AP1000核電站輔助廠房總體布置分析及優化

摘 要：AP1000輔助廠房替代了傳統核電站的輔助廠房、燃料廠房、電氣廠房和連接廠房。廠房總體布置是工藝、建筑、結構和模塊設計的頂層設計綱領，對整個設計過程起著重要作用。文章從功能劃分、災害防護、輻射防護和施工方式等幾個方面，分析了輔助廠房的總體布置特點，并大膽提出了優化方案。

關鍵詞：AP1000；輔助廠房；總體布置

引言

AP1000核電站引入了非能動安全系統和模塊化施工的先進理念，具有簡單、安全、可靠的特點。而這些先進系統的功能實現，都需要通過廠房總體布置來滿足其要求。目前國內幾大核島設計院、高校和企業都對AP1000的反應堆廠房研究較多較透，而對于輔助廠房相關的研究較少。那么輔助廠房的總體布置是如何設計的？考慮了哪些因素？有什么特點呢？

1 概述

輔助廠房主要用于保護和屏蔽位于安全殼外抗震Ⅰ類的機械設備和電氣設備，具有抵御颶風、洪水、龍卷風、海嘯和地震等外部災害而不喪失執行安全功能的能力，也能抵御火災和水淹等內部災害而不喪失執行安全功能的能力。

輔助廠房為鋼筋混凝土結構，滿足抗震Ⅰ類要求，輔助廠房和反應堆廠房是在同一塊基礎底板之上，鋼筋混凝土底板約厚1.8m。輔助廠房環繞屏蔽廠房周圍大約70%圓周長度，占地面積約1400m2。[1]

2 功能區介紹

輔助廠房可以分為以下幾個功能區域：主控室、1E級儀表和控制系統、1E級電氣系統、燃料處置區、機械設備區、安全殼貫穿區、主蒸汽和主給水隔離閥門間。見圖1輔助廠房的分區和表1功能區的位置。[1]

2.1 主控室

主控室位于2區的四層，主要包括主控制區、運行工作區、開關室以及辦公室。主控室主要為運行人員提供監控和干預核電站運行的場所，提供在正常工況下電廠安全運行以及事故工況下保持電廠在安全狀態所需的人機接口。

2.2 1E級儀表及控制系統

1E級儀表和控制系統位于1、2區的一至四層，包括保護和安全監測系統（PMS）、電廠控制系統（PLS）以及數據顯示和處理系統。PMS和PLS系統在電廠啟動，正常運行和停堆期間對電廠提供監測和控制。

2.3 1E級電氣系統

1E級電氣系統位于1、2區的一至三層。1E級電氣系統主要為安全相關的和重要的控制儀表提供125V的直流電，以保證在失去交流電和設計基準事故工況下安全停堆。有A，B，C，D四個獨立的1E級125V直流序列，每個序列的蓄電池和備用蓄電池都分別布置在不同的房間內。A和D序列各自包括一個蓄電池組，一個配電盤和一個蓄電池充電器。B和C序列各自包括兩個蓄電池組，兩個配電盤和兩個蓄電池充電器。另外還有一個備用蓄電池組及充電器。

2.4 燃料處置區

燃料處置區主要由燃料操作系統和乏燃料池冷卻系統（SFS）組成，位于4、5、6區。燃料處置區的主要功能是通過燃料操作系統接收、檢驗和貯存新燃料組件，并運輸到反應堆廠房內，同時把乏燃料組件從反應堆廠房內輸送到輔助廠房的乏燃料池，經貯存之后，最終裝入屏蔽容器內運往廠房外。乏燃料池冷卻系統用于排出燃料組件產生的衰變熱。

AP1000核電站燃料操作系統區域共分兩個，分別是反應堆廠房的換料水池和輔助廠房的燃料操作區（FHA），并通過一個貫穿安全殼的燃料運輸管道相互連接。輔助廠房的燃料操作區可對外部事件如龍卷風以及龍卷風產生的飛射物進行防護，為乏燃料組件、新燃料組件及相關的放射性系統設置了屏蔽，并且在發生任何會引起燃料組件或相關放射性系統損壞的設計基準事故后，放射性物質的泄漏得到有效控制。[2]

2.5 機械設備區

布置在輔助廠房放射性控制區域的機械設備有：正常余熱排出系統泵和熱交換器，乏燃料冷卻系統泵和熱交換器，固體、液體和氣體廢物泵、箱體、除鹽床和過濾器，化學和容積控制系統泵和加熱器，空調機組設備和通風閥。

布置在輔助廠房非放射性控制區域的機械設備有：空調機組設備、加熱器和通風閥，主控室相關的設備，儀表控制柜，蓄電池組，非能動安全殼冷卻系統再循環泵和加熱單元，部分冷凍水系統和空氣冷卻系統相關的設備。

2.6 安全殼貫穿區

輔助廠房內包容了所有的安全殼貫穿區域，包括機械，電氣和儀控，并對各貫穿區域進行隔離。如放射性管道貫穿區與非放射性管道貫穿區隔離，電氣貫穿區與工藝貫穿區的隔離；電氣、儀控的冗余系列之間的隔離等。

2.7 主蒸汽和主給水隔離閥門間

主蒸汽和主給水隔離閥布置在輔助廠房1區的四至五層，在這里單獨設立閥門間，并且與輔助廠房其他區域隔離，設計考慮可在主蒸汽或主給水管道破裂事故時提供足夠的排汽空間，并且不會影響其他區域，引發二次事故。

3 模塊化施工

模塊化就是將相對密集布置的鋼結構、設備、管道、儀表等物項組裝成一個獨立單元，形成一個整體進行吊裝就位，可以在工廠預制完成，從而取代大量現場施工，因此對保證施工質量、縮短工期大有貢獻。由于土建、安裝、預制、現場組裝出現并行施工、交叉施工的特點，因此要求相互協作更加緊密，對制定綜合性進度計劃是個挑戰。

輔助廠房內布置有38個機械模塊，19個結構模塊。下面以機械模塊KB04和結構模塊CA20為例說明。

KB04模塊位于輔助廠房12153房間，長寬高約4.1m×1.9m×2.6m，重量約5.5t。KB04模塊將放射性氣體廢物處理系統的兩個延遲床和一個保護床及其連接管道安裝在同一個鋼結構上。保護床是防止濕度大的廢氣流向下游，保護后邊的延遲床，而延遲床用于對放射性廢氣進行延遲處理，降低廢氣中放射性水平。如圖2所示，12153房間大小與KB04模塊的尺寸基本接近，如果不采用模塊化施工，12153房間的施工空間可達性低，難以方便現場焊接人員施工，該模塊解決了施工困難的問題。

CA20模塊為輔助廠房5、6區結構模塊，長寬高約21m×14m×21m，重量約844t，位于標高66'-6"與135'-3"之間，見圖3。CA20模塊組成了乏燃料池、燃料運輸通道、容器清洗池、容器裝料池、廢液暫存箱間、廢液監測箱間、RNS系統管道閥門間等結構。為了便于運輸，CA20模塊又分為了幾十個子模塊，在現場拼裝完成后，一次性吊裝就位，減少了現場施工量，對縮短工期有很大貢獻。

4 輻射防護

根據輻射防護的要求，輔助廠房可分為非放射性控制區和放射性控制區，并進行了實體隔離。非放射性控制區主要是指布置了主控室、1E級儀表和控制系統、1E級電氣系統、安全殼貫穿區、主蒸汽和主給水隔離閥間的1、2區；放射性控制區主要是指布置了燃料處置區的3-6區。但是每一層的實體隔離位置并非完全相同，屏蔽墻具體位置見表2。

5 結論

5.1 總體布置緊湊，充分利用空間

輔助廠房替代了傳統核電站輔助廠房、燃料廠房、電氣廠房和連接廠房，使得總體占地面積變小，功能區域的銜接更為緊密。

5.2 總體布置合理，災害防護考慮周全，符合縱深防御要求

作為潛在水淹水源水池、箱體等結構和設備，均布置于低樓層內，且在各自隔間內。

劃分防火區域，各個區域之間利用墻體和樓板作為非能動的防火屏障和實體分隔，并設置有火災探測系統和滅火系統。

通過實體隔離將廠房分為放射性控制區和非放射性控制區，兩個區域配置單獨的進出通道，能有效降低運行及維修時人員受輻照的劑量。

考慮內部飛射物及其二次效應的防護，建筑結構設計，機械設備布置設計，以及定期的在役檢查，使事故發生的概率最小化。

考慮多重性、多樣性和獨立性原則，使共因故障影響降到最小，安全相關設備和非安全相關設備之間、多重安全相關設備或系列之間均實施實體隔離。

5.3 模塊化施工提高效率和工程質量

模塊化設計縮短了建造工期，減少了現場人力，減小了現場施工密度，增加了工廠預制與組裝工作量，可以更好地保證施工質量。

5.4 電氣儀控集中布置

先進的電氣儀控設計，如先進的保護系統、主控室、分布式邏輯柜和光纖的應用大大減少了電纜、托盤和電纜導管的數量，相比傳統核電站電纜散布在房間的情況，有了很大的改進，降低了廠房總體布置的難度。

6 優化方案

在輔助廠房6區中布置有乏燃料池，容器裝料池，容器清洗池和燃料運輸通道，該區域是輔助廠房內潛在的水淹水源的集聚區，對核電站的安全性起著至關重要的作用，尤其是乏燃料池，肩負著排出乏燃料衰變熱，屏蔽放射性的重任。經過對這些水池特性的計算和分析，雖然目前的設計可以滿足各項要求，但是其水容積冗余較小，池壁結構墻厚度的冗余較小，可容納的最大乏燃料組件數量也不算多。

出于這個方面的考慮，對輔助廠房進行擴容設計，見圖4，新增區域主要用于擴容乏燃料池等水源的容積，這樣優化的好處有：（1）便于在廠內貯存更多水源，提高安全冗余，減小輔助廠房內的空間布置壓力；（2）可貯存更多的乏燃料組件，增加屏蔽放射性的有效水容積；（3）可以使安全殼兩側的輔助廠房形成對稱結構，有利于增強核島整體基礎的抗壓強度。

參考文獻

[1]Westinghouse Electric Company. AP1000 Design Control Document Rev. 19[Z].2011.

[2]林誠格，等.非能動安全先進壓水堆核電技術[M].北京：原子能出版社，2010.

作者簡介：吳國強（1982-），男，浙江蕭山人，工程師，碩士研究生，研究方向為核電站核島布置。