李儒鵬,黃家運(yùn),張 熠,劉鶴忠

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán) 華東電力設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200063)

“華龍一號(hào)”示范工程的技術(shù)方案建立在我國(guó)已掌握的成熟技術(shù)基礎(chǔ)之上,吸收福島核電站事故的經(jīng)驗(yàn)反饋,考慮了完善的嚴(yán)重事故預(yù)防與緩解措施;相對(duì)于國(guó)內(nèi)翻版改進(jìn)型核電廠 (M310堆型)實(shí)施了一系列重要的安全設(shè)計(jì)和技術(shù)改進(jìn),“華龍一號(hào)”示范工程的常規(guī)島設(shè)計(jì)充分吸收國(guó)內(nèi)外成熟先進(jìn)的核電設(shè)計(jì)、制造、施工及安裝技術(shù),在滿足安全、可靠的前提下降低工程造價(jià),工程設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破和全面的優(yōu)化,體現(xiàn)了“華龍一號(hào)”三代核電技術(shù)的明顯優(yōu)勢(shì),彰顯出常規(guī)島的設(shè)計(jì)技術(shù)在可靠性、經(jīng)濟(jì)性及先進(jìn)性方面的顯著特點(diǎn)和諸多亮點(diǎn)。

1 降標(biāo)高布置方案

1.1 方案主要背景

20世紀(jì)90年代初,華東院率先將降標(biāo)高布置方案成功應(yīng)用于核電站常規(guī)島主廠房設(shè)計(jì),產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,引領(lǐng)了國(guó)內(nèi)大容量核電常規(guī)島設(shè)計(jì)的潮流和發(fā)展方向,近十年來(lái),一大批百萬(wàn)千瓦級(jí)核電工程,以降標(biāo)高方案為基礎(chǔ),進(jìn)行了常規(guī)島主廠房的設(shè)計(jì)和建設(shè),投入運(yùn)行后,技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)良,得到了總包單位和廣大業(yè)主的一致好評(píng)。當(dāng)前,一批正在設(shè)計(jì)和計(jì)劃中的核電工程,同樣將降低標(biāo)高布置作為常規(guī)島工程首選考慮方案,其中包括 “華龍一號(hào)”示范工程福清核電站5、6號(hào)機(jī)組。

1.2 示范工程廠址基本條件

表1是與常規(guī)島主廠房標(biāo)高設(shè)置密切相關(guān)的示范工程廠址基本條件,這是常規(guī)島主廠房標(biāo)高方案分析的基礎(chǔ)。

表1 “華龍一號(hào)”示范工程廠址基本條件Table 1 Basic conditions for the site of Hualong One demonstration project

1.3 示范工程標(biāo)高優(yōu)化分析

根據(jù)以上示范工程輸入條件,結(jié)合主機(jī)冷端優(yōu)化后的參數(shù),對(duì)示范工程常規(guī)島主廠房標(biāo)高設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化分析。

1)若采用地面布置方案,汽輪機(jī)房凝汽器水室頂標(biāo)高、堰上水位、排水尾部及平均高低水位數(shù)據(jù)見圖1。

2)地面布置的堰上水位約為8.37 m,相比平均潮位、特別是平均低潮位,排出的循環(huán)冷卻水有明顯的 “跌落水頭損失”,造成循環(huán)水系統(tǒng)功率損失。

3)鑒于以上地面布置方案對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)了明顯不利的特點(diǎn),需要采取降低汽機(jī)房布置標(biāo)高的方法,提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

圖1 地面布置方案主要標(biāo)高關(guān)系圖Fig.1 Relations of main elevations in the ground layout

4)通過綜合分析降低標(biāo)高后循環(huán)水系統(tǒng)、主廠房布置、接口、工程量及機(jī)組功率等之間的變化關(guān)系及運(yùn)行投資估算,確定了降低8.5 m的優(yōu)化方案,該方案相比福清核電站1、2號(hào)機(jī)組及福清核電站3、4機(jī)組降低7.5方案,經(jīng)濟(jì)性更加優(yōu)越,廠房布置更為合理暢通,這是示范工程對(duì)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)反饋一個(gè)典型案例。

1.4 示范工程標(biāo)高方案優(yōu)化后的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

1)由于有效地降低了循環(huán)水泵揚(yáng)程,節(jié)省了循環(huán)水泵的采購(gòu)費(fèi)用,一臺(tái)機(jī)組兩臺(tái)泵配置,節(jié)省了約600萬(wàn)元的設(shè)備成本。

2)由于有效地降低了循環(huán)水泵揚(yáng)程,循環(huán)水泵運(yùn)行廠用電明顯下降,經(jīng)計(jì)算,每年節(jié)省了廠用電約2 600萬(wàn)元,在60年運(yùn)行周期內(nèi)均可得到明顯收益;

3)常規(guī)島主廠房降低標(biāo)高后,主廠房結(jié)構(gòu)、暖通消防、循環(huán)水構(gòu)筑物等工程量方面有一定的增加,初步估算增加值在6 000萬(wàn)元上下,扣除設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用的節(jié)省,應(yīng)該在機(jī)組投運(yùn)2年左右時(shí)間,就可得到回收,項(xiàng)目整體經(jīng)濟(jì)性明顯增加。

4)降低標(biāo)高后,常規(guī)島主廠房的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大大增加,抗震性能提高,保證60年運(yùn)行期內(nèi),機(jī)組安全、可靠運(yùn)行。

2 半轉(zhuǎn)速長(zhǎng)葉片汽輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)

2.1 汽輪發(fā)電機(jī)組總體技術(shù)

“華龍一號(hào)”示范工程汽輪發(fā)電機(jī)組是東方電氣和國(guó)內(nèi)多個(gè)協(xié)作單位在20多年、20多臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電汽輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)引進(jìn)消化、自主研發(fā)和應(yīng)用基礎(chǔ)上,進(jìn)行了多項(xiàng)開創(chuàng)性的技術(shù)突破和大量的技術(shù)改進(jìn)分析,形成了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系統(tǒng)性集成技術(shù),保證 “華龍一號(hào)”示范工程常規(guī)島核心設(shè)備的可靠性、先進(jìn)性及經(jīng)濟(jì)性。

該型機(jī)組技術(shù)的總體方案為三缸四排汽、半轉(zhuǎn)速、末級(jí)葉片1 828 mm長(zhǎng)度的汽輪機(jī)組,配水氫氫發(fā)電機(jī)及其他輔助系統(tǒng)。

2.2 汽輪發(fā)電機(jī)組中的核心技術(shù)

(1)1 828 mm末級(jí)葉片技術(shù)

1 828 mm末級(jí)葉片是目前世界上在運(yùn)、在建的核電站汽輪機(jī)最長(zhǎng)的葉片,也是最先進(jìn)的技術(shù),由東方電氣自主開發(fā),經(jīng)過了一系列論證和優(yōu)化,完成了大量子課題的攻關(guān),包括葉片部件材料的選擇及其六十年壽命驗(yàn)證、超長(zhǎng)葉片的加工程序、超長(zhǎng)葉片變形控制技術(shù)、超長(zhǎng)葉片應(yīng)力試驗(yàn)方法等,2012年6月,成功完成了葉輪空氣動(dòng)力試驗(yàn)和應(yīng)力試驗(yàn)。為 “華龍一號(hào)”示范工程汽輪發(fā)電機(jī)組正式制造創(chuàng)造了條件。

通過長(zhǎng)葉片方案的應(yīng)用,汽輪發(fā)電機(jī)組在不增加低壓缸數(shù)量的情況下增大了機(jī)組的排汽面積,相比福清1、2機(jī)組1 430 mm末級(jí)葉片的汽輪機(jī),其名義排汽面積從80 m2增加到120 m2,提高了機(jī)組的發(fā)電功率和效率,長(zhǎng)葉片方案避免了 “華龍一號(hào)”堆型采用3個(gè)低壓缸方案,汽輪機(jī)設(shè)備的直接成本節(jié)省超過1 000萬(wàn)元以上人民幣,同時(shí)也節(jié)省了汽輪機(jī)廠房布置空間,機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性也明顯提高。

(2)焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)

低壓缸焊接轉(zhuǎn)子的采用也是該型汽輪發(fā)電機(jī)組的一個(gè)亮點(diǎn),焊接轉(zhuǎn)子由許多分段組焊而成,分段內(nèi)部可形成較大的空腔,轉(zhuǎn)子慣性低、啟動(dòng)快,機(jī)組運(yùn)行更靈活;另外,由于焊接轉(zhuǎn)子的鍛件尺寸小,鍛件的鍛壓質(zhì)量和熱處理質(zhì)量容易得到保證,轉(zhuǎn)子金屬組織均勻,內(nèi)在質(zhì)量檢測(cè)的可靠性高,該項(xiàng)技術(shù)同樣經(jīng)過了詳細(xì)的自主研究、論證和優(yōu)化,按照核電產(chǎn)品過程控制的嚴(yán)格要求,全面應(yīng)用于 “華龍一號(hào)”示范工程的汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備中,保證了機(jī)組可靠性、經(jīng)濟(jì)性的同時(shí),技術(shù)指標(biāo)也處于同行領(lǐng)先水平。

(3)發(fā)電機(jī)組三維設(shè)計(jì)技術(shù)

示范工程自主化發(fā)電機(jī)組也具有眾多獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn),由于定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、定子線圈環(huán)形引線安裝的空間非常緊湊等特點(diǎn),設(shè)計(jì)人員利用三維技術(shù)對(duì)安裝過程進(jìn)行了全動(dòng)畫設(shè)計(jì),模擬后續(xù)工序,包括工人怎么操作、如何移動(dòng)等,設(shè)計(jì)方案的精度、設(shè)備安裝、調(diào)試和運(yùn)行各環(huán)節(jié)的質(zhì)量得到可靠保證。

(4)凝汽器技術(shù)改進(jìn)

根據(jù)福清核電站1、2號(hào)機(jī)組等幾臺(tái)同類型的百萬(wàn)千瓦核電機(jī)組,運(yùn)行后均發(fā)生凝汽器傳熱管磨損的情況,示范工程從設(shè)計(jì)方案開始,對(duì)傳熱管和相關(guān)結(jié)構(gòu),進(jìn)行了針對(duì)性的改進(jìn),有效地減小汽流激振下冷卻管的振幅,從而在一定程度上避免冷卻管發(fā)生碰磨現(xiàn)象,成為經(jīng)驗(yàn)反饋的又一成果。

(5)機(jī)組功率的保證

通過以上技術(shù)方案的開發(fā)、試驗(yàn)和論證,同時(shí)與其他各項(xiàng)改進(jìn)技術(shù)集成,“華龍一號(hào)”示范工程汽輪發(fā)電機(jī)組在T MCR工況下可保證達(dá)到1 161 MW的功率水平。

3 常規(guī)島設(shè)計(jì)中一些關(guān)鍵技術(shù)的攻克和應(yīng)用

對(duì)于 “華龍一號(hào)”示范工程的常規(guī)島設(shè)計(jì),除以上降標(biāo)高布置方案和主設(shè)備選型優(yōu)化工作外,設(shè)計(jì)承擔(dān)單位華東院還進(jìn)行了30多項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)的攻關(guān)和改進(jìn),本文列舉如下幾項(xiàng)代表性的技術(shù),以進(jìn)一步體現(xiàn)示范工程的常規(guī)島設(shè)計(jì)綜合水平。

3.1 核電常規(guī)島主蒸汽管道地震應(yīng)力分析

(1)地震應(yīng)力分析課題背景

日本核島事故后,地震對(duì)于核電站安全的影響日益受到關(guān)注,常規(guī)島主蒸汽和主給水管道與核島直接相連,該部分系統(tǒng)在地震工況下的運(yùn)行情況,也間接影響著核電站的安全、可靠運(yùn)行,有必要及時(shí)開展常規(guī)島主蒸汽和主給水管道地震應(yīng)力分析課題攻關(guān)研究,并在 “華龍一號(hào)”示范工程中應(yīng)用。

(2)地震應(yīng)力分析主要內(nèi)涵

華東院組織院內(nèi)技術(shù)骨干,成立專項(xiàng)課題,查閱國(guó)外資料,建立了核電主蒸汽計(jì)算模型,分別用靜力、動(dòng)力兩種方法,不同的地震加速度,經(jīng)過兩年多時(shí)間計(jì)算和分析,對(duì)核電主蒸汽和主給水管道地震工況應(yīng)力反復(fù)研究和論證,掌握了地震工況應(yīng)力的計(jì)算原理、計(jì)算方法,了解了各種工況下,管系應(yīng)力分布特點(diǎn)、變化規(guī)律,各類支吊架包括阻尼器的設(shè)置要求。

以計(jì)算后阻尼器荷載數(shù)據(jù)分析為例,計(jì)算表明:通過動(dòng)力法計(jì)算后阻尼器荷載明顯高于靜力法,平均增大65%左右,個(gè)別阻尼器荷載值相差2～3倍,圖2是靜力和動(dòng)力兩種不同計(jì)算方法計(jì)算后阻尼器的載荷變化特征。通過這些計(jì)算和分析,不僅了解了阻尼器在地震工況下的機(jī)理和重要作用,同時(shí)對(duì)管系中如何布局阻尼器,有直接的指導(dǎo)作用。

圖2 地震應(yīng)力不同計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果增幅比較表Fig.2 Co mparison f or t he calculation result increase of seis mic stress with different calculation methods

(3)地震應(yīng)力分析重大意義

核電常規(guī)島主蒸汽和主給水管道地震工況應(yīng)力分析課題的完成,是核電常規(guī)島技術(shù)發(fā)展的又一次重大突破,該技術(shù)在 “華龍一號(hào)”示范工程的成功應(yīng)用,提升了常規(guī)島乃至整個(gè)電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和安全性。

3.2 常規(guī)島主廠房防倒塌分析技術(shù)

常規(guī)島主廠房為非核級(jí)抗震建筑物,即與核安全無(wú)關(guān)的III類物項(xiàng),但是由于常規(guī)島主廠房與核島相鄰,若其在地震中發(fā)生倒塌,將可能危及核島中的電氣廠房等I類物項(xiàng),按照我國(guó) 《核電廠的抗震設(shè)計(jì)與鑒定》(HAD102/02)和 《核電廠常規(guī)島設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50958-2013)中的規(guī)定,需要評(píng)估常規(guī)島主廠房對(duì)核島輔助附屬?gòu)S房的影響,進(jìn)行在廠址極限安全地震動(dòng) (SL-2)作用下的結(jié)構(gòu)防倒塌驗(yàn)算,以確保常規(guī)島廠房結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下不會(huì)發(fā)生倒塌及喪失功能。

地震作用下結(jié)構(gòu)的防倒塌分析方法,主要有非線性動(dòng)力時(shí)程分析及非線性靜力推覆分析。經(jīng)過分析,選用非線性靜力推覆分析即push-over方法,對(duì)常規(guī)島主廠房結(jié)構(gòu)防倒塌進(jìn)行分析和驗(yàn)算,該方法計(jì)算簡(jiǎn)便、結(jié)果豐富直觀,已并被納入FEMA-356、ATC-40及我國(guó)的 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。華東院率先采用pushover方法,對(duì)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電廠常規(guī)島主廠房在強(qiáng)震作用下性能特性進(jìn)行研究,并將相關(guān)成果及時(shí)應(yīng)用到 “華龍一號(hào)”示范工程常規(guī)島主廠房的防倒塌分析及工程設(shè)計(jì)中。

對(duì)常規(guī)島主廠房的防倒塌分析研究表明,通過push-over分析可以直觀地了解到地震作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形特性、塑性鉸出現(xiàn)的順序和位置等信息,從而確定結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的非線性特性、薄弱點(diǎn)及破壞機(jī)制。圖3為常規(guī)島主廠房整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型,圖4為y向加速度常量加載下的塑性鉸分布圖。

圖3 常規(guī)島主廠房整體結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Integral str ucture model of the main building of t he conventional island

圖4 y向加速度常量加載下的塑性鉸分布圖Fig.4 Plastic hinge distribution when loading Y-direction acceleration constant

在規(guī)定地震作用下,“華龍一號(hào)”示范工程常規(guī)島主廠房結(jié)構(gòu)在性能點(diǎn)處的層間位移角和最大位移均滿足要求,主要受力構(gòu)件的塑性發(fā)展程度不深,塑性鉸主要集中在梁的兩端。結(jié)果表明,“華龍一號(hào)”示范工程常規(guī)島主廠房能夠通過防倒塌驗(yàn)算,不會(huì)影響到其周邊核島的輔助附屬?gòu)S房結(jié)構(gòu),目前 “華龍一號(hào)”示范工程常規(guī)島主廠房土建設(shè)計(jì)工作基本結(jié)束,正在對(duì)主廠房最后階段計(jì)算復(fù)核工作,計(jì)算分析結(jié)果將體現(xiàn)在項(xiàng)目的最終安全分析報(bào)告中。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及布置方案進(jìn)一步優(yōu)化

系統(tǒng)設(shè)計(jì)及布置方案是 “華龍一號(hào)”示范工程常規(guī)島設(shè)計(jì)方案的重要組成部分,華東院 “華龍一號(hào)”項(xiàng)目組在充分吸取30多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,結(jié)合示范工程特點(diǎn),提出了更多詳細(xì)的優(yōu)化改進(jìn)方案,一些典型的改進(jìn)方案如下:取消蒸汽轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)、取消至除氧器的旁路排放閥、采用立式MSR疏水泵、優(yōu)化設(shè)備選型、優(yōu)化管道材料的選取、優(yōu)化主蒸汽和主給水管道布置、優(yōu)化主給水流量控制系統(tǒng)閥門站布置、優(yōu)化凝結(jié)水精處理系統(tǒng)酸堿廢水中和池布置方案等,這些改進(jìn)和完善措施均在保證機(jī)組運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上,在施工圖設(shè)計(jì)中貫徹執(zhí)行,做到設(shè)計(jì)方案科學(xué)、合理又經(jīng)濟(jì)。

4 先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段

“華龍一號(hào)”示范工程在大量火電及核電三維協(xié)同設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,首次在核電中采用更為先進(jìn)、功能更強(qiáng)大的Smart3D三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),工藝專業(yè)的設(shè)備及管道 (含支吊架)、結(jié)構(gòu)專業(yè)的梁柱及平臺(tái)、電氣專業(yè)電纜橋架、暖通專業(yè)的風(fēng)道以及大量設(shè)備供貨商的三維模型等齊聚三維模型中,在模型中完成各專業(yè)配合、各設(shè)備接口配合、碰撞檢查及成品出圖,從而基本消除了現(xiàn)場(chǎng)施工中的相互干涉帶來(lái)的返工情況,提高了設(shè)計(jì)效率,圖5是示范工程汽機(jī)房運(yùn)轉(zhuǎn)層三維渲染圖。

圖5 示范工程汽機(jī)房運(yùn)轉(zhuǎn)層三維渲染圖Fig.5 3D diagra m of the operating floor in the tur bine building of the de monstration project

與此同時(shí),在設(shè)計(jì)過程中建立的完整、準(zhǔn)確的三維模型及數(shù)據(jù)庫(kù)信息,為核電廠投運(yùn)后60年的全壽期技術(shù)支持與服務(wù)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

“華龍一號(hào)”示范工程正在順利向前推進(jìn),華東院將一如既往,恪守 “服務(wù)總包、服務(wù)業(yè)主、深挖潛力、做精業(yè)務(wù)”的宗旨,不斷將核電常規(guī)島設(shè)計(jì)推向一個(gè)又一個(gè)新的高度。

“華龍一號(hào)”常規(guī)島工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作永遠(yuǎn)在路上,華東院有條件、有決心、更有責(zé)任、有信心,努力夯實(shí)好 “華龍一號(hào)”常規(guī)島設(shè)計(jì)之路上的每一個(gè)腳印,決心打造出 “華龍一號(hào)”示范項(xiàng)目常規(guī)島的優(yōu)質(zhì)工程、精品工程。

[1]路清,等.福建福清核電廠5、6號(hào)機(jī)組工程文件[廠址有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)](CFX810600100 CNPE03 GN)[R]．中國(guó)核電工程公司．

[2]姜震,等．核電常規(guī)島主蒸汽管道地震應(yīng)力分析(DG1-A01-2014) [R]．中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)公司,2014．

[3]張成,等．核電常規(guī)島主廠房防倒塌分析 (30-K2014-T04) [R]．中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)公司技術(shù)成果,2014．