舶均配置有柴油发电机组，且一般每座反应堆对应配置两台柴油发电机组，以确保电源的冗余配置。此外，部分核动力船舶还配置有其他动力源，比如“戴高乐”的燃气轮机、“萨凡那”的常规锅炉，这些设计表明各国均对核动力船舶电源的冗余配置高度重视，在总体资源可承受的前提下，尽量保证核动力负载的冗余供电。

2）机组数量逐渐减少，功率逐渐增大

美国作为拥有核动力航母最多的国家和核动力航母使用经验最丰富的国家，其航母电力系统配置代表着世界最先进水平和未来的发展方向，从其三代核动力航母的发展可看出，电力系统逐渐向着单机功率增大，机组数量减少的方向发展，这也相应要求汽轮发电机组的可靠性大幅提高。

3）电气化程度逐步提升

美国核动力航母的电站装机功率逐步增大，说明其电气化程度逐步提升，全舰的自动化、智能化水平逐渐提高。