核动力船舶电力系统配置要点分析

谷孝利，何炎平，黄 超，刘亚东，赵永生

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240)

0 引 言

我国正在大力发展海洋核能，建造商用核动力船舶值得期待。开展商用核动力船舶设计和建造，国内并没有经验可借鉴。核动力船舶与常规船舶最大的区别在于动力系统，而动力系统作为电力系统的原动力，与电力系统密不可分。

现阶段，国内用于指导核动力船舶电力系统配置的法规与规范还处于空白。国内有关建造陆上核电厂的核安全法规及导则内容相对全面，但海上“孤岛”型核动力电站与陆上核电站又有所不同，其没可接的厂外电源，电站的安全性、可靠性、冗余性全部依靠核动力船舶自身电力系统来保证[1-2]。

国际上有关核动力船舶电力系统配置的法规和规范，主要有IMO《核能商船安全规则》（以下简称“规则”）和俄罗斯船级社《核动力船舶及浮动设施的分类和建造规范》（以下简称“规范”）[3-4]。文章通过对“规则”和“规范”的分析研究，总结出在电力系统配置方面，核动力船舶有别于常规动力船舶的若干要点，并结合实际设计经验对相关要点进行阐述分析，供后续开发核动力船舶参考。

文章将从主电力系统、应急电力系统和临时电源3 个方面对核动力船舶电力系统配置进行分析研究。

1 主电力系统

“规则”和“规范”中对于主电力系统及其组成部分的定义基本上一致。

主电力系统是由主电源、备用电源以及主配电板组成的系统，用于向蒸汽供应系统负载和所有船舶负载供电。

主电源是在备用电源或应急电源不工作情况下，利用运行的蒸汽供应系统，保持船舶正常操纵和正常可居住条件所需的电源。

备用电源是独立于蒸汽供应系统的发电机，在蒸汽供应系统发生故障或其他异常情况时替代发生故障的主电源。备用电源向保证船舶安全的负载供电，并在最低居住条件下恢复正常运行状态，并使蒸汽供应系统在没有应急发电机参与的情况下按计划启动和冷却。

核动力船舶主电力系统配置要点：

通过对“规则”和“规范”的研究分析，总结出核动力船舶主电力系统配置若干要点。相关要点均区别于常规动力船舶电力系统配置，在后续发展核动力船舶时值得重点关注。

1）核动力船舶主电力系统必须配置主电源和备用电源，且备用电源必须独立于蒸汽供应系统，备用电源的容量和供电范围有明确要求。

常规动力船舶，即使是电力推进船舶，主电源要求至少配置2 台发电机。如船舶推进必须依靠主电源，则如果船舶正常由1 台及以上发电机并联运行同时供电，应设有自动卸载装置，以保证供电连续性；如果船舶正常由1 台发电机供电，则应在船舶失电后自启动备用发电机，以保证供电连续性。由此可见，常规动力船舶并未强制要求配置备用电源，仅对主电源的数量和容量有要求。即使是“船舶正常由1 台发电机供电，应在船舶失电后自启动备用发电机，以保证供电连续性”的这种电站配置，启动的备用发电机也属于主电源至少配置2 台发电机中的1 台[5]。

因此，后续开展核动力船舶主电力系统设计时，可看成是核动力装置与常规船舶的结合，核动力装置承担主电源部分，常规船舶的主电源则转换成核动力船舶的备用电源，还同时要承担核动力装置所必要的负载。相当于常规船舶主电源在配置容量时除了满足船舶日常的负载需求外，还要特别考虑核动力装置的功率需求，包括提供关闭反应堆并将其保持在安全状态至少30 天所需的电能，以及启动和冷却蒸汽供应系统所需的电能[6]。

既然核动力船舶的备用电源可看做常规船舶的主电源来设计，那备用电源的原动机动力源一定是独立于蒸汽供应系统。

2）主电力系统至少包含2 个独立的电站，每一电站都应包括主发电机、备用发电机和主配电板，当处于 “一般操作”或“次要故障”状态等级下的任何电站发生故障时，不影响彼此运行。每一主配电板应位于单独的舱室中，这些舱室之间用水密和防火结构分隔，主配电板母排之间可以用适当的开关进行连接。

这实际上是对核动力船舶主发电机、备用发电机、主配电板数量的最低要求进行了强制规定，即核动力船舶主电力系统至少配置2 台主发电机、2 台备用发电机、2 套主配电板。

主电力系统至少分成2 个独立电站，每一电站的主配电板应位于用水密和防火结构分隔的独立舱室内。这里的要求和常规电力推进船舶电站的要求有相似之处，但常规电力推进船舶仅要求将主配电板至少分成2 个独立分段，但配电板还是同一个，没有要求将2 个独立分段安装于独立舱室内的要求[4]。同时核动力船舶各独立电站之间允许通过开关和电缆进行连接。

故核动力船舶发电机和主配电板除应满足最低数量的配置要求外，同时要满足每一主配电板应安装于用水密防火结构分隔的独立舱室的布置要求。此时，各电站的主发电机可布置在同一个舱室内，备用发电机应布置在与主发电机隔开的舱室。

3）备用发电机应能在主配电板失电时自启动，并在蒸汽供应系统安全运行所需的时间内承担负载。备用发电机与主发电机至少能短时并联并转移负载。运行的备用发电机和主发电机的总功率应足以向维持船舶在正常操纵状态和适宜居住条件下所需的负载提供电能，此时允许切断船舶的非至关重要的负载。

这里要求备用发电机自动启和主配电板的失电信号联锁，有些类似于常规船舶应急发电机自启动与主配电板失电的关系，但同时也强调了备用发电机可与主发电机至少能短时并联并转移负载，这又区别于常规船舶应急发电机与主配电板之间的关系。故备用发电机与主发电机的关系是能在主发故障导致主配电板失电时自动启动，且能与主发同时并联工作，但不强调长期并联工作。

同时，在主发故障而备用发电机自启动投入工作后，与仍在网工作的主发电机的总功率应能满足正常的船舶操纵状态和适宜居住的条件，但允许切断船舶的非重要负载。这就要求在考虑备用发电机功率时，不但要考虑满足船舶日常的负载需求以及核动力装置安全所需的负载需求，还要考虑备用发电机与1 台主发电机同时工作时，要能维持船舶正常状态下的推进能力。

4）任何反应堆状态等级下，包括极其稀有的严重事故，并考虑除导致状态等级的初始事件外的电力系统的单一故障，配置的发电机应能够提供关闭反应堆所需的电能，并将其保持在安全状态至少30 天。

上面提到的 “配置的发电机”，有多重意思。如核动力船舶配置了2 个或者以上的核堆，当一个核堆处于任何状态等级下，包括极其稀有的严重事故，另一个核堆配置的发电机应“能够提供关闭反应堆所需的电能，并将其保持在安全状态至少30 天”。如核动力船舶配置为单核堆，当核堆处于任何状态等级下，包括极其稀有的严重事故，则要求独立于蒸汽供应系统的备用发电机或者应急发电机应“能够提供关闭反应堆所需的电能，并将其保持在安全状态至少30 天”。这就要求在配置备用发电机和应急发电机的容量时，要考虑“能够提供关闭反应堆所需的电能，并将其保持在安全状态至少30 天”的要求。

图1 主电力系统配置示意图Fig.1 Main power system single line

2 应急电力系统

应急电力系统由应急发电机、应急配电板组成，并独立于主电力系统，在主、备用电源不可用的情况下，对蒸汽供应系统和船舶整体安全至关重要的负载供电，其容量还应当足以关闭反应堆，随后切换到冷亚临界状态，并为执行反应堆安全功能的负载供电。应急发电机独立于蒸汽供应系统。

核动力船舶应急电力系统配置要点：

1）应急电力系统包括至少2 台应急发电机和2 个相互独立的应急配电系统。应急电力系统和应急发电机应独立于蒸汽供应系统。可为蒸汽供应系统负载和船舶应急负载分别设置独立的应急发电机和配电系统，此时，应至少设置2 套为蒸汽供应系统供电的应急发电机及应急配电系统，和至少设置1 台应急发电机及独立的应急配电系统给船舶应急负载。

这里对应急发电机原动机的动力源进行了规定，一定是独立于蒸汽供应系统的，且对应急电力系统的最低配置进行了限制。当核动力船舶为蒸汽供应系统负载和船舶负载分别设置独立的应急发电机和配电系统，则核动力船舶至少应配置3 套独立的应急发电机和配电系统，其中2 套给蒸汽供应系统，1 套给船舶应急负载[7]。

2）应急配电板应由各主配电板供电。如应急配电板的负载仅用于应急模式下由应急发电机供电，则可免去由各主配电板供电的要求。

这里强调了应急配电板从主配电板得电的冗余性。不管主电力系统分成多少独立电站，要求应急配电板能从每一独立电站的主配电板获得电力。但每一主配电板供电给应急配电板的各回路之间的关系并没有描述，各供电回路之间可以是同时供电给应急配电板也可以是任意时候只有一路供电回路工作，其它回路只有在工作回路故障或者人为切换时才投入供电工作。2 种方式在功能实现上差异不大，但在具体设计和操作时差异不小。如果所有独立的电站任意时候均处于并车同时工作状态，则各回路同时供电的方式，在每一次合闸供电回路时，不需要特别的注意事项，但当各独立电站没有并联独立运行时，每一次合闸供电回路，都相当于一次并车过程，会存在没有达到并车要求而强行并车的风险。如不能有效的杜绝这种风险，建议各主配电板到应急配电板的供电回路之间采取互锁，任意时候只能一路工作，其它回路处于备用。

3）应急发电机应通过连接的应急配电板母排失电信号和反应堆应急保护系统动作信号自动启动。

需要注意，如果应急发电机仅给船舶应急负载供电而不对核动力装置应急负载供电，则此应急发电机的自启动信号不需与反应堆应急保护系统动作信号联锁。

4）负责安全系统的负载由应急配电板通过两个回路供电。

5）应急时，应急发电机不应直接同步。

图2 应急电力系统配置示意图Fig.2 Emergency system single line

3 临时电源

临时电源是在其它电源不可用时，确保向指蒸汽供应系统参数测量装置、辐射监测装置以及其它对船舶安全至关重要的仪器和指示器供电不小于30 min。

配置要点：

1）至少设置2 套独立的临时电源；

2）临时电源的布置和安装应保证在任一状态等级下，不超过一个临时电源失效；

3）如蓄电池作为临时电源，则应为蓄电池配备足够容量的充电器，可使蓄电池从完全放电状态到充满电状态，不超过8 h；

4）用于蒸汽供应系统的临时电源的蓄电池可位于最高连续甲板以下；

常规动力船舶，只有客船对于临时电源有强制要求，如货船的应急发电机带有自启动功能，可免除设置临时电源。

核动力船舶临时电源的供电范围更强调与核动力装置有关的重要负载，同时兼顾与船舶安全至关重要的负载。如果核动力船舶按属性归为货船，则临时电源供电范围仅需考虑与核动力装置有关的重要负载，如核动力船舶按属性归为客船，则还应当考虑与船舶安全有关的重要负载。当按照客船来要求来配置临时电源时，建议将与核动力装置相关的临时电源与船舶安全相关的临时电源分开设置，即至少设置2 套临时电源给核动力装置相关负载，1 套给船舶安全相关负载。这样设置的优点在不但有利于布置，更有利于临时电源的冗余性和独立性。

图3 临电电源配置示意图Fig.3 Transitional system single line

4 结 语

核动力船舶是我国海洋强国战略的重要组成部分[8]，而电力系统是保证核动力船舶安全的最要重部分，因此研究核动力船舶电力系统配置就尤为迫切。文章通过对核动力船舶电力系统相关法规和规范的研究，从主电力系统、应急电力系统、临时电源3 个方面对核动力船舶电力系统配置进行了分析，总结出区别于常规动力船舶电力系统配置的若干要点，并结合实际的电气设计经验，对于这些要点进行了必要的分析和阐述。期望文中相关观点的阐述分析能为我国核动力船舶电力系统研究和发展提供参考。