晉建廠 黃 虎

（1.海軍裝備部 北京 100841）（2.中國艦船研究設計中心 武漢 430060）

1 引言

核動力船舶動力強勁、續(xù)航時間長、不依賴于化石燃料，在破冰船/破冰運輸船、超大型集裝箱船、定航線遠程運輸超大型礦砂船、大型海上浮式生產(chǎn)儲油船、海上充電站等大型船舶上有較好的應用前景［1］。電力系統(tǒng)為船舶核反應堆的負荷提供必需的電力供應，是與反應堆的安全性緊密相關的重要系統(tǒng)，電力系統(tǒng)設計是核動力船舶研制的重要難題之一。

核動力船舶電力系統(tǒng)與陸地核電站不同，陸地核電站有強大而穩(wěn)定的陸地電網(wǎng)提供供電保障，且廠房面積大，可配置多臺發(fā)電機組提供應急供電。核動力船舶的電網(wǎng)屬孤島電網(wǎng)，無陸地電網(wǎng)作為支援，且總體資源緊張，配置的應急發(fā)電機組數(shù)量有限，因此，核動力船舶電力系統(tǒng)的設計面臨較多難點和關鍵點。

本文總結了國外核動力船舶電力系統(tǒng)的配置，對其設計思路進行了分析研究，可為我國核動力船舶電力系統(tǒng)的設計提供參考和借鑒。

2 俄羅斯“北極”號核動力破冰船電力系統(tǒng)

前蘇聯(lián)“北極”號核動力破冰船于20世紀70年代建造，排水量約2.3萬噸，配置2座熱功率171MW的OK-900型反應堆。圖1所示為“北極”號核動力破冰船電力系統(tǒng)原理圖［2］。

“北極”號核動力破冰船設有兩個主電站，1號主電站配置2臺2MW的汽輪發(fā)電機組，2號主電站配置3臺2MW的汽輪發(fā)電機組，另外還配置有1臺1MW的備用柴油發(fā)電機組。應急電源由應急柴油發(fā)電機組和蓄電池組組成，應急柴油發(fā)電機組單臺功率2MW。船上還配置有兩個岸電配電柜，分別連接至兩塊主配電板，用于靠岸時接收岸電［3～4］。

從“北極”號核動力破冰船的電站配置及電力系統(tǒng)原理圖可分析出其電力系統(tǒng)設計具有以下特點：

1）加強主電網(wǎng)供電的可靠性

“北極”號核動力破冰船2號主電站比1號主電站多配置了1臺汽輪發(fā)電機組和1臺備用柴油發(fā)電機組，但這兩臺機組既可為2號主配電板供電，又可通過電站間的跨接電纜為1號主配電板供電，即每個主電站除設置兩臺汽輪發(fā)電機組外，還配置有兩臺機動機組，可為任一主電站供電，以確保主電站的供電可靠性。

主電站機組中除汽輪發(fā)電機組外，還配置有不依賴于核蒸汽的柴油發(fā)電機組，以確保在核反應堆出現(xiàn)故障時，主電站仍具有一定的供電能力，為重要負荷供電。

2）核動力負荷具有多路供電路徑

核動力負荷由兩塊獨立的核動力裝置配電柜供電，每塊核動力裝置配電柜均有三路電源來源，兩路來自于兩個主電站，一路來自于應急柴油機電站。任一路電源有電即可確保重要核動力負荷的電力供應。另外，影響核安全的核動力負荷還可由兩塊獨立的核動力裝置配電柜供電，以確保任一塊核動力裝置配電柜有電即可確保核反應堆的安全。

3 法國核動力航母電力系統(tǒng)

法國20世紀90年代建造了Charles De Gaulle（戴高樂）號核動力航母，該航母裝配兩座K-15壓水堆，總熱功率300MW。該艦設置2個主蒸汽輪發(fā)電機組電站，每個電站配置2臺4000kW蒸汽輪發(fā)電機組；設置2個應急電站，每個電站配置2臺800kW柴油發(fā)電機組；設置2個安全電站，每個電站配置2臺250kW燃氣輪機發(fā)電機組，全艦總裝機容量達到20MW［5］。圖2為“戴高樂”號航母供電系統(tǒng)示意圖。

圖1 “北極”號核動力破冰船電力系統(tǒng)原理圖

圖2 “戴高樂”號航母供電系統(tǒng)示意圖

從“戴高樂”號核動力航母的電站配置及供電系統(tǒng)示意圖可推論出多重冗余設計是其電力系統(tǒng)的一大特點?！按鞲邩贰碧柡藙恿侥傅亩嘀厝哂嘣O計既體現(xiàn)在電源方面，又體現(xiàn)在配電線路方面。

電源方面，“戴高樂”號核動力航母不僅配置有汽輪發(fā)電機組和應急柴油發(fā)電機組，還配置有燃氣輪發(fā)電機組，電源層級多、種類多，各類型電源優(yōu)勢互補，確保電源的供電可靠性。

配電線路方面，采用兩舷對稱的配電網(wǎng)絡結構，保證核安全相關系統(tǒng)能得到多條線路供電。此外，不同電力來源及供電線路間保持完全獨立，在一條線路或電源損壞時不會對其它設備產(chǎn)生影響。這些都為發(fā)生事故時核安全相關系統(tǒng)能得到有效供電提供了保障。

4 美國核動力船舶電力系統(tǒng)

1）核動力商船

美國1958年開工建造的“薩凡那”號商船是世界上第一艘核動力客貨船，排水量15600噸，裝載一座熱功率76MW的反應堆，可提供推進功率2.2萬馬力，航速20節(jié)。

“薩凡那”號核動力商船配置了兩臺750kW的應急柴油發(fā)電機組和一組蓄電池組作為應急電源，反應堆出現(xiàn)故障時，兩臺應急柴油發(fā)電機組迅速啟動，向核應急負荷供電，同時，蓄電池組向儀控、監(jiān)測類負荷供電。反應堆安全冷卻后，減少了電力需求，此時，應急電源還可驅(qū)動750馬力的備用電機，為船舶提供6節(jié)的航速，緩慢前進。

此外，船上還配置了一座壓力10atm、產(chǎn)氣量3400kg/h的常規(guī)鍋爐，必要時可通過常規(guī)鍋爐為汽輪發(fā)電機組及推進汽輪機提供一定的蒸汽，確保船舶基本的電力供應和驅(qū)動動力。

2）核動力航母

美國第一代核動力航母“企業(yè)”號裝備8座A2W型壓水堆，排水量7.5萬噸，推進功率28萬馬力，航速可達33節(jié)。電力系統(tǒng)配置16臺汽輪發(fā)電機組，單機功率2.5MW，4臺應急柴油發(fā)電機組，單機功率1MW［6］。

20世紀70年代，美國開始建造其第二代核動力航母Nimitz（尼米茲）級，滿載排水量9萬噸～10萬噸［7～8］，配置兩座A4W/A1G型壓水堆，推進功率28萬馬力，航速30節(jié)以上，全艦電力系統(tǒng)配置8臺汽輪發(fā)電機組，單臺汽輪發(fā)電機組功率為8MW，4臺柴油發(fā)電機組，單臺柴油發(fā)電機組功率為2MW，全艦裝機功率為72MW［9～10］。

2009年美國正式開始建造其第三代核動力航母“福特”級，滿載排水量10萬噸［11］，配置兩座A1B型壓水堆，航速30節(jié)以上，全艦裝機容量較尼米茲級航母大幅提升，主電網(wǎng)電壓等級為13.8kV［12～13］。

從美國“薩凡那”號核動力商船及其三代核動力航母配置可分析出其核動力船舶電力系統(tǒng)具有以下特點：

1）注重電源的冗余配置

“薩凡那”號核動力商船不僅配置有應急柴油發(fā)電機組，還配置有常規(guī)鍋爐和備用推進電機，確保在反應堆故障時能夠提供必備的應急電力供應及推進動力，確保反應堆和船舶的安全。核動力航母雖未見配置常規(guī)鍋爐，但均配置有柴油發(fā)電機組提高應急供電?！捌髽I(yè)”級核動力航母配置有較多數(shù)量的汽輪發(fā)電機組，因此其柴油發(fā)電機組數(shù)量相對于反應堆數(shù)量而言較少，而“尼米茲”級和“福特”級航母每座反應堆均對應配置有柴油發(fā)電機組，確保反應堆的應急電力供應。

2）汽輪發(fā)電機組單機功率逐漸增大，數(shù)量逐漸減少

從“企業(yè)”級到“尼米茲”級核動力航母，汽輪發(fā)電機組單機功率從2.5MW增大到8MW，數(shù)量從16臺降至8臺，機組數(shù)量減少，降低了系統(tǒng)控制復雜度，減少了艦員操作的工作量，同時也說明美國汽輪發(fā)電機組單機的可靠性大幅提高。

3）電站裝機容量逐漸增大

“企業(yè)”級核動力航母電站裝機容量為44MW，“尼米茲”級核動力航母電站裝機容量為72MW，“福特”級核動力航母電站裝機容量進一步提升，電站裝機容量逐步增大，尤其是從“尼米茲”級到“福特”級，排水量幾乎沒有增加，但是電力系統(tǒng)裝機容量卻大幅增加，可見其核動力航母電氣化程度不斷提升。

5 我國核動力船舶電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢

目前我國尚無研制成功的水面核動力船舶，但隨著國力的增強，對于核動力船舶的需求越來越迫切，目前已有多家單位開展相關研究。我國核動力船舶將主要應用于極地破冰、遠洋軍艦、遠海島礁供電等領域，我國核動力船舶電力系統(tǒng)的設計思路向美國靠攏，但受限于國內(nèi)工業(yè)基礎，不能完全模仿，只能借鑒以往船舶的設計經(jīng)驗，在國外先進思想的指引下，不斷改進，發(fā)展出適合于我國的核動力船舶電力系統(tǒng)設計方法。

6 結語

本文對俄羅斯、法國、美國的核動力船舶電力系統(tǒng)進行了分析總結，為我國未來核動力船舶電力系統(tǒng)的設計提供參考，總體而言，核動力船舶電力系統(tǒng)具有以下幾個特點：

1）注重冗余配置

核動力船舶的供電以汽輪發(fā)電機組為主，各國核動力船舶均配置有柴油發(fā)電機組，且一般每座反應堆對應配置兩臺柴油發(fā)電機組，以確保電源的冗余配置。此外，部分核動力船舶還配置有其他動力源，比如“戴高樂”的燃氣輪機、“薩凡那”的常規(guī)鍋爐，這些設計表明各國均對核動力船舶電源的冗余配置高度重視，在總體資源可承受的前提下，盡量保證核動力負載的冗余供電。

2）機組數(shù)量逐漸減少，功率逐漸增大

美國作為擁有核動力航母最多的國家和核動力航母使用經(jīng)驗最豐富的國家，其航母電力系統(tǒng)配置代表著世界最先進水平和未來的發(fā)展方向，從其三代核動力航母的發(fā)展可看出，電力系統(tǒng)逐漸向著單機功率增大，機組數(shù)量減少的方向發(fā)展，這也相應要求汽輪發(fā)電機組的可靠性大幅提高。

3）電氣化程度逐步提升

美國核動力航母的電站裝機功率逐步增大，說明其電氣化程度逐步提升，全艦的自動化、智能化水平逐漸提高。