为海上稠油热采平台供电供热的自升式核电平台方案研究

王国栋， 王春升， 刘 聪， 谭 越， 张 明， 平朝春

(中海油研究总院， 北京 100028)

为海上稠油热采平台供电供热的自升式核电平台方案研究

王国栋， 王春升， 刘 聪， 谭 越， 张 明， 平朝春

(中海油研究总院， 北京 100028)

自升式海上核电平台在国内外尚无建设案例，该文以渤海海域可为稠油热采平台供电供热的自升式核电平台为研究对象，对其设计、布置以及核反应堆的换料等问题进行了分析总结，为今后海上核电平台与稠油热采相结合的研究提供参考。

自升式核电平台；稠油热采；供电；供热

0 引言

该文设计了一个自升式核电平台，通过海底电缆和保温输热水管线向稠油热采平台[1～3]提供电能和热水(热水热源来自核能废热[4])，从而解决稠油热采平台对电能和热水的需求问题，核电平台向稠油热采平台群供电供热示意图如图1所示。图1中的核电平台需要回到基地进行定期换料，而受到输水管和电缆接头位于海上的限制，去往热采平台的电缆和输热水管线与核电平台的连接成为需要解决的关键问题，同时还要将核岛布置到自升式核电平台的合理位置，并选取合适的换料方式。

图1 核电平台向稠油热采平台群供电供热示意图

1 自升式核电平台安全性分析

1.1 自升式核电平台环境可行性

依据海工现有成熟的施工技术，参考已建成的海上平台，并考虑一些不利自然条件(诸如台风、暴雨、海啸、龙卷风、地震、极端环境温度等)不会成为制约海上核电平台建设的颠覆性因素，初步判断渤海海域建设自升式核电平台具有可行性，具体位置可根据海域条件、现有平台分布以及地质勘察等情况综合考虑确定。

1.2 自升式核电平台安保系统

为了保证海上核电站的安全运行和核材料的合法使用，参照成熟大型商用核电站安保系统的措施和经验，建立起海上小型核电站的实物保护(安保)系统，并应用于海上核电厂的规划、设计、建造、改造和运行全部过程中。由于海上油田工作环境特殊，距离陆地较远，海洋平台或船体外围需设置核电厂缓冲区，将反应堆为中心、半径500 m的范围设置为保护限制区。限制区边界设置浮标警示标志，限制区内控制人员长期居留，禁止建设海上钻井平台、采油平台、海上油库等对核电厂安全存在威胁的项目，对军事、货运、客运、渔业等海洋船舶出入进行控制，以确保核电厂安全。

1.3 自升式核电平台应急预案

自升式核电平台的小型化核反应堆采用全非能动安全系统。半潜式平台采取深吃水设计，将严重事故工况下的海水作为最终热阱，对环境的放射性释放量满足国家相关法规要求。平台位于渤海海域，远离陆上居民区，无需设置场外应急活动，应急响应极为简化，仅需500 m保护限制区内应急，无需场外应急。

1.4 自升式核电平台放射性废物处理

自升式核电平台上备有足够固体放射性废物的隔离储存舱室，高放浓缩固化储存，在换料大修期间，可以在船坞换料时卸载运输到海上核电站陆上基地的离堆废物处理中心进行处理。

2 自升式核电平台关键技术设计

2.1 自升式核电平台主船体

主船体整体是一个水密结构，对于完整破损稳性拥有足够的水密分舱[5]。主船体通过升降装置与桩腿连接到一起，主船体位于桩腿的上部，当主船体移动到水面时，可以为自升式核电平台提供浮力。考虑核岛的安全性，将核电沉箱布置在水面以下、桩腿下部，核电沉箱通过升降装置与桩腿连接到一起，如图2所示。主船体与核电沉箱间有两条圆形硬通道，通道直径为2 m。当核电平台处于工作状态时，工作人员通过圆形硬通道进出核电沉箱，当核电平台停运需要返回基地进行换料或者大修时，两条通道会随着核电沉箱一起上移，进入非工作状态。

图2 核电平台立面图

2.2 自升式核电平台主甲板

平台主甲板东侧布置了生活楼，用于核电平台日常运行工作人员居住。生活楼上设置有直升机甲板，用于直升机的起降[6]。两艘救生艇悬挂于生活楼东侧舷外。平台主甲板中间布置了核动力控制中心、变压器间、应急发电机房间、油料间和应急开关间。其中，应急发电机为核岛正常运行提供了保障，甲板西侧布置了海水制淡设备，为核能发电提供所需水源，主甲板南北两侧布置有两条吊机，用于平台日常运行吊货等操作，如图3所示。

图3 核电平台主甲板布置图

2.3 自升式核电平台热电通道

主船体与核电沉箱间有两条圆形硬通道，通道直径为2 m。从安全的角度考虑，将两个通道成对角线位置布置，其中通道1中布置了来自核电沉箱的电缆和输水管、通风管线、环形梯等，通道2作为备用安全通道，布置了通风管线、环形梯等，如图4所示。核电沉箱与两个通道进行密封连接，通道与船体间为滑动连接，当需要返回陆地换料时，主船体与核电沉箱的间距减小，两个通道会伴随核电沉箱上升而上升，由于核电已停运，两条通道进入暂停使用状态。

图4 核电平台通道布置图

由于通道中的电缆、水管以及通风管线固定在通道上，为了适应通道与船体产生的相对运动，从通道出来的管线采用软管结构，同时在船体主甲板上设置缓冲卷车，用于调节管线管缆的长度，如图5所示。

2.4 自升式核电平台核电沉箱

核电沉箱是核电平台的核心部件，核电沉箱的设计与布置，对于整个核电平台具有关键作用。考虑核岛的安全性，将核电沉箱布置在水面以下。核电沉箱内布置了蒸汽轮机房、核岛部分、核动力应急控制系统等，核电沉箱内四周布置有压载水舱，用于控制核电沉箱的平衡和浮力大小。两个机舱布置在压载水舱附近，用于放置压载水舱用压排载泵等。核电沉箱内四个角为桩腿套筒，通过升降装置连接核电沉箱和桩腿。核电沉箱外壳采用双层壳，进一步确保核电沉箱的安全性，核电平台沉箱布置如图6所示。

图6 核电平台沉箱布置图

2.5 水电接头平台

自升式核电平台可以通过海底电缆和保温输热水管线分别向稠油热采平台提供电能和热水，但是由于核电平台需要回到基地进行定期换料，受到输水管和电缆接头位于海上的限制，所以去往稠油热采平台的电缆和输热水管线与核电平台的连接成为一个关键问题。该文采用了新建一个带旋转栈桥的水电接头平台，接头平台布置了两个旋转栈桥，一个栈桥上布置了一条输水管线，该输水管线两端分别连接输往热采平台的立管和来自核电平台的输水管快速接头，另一个栈桥上布置了一条电缆，该电缆两端分别连接输往热采平台的海底电缆和来自核电平台的电缆快速接头，如图7所示。

图7 带旋转栈桥的输水输电接头平台示意图

核电平台和水电接头平台上都有支持结构，当核电平台要离开工作位置去基地换料时，拆开输水管和输电电缆的快速接头，将水电接头平台的栈桥向上旋转到一定位置并进行固定，然后用拖轮拖走自升式核电平台。

当自升式核电平台完成换料回到工作位置时，放下水电接头平台的栈桥，依次连接好输水管线接头和电缆接头，经过调试，即可向稠油热采平台供电供热。

2.6 自升式核电平台的换料问题

核岛换料对平台的运动有较高要求，渤海区域在平台上无法满足换料操作要求，需要将核电平台运回基地进行换料作业，换料周期为2年，自升式核电平台具有的运动性可以解决这个问题。

当进入换料周期时，通过升降装置使船体下移到水面位置，然后排掉核电沉箱中的压载水舱，使核电沉箱具有一定浮力，同时通过升降装置使核岛沉箱上移，不断调整船体和核电沉箱的位置，使自升式核电平台漂浮在水面上，并与海平面保持一定的安全距离。同时，用拖轮固定自升式平台，并牵引到换料基地进行换料作业，如图8、图9所示。

图8 拖轮拖动核电平台返回基地立面示意图

图9 拖轮拖动核电平台返回基地平面示意图

3 结论

自升式可移动核电平台是一个综合了自升式可移动平台功能与核能供电、供热功能的综合功能平台，将其关键技术总结如下：

(1) 主船体具有浮力并通过升降装置控制与桩腿的相对运动，同时核电沉箱内的压载水舱水量变化可以产生浮力或重力并通过升降装置控制与桩腿的相对运动，使核电平台具有了自升式可移动性能，这种自升式可移动性能可以解决核电平台返回基地换料的问题。

(2) 核电平台安装有可以发电的核电沉箱，可以为海上稠油热采平台提供电能。

(3) 核电沉箱内核反应堆的二回路系统产生的热能可以通过海底管线输送到稠油热采平台。

(4) 水电接头平台的设计，可以解决由于核电平台换料返回陆地期间管线管缆需要断开的问题。

(5) 热电通道的布置以及缓冲卷车的设计，可以解决主甲板和核电沉箱产生相对运动时管线管缆的连接问题。

(6) 主甲板上布置有生活楼，解决了核电平台人员的居住问题。

自升式可移动核电平台具有重复利用、机动性强等优势，但是国内外尚无实际工程案例，因此需要进行更深入的研究，使自升式可移动核电平台为稠油热采平台供电供热进入实际生产阶段，从而实现稠油热采的降本增效。

[1] 姜伟. 国外稠油开发技术的应用与思考[C]. 2005年学术研讨会暨第五届石油钻井院所长会议，2005.

[2] 姜杰，李敬松，祁成祥，等. 海上稠油多元热流体吞吐开采技术研究[J]. 油气藏评价与开发, 2012(4)：38-40.

[3] 李安夏，林日亿,邵菲菲，等. 稠油热采蒸汽吞吐焖井压降过程分析[J]. 油气田地面工程, 2011(4)：19-21.

[4] 马进.核能发电原理[M]. 北京：中国电力出版社，2011.

[5] 《海洋石油工程设计指南》编委会. 海洋石油工程设计概论与工艺设计[M]. 北京：石油工业出版社，2007.

[6] 中国海洋石油总公司. 海洋石油直升机甲板起降安全规范：Q/HS4023-2011[S].2011.

Research on the Scheme of the Jack-up Nuclear Platform for the Heating of the Offshore Heavy Oil Thermal Recovery Platform

WANG Guo-dong, WANG Chun-sheng, LIU Cong, TAN Yue, ZHANG Ming, PING Chao-chun

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

There is no case of the construction of the offshore jack-up nuclear power platform at home and abroad, Marine nuclear power platform can use the floating nuclear power platform , the mobile nuclear power jack-up platform and the fixed nuclear power platform and so on, the author of this paper analyzes the design and arrangement of the mobile nuclear power jack-up platform which can supply power and heating for the thermal recovery of heavy oil platform in the bohai sea, and the key techniques such as the nuclear reactor refueling problems are also analyzed in this paper, by this paper we hope it can help the future research of the combination of marine nuclear power platform and thermal recovery of heavy oil research.

jack-up nuclear power platform； heavy oil thermal recovery； the power supply； the heating supply

1001-4500(2016)06-0027-07

2016-03-11

王国栋(1985-)，男，工程师。

F416.22

A