ACPR50S小型堆核电站海上平台形式论证_李华成

ACPR50S小型堆核电站海上平台形式论证_李华成 GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船2015年第6期(总第145期) 设计与研究 ACPR50S小型堆核电站海上平台形式论证 李华成1，刘 聪2，劳业程3，谭 越2，马 强2，李 敏1 (1.广州船舶及海洋工程设计研究院，广州510250;2.中海油研究总院，北京100028;3.中科华核电技术研究院有限公司，深圳518026)摘 要:海上浮式平台用于安装海上小型堆，提供必须的工作、生活场所，是整个海上小型堆核电站的基础平台。本文以渤海为海上小型堆核电站的工作海域，根据海上小型堆核电站的基本功能要求，论证海上浮式平台的形式。通过比较各种平台形式的水深适用性、可移动性、运动性能、稳性、安全性等性能，船型平台和圆筒型平台以水深适应性好、可移动性优、环境适应性强、成本低等特点较好地满足了设计要求，在渤海海域工作的海上浮式平台宜采用这两种形式。 关键词:海上小型堆核电站;海上浮式平台;平台形式;渤海 中图分类号:,,54 文献标识码:, Floating Platform Type Design for ACPR50S Small Offshore Nuclear Power Plant LI Huacheng1, LIU Cong2, LAO Yecheng3, TAN Yue2, MA Qiang2,LI ——————————————————————————————————————————————— Min1 (1. Guangzhou Marine Engineering Corporation, Guangzhou 510250; 2. Research Institute of CNOOC, Beijing 100028; 3. China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzhen 518026) Abstract: Floating platform is the basic platform for the small o? shore nuclear power plant at sea and used to install o? shore ? oating reactor and providing a place for necessary living and working needs. This paper demonstrates the most suitable type of ? oating platform for o? shore nuclear power station at Bohai Sea as the operation region, based on basic functional requirements of the nuclear station. The ship type and cylindrical type are proved to be the most appropriate platforms because of adaptability, mobility, suitability, stability and security by comparing the performances of various platforms. Keywords:Small o? shore nuclear power plant,;Floating platform,; Type of platform, Bohai Sea 1 引言 随着我国海洋经济开发逐渐深化和国家海权维护战 略需求不断凸显，对海上分布式能源基地的需求已经显 现。海上小型堆核电站以其功率密度高、燃料补给需求 低、安全经济、多用途、清洁无污染等特点，成为满足 海上能源需求的首选。 海上小型堆核电站属于民用核电设施，以成熟的大 ——————————————————————————————————————————————— 型陆上商用压水堆核电站为参考，结合目标海域环境条 件，借鉴成熟的船舶及海洋工程技术，将海上小型堆安 装到海上浮式平台上并锚固到离岸海域中，主要用于海 洋资源开发活动中电、热、水联供和海岛、沿海、沿江 地区能源供应及应急保障。海上小型堆核电站由海上小型堆、海上浮式平台、系泊装置、陆上基地四部分组成。海上浮式平台用于安装海上小型堆，提供必须的工作、生活场所，是整个海上小型堆核电站的基础平台。本文以渤海为海上小型堆核电站的工作海域，初步论证海上浮式平台的形式。2 海上浮式平台形式2.1 平台基本功能海上小型堆核电站为渤海海域大型采油平台的能源补给站。平台形式要满足在海洋条件引起的倾斜、摇摆、振动、冲击、垂荡等作用下，海上小型堆核电作者简介:李华成(1967-)，男，高级工程师。主要从事船体设计工作。 刘 聪(1973-)，男，高级工程师。主要从事海洋石油电力系统研究与设计工作。 收稿日期:2015-08-19 33 李华成，刘 聪，等 ACPR50S小型堆核电站海上平台形式论证 站能够实现正常运行、启动、停闭，满足电厂机动性要求，并能长期安全地系泊于渤海海域。反应堆在换料周期结束之后需要进行换料，而换料过程精度要求高，对环境条件要求非常严格，因此需要拖——————————————————————————————————————————————— 航回陆上基地进行更换;在极端恶劣海况时能采取应急措施，撤离作业海域，保证人员与平台的安全，因此，平台形式必须满足拖航条件。 2.2 主要平台形式分析 平台的形式根据结构形式不同可分为固定式平台和移动式平台两大类:固定式平台包括钢质导管架平台、混凝土重力式平台、张力腿式平台、牵索塔式平台等;移动式平台则包括坐底式平台、自升式平台、半潜式平台、浮船式平台等。 平台形式的选取首先必须满足使用要求。海上小型堆核电站需回到陆上基地换料且在紧急情况下需撤离危险海域，而固定式平台由于其结构形式的限制移动不便，不太适用于海上浮动核电站平台，因此本项目考虑采用移动式平台。 通过对目前已有的各类海上油气工程平台资料的收集和比较，移动式平台所包含的几种平台形式中，坐底式平台由于仅适用于极浅海域，不适合本核电站平台在渤海海域的使用要求，因此初步选定船型浮式、圆筒型浮式、半潜式、自升式四种移动式平台形式进行适用性初步分析。2.2.1 船型平台 目前海洋工程领域的FPSO作为一种海上生产设施，通常为船型，其集海上油气处理、储存、外输、生活和动力于一体，长期系泊于固定海域。船型平台在世界上已经被广泛应用，约占移动式平台总数的一半。海上小型堆核电站平台外形可采用利于建造的简易船体线型，适当考虑首柱的抗冰性能，俄罗斯在建的“罗蒙诺索夫院士”号漂浮核电站即是这种形式，如图1所示。 ——————————————————————————————————————————————— 上具有明显优势;其次，船型平台的机动性好，可以方便的从建造场地转移到作业区域，也很容易从一个海域重新部署到另一个海域;另外，船型平台能够以较低的船体建造费用提供最经济的开发，建造技术相对成熟。对于采用单点或多点系泊系统的船型平台，常用于50~600 m水深，适用于渤海海域水深条件。 船型平台的主要缺点是需要额外的船用设备和人员，操作费用相对较高，同时船体的总纵强度较差。船型平台一般需要采用单点系泊系统，这会对立管的尺寸和数量形成约束，需要用到相对比较贵的含高压电滑环的旋转接头和柔性管。2.2.2 圆筒型平台 圆筒形平台是船型平台的改进型，近年来得到了非常广泛的应用，美国麻省理工学院漂浮核电站设想外形即是这种形式，如图2所示。 图2 美国麻省理工学院漂浮核电站外形设计方案 圆筒型平台的优点是结构简单，无需转塔就能很好的适应风、浪、流对船体的影响，各向可承受环境载荷的能力基本相同，总纵强度大为改善，安全性明显提高;平台重心相对较低，同时具有各向同性的惯性矩和较小的惯性半径，从而具有更好的稳性，也减少了普通船型结构首部和尾部的纵摇，横摇角度也较小，使整体结构更稳定;平台在波浪上的跨距短，可显著减小波浪弯矩，同时降低疲劳载荷;平台的布置空间充裕，各功能舱室均围绕反应堆布置，空间利用率高，工艺顺畅。 圆筒型平台的缺点是在建造和靠泊码头时对船坞和码头的要求相对较高，建造工艺与普通船型相比更为复杂。 ——————————————————————————————————————————————— 2.2.3 半潜式平台 半潜式平台由坐底式平台发展而来，上部为工作甲 图1“罗蒙诺索夫院士”号漂浮核电站外形 船型平台拥有宽阔的甲板面积和装载能力，便于布置各种核电生产设施，在各功能舱室划分和布局 板，下部为浮体，用支撑立柱连接。工作时浮体潜入水中，甲板处于水上安全高度。这种形式也是海上核电站 可能采用的形式，典型的布置形式如图3所示。 34 GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船2015年第6期(总第145期) 设计与研究 可变载荷也相对较小。此外，在平台运移、插桩升平台和拔桩降平台作业过程中也存在安全风险。 2.3不同平台系泊性能分析 2.3.1船型平台 一般使用单点系泊系统，输送电力、热水等需要使用复杂精密的旋转接头设备，成本相对较高;另外，船 图3 半潜式海上核电厂外形 体会绕着系泊点转动，船体的运动范围很大，船体横摇相对较大;在风浪主方向较明确且环境条件较温和时，也可考虑使用多点系泊方式。2.3.2 圆筒型平台 一般使用多点系泊系统，船体只会小范围的漂移和摇摆，平台的——————————————————————————————————————————————— 平稳性相对优良。但多点系泊系统要求外输系统的管线或电缆运动幅度比单点系泊系统大，对管线和电缆的构型设计要求相对较高。2.3.3 半潜式平台 采用多点系泊系统，系泊型式有单纯锚链系泊和锚泊+动力定位两种方式，主要根据海域环境条件和水深来确定。前一种主要适用于40,1 500 m水深以及相对温和的环境条件，后一种主要适用于400,2 500 m水深以及相对比较恶劣的环境条件。动力定位系统建造和运营成本均很高，但整个平台的运动比较平稳。2.3.4自升式平台 平台依靠桩腿支撑离开水面，不受浪、流的影响，对平台上设备安全运行和人员舒适度很有利，但抗恶劣风浪环境的能力较差，同时对地震较敏感。2.4 平台形式初选 根据本海上浮式核电站平台在渤海海域作业的要求，结合对以上几种平台形式主要性能的分析，各方案的主要优缺点对比如表1所示。 通过以上对比分析，可以看出船型平台、圆筒型平台均能较好的满足设计要求，这也是目前FPSO主流选用的平台形式。半潜式平台主要适合于深水海域，自升式平台拖航稳性差，本海上浮式核电站平台布置在渤海海域，水深较浅，而且需要经常拖航前往码头换料，因此半潜式平台和自升式平台均不适用于本核电站平台。 根据以上初步选型论证，适用于渤海海域的平台形 式初步推荐船型平台或圆筒型平台。 半潜式平台优点是运动性能优良，作业时具有很强的抗风浪能力，能抵抗百年一遇的恶劣海况;可变载荷、操作甲板面积、装载量均较——————————————————————————————————————————————— 大;多用途及作业水深范围广(40~5 000 m)，机动性好，可搬迁使用，调遣方便。 半潜式平台由于造价较高，适用于较深的海域，在浅海海域一般很少采用。此外，半潜式平台净负荷能力较小，多用于钻井作业，基本上不用于生产作业。2.2.4 自升式平台 自升式平台由工作平台、桩腿和升降机构组成:工作平台有三角形、四边形、五角形等多种形状;桩腿分为壳体和桁架两大类，壳体式桩腿适用于工作水深60 m以下水域，桁架式最大工作深水可达150 m。 自升式平台工作时桩腿着底，平台沿桩腿升离海面一定高度;移位时平台降至水面，桩腿升起，平台就像驳船，可由拖轮把它拖移到新的井位。典型自升式平台的布置形式如图4所示。 图4 自升式海上核电厂外形 自升式平台由于只依靠桩腿支撑离开水面，不会像半潜式平台那样有不可避免的摇摆、升沉和漂移，因此在各种海况下都能平稳地进行作业，确保作业人员和设备的安全;平台建造所需钢材少、造价低、可移性好、可重复使用。 自升式平台的缺点是桩腿长度有限，使它的工作水深受到限制;甲板空间较小，布置核电设备比较紧张， (下转) 35 田贤喷 3800DDWT加油船螺旋桨谐鸣分析及消除的方法 ——————————————————————————————————————————————— 样，2#船右舷在90~120 r/min情况下有谐鸣，而左舷在80~90 r/min情况下才有细微的谐鸣。 随后船东提出3 800 DWT加油船经营会在低功率和低转速下运行，所以要求船厂对桨叶谐鸣进行彻底的改进，在咨询ABS船级社、DNV&GL船级社和相关设计院后，新方案在3#船将桨叶随边的修削范围增大至0.2~1.0R，如图1所示。 DWT加油船的谐鸣得到了较完满的解决。 5 结论 (1)根据3 800 DWT加油船实桨的激振试验与尾涡频率的估算,可以认为螺旋桨产生谐鸣的机理主要是桨叶剖面尾缘涡流频率与桨叶本身振动模式中的某个特征频率相吻合，且具有足够的能量激发桨叶本身振动而引起的。 (2)为了消除实桨的谐鸣，一般可采取修削随边和增加桨叶阻尼的方法来解决。本文建议采用前一种方法，并且随边修削的范围为0.2~1.0R;因为增加桨叶阻尼可能会造成桨叶外型不规则，动平衡也存在一些难度。 (3)实船试验的结果证明,上述消除谐鸣的方法是有效的，且对航速没有什么显著影响，倒车时桨叶随边也能满足强度要求。 图1 3#加油船桨叶修改图 根据船东建议，船厂请DNV&GL船级社对3#船进行实船测量，试验结果证明谐鸣基本消除，同时噪声也在可接受范围之内。 根据3#船成功的消除螺旋桨谐鸣的方案，1#、2#、4#船也相继——————————————————————————————————————————————— 进行了0.2~1.0R桨叶的修边，使3 800 参考文献 [1] 陈可越.船舶设计实用手册[K].上海:交通电子音像出版社,2010.[2] 魏以迈,郑永敏,陈韵芬.螺旋桨鸣音的模拟研究[R],CSSRC,1984.[3] 魏以迈,郑永敏,陈韵芬.螺旋桨鸣音的模拟研究与实船上消除鸣音的有 效方法[C].水下噪声学术论文选集 (1985-2005),2005:18 [4] Stian Bakke Tornes.Singing Propeller Measurement Mawei[R].福州马尾造船 股份有限公司:2014. (上接) 表1 平台形式方案对比表 上能源需求的首选。海上浮式平台作为海上小型堆核电站的基础平台，其形式选择关系到电站的正常运行与换料维修。本文以渤海为海上小型堆核电站的作业海域，通过比较各式平台的可移动性、安全性、稳性、经济性等指标，初步推荐船型平台或圆筒型平台，在这两种平台形式中，最终选用何种形式需进一步论证比较。随着海洋开发的不断深化，海上小型堆核电站极有可能走出渤海，应用到其他的海域，平台形式需要根据实际的使用要求作深入的论证。 3 结束语 海上小型堆核电站具有功率密度高、燃料补给需求低、安全经济、多用途、清洁无污染等特点，是满足海 参考文献 ——————————————————————————————————————————————— [1] 廖谟圣.海洋石油钻采工程技术与装备[M].中国石化出版社，2010. 32 ———————————————————————————————————————————————