船舶核动力装置PPT

船舶核动力装置MarineNuclearPowerPlant核科学与技术学院（V2011.02.27）MNPP-L012020年3月3日星期二《核动力装置》2［教师信息］主讲教师：王贺1998年至2010年，哈尔滨工程大学本、硕、博2007年至2008年，日本东京大学访问学者研究方向：概率安全分析方法、核电在线风险监测方法承担：海军项目、863项目等工作单位：核科学与技术学院核动力仿真研究中心办公室地址：31#楼4层442室Tel：[phone]Email：[e-mail]网站：年3月3日星期二《核动力装置》3［教学要求］教学方式：课堂讲授＋课堂讨论考核方式：闭卷考试上课避免迟到，课间经允许后可离开谁最后走，谁关灯手机响、接手机、用手机看小说，发现一次擦黑板一周2020年3月3日星期二《核动力装置》4［学习要点］1系统的功用或作用为什么设置该系统？该系统在核动力装置中承担什么任务？2系统的基本组成系统中包括哪些主要设备？各设备如何组成一个完整系统？3系统的运行原理系统是如何实现其功能的？系统基本运行与控制原理2020年3月3日星期二《核动力装置》51核动力装置概述1.1核动力装置含义及其特点1.2核动力装置的组成及原理2020年3月3日星期二《核动力装置》61.1核动力装置含义及其特点1.1.1船舶动力装置类型1.1.2船用核动力装置含义1.1.3核能的特点1.1.4核能用作船舶动力的优越性2020年3月3日星期二《核动力装置》71.1.1船舶动力装置类型新能源动力装置联合动力装置核动力装置蒸汽轮机动力装置燃气轮机动力装置内燃机动力装置船舶动力装置［船舶动力装置］为船舶提供推进动力和其他所需能源的机械、设备和系统的总称，包括主动力装置和辅助动力装置两部分。按燃料类型划分为两大类：常规动力装置核动力装置2020年3月3日星期二《核动力装置》8燃料为煤或油，由锅炉提供蒸汽蒸汽驱动汽轮机旋转，将蒸汽的热能转换为机械能汽轮机驱动发电机发电，或通过减速器驱动螺旋桨［1］蒸汽动力装置的工作原理1900年，英国海军“蝮蛇”号鱼雷驱逐舰在世界上首次使用蒸汽轮机推进船舶2020年3月3日星期二《核动力装置》9蒸汽轮机▲凝汽式汽轮机2020年3月3日星期二《核动力装置》10汽轮机单机功率大机组振动、噪声较小磨损部件少、可靠性高汽轮机结构简单、紧凑，便于运行、管理和维修可使用劣质燃油蒸汽动力装置的特点系统复杂，重量尺寸大，附属设备多初建费用高，热效率低机动性差2020年3月3日星期二《核动力装置》11［2］柴油机的工作原理进入气缸内的新鲜空气被活塞压缩到能使柴油自行燃烧的温度时，用高压油泵及油枪将燃油引入燃烧室并喷射成雾状与压缩空气混合，同时自行点火。燃烧后产生的高温、高压燃气在气缸内膨胀作功，推动活塞运动，通过曲柄连杆机构将机械功从曲轴输出，带动螺旋桨工作。1895年，德国人狄赛尔发明了柴油机，于20世纪初逐步用于舰艇，迄今已经成为船舶上用得较为普遍的一种动力装置。2020年3月3日星期二《核动力装置》12柴油机装置的特点▲船用大功率低速柴油机具有良好的机动性柴油机重量和尺寸按功率比例增加很快，因而单机功率受到限制柴油机运行时振动、中、高速柴油机的运动部件磨损比较严重，整机寿命短柴油机在低转速时稳定性差2020年3月3日星期二《核动力装置》13［3］燃气轮机的工作原理将燃气轮机的压气机送出的压缩空气在燃烧室中与燃油混合燃烧，产生高温、高压燃气冲击动力涡轮作功，动力涡轮通过减速齿轮箱等传动设备驱动螺旋桨。舰用燃气轮机是在航空燃气轮机应用以后发展起来的新型动力装置。20世纪40年代，国外开始研究舰用燃气轮机，1947年，英国海军在炮艇上首次装用燃气轮机动力装置。2020年3月3日星期二《核动力装置》14舰用燃气轮机的应用112舰使用的燃机→↓舰用燃气轮机2020年3月3日星期二《核动力装置》15舰用燃气轮机的特点燃气轮机动力装置具有功率大、重量尺寸小、机动性好等优点机组结构较复杂，进、排气口附近噪声大，必须采取消声措施由于燃气的高温，叶片使用的合金材料价格昂贵，工作可靠性差，寿命短耗油率高进、排气管道尺寸较大，给机舱布置带来困难20世纪70年代以后，舰用燃气轮机进入迅速发展时期，装舰使用范围已由快艇发展到护卫舰、导弹驱逐舰、巡洋舰、直升机母舰、轻型航空母舰等大、中型水面舰艇，全世界已有30多个国家海军使用燃气轮机，其中俄罗斯的舰用燃气轮机的总装机功率居世界前列。2020年3月3日星期二《核动力装置》161.1.2船用核动力装置含义船舶核动力装置以原子核裂变能作为推进动力，包括核反应堆、为产生功率推动船舶前进所必需的有关设备以及为提供装置正常运行、保证对人员健康和安全不会造成特别危害所需的结构、系统和部件。将核燃料裂变产生的能量传输、分配并转换成推进船舶的动力核能热能热能机械能电能推进系统动力设备一回路二回路2020年3月3日星期二《核动力装置》17潜艇核动力装置示意图2020年3月3日星期二《核动力装置》18船用核动力装置发展历程▲世界上第一艘核潜艇“鹦鹉螺”号1954年1月，世界上第一艘核潜艇，也是美国海军第一艘核动力舰艇“鹦鹉螺”号下水美国、苏联/俄罗斯、英国、法国、中国已经建造了500多艘核潜艇，至2002年，世界上仍然在役的核潜艇有150多艘印度核潜艇海曼·乔治·里科弗2020年3月3日星期二《核动力装置》19装备核动力舰船的国家国家美国俄罗斯/前苏联核潜艇英国法国中国巡洋舰航空母舰核潜艇核潜艇航空母舰核潜艇巡洋舰破冰船核潜艇航空母舰？2020年3月3日星期二《核动力装置》20船舶核动力装置的应用2020年3月3日星期二《核动力装置》211.1.3核能的特点核燃料具有极高的能量密度核裂变可以在任何功率水平下达到临界（功率大）核裂变反应不需要氧气核裂变过程伴随着大量放射性物质的产生2020年3月3日星期二《核动力装置》221kg铀-235完全裂变19,600,000,000kcal1kg标准煤完全燃烧7,000kcal1L重油完全燃烧9,900kcal1m3天然气完全燃烧9,800kcal1kg铀-235完全裂变放出的热量相当于2700吨标准煤完全燃烧放出的热量同一质量下，核能比化学能大数百万倍（1）核燃料具有极高的能量密度2020年3月3日星期二《核动力装置》23核动力舰船不需要携带大量的燃料，在反应堆寿期内不需要外界补充燃料核动力舰船可携带更多的武器装备和其他物资，提高战斗力和自持力可大大减少辅助舰船的数量，提高整个舰队的航速和续航力（1）燃料重量占全船载重量的比例较小“武汉”号，排水量7500吨，最高航速32节，20节时续航距离6000多公里。“微山湖”补给舰，排水量接近3万吨2020年3月3日星期二《核动力装置》24（2）核燃料可以在任意功率水平下达到临界2020年3月3日星期二《核动力装置》25概念1：续航力是舰艇装载一次燃料所能持续航行的距离概念2：舰船推进功率与航速的立方成正比核潜艇：长寿命堆芯可用10年以上，续航力超过40万海里，潜航距离占总航程的95%以上核动力装置的高功率可使核潜艇的水下航速、核动力航空母舰的航速达到30节（美国“海狼”级核潜艇的最高航速35节）常规潜艇：航速10节时，续航力达到1万海里，只能连续航行6~10小时；水下最大航速为15~25节（2）提供较大的续航力和功率2020年3月3日星期二《核动力装置》26概念1：续航力是舰艇装载一次燃料所能持续航行的距离概念2：舰船推进功率与航速的立方成正比核潜艇：长寿命堆芯可用10年以上，续航力超过40万海里，潜航距离占总航程的95%以上核动力装置的高功率可使核潜艇的水下航速、核动力航空母舰的航速达到30节（美国“海狼”级核潜艇的最高航速35节）（2）提供较大的续航力和功率▲世界上第一艘核动力航空母舰，1964年进行了史无前例的环球航行,途中无需加油和再补给,历时64天,总航程3万多海里。2020年3月3日星期二《核动力装置》27（3）核裂变反应不需要氧气2020年3月3日星期二《核动力装置》28核潜艇无需定期浮出水面用柴油发电机给蓄电池充电，可长期潜航水面舰船不需要设置进气道和烟囱，减少上层建筑，免受烟气的腐蚀和热气流的影响，降低了红外特征——大型水面舰船如航空母舰不需要布置烟囱，上层建筑布置更为灵活（3）提高舰船的隐蔽性2020年3月3日星期二《核动力装置》29（4）核裂变过程伴随着放射性物质的产生核裂变反应会产生大量的放射性物质；核动力装置具有潜在的危险性；安注系统危机冷却系统全寿期都不用一次需要采取严格的辐射防护措施；运行管理要求很高。2020年3月3日星期二《核动力装置》301.1.4核能用作船舶动力的优越性燃料重量占全船载重量的比例较小;提供较大的续航力和推进功率;提高潜艇的隐蔽性。2020年3月3日星期二《核动力装置》311.2核动力装置的组成及原理1.2.1船用核动力装置的基本组成1.2.2船用动力堆选型2020年3月3日星期二《核动力装置》32船舶核动力装置反应堆一回路系统二回路系统推进系统齿轮减速推进电力推进压水堆1.2.1船用核动力装置的基本组成液态金属冷却反应堆2020年3月3日星期二《核动力装置》33压水堆核动力装置原理流程2020年3月3日星期二《核动力装置》34一回路系统反应堆冷却剂系统专设安全系统一回路辅助系统废物处理系统一回路系统的基本组成2020年3月3日星期二《核动力装置》35二回路系统汽轮机回路蒸汽系统循环水系统润滑油系统造水系统二回路系统的基本组成2020年3月3日星期二《核动力装置》36二回路主机配置方案2020年3月3日星期二《核动力装置》37船舶推进方式2020年3月3日星期二《核动力装置》381.2.2船用动力堆选型动力堆类型水冷堆气冷堆压水堆有机液冷却堆沸水堆重水堆液态金属冷却堆金属钠钠-钾合金铅-铋合金热中子堆快中子堆2020年3月3日星期二《核动力装置》39核反应堆的类型按引起裂变的中子能量划分：快中子堆、热中子堆按慢化剂的类型划分：轻水堆、重水堆、石墨堆按冷却剂的类型划分：水冷堆——压水堆、沸水堆、重水堆气冷堆——高温气冷堆液态金属冷却堆——钠冷快中子堆有机液冷堆2020年3月3日星期二《核动力装置》40（1）压水堆的特点慢化剂采用轻水，冷却剂采用轻水，冷却剂在堆芯不沸腾采用U-235富集度为3％~4%的UO2陶瓷燃料，在舰船压水堆上由于要提高堆芯寿命，燃料的富集度一般都很高一、二回路之间相互隔离，二回路不需要屏蔽结构紧凑、体积小、功率密度高、平均燃耗较深，技术比较成熟采用多道屏障防止放射性物质外泄反应堆具有自稳自调特性，安全性较好2020年3月3日星期二《核动力装置》41（2）沸水堆的特点沸水堆以沸腾轻水为慢化剂和冷却剂，在反应堆压力容器内直接产生饱和蒸汽；沸水堆与压水堆同属轻水堆，都具有结构紧凑、安全可靠、建造费用低和负荷跟随能力强等优点，使用低富集铀作燃料；不需要蒸汽发生器，运行参数较压水堆低；具有很强的自然循环能力，一般可达40~50%FP，甚至100%FP。2020年3月3日星期二《核动力装置》42沸水堆的不足压力容器底部开有大量孔洞，对压力容器的强度有不利影响；堆内结构复杂，同时由于水汽对中子慢化能力减弱，所需要装载的燃料更多，相同功率下体积要大于压水堆；放射性物质会随着蒸汽进入汽轮机等设备，需要屏蔽的体积和质量大大增加，增加了维护难度。2020年3月3日星期二《核动力装置》43（3）重水堆的特点采用重水作慢化剂，可以直接利用天然铀作为核燃料；可用轻水或重水作冷却剂；分压力容器式和压力管式两类；是发展较早的堆型，有各种类别，但已实现工业规模推广的只有加