陳玉沖, 宋 強(qiáng), 張甲楠

(渤海造船廠集團(tuán)有限公司 船舶設(shè)計(jì)研究院，遼寧 葫蘆島 125004)

0 引 言

海洋核動(dòng)力平臺(tái)是核動(dòng)力發(fā)電裝置與船舶工程的有機(jī)結(jié)合，是海上的移動(dòng)核電站，具有一次性裝料運(yùn)行周期長(zhǎng)、功率密度大、機(jī)動(dòng)性好和節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，既可為海洋石油開(kāi)采和偏遠(yuǎn)島嶼開(kāi)發(fā)提供持久、安全、有效的能源，又可應(yīng)用于海上石油鉆探、大功率船舶運(yùn)營(yíng)和島礁海水淡化等領(lǐng)域中，是解決我國(guó)遠(yuǎn)海能源供給問(wèn)題的有效工具，對(duì)我國(guó)的海洋資源開(kāi)發(fā)、島礁建設(shè)和海洋國(guó)防發(fā)展具有重要作用，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 項(xiàng)目背景

本文研究的海洋核動(dòng)力平臺(tái)項(xiàng)目配置有2個(gè)核反應(yīng)堆(熱功率為100 MWe)和2個(gè)主汽輪機(jī)(發(fā)電輸出電功率均為25 MW)[1]。在建造海洋核動(dòng)力平臺(tái)過(guò)程中，需對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)，對(duì)其加載能力、超負(fù)荷運(yùn)行能力、瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行測(cè)試[2]，并有效考核反應(yīng)堆的熱效率。對(duì)于該項(xiàng)目的汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)而言，由于該汽輪發(fā)電機(jī)具有超大容量，需對(duì)其負(fù)載方案進(jìn)行研究。

2 負(fù)載方案分析

考慮到該項(xiàng)目近似于陸地核電站，將負(fù)荷試驗(yàn)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(shí)際用電負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)；

2) 采用模擬負(fù)載(干電阻、水電阻等)進(jìn)行試驗(yàn)。

由于平臺(tái)試驗(yàn)的特點(diǎn)及特性致使輸出的電力并不穩(wěn)定和持續(xù)，對(duì)陸地電網(wǎng)有很大影響，通過(guò)在項(xiàng)目前期與國(guó)家電網(wǎng)相關(guān)部門(mén)溝通，確認(rèn)無(wú)法直接并網(wǎng)發(fā)電。對(duì)此，明確該項(xiàng)目的負(fù)荷試驗(yàn)采用模擬負(fù)載方案。

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

3 負(fù)載方案對(duì)比

3.1 水電阻負(fù)載方案

3.1.1 水電阻簡(jiǎn)介

水電阻一般由水電阻池、電解質(zhì)和電極板組成[3]，通過(guò)改變水電阻池中電解質(zhì)與極板的接觸面積(有“通過(guò)極板升降裝置改變極板的高度”和“極板固定，改變電解質(zhì)的水位”2種方式)來(lái)改變負(fù)載中并入工作電路的電阻，從而改變負(fù)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(dǎo)電的，主要用海水或稀釋的海水作為電解質(zhì))。

3.1.2 水電阻的優(yōu)缺點(diǎn)

1) 優(yōu)點(diǎn)：水電阻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，就該項(xiàng)目而言，由于其具有超大容量，可在試驗(yàn)場(chǎng)地附近制作水電阻池，通過(guò)負(fù)載電纜連接船上的配電系統(tǒng)；試驗(yàn)結(jié)束之后，水電阻池可填平改造為其他設(shè)施，對(duì)工廠內(nèi)的空間無(wú)影響。

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

3.2 干電阻負(fù)載方案

3.2.1 干電阻簡(jiǎn)介

干電阻一般由電阻、電抗器、風(fēng)機(jī)、控制系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)組成，通常采用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的箱體作為載具，采用整體化設(shè)計(jì)方式。在工作時(shí)，通過(guò)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(zhuǎn)化為熱能，達(dá)到模擬負(fù)載的目的。

3.2.2 干電阻的優(yōu)缺點(diǎn)

1) 優(yōu)點(diǎn)：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(fù)載；干電阻的自動(dòng)化程度較高，可自動(dòng)監(jiān)測(cè)和記錄負(fù)載箱的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，尤其是電阻絲的溫度可控，在超溫時(shí)會(huì)發(fā)出警報(bào)；此外，在冬季施工時(shí)室外的溫度條件對(duì)試驗(yàn)無(wú)影響。

2) 缺點(diǎn)：干電阻結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，同時(shí)維護(hù)和保養(yǎng)對(duì)試驗(yàn)人員的要求較高；此外，單個(gè)電阻箱的功率受限，需并聯(lián)布置多個(gè)電阻箱，會(huì)占用較大空間。

3.3 2種方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

表1為水電阻和干電阻優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。由表1可知，干電阻在安全性、可靠性和準(zhǔn)確性等方面都比水電阻更有優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用比較廣泛，因此選用干電阻負(fù)載方案。

4 負(fù)載方案應(yīng)用

4.1 干電阻負(fù)載需求

干電阻負(fù)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(wú)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(diǎn)對(duì)比

干電阻設(shè)計(jì)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(jī)輸出電壓為10.5 kV，需經(jīng)過(guò)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(shè)計(jì)的阻感一體化負(fù)載；每套負(fù)荷站的容量為6 250 kV·A，共5套；負(fù)載回路元器件工作電壓均按照690 V設(shè)計(jì)，滿足在該電壓下長(zhǎng)期工作的需求。

干式負(fù)荷站用于完成汽輪發(fā)電機(jī)組瞬態(tài)性能試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)性能試驗(yàn)和負(fù)荷試驗(yàn)，設(shè)置有功和無(wú)功負(fù)載控制、檢測(cè)和保護(hù)電路。

干電阻箱設(shè)計(jì)單線圖見(jiàn)圖1，電阻器采用電阻管形式，電阻絲的材質(zhì)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(yùn)行。單個(gè)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(fù)載。電抗器的無(wú)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(shè)置ACB空氣斷路器和MCCB塑殼式斷路器進(jìn)行短路保護(hù)，并設(shè)置8臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱，25 kV·A變壓器和220 V電力分電箱負(fù)責(zé)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(fù)載箱總開(kāi)關(guān)，應(yīng)帶電操和通信功能，并具有過(guò)載、短路和欠壓保護(hù)功能；

2) 風(fēng)機(jī)的數(shù)量和容量應(yīng)根據(jù)實(shí)際通風(fēng)散熱確定；

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

4) 本地應(yīng)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)(工控機(jī)軟件設(shè)定)控制，遙控可安全加減載、主開(kāi)關(guān)分合閘、應(yīng)急停止和必要的檢測(cè)信號(hào)、狀態(tài)、報(bào)警顯示；

5) 控制和檢測(cè)設(shè)備應(yīng)提供不中斷電源，以保證應(yīng)急工況操作；

6) 控制操作區(qū)域內(nèi)應(yīng)提供空調(diào)和溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警

圖1干電阻箱設(shè)計(jì)單線圖

4.2 干電阻控制方式需求

控制方式應(yīng)分為就地自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、本地手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程手動(dòng)控制等4種。系統(tǒng)應(yīng)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示功能、數(shù)據(jù)報(bào)表生成功能、存檔與打印功能、單機(jī)測(cè)試功能和并機(jī)測(cè)試功能，多臺(tái)設(shè)備可任意組合，通過(guò)1臺(tái)設(shè)備控制多臺(tái)設(shè)備同步加載和減載。

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

圖2 多機(jī)并載示意

4.3 干電阻電纜選型

單臺(tái)干電阻箱負(fù)載電流的計(jì)算式為

I=P×1 000/1.732×U×cosΦ×α

(1)

式(1)中：I為負(fù)載電流，A；P為單臺(tái)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(jì)算結(jié)果可知：每個(gè)負(fù)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(jì)算，單根電纜的長(zhǎng)度為100 m(從汽輪發(fā)電機(jī)至變壓器原邊的距離)；每個(gè)負(fù)載箱3根電纜，共30根，備用1根(更好地為柴油發(fā)電機(jī)測(cè)試提供保障)，每套設(shè)備滿載共計(jì)31根電纜。10套設(shè)備的中壓電纜總長(zhǎng)為3 100 m。

變電箱低壓側(cè)到負(fù)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(jì)算，單根電纜的長(zhǎng)度為10 m(變電箱和負(fù)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(jī)測(cè)試提供保障)，每套設(shè)備滿載共計(jì)34根電纜。10套設(shè)備(共340根電纜)的低壓電纜總長(zhǎng)為3 400 m。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)海洋核動(dòng)力平臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組負(fù)荷試驗(yàn)超大負(fù)載電阻方案進(jìn)行研究，明確了以干電阻作為負(fù)載的試驗(yàn)方向，提出了負(fù)載需求和解決方案，為后續(xù)試驗(yàn)的開(kāi)展奠定了基礎(chǔ)。

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