EPR三代核電廠廊道設計

劉小云，張太勇

(深圳中廣核工程有限公司，廣東省深圳市，518000)

0 引言

核電廠是一個龐大的系統工程，核島、常規島和外圍設施(balance of plant，BOP)各廠房間存在大量的工藝、電氣系統接口。除了主蒸汽、主給水等管道采用架空連接外，通常采用地下廊道作為通道來實現廠區各廠房之間工藝管道以及電纜的連接［1-2］。歐洲壓水堆(Europe pressure-water reactor，EPR)核電廠由于具有單機容量大、電氣和消防系統冗余度高的特點，廊道設計與國內其他技術路線的核電廠相比更為復雜。本文結合臺山核電廠一期工程廊道設計實踐，根據EPR核電廠廊道設計內容，提出EPR核電廠廊道設計的思路和方法，在目前國內相關適用規范欠缺的情況下，為國內同類設計工作提供借鑒。

1 廊道功能及分類

EPR核電廠廊道和涉及系統數量眾多，以臺山核電廠一期工程(2×1 750 MW)EPR機組為例，廠區廊道數量達70余條，其中不包括常規島與泵房之間的循環水廊道及取排水涵洞。按功能分，這些廊道主要包括綜合廊道、重要廠用水廊道、消防廊道、廢液廊道、電氣廊道等，涵蓋36個工藝系統、64個電氣系統。表1列出了EPR核電廠內的主要廊道及其安全和校核等級。

1.1 綜合機械廊道

綜合機械廊道為核電廠廠區主要公用工藝系統和部分電氣系統管、線敷設場所，是核電廠涉及廠房子項和系統最多的廊道。工藝系統主要包括飲用水、除鹽水、消防水、輔助蒸汽、熱水、壓縮空氣、各類氣體及非放射性廢液系統等;電氣系統主要包括10 kV配電、維修配電以及照明系統等。該廊道不設安全功能。

1.2 重要廠用水廊道

重要廠用水廊道為連接重要廠用水泵房和安全廠房的管、線通道，布置于核島和常規島兩側，每臺機組共4條廊道。該廊道具有安全功能，在正常運行和事故工況下能確保置于其中的冷卻系統管道正常工作［3］。主要系統包括重要廠用水系統、專設重要冷卻水系統(安全殼熱導出系統)、核島消防水系統等，部分段也作為電氣系統的通道，主要包括核島690 V交流應急配電和應急輔助配電系統。

表1 EPR核電廠主要廊道Tab.1 The main gallery in EPR nuclear power plant

1.3 消防廊道

消防廊道為連接消防水池、核島、常規島及BOP的消防水、應急給水、水池補水管、線的通道，同時敷設消防水池所需動力電纜、測量電纜和控制電纜，具有安全功能，設計上考慮冗余。

1.4 廢液廊道

廢液廊道為核島與廢液處理廠房之間的放射性廢液輸送廊道，具有安全功能。主要系統包括核島廢液監測和排放系統、附加廢液貯存系統、核島消防水系統等，同時布置有核島400 V正常配電系統和照明系統。

1.5 電氣廊道

電氣廊道為核島、常規島及BOP區的動力電纜、測量電纜和控制電纜以及機組出線的通道。主要包括核島電氣廊道、普通電氣廊道、220和500 kV高壓電氣廊道等。核島電氣廊道主要是為核島400 V、690 V正常配電和次級配電電源及10 kV應急電源提供的通道，具有安全功能，設計上考慮冗余［4］。普通電氣廊道為常規島電氣廠房至核島4列安全廠房及部分BOP廠房的電纜通道，無安全功能。220 kV電氣廊道分2個部分，一部分由220 kV施工與輔助變電站至廠區輔助變壓器，為機組提供輔助電源;另一部分由220 kV施工與輔助變電站至輔助鍋爐廠房，為輔助蒸汽生產系統的電鍋爐供電。此廊道在本工程中布置位置較淺，實際形式為電纜淺溝，無安全功能。

2 廊道設計要點

根據核電廠廊道涉及系統多、功能復雜、接口繁瑣等特點，理順廠區各廠房之間的關系，合理進行總圖布局，依據功能分類設置合理的廊道數量和尺寸，同時完成廊道內部各系統的具體布置。其難點是接口配合復雜、布置協調困難，方案固化前需要統籌配合才能有效開展工作。國內的設計單位專業劃分嚴格，各廊道設計通常由實現主要功能的專業牽頭，其余專業配合。廊道設計主要可分為以下幾個部分。

2.1 廊道總圖設計

總圖專業作為總體統籌、協調的角色進行廊道路徑綜合規劃，廊道總圖與廠區總圖并行設計。工藝和電氣專業牽頭的廊道子項首先梳理出廠區廠房之間的關系，列出初步工藝管道單線流程圖及電纜路徑圖等邏輯路徑，然后發揮廊道設計牽頭方的作用，協同相關專業確定廊道內部管道和橋架等初步布置，進而確定廊道各段的內截面尺寸。總圖設計專業獲得邏輯路徑和廊道內壁等信息后，協同各廊道子項設計專業以及結構設計專業開展廊道具體路徑設計，確定廊道在廠區的坐標及標高，同時結構專業根據相關信息確定廊道結構壁厚以及安裝孔位置等。

2.2 廊道結構設計

廊道結構設計應綜合上游專業確定的廊道內尺寸，與總圖設計專業共同確定廊道路徑和標高，結合廊道所處具體位置地質情況以及廊道內、外部荷載，并考慮廊道物項等級進行結構設計。

廊道結構設計所考慮的荷載一般包括設備荷載、靜荷載、活荷載、溫度荷載、地震荷載等。跨重件道路段需要考慮重件運輸時的最大重車荷載。物項等級要確定安全和抗震等級，執行GB 50267—1997《核電廠抗震設計規范》［5］、GB/T 17569—1998《壓水堆核電廠物項分級》［6］和 HAD 102/02《核電廠的抗震設計與鑒定》［7］的規定以及系統專業的設計要求。此外，廊道結構設計還必須考慮必要的地基處理、伸縮縫設置、密封設計等，并設置一定數量出入口和通風口以及安裝孔。對于高出廠坪的應急出入口，還應考慮爆炸波的影響。

2.3 廊道工藝、電氣系統設計

從電廠正常運行需要出發，結合各廠房所處位置，確定廠區系統連接邏輯圖，各系統設計專業通過配合逐步確定連接管道的規格、橋架數量及規格。設計布置綜合廊道內所有通過的工藝、電氣系統的管、線，并畫出廊道斷面圖。相關原則規范可以參考GB/T 50294—1999《核電廠總平面及運輸設計規范》［2］。典型斷面布置參見圖1、2。

值得一提的是，國外核電工程也有一些無安全功能的廊道(如綜合機械廊道)采用工藝環路(technical ring，TR)和電氣環路(electrical ring，ER)作為替代方案的設計實踐，前者為直埋式，后者為淺埋式。這種方案的特點是造價相對較低，工程進度快，但同時也具有因埋深不夠導致管道容易損壞、管道需用抗腐蝕和抗壓的材料、檢修不方便以及管線區域會產生不均勻沉降等缺點。這2種方式很難評估哪種方式長期綜合效益更高，國內目前核電站設計中通常傾向于采用廊道式。

2.4 廊道通風設計

普通廊道內可設置機械通風系統保證環境及人員安全。利用廊道安裝孔或專設廊道通風孔加裝一定數量的風機，將風直接送入廊道;排風設于廊道底部。對于放射性廢液廊道，應設置專門的通風系統引至特定廠房進行統一處理。

2.5 廊道給排水設計

廊道底部通常設計成3‰的縱向坡度、5‰的橫向坡度。管廊一側設置與廊道縱坡同坡度的排水溝，廊道低點設置集水坑，每個集水坑內設置2臺潛污泵，水泵出水接就近的雨水排出系統。對于廢液廊道，廊道底部集水應排至廢液儲罐。

2.6 廊道消防和火災自動報警系統設計

廊道消防和火災自動報警系統設計主要針對安裝有易燃氣體管道或者電氣系統等存在火災危險的廊道。通過安裝火災探測器進行連續探測，一旦發生火災，立即發出火警信號并確定著火區域位置，聯動排煙、滅火等消防設施，在火災未引起較大損害之前采取消防措施［8］。主要的滅火設施包括移動式滅火器和消防水噴淋系統。

在安裝有橋架的廊道中，通常根據表2所示的廊道火災風險等級，采取對應的措施進行防火設計，主要手段包括:

1)設置防火隔斷，實現區域隔離，針對由于橋架內電纜過熱而引起的火災，實施區域防火隔斷(橋架水平方向每隔20～25 m、垂直方向每隔5 m作一隔斷)，防止火勢經由電纜通道蔓延;

2)防火隔斷使用阻燃材料;

3)設置的防火隔斷耐火極限為2 h;

4)采用低煙無鹵阻燃電纜。

采取了防火措施后的廊道可以通過表2進行風險判別，并以此作為廊道應急出入口間距設計的依據。

表2 廊道火災風險等級識別依據Tab.2 Characterization basis of gallery fire risk level

2.7 廊道通信設計

廊道內通信系統本身不涉及核安全，但其中部分系統與核電廠安全運行和實施核事故應急計劃有關，因此應有多樣性、獨立性和冗余度，確保暢通可靠。主要系統包括綜合布線系統、行政電話系統、有線廣播系統、聲警報系統及無線通信系統。

3 實踐中存在的問題和建議

3.1 廊道方案優化

在臺山核電廠一期工程的設計、施工過程中，部分廊道因設計分工不同和設計進度不一致導致廊道間接口連接不盡合理，同時也存在進度設置不合理或因趕工而導致廊道方案優化程度不夠的問題，不利于施工安裝和總體土建成本的節約。

建議在廊道設計過程中盡早梳理各工藝、電氣系統接口關系，盡可能在概念設計階段或初步設計階段建立各系統接口關系并初步規劃廊道路徑。在工程分包設計的情況下，應由總圖專業設計人員或專職設計經理承擔綜合協調工作，對整體方案進行綜合衡量，協調好廊道設計各方。設計人員可充分運用PDMS等三維設計工具，做出全廠最優而非單個廊道最優的方案。

3.2 地基處理

廠區部分廊道(如綜合機械廊道)范圍非常大，其總長度達幾千m，地基情況迥異。故應分段設計廊道，對不良地基應采取必要的地基處理手段，如換填、強夯等以防止廊道沉降不均［9］。

3.3 設計進度匹配問題

廊道所連接的各個廠房子項的設計進度在臺山核電廠一期項目中遠遠落后于廊道設計進度，在設計過程中出現廊道土建接口、工藝系統接口難以固化的情況，導致廊道設計進度難以保證。主要原因是設計進度通常依據建造進度推算，而建造進度通常又根據子項廠房投入使用時間作為主要編制依據。從實踐中看，廠房子項設計進度應適當提前，確保廠房定位，使與廊道土建實體接口尺寸和標高以及與廊道連接的工藝和電氣系統數量和規格等信息能及時固化，并作為設計條件提供給廊道設計方。

3.4 廊道設計規范

目前僅文獻［2］中有對綜合廊道的規定，而對于其他一些廊道如廢液廊道、重要廠用水廊道等方面的規范基本沒有。同時，在已有規范中的一些具體要求也存在不完善的情況。另外，臺山一期工程很多無安全功能的廊道也進行了抗震設計，這是一種基于性能的抗震設計［10］，但對內部管道和橋架布置設計是否需要考慮這種基于性能的抗震設計，目前尚無相關規范說明。關于廊道設計的標準、規范必須補充和完善。

4 結語

EPR核電廠廊道設計有數量多、規劃難等特點。針對這些難題，在實際工程設計中，需要組建專業設計團隊，在熟練掌握EPR廊道設計思路和方法的前提下，掌握設計原則、理順設計思路、制定合理的設計進度，從而得出優良的設計方案。通過該工程廊道設計，希望能促進國內相關廊道設計標準、規范的完善，并能推動廊道全面自主化設計的進程。

［1］陳濟東.大亞灣核電站系統及運行［M］.北京:原子能出版社，1994.

［2］GB/T 50294—1999核電廠總平面及運輸設計規范［S］.北京:中國計劃出版社.

［3］HAF 102—2004核動力廠設計安全規定［S］.北京:中國法制出版社，2004.

［4］GB/T 13284.1—2008核電廠安全系統第1部分:設計標準［S］.北京:中國標準出版社.

［5］GB 50267—1997核電廠抗震設計規范［S］.北京:中國標準出版社，1997.

［6］GB/T 17569—1998壓水堆核電廠物項分級［S］.北京:中國標準出版社，1998.

［7］HAD102/02—2000核電廠的抗震設計與鑒定［S］.北京:中國法制出版社，2000.

［8］GB/T 22158—2008核電廠防火設計規范［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［9］張春文.高壓噴射注漿法處理嶺澳核電站DG GB廊道工后沉降的應用［J］.電力建設，2002，23(6):16-17.

［10］李剛，程耿東.基于性能的結構抗震設計——理論、方法與應用［M］.北京:科學出版社，2004.