研究堆考驗回路工藝系統布置設計研究

李 明,汪 海,孫 勝,王育坤,黃 崗,戴鈺冰

(中國核動力研究設計院四川成都610005)

研究堆考驗回路工藝系統布置設計研究

李 明,汪 海,孫 勝,王育坤,黃 崗,戴鈺冰

(中國核動力研究設計院四川成都610005)

以PDMS為設計平臺，對研究堆考驗回路工藝系統進行三維數字化布置設計。針對單體大空間類型考驗回路工藝間內設備實行系統分區化布置和模塊化建模，高效實現了設備與工藝間空間合理匹配；管道系統分區及單元化的量化定性，從設備角度劃分了整條回路各區域管道布置的優先級，使系統管道布置工作清晰明了且具有邏輯性；同時，結合系統間管廊化布置，使整條回路系統管道布局在滿足工藝功能的前提下高度集約化。最后，通過PDMS自身的模型校驗功能，保證了布置設計工作的優質高效。

PDMS；研究堆；考驗回路；工藝系統；布置

擬建考驗回路作為研究堆輻照試驗設施，可模擬壓水堆工況對燃料元件進行穩態輻照考驗，回路設計壓力17.2 MPa，設計溫度350 ℃，換熱功率1 500 kW?；芈酚芍骼洌瑑艋⑵铺?、二次冷卻水、安注、補水、檢漏、去污等系統組成，與研究堆配置幾乎一樣?？简灮芈饭に囅到y布置設計關系著其功能的實現，以及實現的質量，受研究堆影響的同時，也影響著研究堆的運行及安全，因此，該回路工藝系統布置設計對回路本身及研究堆都至關重要。

1 回路工藝系統設計難點及設計原則

回路工藝間由三面墻體圍成，容積1200m3，設備41臺，平均單臺設備體積約1m3，其工藝間容積與所容納設備體積的比值較大，屬單體大工藝間?；S、火電廠等工藝流程貫穿多個小工藝間的常規系統設計，雖覆蓋面廣，貫穿多層廠房，但其工藝系統是被分隔在若干個小工藝間內，基于空間有限，限定設備布置可能僅有一兩種方案，管道布置方案也極易確定。而對于單體大工藝間，首先，系統和設備較多，設備布置方式是無限的，管道布置以設備為導向，無限的設備布置方式意味著管道布置方案難以確定；其次，工藝間弧形外墻內側的不規則空間，對系統布置來說也是不利因素；此外，還要考慮系統放射性等問題，相比被分隔在各小工藝間內的工藝系統，該類型工藝間的系統布置極其復雜。以往關于管道布置具體方法的研究，基本是針對設備類如泵[1-2]、塔[3-4]、換熱器[5-6]，對于系統類的管道布置，更多是側重于三維軟件的使用或管道布置方面的注意事項或原則等[7-10]，未對系統管道布置方法進行深入的研究和探討。因此，如何確定工藝間內系統設備最佳布置方案、數十臺設備如何快速建模及布置以及如何有針對性、優質高效地進行系統管道布置都是該回路工藝系統布置設計面臨的難點問題。

針對上述問題，該回路工藝系統設計遵循以下原則：

1) 符合工藝流程總體功能要求；

2) 合理高效劃分工藝間格局；

3) 充分發揮設備在系統設計過程中的核心作用(承擔設備布置，聯接管道)；

4) 系統本身含放射性，考慮輻射防護；

5) 設計兼顧功能性、經濟性及美觀，綜合考慮后期運行、檢修及退役過程中的人機互動。

2 設計平臺及數據管理

早期的研究堆考驗回路受客觀條件制約，只能以二維模式進行系統設計，導致設計周期長，各方面設計誤差導致施工現場問題頻發，浪費大量人力、物力和財力。隨著核電行業的發展，各種三維設計平臺也隨之產生，其中在管道布置方面應用較為成熟且較為專業的是英國AVEVA公司開發的PDMS(Plant Design Management System)工程三維設計管理系統，廣泛應用于核電、化工、海上工程等大型工程設計項目[11-13]。PDMS是以數據庫為核心，全專業協同的三維設計管理平臺。包含設備、管道、土建/結構、電纜橋架等多專業功能模塊。建模用戶可自定義元件庫和等級庫，在實時三維實體環境中，實現無碰撞設計。基于模型可方便、快捷生成各種所需文件資料如：管道ISO圖、綜合布置圖和材料清單等。此外，根據需要，PDMS三維模型也可方便地進行動畫漫游、設計審查、模擬安裝維修及人員培訓等工作?；谏鲜鰞烖c，將PDMS設計管理平臺引入研究堆考驗回路進行工藝系統布置設計。

PDMS是以數據庫為核心進行前期的數據管理及后期三維建模和模型校驗的。PDMS的數據庫形式上包含元件庫與等級庫，等級庫對元件庫中所需元件進行等級劃分，建模時通過等級庫調用到基本的元件單元。以該回路管件為例，執行標準GB/T 12459—2005，在元件庫模塊(Paragon)中將所需規格編入該標準中，通過設計模塊(Design)>create>components即可調用。PDMS數據庫基于嚴格的層次和樹狀結構搭建，簡單且具邏輯性[14]，該回路管道數據庫層次結構如圖1所示。PDMS設計管理平臺是以數據庫為核心，支撐各專業模塊的運作，作為設計管理平臺全程數字化的起點，強大的核心體系作用顯得尤為重要，直接決定著后期文件輸出的質量。

圖1 管道數據庫層次示意圖Fig.1 Diagram of Pipe date base layers

3 設備布置

在工藝系統布置中，設備布置可看作設備與空間的合理匹配過程，設備作為工藝管道的生根點及紐帶，對管道布置起著至關重要的作用。從整條回路的工藝流程角度講，各子系統作為密不可分的有機聯系體，但功能方面相對獨立，因此在設備布置時，綜合系統內設備情況(如設備管口方位的影響)，采用系統分區布置。

3.1 系統分區

系統分區是以各子系統為單元，合理并高效劃分工藝間格局的過程。分區原則是以特殊的工藝間格局為基準，從子系統承擔的功能、輻射防護、人機互動過程等角度考慮各子系統布局。

首先，主冷系統因與考驗裝置構成主回路，屬放射性子系統，包含主泵、換熱器、穩壓器和泄壓箱等設備，按長方形緊湊型布局，規劃至區域一(各區域劃分及設備布置如圖2所示，虛線為系統分區線，雙點劃線為系統分隔線)。該區域僅有兩側開放性放射性活動面，降低了人員受照射的危害，且將三臺換熱器管口方位調至臨墻側布置，采用距離防護的方式避免對工藝間內部區域形成照射。

其次，為高效利用空間及設備和管道的單元化布置，對于二次水、補水及安注系統中管口少，且只作為容器型的設備，如保存水池、補水箱及安注箱沿弧形墻體側布置，而與之匹配的動力輸出型設備如泵，則向工藝間內映射布置，形成區域二。其中，二次水作為主冷系統三臺主熱交換器及兩臺主泵的冷源，宜與主冷系統臨近布置；氮檢漏系統與考驗裝置壓力管連接，作為破損監測，具有潛在放射性，為減少其放射性活動面，將其規劃至弧形墻底側角落位置。該區域順時針沿墻體側細化為二次水、補水、安注及氮檢漏系統。

再次，凈化、破探作為并聯于主冷系統一次側的兩個放射性系統，應緊湊布置，臨近氮檢漏系統規劃于區域三，為降低管道產生的放射性危害，設備管口方位調至臨墻側布置。此外，對于頻繁操作的設備如凈化系統取樣箱布置在臨門及人員通道側，便于操作或維修。

最后，根據門所在位置，規劃出工藝間內人員主干通道區域；至此，工藝間內各系統劃分為三大主要區域。

3.2 系統內設備布置

系統分區后，系統內設備布置可看作是單個小工藝間內設備布置，屬常規設備布置，除弧形墻體側系統基本屬貯存及動力輸出型設備，其系統分區等同于設備布置以外，各系統分區過程中已具備設備布置方案雛形，后期只需從管道布置角度對設備進行調整?；芈分型愒O備較多，占位空間較大，管口多的設備盡量布置在規則區域，便于后期管道布置的單元化及墻體側統一規劃管廊，如三臺主熱交換器，形狀規則，型式相同，可并列布置，預留管道布置空間及人員通道。最后，從檢修，更換設備角度微調設備位置。設備布置過程中須考慮后續管道、大型管件(電動型閥門)等布置、安裝、檢修等所需操作空間。

圖2 工藝間設備布置圖Fig.2 Equipments arrangement in the process room

3.3 設備模塊化

PDMS系統設計中，管道建模是主要的精細化工作，對于設備，為節省工作量，不必完全圖紙化建模。從工藝設計的角度講，設備信息應該包含外形尺寸、空間定位、接口信息及檔案數據[15]。此外，同類設備建模采用模塊化設計，可將建模工作量縮減至1/8?；芈吩性O備及模塊化設備如表1所示，對同類型不同尺寸設備，模塊化后只需修改相關參數即可。

表1 回路中原設備及可模塊化設備

4 管道布置

系統分區后，解決了工藝間設備布置方案不易確定的難點，使單體設備占位最終與工藝間格局合理、高效匹配。但工藝系統能否可靠、優質成為有機整體，最終穩定運行，還取決于管道布置。根據系統內同類(可單元化)設備數量，管道布置采取分區化處理，劃分為可單元化管道布置區與常規管道布置區；根據子系統間布局及工藝間格局，系統間采取管廊化布置，有條理和有針對性地進行管道布置。

4.1 系統內管道布置

子系統內以單元化設備為切入點，以單元化管道布置為導向，對設備管口附屬的系統管道有機分解。在單元化管道布置區，實行管道單元化的量化定性。根據系統內可單元化設備數量a與設備管口數量b的乘積c作為可單元化因子，劃分單元化管道布置區在系統中的可單元化程度，作為管道布置時的優先級，單元化程度越高，優先級越高，表示在管道布置中可優先布置，或在管道調整時盡量以該區域可單元化管道為基準，調整其他管道，優先級相同時，可參考周邊管線協調布置，布置原則是便于規劃至管廊區。系統管道可單元化程度如表2所示。各子系統管道經單元化量化定性后，整條回路系統管道被有機分解為可單元化管道與常規連接型管道(兩者比例約1∶1)，可單元化管道布置工作簡單快捷、高效，同時又可將各子系統管道邏輯性分解，使回路管道布置工作清晰明了，有規律可循，即優先級1>2>…>常規連接型管道；常規連接型管道中，除去一部分長跨距管線集中構成管廊外，僅剩約2/3是單純近距離連接管線。系統管道可單元化情況如 表3 所示。

表2 系統管道可單元化程度

表3 系統管道布置單元化分解程度

單元化管道與母管是密不可分的，母管是系統內常規管道區與單元化管道區的橋梁，以及單元化管道布置合理性的關鍵因素，甚至影響整條回路的管道布置。一般對于垂直方向兩層及以上且單臺設備管口數大于2的單元化管道布置，母管宜水平方向并行布置，形成管廊。主冷系統三臺主熱交換器單元化、母管布置如圖3所示。

圖3 主熱交換器單元化及母管布置Fig.3 Blocking and Main pipe arrangement for the main heat exchanger

經單元化布置后，系統內管道布置框架已完成，其余為常規連接型管線。常規連接管線在系統內主要起聯接作用，聯接可單元化管道布置區構成有機的系統性管道。管道布置要在保證工藝流程的前提下進行,充分考慮主工藝外其他專業，通過匯總與輔助專業接口資料，綜合考慮，協同布置。在不影響工藝性的前提下，管道和設備上排氣、排水接口的位置和數量應盡量少，盡量合并排氣、排水管道。從輻射防護角度考慮，除須拆卸更換的管件外，管道均采用焊接型式，且管道布置盡量短、直，減少彎頭及焊縫的數量，減小阻力的同時，對于放射性子系統也是減少潛在的放射性漏點。

4.2 系統間管道布置

系統間管道是回路各系統中匯總管道等長跨距管道，形式上聯接兩個系統，理論上屬于系統內部管道，基于布置要求，將此類管道近墻體側集中布置形成公共管道區，即管廊型式。回路系統管線總長830m，規劃至管廊490m(近60%)，管道布置高度集約化，大大節約了工藝間內部空間，如圖4所示。

圖4 回路管廊布置Fig.4 Arrangement of the public pipeline lane

回路子系統管道布置的單元化及系統間公共區管廊型式，以及除單元化、管廊布置方式外的管道，應盡量以共用管架的形式布置，可簡化管道布局，便于后期支架的統一設計和安裝。最終整條回路工藝系統布置如圖5所示。

圖5 工藝間管道布置圖Fig.5 Pipeline arrangement in the process room

5 設計驗證

考驗回路工藝系統三維模型設計，從質量控制角度須確保工藝流程的功能可靠性和微小空間(如物項間距、閥門等操作空間)布局的合理性。前者通過項目的三維設計審查會中相關資深專家的評定，而后者則要依靠PDMS自身的碰撞檢查功能。PDMS全專業的三維協同布置項目中，碰撞檢查以其強大的微小空間檢查校驗優勢對工藝系統建模成功與否起著決定性作用，通過對碰撞檢查窗口中各項參數指標的設定[16]，便可有針對性地對整條回路或任意子系統進行碰撞檢查。回路工藝系統布置設計中，碰撞檢查以其精確的數字化檢查校驗優勢，徹底排除了微小空間布局方面的人因誤差對系統布置設計的影響。其中，閥門類操作空間干涉4處，而管道及管道與其他物項間零干涉，從而也驗證了單元化量化定性布置方法在管道布置過程中科學合理性。

碰撞檢查是針對管線間，管線與設備等其他物項間的干涉問題，管線自身連接問題則要依靠數據一致性檢查。Design模塊下，利用Date Consistency對話框便可快捷的產生一份數據檢查報告[17]，內容包括： 鄰近管件間隙是否符合加工要求; 連接類型是否匹配; 連接管件是否處在同一方向; 分支的頭尾連接是否正確等。

碰撞檢查和數據一致性檢查作為PDMS布置設計的質量控制手段，使得考驗回路工藝系統布置在提高效率的前提下，確保了的質量。

6 結論

以PDMS為設計平臺，對研究堆考驗回路工藝系統進行布置設計，提升了整體設計水平，使系統布置設計工作變得形象、直觀，便于規劃和設計，結合自身模型校驗手段確保了回路系統布置設計的質量。另外，通過對該回路工藝系統采取有針對性的布置設計研究，得出以下結論：

(1) 對設備的系統分區，清晰地劃分了以各系統為單位的設備格局，簡化了設備布置工作，同時對整條回路系統同類設備進行了模塊化設計，節約了大量人工時。

(2) 管道的系統內分區，以及經單元化程度量化后的優先級，結合系統間管廊化的合理布置，使整條回路繁瑣的管道布置工作快捷，且井然有序的得以完成。

(3) 單元化量化定性分解方法，使系統性的管道布置工作實現從 “試”升級為“算”的過程，對繁瑣復雜的有機管道體系進行合理分解布置設計，極大地提升了設計的質量和效率，將對后續項目，特別是多系統、復雜化大型項目工程的管道布置工作有著很好的參考價值。

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ProcessSystemArrangementDesignStudyofResearchReactorIrradiationTestLoop

LIMing,WANGHai,SUNSheng,WANGYu-kun,HUANGGang,DAIYu-bing

(Nuclear Power Institute of China, Chengdu of Sichuan Prov. 610005, China)

3D digital arrangement design of a research reactor irradiation test loop process system was completed with PDMS code. The devices in a large room were matched reasonably with a modeling design and zoning scheme method. A zone priority assessment strategy was achieved by zoning arrangement and the blocking’s qualitative quantization of the pipe system from the view point of equipments, and then made the system pipe arrangement much more simply and logical. along with a pipeline lane arrangement of the system, the arrangement of the loop process system met the process requirement and became highly intensive. Effective and outstanding arrangement designs were guaranteed by a model verification function of PDMS code.

PDMS; Research reactor; Irradiation test circuit; Process system; Arrangement

2017-03-27

李 明(1981—)，男，遼寧燈塔人，助理研究員，碩士研究生，現主要從事研究堆考驗回路工藝系統設計工作

TL371

：A

：0258-0918(2017)04-0525-07