陳玉沖, 宋 強, 張甲楠

(渤海造船廠集團有限公司 船舶設計研究院，遼寧 葫蘆島 125004)

0 引 言

海洋核動力平臺是核動力發(fā)電裝置與船舶工程的有機結合，是海上的移動核電站，具有一次性裝料運行周期長、功率密度大、機動性好和節(jié)能環(huán)保等特點，既可為海洋石油開采和偏遠島嶼開發(fā)提供持久、安全、有效的能源，又可應用于海上石油鉆探、大功率船舶運營和島礁海水淡化等領域中，是解決我國遠海能源供給問題的有效工具，對我國的海洋資源開發(fā)、島礁建設和海洋國防發(fā)展具有重要作用，具有廣闊的市場前景。

1 項目背景

本文研究的海洋核動力平臺項目配置有2個核反應堆(熱功率為100 MWe)和2個主汽輪機(發(fā)電輸出電功率均為25 MW)[1]。在建造海洋核動力平臺過程中，需對汽輪發(fā)電機組進行負荷試驗，對其加載能力、超負荷運行能力、瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能進行測試[2]，并有效考核反應堆的熱效率。對于該項目的汽輪發(fā)電機負荷試驗而言，由于該汽輪發(fā)電機具有超大容量，需對其負載方案進行研究。

2 負載方案分析

考慮到該項目近似于陸地核電站，將負荷試驗的主要方向確定為：

1) 直接并入陸地電網(wǎng)，采用工廠和居民區(qū)的實際用電負載進行試驗；

2) 采用模擬負載(干電阻、水電阻等)進行試驗。

由于平臺試驗的特點及特性致使輸出的電力并不穩(wěn)定和持續(xù)，對陸地電網(wǎng)有很大影響，通過在項目前期與國家電網(wǎng)相關部門溝通，確認無法直接并網(wǎng)發(fā)電。對此，明確該項目的負荷試驗采用模擬負載方案。

模擬負載方案可分為干電阻和水電阻2種，下面對比分析這2種負載方案的優(yōu)點和缺點，以最終確定采用哪種負載方案。

3 負載方案對比

3.1 水電阻負載方案

3.1.1 水電阻簡介

水電阻一般由水電阻池、電解質和電極板組成[3]，通過改變水電阻池中電解質與極板的接觸面積(有“通過極板升降裝置改變極板的高度”和“極板固定，改變電解質的水位”2種方式)來改變負載中并入工作電路的電阻，從而改變負荷電流的大小(純水的電阻率一般小于10 MΩ·cm，水越純，電阻率就越大；正常的純凈水是不導電的，主要用海水或稀釋的海水作為電解質)。

3.1.2 水電阻的優(yōu)缺點

1) 優(yōu)點：水電阻結構簡單、造價低，就該項目而言，由于其具有超大容量，可在試驗場地附近制作水電阻池，通過負載電纜連接船上的配電系統(tǒng)；試驗結束之后，水電阻池可填平改造為其他設施，對工廠內(nèi)的空間無影響。

2) 缺點：水電阻的極板直接與電解液(一般為海水)接觸，存在嚴重的腐蝕問題，需定期更換；水電阻池及其他控制部分均為露天設備，工作環(huán)境較差，若需在北方地區(qū)的冬季開展試驗，則需添加大量防凍液，無功功率部分需單獨增加電抗器并聯(lián)運行。

3.2 干電阻負載方案

3.2.1 干電阻簡介

干電阻一般由電阻、電抗器、風機、控制系統(tǒng)和監(jiān)測報警系統(tǒng)組成，通常采用標準集裝箱的箱體作為載具，采用整體化設計方式。在工作時，通過斷路器控制不同的電阻絲與電網(wǎng)連接，將電網(wǎng)傳輸?shù)碾娔苻D化為熱能，達到模擬負載的目的。

3.2.2 干電阻的優(yōu)缺點

1) 優(yōu)點：干電阻因具有較小的溫度系數(shù)，穩(wěn)定性較好；電阻絲和電抗器采用不同規(guī)格的產(chǎn)品，方便靈活增加和減少負載；干電阻的自動化程度較高，可自動監(jiān)測和記錄負載箱的各項數(shù)據(jù)，尤其是電阻絲的溫度可控，在超溫時會發(fā)出警報；此外，在冬季施工時室外的溫度條件對試驗無影響。

2) 缺點：干電阻結構復雜、造價高，同時維護和保養(yǎng)對試驗人員的要求較高；此外，單個電阻箱的功率受限，需并聯(lián)布置多個電阻箱，會占用較大空間。

3.3 2種方案優(yōu)缺點對比

表1為水電阻和干電阻優(yōu)缺點對比。由表1可知，干電阻在安全性、可靠性和準確性等方面都比水電阻更有優(yōu)勢，應用比較廣泛，因此選用干電阻負載方案。

4 負載方案應用

4.1 干電阻負載需求

干電阻負載基本需求為：額定電壓AC 400 V；視在功率62 500 kV·A； 有功功率50 MW；無功功率37 500 kVar；功率因數(shù)0.8～1.0可調(diào)。

表1 水電阻和干電阻優(yōu)缺點對比

干電阻設計為31.25 MV·A/25 MW/18.75 MVar，共2套，是按照額定電壓400 V(適用電壓為380～690 V；汽輪發(fā)電機輸出電壓為10.5 kV，需經(jīng)過變壓器降壓)、額定頻率50 Hz(適用頻率為50～60 Hz)和功率因數(shù)0.8(功率因數(shù)0.1～1.0可調(diào))設計的阻感一體化負載；每套負荷站的容量為6 250 kV·A，共5套；負載回路元器件工作電壓均按照690 V設計，滿足在該電壓下長期工作的需求。

干式負荷站用于完成汽輪發(fā)電機組瞬態(tài)性能試驗、穩(wěn)態(tài)性能試驗和負荷試驗，設置有功和無功負載控制、檢測和保護電路。

干電阻箱設計單線圖見圖1，電阻器采用電阻管形式，電阻絲的材質為鎳鉻合金，填充物為高溫絕緣氧化鎂，保證在2 000 ℃下正常運行。單個電阻器的功率選取為200 kW、100 kW、50 kW、20 kW、10 kW、5 kW、2 kW和1 kW等，可精確增加負載。電抗器的無功功率選取為200 kVar、100 kVar、50 kVar、20 kVar、10 kVar、5 kVar、2 kVar和1 kVar，干電阻箱內(nèi)設置ACB空氣斷路器和MCCB塑殼式斷路器進行短路保護，并設置8臺軸流風機進行散熱，25 kV·A變壓器和220 V電力分電箱負責為干電阻箱內(nèi)部控制回路、空調(diào)和照明燈等提供電力支持。

注：1) 主空氣斷路器用于負載箱總開關，應帶電操和通信功能，并具有過載、短路和欠壓保護功能；

2) 風機的數(shù)量和容量應根據(jù)實際通風散熱確定；

3) 除了外接電纜及外部變壓器，所有設備都應布置在集裝箱內(nèi)，控制操作區(qū)應與負載區(qū)隔離；

4) 本地應可實現(xiàn)手動和自動(工控機軟件設定)控制，遙控可安全加減載、主開關分合閘、應急停止和必要的檢測信號、狀態(tài)、報警顯示；

5) 控制和檢測設備應提供不中斷電源，以保證應急工況操作；

6) 控制操作區(qū)域內(nèi)應提供空調(diào)和溫度監(jiān)測報警

圖1干電阻箱設計單線圖

4.2 干電阻控制方式需求

控制方式應分為就地自動控制、遠程自動控制、本地手動控制和遠程手動控制等4種。系統(tǒng)應具有實時數(shù)據(jù)顯示功能、數(shù)據(jù)報表生成功能、存檔與打印功能、單機測試功能和并機測試功能，多臺設備可任意組合，通過1臺設備控制多臺設備同步加載和減載。

為滿足上述控制功能需求，干電阻箱設計為可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)控制，由良好的人機工程界面控制，采用PT100型鉑電阻傳感器監(jiān)測電阻器的溫度和溫升，通過RS485總線式通信協(xié)議與被測試發(fā)電機組通信，所有被測量的數(shù)據(jù)和測量結果應通過打印機接口輸出。圖2為多機并載示意。

圖2 多機并載示意

4.3 干電阻電纜選型

單臺干電阻箱負載電流的計算式為

I=P×1 000/1.732×U×cosΦ×α

(1)

式(1)中：I為負載電流，A；P為單臺電阻箱功率，W；U為額定電壓，V；cosΦ為功率因數(shù)；α為修正系數(shù)(環(huán)境溫度)。由此可得I=405 A。

由上述計算結果可知：每個負載箱(6 250 kV·A/5 000 kW/PF0.8/10.5 kV/690 V)每相電流為405 A，每根185 mm2的電纜承載的電流按440 A計算，單根電纜的長度為100 m(從汽輪發(fā)電機至變壓器原邊的距離)；每個負載箱3根電纜，共30根，備用1根(更好地為柴油發(fā)電機測試提供保障)，每套設備滿載共計31根電纜。10套設備的中壓電纜總長為3 100 m。

變電箱低壓側到負荷站每相總電流為5 300 A，每根240 mm2的電纜承載的電流按520 A計算，單根電纜的長度為10 m(變電箱和負荷站可放在一起)，每相11根，3相共33根，備用1根(更好地為柴油發(fā)電機測試提供保障)，每套設備滿載共計34根電纜。10套設備(共340根電纜)的低壓電纜總長為3 400 m。

5 結 語

本文通過對海洋核動力平臺汽輪發(fā)電機組負荷試驗超大負載電阻方案進行研究，明確了以干電阻作為負載的試驗方向，提出了負載需求和解決方案，為后續(xù)試驗的開展奠定了基礎。

目前海洋核動力平臺示范工程項目正處在前期研究階段，具體試驗項目和內(nèi)容還未確定，因此提出的試驗負載電阻方案仍處于前期論證階段，涉及的方案描述和技術參數(shù)等內(nèi)容有待在后續(xù)研究中進行驗證和完善。