深远海岛礁核储供电系统的制作方法

本发明涉及岛礁供电技术领域，具体地指一种深远海岛礁核储供电系统。

背景技术：

随着我国海洋事业的迅速发展，海岛供电问题逐渐引起了各界广泛关注。

参考文献[1]论文中谈及，通过国家政策支持，海岛已在基础设施、产业规划、海岛旅游等开发建设方面取得了较大进展，但海岛发展仍存有许多制约因素，尤其是供电问题，应适度开发海岛可再生能源，根据各海岛功能定位，新建柴油机发电、光伏发电、风机发电和储能电池等微源就地提供电力。

参考文献[2]论文中谈及，在我国的海域中，距离大陆岸线10km以内的海岛数量占总数的70％。对于近海海岛，能源供应主要依靠海底电缆或架空高塔跨越输电线路输送的电力。这种供能形式存在输电设备初投资高、故障查找修复时间长、运行维护成本高等缺点。偏远岛屿通常位于海洋运输及海洋开发的前哨，对巩固国防以及维护国家海洋权益具有重要意义。目前，偏远海岛的能源供应主要依靠柴油发电，这种供能结构存在着保障模式单一、燃油补给运输成本高而且周期长、污染环境等问题。

参考文献[3]论文中谈及，无论是海岛的开发建设，还是海岛居民日常生活都需要安全、可靠、清洁的能源作为保障。海岛直流微电网系统以多种可再生能源(包括太阳能、风能和海洋能等)发电为主、柴油机组备用、储能系统等构成。通过微电网能量管理系统最大程度地利用可再生能源发电，尽可能地少用或不用柴油机组发电。海岛微电网系统不仅可以独立孤岛运行，在条件允许时也可以并入大电网提高供电可靠性，降低发电成本，实现能源的高效利用和智能调度。

参考文献[4]论文中谈及，我国海岛电力能源供给还主要依赖于陆地。当前海岛电力需求解决模式可分为以下两种：一种是通过海底线缆与大陆主网联网供电，应用于大型海岛群的综合开发。海缆输电方式虽可满足电力需求总量和供电可靠性，但是敷设海底电缆建设难度大，需要消耗巨额投资，且有易受损，维修难度大的问题。此外，由于海缆供电距离长、半径大，供电质量较难保证。另一种方式是由岛上柴油发电机组供电，不与陆地主网相连，主要应用于偏远小岛。其缺点是：柴油机的发电成本很高。且发电效率低下；柴油需从陆地经海上运输获得，容易在台风等恶劣气候影响下引起岛内电力能源供应断裂；此外，柴油发电产生的污染会对海岛的生态环境造成严重的破坏。考虑以上两种方式的诸多问题，新型海岛电网的发展要求是充分利用海岛可再生能源的优势，兼顾绿色环保与供电质量提高的要求。新兴的微型电网技术催生于能源领域的信息化变革，并在单点接入、多模式灵活切换、环境友好等方面具备突出优势，逐渐成为了海岛电网建设的优选方案与传统电力系统不同，海岛微电网实现了分布式电源、储能装置、用电负荷的综合管理，成为集发电、输电、配电和经济调控于一体的新型电力交换系统。

针对参考文献[1-4]论文中指出的亟待解决的岛礁供电问题，现有技术提供了多种解决思路。

参考文献[3]论文中提出的基于可再生能源接入的海岛直流微电网系统，可以减少柴油机的使用，降低发电成本。但是由于岛礁光伏、风能和海洋能等可再生能源的间歇性，难以保障岛礁重要设备的高可靠性供电。

参考文献[4]论文中提出的一种海岛微电网智能终端，可以实现微电网的分层控制，但是这种微电网智能终端集成了微处理器、嵌入式操作系统、多种通信接口、多任务协调调度、在线监测与数据采集、本地保护与控制等复杂功能模块，目前尚属于理论层面，技术实现上难度高，智能终端的可靠性待考察。

参考文献[5]发明专利中提出了采用分布式太阳能抽水蓄能电站来解决太阳能的间歇性出现问题。参考文献[6-8]发明专利中均提出了基于蓄电池储能的光伏电站，能够提高光伏发电的效率和经济性。参考文献[9-10]实用新型专利中提出了采用风能，风光互补型发电系统，能够提高风力发电系统的效率和储能系统的利用率。但是应对岛礁环境，在岛礁上建设抽水蓄能电站尚处于技术探索阶段，还不成熟。太阳能、风能等新能源的间歇性决定了新能源发电只能作为岛礁供电的辅助手段。

参考文献[11-13]发明专利中提出了对电网具有削峰填谷效应的储能电站，可以有效地平衡电网负荷和降低用电成本。参考文献[14-15]发明专利中提出了移动式储能电站，便于大容量储能系统的运输与组装。这些在陆地上可以应用的大容量蓄电池储能电站，利用电网负荷低谷，若应用于无外接电网的岛礁，首先面对的难题就是如何解决岛礁上蓄电池储能电站的充电问题。

参考文献[16]教材中讲述了核动力舰船普遍采用的压水堆的基本原理，为核动力发电船舶的设计与应用提供了参考。现有技术中已经提到了海上压水堆核能发电平台的相关概念与技术。

参考文献[17-19]发明与实用新型专利中均提出了与系泊装置相连接的海洋核能发电平台，为海洋核能开发利用开辟了新思路。但是，这类需要连接系泊装置的海洋核能发电平台适合于为电能传输距离较短的近海岛礁供电，为深远海孤立的岛礁供电存在着经济性不高、深远海单点系泊装置难以实现等问题。

以上论述表明，现有技术难以满足深远海岛礁供电系统的可用、可靠、节能、环保等综合要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提出一种深远海岛礁核储供电系统，具有充电灵活高效，供电简单可靠的特征，且岛礁的电力工程设计任务量和工程施工难度都较小，岛礁基础建设投资较低，有效解决了深远海岛礁的供电难题。

本发明开辟了一种岛礁蓄电池储能电站的新用途，岛礁上直流电站的蓄电池组既是岛礁日常生产生活的主要电源，又是核能发电船舶的充电负载，按指令穿梭于各个岛礁之间给蓄电池组充电。这种新型岛礁供电模式包含了船舶工程、核能发电、供配电、信号处理、通信等多种技术。

为实现上述目的，本发明所设计的深远海岛礁核储供电系统，其特殊之处在于，所述系统包括装载有核反应堆的可航行的海洋核能发电船舶和设置于海岛岛礁上的岛礁蓄电池直流电站；

所述海洋核能发电船舶包括船体、核反应堆、一回路系统、二回路系统、电力推进系统、船舶自用电供配电系统和输送电系统，其中所述核反应堆用于将核能转换为热能，所述一回路系统用于将热能传输至二回路系统；所述二回路系统用于将热能转换为电能；所述电力推进系统用于将二回路系统传输的电能转换为动能，为海洋核能发电船舶提供动力；所述船舶自用电供配电系统用于将二回路系统传输的电能输送至船舶内部自用电设备；所述输送电系统用于将二回路系统传输的电能输送至岛礁蓄电池直流电站；

所述岛礁蓄电池直流电站包括用于连接输送电系统与充电装置的电能接入装置、用于将电能传输至蓄电池组的充电装置、用于存储电能的蓄电池组、用于接入直流/交流电力设备的电力变换装置以及用于监控管理电站运行状况的电力监控系统。

进一步地，所述核反应堆包括反应堆堆舱和位于反应堆堆舱内的反应堆和设置于反应堆外部的反应堆阀门。在现有技术条件下，压水堆核动力装置得到了普遍应用，本发明的堆型采用压水堆，与现有核动力装置的区别在于二回路系统的汽轮机的配置与使用机制。

更进一步地，所述一回路系统包括位于反应堆堆舱内的稳压器、蒸汽发生器、主泵和冷却剂阀门，冷却剂在主泵的驱动下流经冷却剂阀门进入反应堆将热量带出，再经过第一阀门循环至蒸汽发生器将热量传输至二回路系统。一回路系统中设置反应堆冷却剂系统及其辅助系统，保障反应堆的安全运行

更进一步地，所述二回路系统中汽轮机的配置类型包括单堆单台汽轮机、单堆多台汽轮机、双堆多台汽轮机。

更进一步地，所述海洋核能发电船舶采用单个核反应堆或者多个核反应堆配置。

更进一步地，所述输送电系统包括转换开关和能量管理单元，所述能量管理单元控制转换开关的开启和断开，在核动力发电船舶驶达目的地岛礁后，为岛礁直流电站输送可靠高效的电能。

更进一步地，所述核反应堆运行时，所述输送电系统的转换开关与电力推进装置的输入开关保持互斥逻辑；所述核反应堆停止运行时，输送电系统的转换开关与电力推进装置的输入开关均处于断开状态。现有技术中核动力船舶供配电系统的汽轮发电机不能兼顾船舶电力推进与对外发电的功能，只能实现单一的电力推进或者对外发电功能。本发明在现有的核动力船舶供配电技术的基础上，增加了转换开关柜，扩展了现有的核动力船舶的汽轮发电机的单一用途，在核动力船舶航行过程中，汽轮发电机给船舶内部自用电设备和推进电机供电；在岛礁电站附近驻泊期间，汽轮发电机给船舶内部自用电设备供电的同时，也通过转换开关向岛礁直流电站输电。

更进一步地，所述海洋核能发电船舶通过输送电系统连接电能接入装置、充电装置向蓄电池组充电，同时还通过充电装置向和电力变换装置为岛礁负荷供电。所述蓄电池组的类型包括但不限于铅酸电池、锂电池、液流电池、太阳能电池。现有技术中的蓄电池储能电站是通过削峰填谷的效应来平衡电网负荷以及降低用电成本，本质上是一种辅助电源，本发明对现有技术的蓄电池储能电站的用法加以改造，使之成为岛礁的日常生产生活用电的主电源。使用蓄电池组作为岛礁主电源可以大大简化岛礁供配电方案的设计，减少电力设备的投资，降低供配电系统的设备故障率，也更有利于后期的电力运行维护工作。比起用柴油发电机作为常规的主电源方案，本发明所述的蓄电池组主电源方案在节能减排方面也有着突出的优点。

更进一步地，所述电能接入装置包括船岛接入电缆、配电接入开关柜、控制柜，将电能从海洋核能发电船舶引入岛礁蓄电池直流电站。常规的海洋电力输送工程需要使用几十乃至几百千米的长距离海底电缆来传输电能，海底电缆的成本与工程敷设价格极为高昂。本发明只需要采用数百米的电缆即可实现从核动力发电船舶的输送电系统上将电力接入岛礁直流电站的电能接入装置，而且传输电缆的敷设形式不必采用施工难度较大的海底敷设，采用类似于陆地架空线的方式即可，施工难度小，成本低，易维护。

本发明通过可航行的海洋核能发电船舶，兼备核动力船舶与发电站的特点，可以形象地称之为“海上移动式核能充电宝”，可以灵活方便地为岛礁提供电能。在深远海岛礁配置以蓄电池组为主的直流电站，该电站比风储供电系统、光储供电系统等间歇性的新能源发电系统的能量密度更高、运行效率更高、供电更稳定。本发明比煤储供电、油储供电、气储供电等传统的化学燃烧发电方式的能量密度更高、燃料补给间隔周期更长；本发明比尚不成熟的海岛抽水蓄能电站少了一系列施工难度较大的海岛基础工程建设，也不会影响岛礁的土壤水文等地理条件，岛礁电能接入系统比长距离海底电缆输电工程的设计简单，施工难度低，工程造价低。简而言之，本发明的技术方案优点是充电灵活高效，供电简单可靠，岛礁的电力工程设计任务量和工程施工难度都较小，岛礁基础建设投资较低，可以解决深远海岛礁的供电难题。

附图说明

图1为本发明的深远海岛礁核储供电系统中核动力发电船舶系统示意图。

图中：1-反应堆堆舱；2-反应堆；3-反应堆阀门；4-稳压器；5-蒸汽发生器；6-冷却剂阀门；7-主泵；8-给水阀门；9-蒸汽管道阀门9；10-第一汽轮机；11-第一冷凝器；12-第一凝水泵；13-第一给水泵；14-给水加热器；15-第一循环水泵；16-第一舷外水；17-第二汽轮机；18-第二冷凝器；19-第二凝水泵；20-第二给水泵；21-第二循环水泵；22-第二舷外水；23-第一汽轮发电机；24-第二汽轮发电机；25-电力推进装置；26-推进轴承；27-推进螺旋桨；28-船舶自用电供配电系统；29-输送电系统；30-能量管理单元；31-转换开关。

图2是本发明的深远海岛礁核储供电系统中岛礁直流电站示意图。

图中：32-岛礁直流电站；33-电能接入装置；34-充电装置；35-蓄电池组；36-电力变换装置；37-电能管理系统。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1、图2所示，本发明提出的一种深远海岛礁核储供电系统，它包括装载有核反应堆的可航行的海洋核能发电船舶和设置于海岛岛礁上的岛礁蓄电池直流电站32。

海洋核能发电船舶包括船体、核反应堆、一回路系统、二回路系统、电力推进系统、船舶自用电供配电系统28和输送电系统29。其中核反应堆用于将核能转换为热能，一回路系统用于将热能传输至二回路系统；二回路系统用于将热能转换为电能；电力推进系统用于将二回路系统传输的电能转换为动能，为海洋核能发电船舶提供动力；船舶自用电供配电系统28用于将二回路系统传输的电能输送至船舶内部自用电设备；输送电系统29用于将二回路系统传输的电能输送至岛礁蓄电池直流电站32。

核反应堆包括反应堆堆舱1和位于反应堆堆舱1内的反应堆2和设置于反应堆2外部的反应堆阀门3。一回路系统中包括反应堆冷却剂系统及其辅助系统，保障反应堆的安全运行。一回路系统包括位于反应堆堆舱1内的稳压器4、蒸汽发生器5、主泵7和冷却剂阀门6，冷却剂在主泵7的驱动下流经冷却剂阀门6进入反应堆2将热量带出，再经过第一阀门3循环至蒸汽发生器5将热量传输至二回路系统。

二回路系统包括蒸汽管道阀门9、第一发电装置、第二发电装置、给水加热器14和给水阀门8，从蒸汽发生器5传输的热量经过蒸汽管道阀门9后传输至第一发电装置和第二发电装置，从第一发电装置和第二发电装置输出的凝结水经过给水加热器14加热后通过给水阀门8再输送至蒸汽发生器5。第一发电装置包括第一供应汽轮机10、第一汽轮发电机23、第一冷凝器11、第一被循环水泵15、第一舷外水16第一凝水泵12、第一给水泵13。第二发电装置包括第二供应汽轮机17、第二汽轮发电机24、第二冷凝器18、第二被循环水泵21、第二舷外水22、第二凝水泵19、第一给水泵20。

蒸汽发生器5产生的蒸汽由蒸汽管道输送到二回路系统，供应汽轮发电机及其他用汽设备。蒸汽在汽轮发电机、其他用汽设备内膨胀做功，产生全船所需的推进电能和自用电能，汽轮机排出的废汽进入冷凝器，被循环水泵从舷外抽进的海水冷却成为凝结水，再由凝水泵、给水泵增压，在给水加热器中加热到一定温度后再送入蒸汽发生器，开始下一轮循环。

本发明所述的汽轮发电机与常规汽轮发电机组单一输出接口的差异在于，汽轮发电机输出端设置了多路输出端口，包括与电力推进系统的电力接口、与船舶自用电供配电系统28的电力接口、与输送电系统29的电力接口。

电力推进系统包括电力推进装置25、推进轴承26和推进螺旋桨27，电力推进系统为船舶航行提供动力。由驱动第一汽轮发电机23、第二汽轮发电机24给电力推进装置25供电，电力推进装置25再驱动推进轴承26和推进螺旋桨27运动。

船舶自用电供配电系统28包括各种备用电源、应急电源、供配电设备等，为船舶内部自用电设备(除电力推进系统以外的用电设备)供电。船舶自用电供配电系统28的电能输入来自于第一汽轮发电机23、第二汽轮发电机24的输出。

输送电系统29包括转换开关31和能量管理单元30，能量管理单元30控制转换开关31的开启和断开，在核动力发电船舶驶达目的地岛礁后，为岛礁直流电站输送可靠高效的电能。核反应堆运行时，输送电系统29的转换开关31与电力推进装置25的输入开关保持互斥逻辑；核反应堆停止运行时，输送电系统29的转换开关31与电力推进装置25的输入开关均处于断开状态。这两个开关处于一个闭合另一个断开的状态，核动力装置停止运行时，这两个开关均处于断开状态。

岛礁蓄电池直流电站32包括用于连接输送电系统与充电装置34的电能接入装置33、用于将电能传输至蓄电池组35的充电装置34、用于存储电能的蓄电池组35、用于接入直流/交流电力设备的电力变换装置36以及用于监控管理电站运行状况的电力监控系统37。

电能接入装置33包括船岛接入电缆、配电接入开关柜、控制柜，将电能从海洋核能发电船舶引入岛礁蓄电池直流电站32。

充电装置34是为岛礁蓄电池直流电站32内配置的大容量蓄电池组充电设备，充电装置34的输出端与蓄电池组35和电力变换装置36相连。

蓄电池组35是岛礁蓄电池直流电站32的电源，核动力发电船舶输送电系统通过电能接入装置33定期给蓄电池组35大电流快速充电，在充电过程中，核动力发电船舶通过充电装置34向蓄电池组35充电，同时还通过充电装置34和供配电装置为岛礁负荷供电。待蓄电池组35充满电后，断开电能接入装置的连接，核动力发电船舶驶离岛礁，仍然由蓄电池组35通过供配电装置继续为岛礁负荷供电，直至下一个充电周期，如此循环反复。

电力变换装置36包括直流/交流电能变换设备和直流/直流变换电能设备两大类。两大类电力变换装置的输入端与蓄电池组35和充电装置34均连接，不论是蓄电池组35充电过程还是放电过程，连接在电力变换装置36输出端的岛礁交流负荷与直流负荷一直处于未断电状态。

电能管理系统37包括岛礁直流电站的电力监控系统、蓄电池管理系统、保护与控制系统、卫星通信等系统，实时监控直流电站的运行状况，并提供必要的电站运行保护与控制功能，同时还承担着蓄电池组的故障检测、电量状态监测与通讯上报等功能，当检测到蓄电池组放电容量达到预警值时，便会通过卫星通讯系统自动发送警告信息，以便于核动力发电船舶提前做好下一轮充电的规划。本发明所述的电能管理系统将电力监控、蓄电池管理、卫星通信等功能系统有机地整合在一起，提高了系统的集成度和信息管理效率，各系统同步协调，实现充放电计划与管理。

本发明所述的核动力发电船舶共有三种工作状态，停运态、航行态，充电态；本发明所述的岛礁蓄电池直流电站32共有两种状态：放电态、充电态。当核动力发电船舶处于停运态时，该船舶进行核燃料的装卸、换料、设备维修等工作；当核动力发电船舶处于停运态或者航行态时，岛礁蓄电池直流电站32处于放电态为岛礁供电；当核动力发电船舶处于放电态时，岛礁蓄电池直流电站32处于充电态，核动力发电船舶为岛礁蓄电池直流电站32充电并同时为岛礁供电。核动力发电船舶和岛礁直流电站通过卫星通信来交互传递当前的模式状态和需求信息。

待接收到岛礁直流电站32中的电能管理系统37通过卫星通信发出的充电需求信号后，核动力发电船舶启航前往岛礁直流电站32，处于核动力发电船舶反应堆堆舱1内的核反应堆2将核能转换为热能，冷却剂在主泵7的驱动下流经阀门6进入堆芯将热量带出，再经过阀门3循环至蒸汽发生器5时将热量传递给二回路系统，使其产生一定温度和压力的蒸汽。在反应堆进出口管道上连接的稳压器4，用于维持反应堆及一回路系统的运行压力，确保反应堆安全运行。

蒸汽发生器5产生的蒸汽通过蒸汽管道阀门9输送到二回路系统，供应第一汽轮机10和第二汽轮机17及其他用汽设备。蒸汽在第一汽轮发电机23、第二汽轮发电机24、其他用汽设备内膨胀做功，产生全船所需的推进电能和自用电能。第一汽轮机10排出的废汽进入第一冷凝器11，被第一循环水泵15从舷外抽进的第一舷外水16冷却成为凝结水，再由第一凝水泵12、第一给水泵13增压，在给水加热器14中加热到一定温度后通过给水阀门8再送入蒸汽发生器5，开始下一轮循环。第二汽轮机17排出的废汽进入第二冷凝器18，被第二循环水泵21从舷外抽进的第二舷外水22冷却成为凝结水，再由第二凝水泵19、第二给水泵20增压，在给水加热器14中加热到一定温度后通过给水阀门8再送入蒸汽发生器5，开始下一轮循环。

由第一汽轮机10驱动第一汽轮发电机23，第二汽轮机17驱动第二汽轮发电机24，第一汽轮发电机23和第二汽轮发电机24均接入电力推进装置25，电力推进装置25再驱动推进螺旋桨27，为船舶航行提供动力。推进轴承26用于支撑传动轴系的稳固性、降低转动过程中的摩擦系数、并保证传动轴系的回转精度。

在核动力发电船舶驶达目的地岛礁后，进行电力推进系统的有序关停操作，调节核动力发电船舶一回路、二回路、电力推进系统的各个相关机组设备，仍保持转换开关柜31处于断开状态，将转换开关柜31的输出与岛礁直流电站32中的电能接入装置33相连接，通过能量管理单元30控制转换开关柜31闭合，为充电装置34输送可靠高效的电能，充电装置34同时为蓄电池组35充电，并为电力变换装置36供电，电力变换装置36的输出连接岛礁负荷，为之持续供电。

本发明所述的海洋核能发电船舶可采用单个核反应堆或者多个核反应堆配置。

本发明所述的二回路系统可配置为单堆单台汽轮机、单堆多台汽轮机、双堆多台汽轮机。

本发明所述的电力推进系统可配置单螺旋桨或者多个螺旋桨。

本发明所述的岛礁直流电站的蓄电池类型包括但不限于铅酸电池、锂电池、液流电池、太阳能电池等。

本发明所述的岛礁直流电站32内可根据需要增设其他电源。

最后需要说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本专利技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本专利进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本专利的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本专利的权利要求范围当中。

参考文献

[1]海岛智能微电网综述[j]，刘林，机电信息，2015年第9期，p19-20

[2]海岛智能微电网技术综述[j]，欧阳丽、葛兴凯，电器与能效管理技术，2014年第10期，p56-59

[3]基于可再生能源接入的海岛直流微电网系统的研究[c]，许会广、秦毅，第二届中国海洋可再生能源发展年会暨论坛论文集，p429-434

[4]海岛微电网分层控制研究及智能终端设计[d]，李亮，浙江大学硕士学位论文，2015

[5]分布式太阳能抽水蓄能电站[p]，李同强，201310601141.4,2013.11.21

[6]一种光伏储能电站[p]，牛伟宏，鲁宁等，201510772215.x，2015.11.12

[7]一种储能电站、储能方法[p]，章小康，瞿志华，201610276223.x，2016.04.29

[8]一种智能光伏储能系统[p]，许驰，201710325376.3,2017.05.10

[9]一种风电储能电站[p]，刘存霖、熊宗保等，cn202094643u，2011.12.28

[10]一种风光互补发电系统[p],徐驰，杜志华等，cn206850508u，2018.01.05

[11]一种用于平衡电网负荷的电池储能电站和方法[p]，罗红斌、廖云浩等，200910136166.5，2009.04.30

[12]风力发电、火力发电和压缩空气储能一体化发电系统[p]，何青、刘辉，201310614128.2，2013.11.28

[13]用户侧储能电站及其应用模式[p]，吴贤章、谭建国等，201710742489.3，2017.08.25

[14]一种可独立运行的移动式储能电站[p]，刘雅羽、徐晓军，201610270339.2，2016.04.28

[15]移动式储能电站[p]，王平、汤秀芹等，201611233383.2，2016.12.28

[16]船舶核动力装置[m]，彭敏俊，原子能出版社，2009

[17]用于海上核能发电的奖杯式浮动核电站[p]，郑亚雄、张乃樑等，201710915621.6，2017.09.30

[18]一种单立柱形式的核能发电海洋平台[p]，任铁、杨钥，201611229361.9，2016.12.27

[19]可持续供电的海洋核动力平台[p]，李鹏凡、张乃樑等，201720942328.4，2017.07.31