海洋核动力平台发电机组负荷试验超大负载电阻方案

陈玉冲, 宋 强, 张甲楠

(渤海造船厂集团有限公司 船舶设计研究院，辽宁 葫芦岛 125004)

0 引 言

海洋核动力平台是核动力发电装置与船舶工程的有机结合，是海上的移动核电站，具有一次性装料运行周期长、功率密度大、机动性好和节能环保等特点，既可为海洋石油开采和偏远岛屿开发提供持久、安全、有效的能源，又可应用于海上石油钻探、大功率船舶运营和岛礁海水淡化等领域中，是解决我国远海能源供给问题的有效工具，对我国的海洋资源开发、岛礁建设和海洋国防发展具有重要作用，具有广阔的市场前景。

1 项目背景

本文研究的海洋核动力平台项目配置有2个核反应堆(热功率为100 MWe)和2个主汽轮机(发电输出电功率均为25 MW)[1]。在建造海洋核动力平台过程中，需对汽轮发电机组进行负荷试验，对其加载能力、超负荷运行能力、瞬态性能和稳态性能进行测试[2]，并有效考核反应堆的热效率。对于该项目的汽轮发电机负荷试验而言，由于该汽轮发电机具有超大容量，需对其负载方案进行研究。

2 负载方案分析

考虑到该项目近似于陆地核电站，将负荷试验的主要方向确定为：

1) 直接并入陆地电网，采用工厂和居民区的实际用电负载进行试验；

2) 采用模拟负载(干电阻、水电阻等)进行试验。

由于平台试验的特点及特性致使输出的电力并不稳定和持续，对陆地电网有很大影响，通过在项目前期与国家电网相关部门沟通，确认无法直接并网发电。对此，明确该项目的负荷试验采用模拟负载方案。

模拟负载方案可分为干电阻和水电阻2种，下面对比分析这2种负载方案的优点和缺点，以最终确定采用哪种负载方案。

3 负载方案对比

3.1 水电阻负载方案

3.1.1 水电阻简介

水电阻一般由水电阻池、电解质和电极板组成[3]，通过改变水电阻池中电解质与极板的接触面积(有“通过极板升降装置改变极板的高度”和“极板固定，改变电解质的水位”2种方式)来改变负载中并入工作电路的电阻，从而改变负荷电流的大小(纯水的电阻率一般小于10 MΩ·cm，水越纯，电阻率就越大；正常的纯净水是不导电的，主要用海水或稀释的海水作为电解质)。

3.1.2 水电阻的优缺点

1) 优点：水电阻结构简单、造价低，就该项目而言，由于其具有超大容量，可在试验场地附近制作水电阻池，通过负载电缆连接船上的配电系统；试验结束之后，水电阻池可填平改造为其他设施，对工厂内的空间无影响。

2) 缺点：水电阻的极板直接与电解液(一般为海水)接触，存在严重的腐蚀问题，需定期更换；水电阻池及其他控制部分均为露天设备，工作环境较差，若需在北方地区的冬季开展试验，则需添加大量防冻液，无功功率部分需单独增加电抗器并联运行。

3.2 干电阻负载方案

3.2.1 干电阻简介

干电阻一般由电阻、电抗器、风机、控制系统和监测报警系统组成，通常采用标准集装箱的箱体作为载具，采用整体化设计方式。在工作时，通过断路器控制不同的电阻丝与电网连接，将电网传输的电能转化为热能，达到模拟负载的目的。

3.2.2 干电阻的优缺点

1) 优点：干电阻因具有较小的温度系数，稳定性较好；电阻丝和电抗器采用不同规格的产品，方便灵活增加和减少负载；干电阻的自动化程度较高，可自动监测和记录负载箱的各项数据，尤其是电阻丝的温度可控，在超温时会发出警报；此外，在冬季施工时室外的温度条件对试验无影响。

2) 缺点：干电阻结构复杂、造价高，同时维护和保养对试验人员的要求较高；此外，单个电阻箱的功率受限，需并联布置多个电阻箱，会占用较大空间。

3.3 2种方案优缺点对比

表1为水电阻和干电阻优缺点对比。由表1可知，干电阻在安全性、可靠性和准确性等方面都比水电阻更有优势，应用比较广泛，因此选用干电阻负载方案。

4 负载方案应用

4.1 干电阻负载需求

干电阻负载基本需求为：额定电压AC 400 V；视在功率62 500 kV·A； 有功功率50 MW；无功功率37 500 kVar；功率因数0.8～1.0可调。

表1 水电阻和干电阻优缺点对比

干电阻设计为31.25 MV·A/25 MW/18.75 MVar，共2套，是按照额定电压400 V(适用电压为380～690 V；汽轮发电机输出电压为10.5 kV，需经过变压器降压)、额定频率50 Hz(适用频率为50～60 Hz)和功率因数0.8(功率因数0.1～1.0可调)设计的阻感一体化负载；每套负荷站的容量为6 250 kV·A，共5套；负载回路元器件工作电压均按照690 V设计，满足在该电压下长期工作的需求。

干式负荷站用于完成汽轮发电机组瞬态性能试验、稳态性能试验和负荷试验，设置有功和无功负载控制、检测和保护电路。

干电阻箱设计单线图见图1，电阻器采用电阻管形式，电阻丝的材质为镍铬合金，填充物为高温绝缘氧化镁，保证在2 000 ℃下正常运行。单个电阻器的功率选取为200 kW、100 kW、50 kW、20 kW、10 kW、5 kW、2 kW和1 kW等，可精确增加负载。电抗器的无功功率选取为200 kVar、100 kVar、50 kVar、20 kVar、10 kVar、5 kVar、2 kVar和1 kVar，干电阻箱内设置ACB空气断路器和MCCB塑壳式断路器进行短路保护，并设置8台轴流风机进行散热，25 kV·A变压器和220 V电力分电箱负责为干电阻箱内部控制回路、空调和照明灯等提供电力支持。

注：1) 主空气断路器用于负载箱总开关，应带电操和通信功能，并具有过载、短路和欠压保护功能；

2) 风机的数量和容量应根据实际通风散热确定；

3) 除了外接电缆及外部变压器，所有设备都应布置在集装箱内，控制操作区应与负载区隔离；

4) 本地应可实现手动和自动(工控机软件设定)控制，遥控可安全加减载、主开关分合闸、应急停止和必要的检测信号、状态、报警显示；

5) 控制和检测设备应提供不中断电源，以保证应急工况操作；

6) 控制操作区域内应提供空调和温度监测报警

图1干电阻箱设计单线图

4.2 干电阻控制方式需求

控制方式应分为就地自动控制、远程自动控制、本地手动控制和远程手动控制等4种。系统应具有实时数据显示功能、数据报表生成功能、存档与打印功能、单机测试功能和并机测试功能，多台设备可任意组合，通过1台设备控制多台设备同步加载和减载。

为满足上述控制功能需求，干电阻箱设计为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)控制，由良好的人机工程界面控制，采用PT100型铂电阻传感器监测电阻器的温度和温升，通过RS485总线式通信协议与被测试发电机组通信，所有被测量的数据和测量结果应通过打印机接口输出。图2为多机并载示意。

图2 多机并载示意

4.3 干电阻电缆选型

单台干电阻箱负载电流的计算式为

I=P×1 000/1.732×U×cosΦ×α

(1)

式(1)中：I为负载电流，A；P为单台电阻箱功率，W；U为额定电压，V；cosΦ为功率因数；α为修正系数(环境温度)。由此可得I=405 A。

由上述计算结果可知：每个负载箱(6 250 kV·A/5 000 kW/PF0.8/10.5 kV/690 V)每相电流为405 A，每根185 mm2的电缆承载的电流按440 A计算，单根电缆的长度为100 m(从汽轮发电机至变压器原边的距离)；每个负载箱3根电缆，共30根，备用1根(更好地为柴油发电机测试提供保障)，每套设备满载共计31根电缆。10套设备的中压电缆总长为3 100 m。

变电箱低压侧到负荷站每相总电流为5 300 A，每根240 mm2的电缆承载的电流按520 A计算，单根电缆的长度为10 m(变电箱和负荷站可放在一起)，每相11根，3相共33根，备用1根(更好地为柴油发电机测试提供保障)，每套设备满载共计34根电缆。10套设备(共340根电缆)的低压电缆总长为3 400 m。

5 结 语

本文通过对海洋核动力平台汽轮发电机组负荷试验超大负载电阻方案进行研究，明确了以干电阻作为负载的试验方向，提出了负载需求和解决方案，为后续试验的开展奠定了基础。

目前海洋核动力平台示范工程项目正处在前期研究阶段，具体试验项目和内容还未确定，因此提出的试验负载电阻方案仍处于前期论证阶段，涉及的方案描述和技术参数等内容有待在后续研究中进行验证和完善。