王國(guó)棟， 王春升， 劉 聰， 譚 越， 張 明， 平朝春

(中海油研究總院， 北京 100028)

為海上稠油熱采平臺(tái)供電供熱的自升式核電平臺(tái)方案研究

王國(guó)棟， 王春升， 劉 聰， 譚 越， 張 明， 平朝春

(中海油研究總院， 北京 100028)

自升式海上核電平臺(tái)在國(guó)內(nèi)外尚無(wú)建設(shè)案例，該文以渤海海域可為稠油熱采平臺(tái)供電供熱的自升式核電平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)其設(shè)計(jì)、布置以及核反應(yīng)堆的換料等問(wèn)題進(jìn)行了分析總結(jié)，為今后海上核電平臺(tái)與稠油熱采相結(jié)合的研究提供參考。

自升式核電平臺(tái)；稠油熱采；供電；供熱

0 引言

該文設(shè)計(jì)了一個(gè)自升式核電平臺(tái)，通過(guò)海底電纜和保溫輸熱水管線(xiàn)向稠油熱采平臺(tái)[1～3]提供電能和熱水(熱水熱源來(lái)自核能廢熱[4])，從而解決稠油熱采平臺(tái)對(duì)電能和熱水的需求問(wèn)題，核電平臺(tái)向稠油熱采平臺(tái)群供電供熱示意圖如圖1所示。圖1中的核電平臺(tái)需要回到基地進(jìn)行定期換料，而受到輸水管和電纜接頭位于海上的限制，去往熱采平臺(tái)的電纜和輸熱水管線(xiàn)與核電平臺(tái)的連接成為需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，同時(shí)還要將核島布置到自升式核電平臺(tái)的合理位置，并選取合適的換料方式。

圖1 核電平臺(tái)向稠油熱采平臺(tái)群供電供熱示意圖

1 自升式核電平臺(tái)安全性分析

1.1 自升式核電平臺(tái)環(huán)境可行性

依據(jù)海工現(xiàn)有成熟的施工技術(shù)，參考已建成的海上平臺(tái)，并考慮一些不利自然條件(諸如臺(tái)風(fēng)、暴雨、海嘯、龍卷風(fēng)、地震、極端環(huán)境溫度等)不會(huì)成為制約海上核電平臺(tái)建設(shè)的顛覆性因素，初步判斷渤海海域建設(shè)自升式核電平臺(tái)具有可行性，具體位置可根據(jù)海域條件、現(xiàn)有平臺(tái)分布以及地質(zhì)勘察等情況綜合考慮確定。

1.2 自升式核電平臺(tái)安保系統(tǒng)

為了保證海上核電站的安全運(yùn)行和核材料的合法使用，參照成熟大型商用核電站安保系統(tǒng)的措施和經(jīng)驗(yàn)，建立起海上小型核電站的實(shí)物保護(hù)(安保)系統(tǒng)，并應(yīng)用于海上核電廠(chǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、改造和運(yùn)行全部過(guò)程中。由于海上油田工作環(huán)境特殊，距離陸地較遠(yuǎn)，海洋平臺(tái)或船體外圍需設(shè)置核電廠(chǎng)緩沖區(qū)，將反應(yīng)堆為中心、半徑500 m的范圍設(shè)置為保護(hù)限制區(qū)。限制區(qū)邊界設(shè)置浮標(biāo)警示標(biāo)志，限制區(qū)內(nèi)控制人員長(zhǎng)期居留，禁止建設(shè)海上鉆井平臺(tái)、采油平臺(tái)、海上油庫(kù)等對(duì)核電廠(chǎng)安全存在威脅的項(xiàng)目，對(duì)軍事、貨運(yùn)、客運(yùn)、漁業(yè)等海洋船舶出入進(jìn)行控制，以確保核電廠(chǎng)安全。

1.3 自升式核電平臺(tái)應(yīng)急預(yù)案

自升式核電平臺(tái)的小型化核反應(yīng)堆采用全非能動(dòng)安全系統(tǒng)。半潛式平臺(tái)采取深吃水設(shè)計(jì)，將嚴(yán)重事故工況下的海水作為最終熱阱，對(duì)環(huán)境的放射性釋放量滿(mǎn)足國(guó)家相關(guān)法規(guī)要求。平臺(tái)位于渤海海域，遠(yuǎn)離陸上居民區(qū)，無(wú)需設(shè)置場(chǎng)外應(yīng)急活動(dòng)，應(yīng)急響應(yīng)極為簡(jiǎn)化，僅需500 m保護(hù)限制區(qū)內(nèi)應(yīng)急，無(wú)需場(chǎng)外應(yīng)急。

1.4 自升式核電平臺(tái)放射性廢物處理

自升式核電平臺(tái)上備有足夠固體放射性廢物的隔離儲(chǔ)存艙室，高放濃縮固化儲(chǔ)存，在換料大修期間，可以在船塢換料時(shí)卸載運(yùn)輸?shù)胶Ｉ虾穗娬娟懮匣氐碾x堆廢物處理中心進(jìn)行處理。

2 自升式核電平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 自升式核電平臺(tái)主船體

主船體整體是一個(gè)水密結(jié)構(gòu)，對(duì)于完整破損穩(wěn)性擁有足夠的水密分艙[5]。主船體通過(guò)升降裝置與樁腿連接到一起，主船體位于樁腿的上部，當(dāng)主船體移動(dòng)到水面時(shí)，可以為自升式核電平臺(tái)提供浮力?？紤]核島的安全性，將核電沉箱布置在水面以下、樁腿下部，核電沉箱通過(guò)升降裝置與樁腿連接到一起，如圖2所示。主船體與核電沉箱間有兩條圓形硬通道，通道直徑為2 m。當(dāng)核電平臺(tái)處于工作狀態(tài)時(shí)，工作人員通過(guò)圓形硬通道進(jìn)出核電沉箱，當(dāng)核電平臺(tái)停運(yùn)需要返回基地進(jìn)行換料或者大修時(shí)，兩條通道會(huì)隨著核電沉箱一起上移，進(jìn)入非工作狀態(tài)。

圖2 核電平臺(tái)立面圖

2.2 自升式核電平臺(tái)主甲板

平臺(tái)主甲板東側(cè)布置了生活樓，用于核電平臺(tái)日常運(yùn)行工作人員居住。生活樓上設(shè)置有直升機(jī)甲板，用于直升機(jī)的起降[6]。兩艘救生艇懸掛于生活樓東側(cè)舷外。平臺(tái)主甲板中間布置了核動(dòng)力控制中心、變壓器間、應(yīng)急發(fā)電機(jī)房間、油料間和應(yīng)急開(kāi)關(guān)間。其中，應(yīng)急發(fā)電機(jī)為核島正常運(yùn)行提供了保障，甲板西側(cè)布置了海水制淡設(shè)備，為核能發(fā)電提供所需水源，主甲板南北兩側(cè)布置有兩條吊機(jī)，用于平臺(tái)日常運(yùn)行吊貨等操作，如圖3所示。

圖3 核電平臺(tái)主甲板布置圖

2.3 自升式核電平臺(tái)熱電通道

主船體與核電沉箱間有兩條圓形硬通道，通道直徑為2 m。從安全的角度考慮，將兩個(gè)通道成對(duì)角線(xiàn)位置布置，其中通道1中布置了來(lái)自核電沉箱的電纜和輸水管、通風(fēng)管線(xiàn)、環(huán)形梯等，通道2作為備用安全通道，布置了通風(fēng)管線(xiàn)、環(huán)形梯等，如圖4所示。核電沉箱與兩個(gè)通道進(jìn)行密封連接，通道與船體間為滑動(dòng)連接，當(dāng)需要返回陸地?fù)Q料時(shí)，主船體與核電沉箱的間距減小，兩個(gè)通道會(huì)伴隨核電沉箱上升而上升，由于核電已停運(yùn)，兩條通道進(jìn)入暫停使用狀態(tài)。

圖4 核電平臺(tái)通道布置圖

由于通道中的電纜、水管以及通風(fēng)管線(xiàn)固定在通道上，為了適應(yīng)通道與船體產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從通道出來(lái)的管線(xiàn)采用軟管結(jié)構(gòu)，同時(shí)在船體主甲板上設(shè)置緩沖卷車(chē)，用于調(diào)節(jié)管線(xiàn)管纜的長(zhǎng)度，如圖5所示。

2.4 自升式核電平臺(tái)核電沉箱

核電沉箱是核電平臺(tái)的核心部件，核電沉箱的設(shè)計(jì)與布置，對(duì)于整個(gè)核電平臺(tái)具有關(guān)鍵作用?？紤]核島的安全性，將核電沉箱布置在水面以下。核電沉箱內(nèi)布置了蒸汽輪機(jī)房、核島部分、核動(dòng)力應(yīng)急控制系統(tǒng)等，核電沉箱內(nèi)四周布置有壓載水艙，用于控制核電沉箱的平衡和浮力大小。兩個(gè)機(jī)艙布置在壓載水艙附近，用于放置壓載水艙用壓排載泵等。核電沉箱內(nèi)四個(gè)角為樁腿套筒，通過(guò)升降裝置連接核電沉箱和樁腿。核電沉箱外殼采用雙層殼，進(jìn)一步確保核電沉箱的安全性，核電平臺(tái)沉箱布置如圖6所示。

圖6 核電平臺(tái)沉箱布置圖

2.5 水電接頭平臺(tái)

自升式核電平臺(tái)可以通過(guò)海底電纜和保溫輸熱水管線(xiàn)分別向稠油熱采平臺(tái)提供電能和熱水，但是由于核電平臺(tái)需要回到基地進(jìn)行定期換料，受到輸水管和電纜接頭位于海上的限制，所以去往稠油熱采平臺(tái)的電纜和輸熱水管線(xiàn)與核電平臺(tái)的連接成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。該文采用了新建一個(gè)帶旋轉(zhuǎn)棧橋的水電接頭平臺(tái)，接頭平臺(tái)布置了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)棧橋，一個(gè)棧橋上布置了一條輸水管線(xiàn)，該輸水管線(xiàn)兩端分別連接輸往熱采平臺(tái)的立管和來(lái)自核電平臺(tái)的輸水管快速接頭，另一個(gè)棧橋上布置了一條電纜，該電纜兩端分別連接輸往熱采平臺(tái)的海底電纜和來(lái)自核電平臺(tái)的電纜快速接頭，如圖7所示。

圖7 帶旋轉(zhuǎn)棧橋的輸水輸電接頭平臺(tái)示意圖

核電平臺(tái)和水電接頭平臺(tái)上都有支持結(jié)構(gòu)，當(dāng)核電平臺(tái)要離開(kāi)工作位置去基地?fù)Q料時(shí)，拆開(kāi)輸水管和輸電電纜的快速接頭，將水電接頭平臺(tái)的棧橋向上旋轉(zhuǎn)到一定位置并進(jìn)行固定，然后用拖輪拖走自升式核電平臺(tái)。

當(dāng)自升式核電平臺(tái)完成換料回到工作位置時(shí)，放下水電接頭平臺(tái)的棧橋，依次連接好輸水管線(xiàn)接頭和電纜接頭，經(jīng)過(guò)調(diào)試，即可向稠油熱采平臺(tái)供電供熱。

2.6 自升式核電平臺(tái)的換料問(wèn)題

核島換料對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)有較高要求，渤海區(qū)域在平臺(tái)上無(wú)法滿(mǎn)足換料操作要求，需要將核電平臺(tái)運(yùn)回基地進(jìn)行換料作業(yè)，換料周期為2年，自升式核電平臺(tái)具有的運(yùn)動(dòng)性可以解決這個(gè)問(wèn)題。

當(dāng)進(jìn)入換料周期時(shí)，通過(guò)升降裝置使船體下移到水面位置，然后排掉核電沉箱中的壓載水艙，使核電沉箱具有一定浮力，同時(shí)通過(guò)升降裝置使核島沉箱上移，不斷調(diào)整船體和核電沉箱的位置，使自升式核電平臺(tái)漂浮在水面上，并與海平面保持一定的安全距離。同時(shí)，用拖輪固定自升式平臺(tái)，并牽引到換料基地進(jìn)行換料作業(yè)，如圖8、圖9所示。

圖8 拖輪拖動(dòng)核電平臺(tái)返回基地立面示意圖

圖9 拖輪拖動(dòng)核電平臺(tái)返回基地平面示意圖

3 結(jié)論

自升式可移動(dòng)核電平臺(tái)是一個(gè)綜合了自升式可移動(dòng)平臺(tái)功能與核能供電、供熱功能的綜合功能平臺(tái)，將其關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)如下：

(1) 主船體具有浮力并通過(guò)升降裝置控制與樁腿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)核電沉箱內(nèi)的壓載水艙水量變化可以產(chǎn)生浮力或重力并通過(guò)升降裝置控制與樁腿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使核電平臺(tái)具有了自升式可移動(dòng)性能，這種自升式可移動(dòng)性能可以解決核電平臺(tái)返回基地?fù)Q料的問(wèn)題。

(2) 核電平臺(tái)安裝有可以發(fā)電的核電沉箱，可以為海上稠油熱采平臺(tái)提供電能。

(3) 核電沉箱內(nèi)核反應(yīng)堆的二回路系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能可以通過(guò)海底管線(xiàn)輸送到稠油熱采平臺(tái)。

(4) 水電接頭平臺(tái)的設(shè)計(jì)，可以解決由于核電平臺(tái)換料返回陸地期間管線(xiàn)管纜需要斷開(kāi)的問(wèn)題。

(5) 熱電通道的布置以及緩沖卷車(chē)的設(shè)計(jì)，可以解決主甲板和核電沉箱產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)管線(xiàn)管纜的連接問(wèn)題。

(6) 主甲板上布置有生活樓，解決了核電平臺(tái)人員的居住問(wèn)題。

自升式可移動(dòng)核電平臺(tái)具有重復(fù)利用、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但是國(guó)內(nèi)外尚無(wú)實(shí)際工程案例，因此需要進(jìn)行更深入的研究，使自升式可移動(dòng)核電平臺(tái)為稠油熱采平臺(tái)供電供熱進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)階段，從而實(shí)現(xiàn)稠油熱采的降本增效。

[1] 姜偉. 國(guó)外稠油開(kāi)發(fā)技術(shù)的應(yīng)用與思考[C]. 2005年學(xué)術(shù)研討會(huì)暨第五屆石油鉆井院所長(zhǎng)會(huì)議，2005.

[2] 姜杰，李敬松，祁成祥，等. 海上稠油多元熱流體吞吐開(kāi)采技術(shù)研究[J]. 油氣藏評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā), 2012(4)：38-40.

[3] 李安夏，林日億,邵菲菲，等. 稠油熱采蒸汽吞吐?tīng)F井壓降過(guò)程分析[J]. 油氣田地面工程, 2011(4)：19-21.

[4] 馬進(jìn).核能發(fā)電原理[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2011.

[5] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì). 海洋石油工程設(shè)計(jì)概論與工藝設(shè)計(jì)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[6] 中國(guó)海洋石油總公司. 海洋石油直升機(jī)甲板起降安全規(guī)范：Q/HS4023-2011[S].2011.

Research on the Scheme of the Jack-up Nuclear Platform for the Heating of the Offshore Heavy Oil Thermal Recovery Platform

WANG Guo-dong, WANG Chun-sheng, LIU Cong, TAN Yue, ZHANG Ming, PING Chao-chun

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

There is no case of the construction of the offshore jack-up nuclear power platform at home and abroad, Marine nuclear power platform can use the floating nuclear power platform , the mobile nuclear power jack-up platform and the fixed nuclear power platform and so on, the author of this paper analyzes the design and arrangement of the mobile nuclear power jack-up platform which can supply power and heating for the thermal recovery of heavy oil platform in the bohai sea, and the key techniques such as the nuclear reactor refueling problems are also analyzed in this paper, by this paper we hope it can help the future research of the combination of marine nuclear power platform and thermal recovery of heavy oil research.

jack-up nuclear power platform； heavy oil thermal recovery； the power supply； the heating supply

1001-4500(2016)06-0027-07

2016-03-11

王國(guó)棟(1985-)，男，工程師。

F416.22

A