渤海灣可移動核電平臺方案研究

譚 越, 劉 聰, 王春升, 王國棟, 李世銘, 馬 強

(中海油研究總院，北京 100028)

渤海灣可移動核電平臺方案研究

譚 越, 劉 聰, 王春升, 王國棟, 李世銘, 馬 強

(中海油研究總院，北京 100028)

綜合考慮核電站的建造、安裝、調試、運行、換料及應急等各種工況，提出了一種可移動海上核電平臺。該平臺具有類似固定平臺的作業環境，在波浪條件下不會搖擺，方便了作業人員的操作與生活。將核島置于水面以下，增加了安全性。提出了人工地基型式，安裝和棄置時不必動用海上施工資源。平臺也為大型整裝油田或油田群提供了供電的解決方案。

海上核電平臺；可移動平臺；自升式平臺；渤海灣；人工地基

0 引 言

渤海灣油田主要通過自發電以及區域油田多個平臺電站聯網的方式為生產設施提供電源。目前面臨著伴生氣量遞減與電力需求增加的矛盾，以及稠油熱采所需熱能成本上升與提高采收率的矛盾。如何實現油氣產量增量并降低桶油成本，探索可持續性發展道路，成為當前生產形勢下迫切需要解決的問題。

建設海上核電站是解決上述問題的經濟而有效的方法[1]。核能是一種低碳、高效、經濟的大規模供能模式，50多年來廣泛應用于核動力航母、核動力潛艇、核動力破冰船、核動力商船和核動力發電船。采用核能發電能降低現有發電成本，就地借助海水冷卻可以有效降低核電運行成本，還可以為平臺帶來大量的熱進行稠油熱采。

世界首座浮動核電站“羅蒙諾索夫號”由俄羅斯建造，漂浮于水面上但并不“移動”[2]，其定位“設于船塢中，或錨定于海岸”，因此尚不能稱為“海上”核電站。截至目前為油氣田開發服務的海上核電站還未獲得實際應用。本文提出一種可移動海上核電平臺，可為大型整裝油田或油田群提供供電解決方案。

1 可移動平臺簡介

可移動平臺有多種類型，其中以自升式平臺最為典型。自升式平臺由一個上部平臺、樁腿和升降裝置組成。結構型式也是多種多樣的，可以按上部形狀、樁腿數量和型式、升降系統類型等區分。就渤海灣作業而言，我國已具備自升式平臺設計和建造的能力[3]。

平臺通常是具有單底或雙層底的箱形甲板結構，其形狀與樁腿的數量密切相關，一般是三腿對應三角形，四腿對應矩形。

上部甲板依靠樁腿的支撐升離水面，樁腿除了支撐平臺的全部重量外，還有承受波浪和海流的作用力。樁腿的型式可分為殼體式和桁架式，其中殼體式適用的水深范圍不超過70m[4]。

樁腿下端部的結構直接與海底接觸，有插樁型、箱墊、沉墊型等不同型式。沉墊型是將樁腿的下端固定到一個大沉墊上，因此要求海底必須是平坦的。由于沉墊的支撐面積很大，故適用于軟地基區域，如無特殊措施，不宜在淤泥區使用。沉墊型基礎不需要預壓，但在交變載荷作用下，地基會發生變形和強度減小的情況，致使平臺發生滑移[5]。

平臺沉墊中要設置一些壓載艙,以便注入海水增加平臺的重量來達到增加摩擦力的目的。根據設計經驗,沉墊中除了必要的油艙、水艙、泵艙等艙室外,應盡量設計成壓載艙,配置給排水管系,而不設置空艙,以最大限度地增加平臺坐底后的重量。為了油氣田開發以及更有效地利用這些艙室，可將自升式平臺的沉墊設計為儲油艙，使其具有水下儲油功能[6]。

2 核電平臺主體方案

綜合考慮建造、拖航、安裝、維護性、重復利用及渤海海域的實際環境和地質條件，海上核電平臺的主要關鍵技術有: 適合渤海灣海域應用；核設施須置于海面下；平臺須滿足抗高強度地震的要求；可方便地解脫及連接；考慮海上換料的可行性。

自升式平臺站立作業狀態時，將樁腿插入或坐入海底，船體順著樁腿上爬，離開海面，工作時可不受海水運動的影響，類似于樁基的固定平臺；而當遷移拖航時，它將樁腿上升依靠平臺船體部分浮力實現自浮拖航，此時它又具有浮體的特性。因此，兼具固定平臺和浮式平臺特性的可移動平臺作為海上核電站的載體是較好的選擇。

2.1 核島位置

核島有堆芯置于海平面以上或以下兩種方案。采用在水面上放置核島是最簡單直接的方式，且據初步的估算，樁腿強度、升降裝置能力和甲板面積都可以滿足。但從安全性的角度考慮，不是最優的方式。

比較而言，堆芯置于海平面以下雖然增加了結構的設計、建造和安裝難度，但通過設置與海水連通的閥門，在極端嚴重事故條件下，引入海水直接冷卻，盡可能降低大量放射性物質釋放的概率(LRF)，是更為安全的選擇。

參考沉墊儲油的案例[7]，可以設計沉墊內部艙室以適應核設施的布置，但隨之帶來的問題是維護和維修的不便。因此設置相應的人員和管線通道，通道可與平臺樁腿同步升降，且不承受垂向載荷(見圖1)。管線通道為圓形水密殼體結構，可供人員日常巡檢、維護或必要時逃生，以及配套管路、電纜等設施的安裝。人員和管線通道呈對角線布置，以便發生危險時人員可向相反的方向逃生。

圖1 可移動核電平臺示意圖Fig.1 Diagram of mobile offshore nuclear power plant

2.2 換料方式

在每一個燃料循環末期，必須更換部分核燃料以維持下一個燃料循環的進行，因此，核電站必須定期進行換料。一般核電廠在換料停堆期間除按計劃進行換料外，還應對與核電廠安全有關的重要構筑物、系統、部件進行有計劃的在役檢查、定期試驗、維修等活動。此外，核電廠在運行期間，由于某些事故的發生，也可能會導致核電廠事故停堆[8]。

雖然采用不同的堆型使換料和大修的周期有所不同，但無論如何這一工況是無法避免的。換料和大修是核電廠生產活動中的重要環節，也是生產活動中的一個特殊階段，是一項重要、規模龐大、復雜的系統工程。陸地核電站已經積累了非常豐富的經驗，但由于海洋環境的特殊性，如果直接在海上換料是非常危險的。盡管如能在海上完成換料可能會帶來經濟利益，但基于核設施安全性的考慮以及自升式平臺的可移動能力，仍建議返回陸地換料。

2.3 平臺形式

針對核電站的技術特點，提出了一種可移動的海上核電平臺，如圖1所示。平臺由上部甲板、下部沉墊、連接兩部分可升降的樁腿及通道組成。具有核能發電、生活以及其他的如制淡水、制熱等能力，用一個平臺實現了綜合性和多功能。

上部平臺為密閉箱形結構，作為平臺主甲板，設有主變壓器間、應急開關間、生活樓、直升機甲板等，如需要還可布置制淡水及制熱設備。

樁腿為殼體式或桁架式，可適用于120m以內甚至更大的水深，60m以內可采用殼體式，再深則采用桁架式[4]。樁腿配置若干套升降裝置總成，可將平臺上部甲板提升或下降一定高度，并將樁腿與平臺連接固定。如在冰區使用，平臺就位后須安裝可拆卸式抗冰裝置。

底部箱形沉墊內設置核島(反應堆)，整個平臺的總重量約等于或略小于底部沉墊的排水量，即重量與浮力相當，重心與浮心在垂向重合，以確保平臺經常性的拔起、下沉和移位。沉墊的上邊緣削斜，以減少波浪和流的作用力。

生產平臺和沉墊之間的設置通道，左右各一，作為配套管路、控制管路、控制電纜等設施的通道，以及人員日常巡檢、維護和逃生的通道。兩者呈對角線布置，以保證在某處遇險時，人員可以向相反方向逃生。通道下部與沉墊固定連接，上部與平臺水平連接，可隨樁腿同步升降。

3 核電平臺基礎方案

坐底式移動平臺對海底地基的承載力、平整度和坡度都有一定的要求。如果坡度太大，會使平臺坐底后產生較大角度的傾斜，可能引起滑移。如承載力不夠，使沉墊入泥的深度超過設計深度，可能發生因為泥土吸附力過大而難以起浮的情況。如地基的平整度不好，具有較大的局部凹凸，可能會造成平臺沉墊結構的破壞，引起沉墊漏水，造成起浮的困難[5,9—10]。

采用沉墊式基礎，還需要考慮沖刷、滑移、不均勻沉降等海底地質問題。雖然采用防滑樁、擋流墻等措施可以解決上述部分問題[11—12]，但停堆換料時，需將整個平臺拖回到陸地的基地完成，從而使平臺的可移動性能受到影響。

換料和大修要求平臺在整個服役期間反復的移位和就位，盡管自升式平臺可以方便地移位、拖航，但每次都要返回同一位置進行再次就位，要保證安全就位則不可避免地需要克服已有“老腳印”的影響[13]。

根據《核電廠抗震設計規范》中規定的抗震Ⅰ類要求，需要能夠承受本區域可能遭遇的最大地震，且地震峰值加速度不小于0.15g，對平臺基礎的設計提出了挑戰[14]。

綜上所述，海上核電平臺需要一個既可以保證平臺作業性能，又可滿足平臺頻繁移位就位的基礎。為此，設計了一種人工地基，如圖2所示。

圖2 人工地基立面示意圖
Fig.2 Vertical section of artificial ground

以淤泥質軟土地質為例，預先進行海底泥面處理，清淤泥，挖溝并回填，形成具有斜面的海底空間。為了使平臺的傾斜度、總沉降量及動力效應都不超過限值，打入水泥攪拌樁，組成具有整體性和一定強度的底部基礎，水泥攪拌樁的造價和安裝費用遠低于鋼樁。安裝混凝土沉箱與鋼質框架相結合的混合型結構，中部設有與重力式平臺底部形狀相匹配的凹槽。平臺就位時坐于凹槽中，凹槽的斜邊提供了橫向的抗滑移力。在沉箱邊拋石，防止底部沖刷和掏空。整個人工地基的安裝過程如圖3所示。借鑒了陸上隔振體系的設計理念[15]，使之易于實施，減震控制效果也好。

圖3 人工地基安裝過程示意圖Fig.3 Installation procedure of artificial ground

基于上述設計，可移動平臺整體坐于人工地基，如圖4所示，獲得以下優點: (1)平臺可移動，移位、復位及棄置簡單；(2)保證了平臺的水平度和穩定性；(3)解決了平臺沖刷掏空問題；(4)省去了打防滑樁，設置擋流墻等投資；(5)滿足了核設施相關規范的抗震要求。

圖4 可移動核電平臺作業示意圖Fig.4 Operation condition of mobile offshore nuclear power plant

4 結 語

采用自升式平臺作為適用于渤海灣的核電平臺，上部平臺布置設備和生活樓，下部沉墊設置核島(反應堆)，兩者之間設有樁腿及管線和人員通道，平臺整體坐于人工地基。

平臺移位及復位簡單，保證了核反應堆換料要求。可通過樁腿的結構設計適應不同的水深。能夠實現自安裝和棄置作業，減少對大型施工船舶的依賴，增加施工選擇的靈活性，降低了施工費用。

平臺可將水面下的核設施與水面上的人員居住及公用設備分離，同時又具有核能發電、生活以及其他需要的功能如制淡水、制熱等。將核島(反應堆)置于水面下，并設置與海水連通的閥門，緊急情況時海水會進入沉墊，大大提高了應急工況的安全性。

設置人工地基，保證了平臺的水平度和穩定性，解決了平臺的沖刷掏空問題；省去了打防滑樁、設置擋流墻等投資，滿足了核設施相關規范的抗震要求。

綜合考慮平臺的建造、安裝、調試、運行、換料及應急等各種工況及渤海海域實際環境、地質條件，自升式可移動平臺作為海上核電設施的載體是可行的。

[1] 何一平.淺談核電站及其在未來海上設施上的應用[J].中國海上油氣(工程),1999,11(4): 21.

He Yi-ping. Thoughts about a nucleus power station and offshore facilities in future [J]. China Offshore Oil and Gas (Engineering), 1999,11(4): 21.

[2] 劉輝.海上核電廠[J].中國電力教育,2014,29(4): 93.

Liu Hui. Offshore nuclear power plant [J]. China Electric Power Education, 2014,29(4): 93.

[3] 蒙占斌，田海慶.桁架腿自升式鉆井平臺綜述及國產化[J].中國造船,2009，50(增刊): 152.

Meng Zhan-bin, Tian Hai-qing. Review of truss legged jack-up drilling platform and its home manufacture [J]. Shipbuilding of China, 2009,50(z1): 152.

[4] 孫東昌，潘斌.海洋自升式移動平臺設計與研究[M].上海: 上海交通大學出版社,2008.

Sun Dong-chang, Pan Bin. Design and Research of Jack-up Platform [M]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University Press， 2008.

[5] 張振宇.沉墊自升式平臺沉墊與地基相互作用研究[D].天津: 天津大學,2011．

Zhang Zhen-yu. Research of interaction between mat and foundation for mat-type jack-up platform [D]. Tianjin: Tianjin University, 2011．

[6] 盧佩瓊.自強號生產平臺沉墊貯油系統設計[J].中國海洋平臺,1996,11(2): 54.

Lu Pei-qiong. The design of mat oil storage system of production platform “Zi Qiang” [J]. China Offshore Platform, 1996，11(2): 54.

[7] 李嘉文，楊樹耕，姜宜辰,等.九十米水深儲油自升式平臺的沉墊設計[J].船舶工程,2012，34(4): 77.

Li Jia-wen, Yang Shu-geng, Jiang Yi-chen, et al. Design of mat for 90m jack-up oil storage platform [J]. Ship Engineering, 2012， 34(4): 77.

[8] 國家核安全局.HAF 103/01—1994.核電廠運行安全規定附件一核電廠換料、修改和事故停堆管理[S].1994．

National Nuclear Safety Administration. HAF 103/01—1994. Safety regulations for nuclear power plant operation-refueling, modification and accident shutdown management [S]. 1994．

[9] 梁永超.淺海坐底式平臺設計中影響平臺起浮的幾個問題[J].中國海洋平臺,2003，18(1): 42.

Liang Yong-chao. A discussion on some problems for the floating task of bottom-supported platform in shallow sea [J]. China Offshore Platform, 2003,18(1): 42.

[10] 楊吉新.坐底式鉆井平臺坐底淘空與處理[J].中國海洋平臺,1992，7(5): 220.

Yang Ji-xin. Eroding and measures for bottom-supported offshore drilling rigs [J]. China Offshore Platform, 1992，7(5): 220.

[11] 樊敦秋.沉墊儲油自升式平臺的幾個關鍵技術研究[D]．青島: 中國海洋大學，2014．

Fan Dun-qiu. Research on several key technologies of jack-up platform with oil storage mat [D]. Qingdao: Ocean University of China， 2014．

[12] 王欽健.渤海自立號平臺沉墊防滑樁的設計、安裝與搬遷[J].中國海上油氣(工程),1996，8(5): 7.

Wang Qin-jian. Design, installation and remove of slip prevention pile on mat jack-up Zili [J]. China Offshore Oil and Gas (Engineering), 1996，8(5): 7.

[13] 毛東風，張明輝，張來斌,等.遺留樁坑對自升式平臺滑移風險的影響及對策[J].石油勘探與開發,2015，42(2): 233.

Mao Dong-feng, Zhang Ming-hui, Zhang Lai-bin, et al. Sliding risk of jack-up platform re-installation close to existing footprint and its countermeasure [J]. Petroleum Exploration and Development, 2015，42(2): 233.

[14] 國家地震局.GB 50267—97.核電廠抗震設計規范[S]. 1998．

China Earthquake Administration. GB 50267—97. Code for seismic design of nuclear power plants [S]. 1998．

[15] 朱宏平，周方圓，袁涌.建筑隔震結構研究進展與分析[J].工程力學,2014，31(3): 1.

Zhu Hong-ping, Zhou Fang-yuan, Yuan Yong. Development and analysis of the research on base isolated structures [J]. Engineering Mechanics, 2014，31(3): 1.

StudyonMobileOffshoreNuclearPowerPlantforBohaiBay

TAN Yue， LIU Cong, WANG Chun-sheng, WANG Guo-dong, LI Shi-ming, MA Qiang

(CNOOCResearchInstitute，Beijing100028，China)

Considering the construction, installation, commissioning, operation, refueling and emergency of nuclear power plant, a mobile platform is proposed. The same as a fixed platform, without the movement due to wave motion, the operators have a mild working and living condition. The nuclear island is located below the sea surface, so the safety is improved. By an artificial ground, the construction vessel is not necessary for installation and decommissioning. The platform provides a power-supply source for large oil field or oil field group.

offshore nuclear power plant; mobile platform; self-elevating platform; Bohai Bay; artificial ground

2017-02-04

中海石油有限公司綜合科研項目“渤海海域油氣開發核能應用技術預可行性研究”

譚越(1978—)，男，博士，高級工程師，主要從事邊際油田開發、船舶及海洋結構物設計工作。

TE54

A

2095-7297(2017)03-0157-05