華龍一號核電站海外工程常規(guī)島優(yōu)化設計研究

□王 鐳

一、核電項目基本情況

巴基斯坦卡拉奇核電項目[1]規(guī)劃裝機容量為2×1,100MW級，建設兩臺百萬千瓦級壓水堆核電機組“華龍一號”。電站設計壽命為60年，電站可用率不低于90%，汽輪發(fā)電機組額定輸出功率不小于1,100MWe。巴基斯坦卡拉奇核電項目是我國具有自主知識產權的三代核電技術“華龍一號”首次走出國門，作為“華龍一號”海外首堆。

巴基斯坦卡拉奇核電項目廠址位于巴基斯坦國卡拉奇市西部，靠近阿拉伯海北岸的卡拉奇天堂角附近。距卡拉奇市市中心24.8km，位于現(xiàn)有核電廠(KANUPP-1)西北方向約1.2km。廠坪標高為12米。

核電項目采用“華龍一號”三代核電技術，目前尚無建成投運的參考電站，與國內在建的參考核電站福清5、6核電項目開工時間僅相差4個月。在此基礎上設計是關鍵，設計也是EPC總包工程的龍頭。因地制宜的做好優(yōu)化設計工作為后期的土建施工安裝工作打下基礎，可以節(jié)省項目投資，縮短項目工期。

二、常規(guī)島優(yōu)化設計

(一)常規(guī)島平面布置優(yōu)化設計。

1.主廠房區(qū)域總平面布置優(yōu)化。根據(jù)電氣主機資料，對汽機房的布置進行了優(yōu)化，優(yōu)化后主廠房縱向長107m，橫向總寬83.5m(含披屋，下同)，較總體設計階段的主廠房(縱向長130m，橫向總寬89m)尺寸大大縮小，為變壓器區(qū)北側管廊留出較充裕的空間。福清5、6號機組工程主廠房縱向長115.50m，橫向總寬83.3m，較福清5、6號機汽機房縱向長度縮短了8.5m，有效節(jié)約了廠區(qū)用地。

2.升壓站區(qū)域布置的優(yōu)化。根據(jù)全廠總平面規(guī)劃，將升壓站區(qū)域集中布置在兩臺機組中間、主變區(qū)域的北側，就近布置，工藝流程順暢，功能分區(qū)合理，可以有效縮短500kV高壓電纜及溝道和132kV管道母線等的長度。將500kV GIS配電裝置、132kV GIS配電裝置、網控樓、輔助變壓器區(qū)域及公用中壓配電間等功能相近的建筑集中成組布置，既可以節(jié)約用地，又可以有效縮短相互之間的電纜連接，節(jié)省工程投資。

(二)常規(guī)島主廠房優(yōu)化設計。

1.主廠房優(yōu)化設計。本項目廠址處于高烈度地震區(qū)，抗震設計參數(shù)為(設計重現(xiàn)期475年)：抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.18g，設計地震分組為第3組。常規(guī)島主廠房的設計使用年限為60年，大于我國抗震規(guī)范規(guī)定的50年設計基準期，對主廠房抗震性能提出了更高的要求。因此本次初步設計著重從抗震方面對主廠房進行優(yōu)化。

主廠房縱向長度107m，超過混凝土規(guī)范中框架結構伸縮縫最大間距(75m)，本應在中部設變形縫，但是本次設計基于以下考慮，沒有設變形縫。

對稱、規(guī)則的結構更有利于抗震。由于汽機基座范圍主廠房樓面開洞，如果在結構中部設變形縫，就把主廠房分成兩個C形的不對稱結構，屬于扭轉不規(guī)則；而不設變形縫，結構整體性強，地震時扭轉效應較弱。

對常規(guī)島主廠房，須保證在廠址極限安全地震(SL-2)作用下結構不會倒塌。在SL-2級地震動作用下，廠房局部可能會進入塑性狀態(tài)，產生較大的塑性變形。由于工藝專業(yè)需求，如果在廠房中部設置變形縫，變形縫的寬度也不宜過大，此時變形縫兩側的框架柱等在SL-2地震下可能發(fā)生碰撞，從而影響結構安全。為了降低不設變形縫而產生的溫度效應，本次初步設計時減小了廠房兩端框架柱的縱向寬度，以釋放溫度應力；同時計算時直接考慮溫度變化對結構的影響，避免開裂。

2.主廠房高度和柱間距優(yōu)化。為提高汽機房的抗震性能，通過與主機廠和起重機廠的協(xié)調、配合，壓縮了起重機的安裝標高和設備尺寸，降低了汽機房高度，0米以上廠房高度控制在40米以內，降低了主廠房抗震設計難度，并減小了主廠房的容積，節(jié)省了土建工程費用。主廠房原考慮按照8米、10米、12米和13米四種柱距進行設計。經過優(yōu)化后，8米、10米、13米三種柱距即可滿足要求，有利于減少投資及土建計算設計。

3.主廠房采用混凝土框架結構。本項目主廠房采用鋼筋混凝土框架結構。對于本工程，鋼筋混凝土框架結構廠房比鋼結構廠房的造價每臺機組減少3,000萬元左右，兩臺機組可節(jié)省約6,000萬元人民幣的投資。通過上述優(yōu)化，主廠房的梁柱斷面均可減小。不僅減小了結構自重，提高結構的抗震性能，還可以節(jié)省投資，減少施工的工程量。

(三)常規(guī)島主要子項和設備優(yōu)化設計。

1.循環(huán)水管道布置和汽機旁路系統(tǒng)優(yōu)化。凝汽器的進出水管道采用四進四出的直管布置，進出水支管直接接入廠區(qū)母管，取消了汽機房內縱向布置的母管，不僅提高了主廠房的安全可靠性，而且便于項目建設期間的施工組織管理，且減少了土建工程量。循環(huán)水管溝按原布置方式，總長度約422.75m。本項目兩臺機組循環(huán)水管溝的長度僅為292m。汽機旁路系統(tǒng)為85%額定容量，12個旁路閥排向凝汽器，取消了排向除氧器的三路支管，從而避免了除氧器超壓的風險。旁路閥后壓力設置為0.8～1.0MPa(a),降低凝汽器因旁路蒸汽參數(shù)過高而引起的事故風險，提高了機組的安全可靠性。

2.低壓給水加熱器疏水回收系統(tǒng)優(yōu)化。#1、#2低壓給水加熱器增置疏水冷卻器來回收利用疏水熱量，達到提高機組效率和出力的目的。與不設置疏水冷卻器相比，每臺發(fā)電機組出力可增加3MW。機組額定功率達到1,145MW(凝汽器循環(huán)水入口溫度為26.5℃)，增容總計達45MW，增容比例為4.09%。在滿足用戶要求和保證安全的前提下，本項目取消了蒸汽轉換系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)，節(jié)省了安裝空間。

3.潤滑油處理系統(tǒng)采用組合式油箱。潤滑油處理系統(tǒng)采用組合式油箱，包括凈油箱和污油箱，減少了安裝空間，節(jié)省了設備和管道投資。

4.主蒸汽母管優(yōu)化設計和主給水泵自主研發(fā)。主蒸汽母管布置在-4.5m，降低了土建支墩設計的難度和土建工程費用，有利于抗震。主給水泵是關系到核電廠安全性的重要設備，主給水泵堅持自主研發(fā)，采用國產設備。

5.加熱器布置和輔助車間設置優(yōu)化。高低加分層集中布置在除氧間，有利于運行、檢修和維護。電氣、化學設備獨立布置在輔助車間，實現(xiàn)專業(yè)分區(qū)、功能化，有利于施工安裝和調試、運行管理。其它核電的設計中，部分化水系統(tǒng)(凝結水精處理系統(tǒng)、水汽取樣系統(tǒng))的設備布置在主廠房內，其他設備布置在主廠房一側的毗屋內。由于受制于主廠房的整體布置，設備、管道較多，主廠房內的布置較為緊湊。在設備、管道安裝時需與其他系統(tǒng)的布置、安裝進行協(xié)調，避免碰撞；而且一旦化水設備出現(xiàn)問題，很難進行整體的檢修或更換。本工程設計中，化水各系統(tǒng)設備全部布置在主廠房一側的毗屋內，相對較為獨立，與其他系統(tǒng)的交集較少，且留有充分的檢修通道。這不但便于設備管道的布置安裝，節(jié)省施工工期；而且化水系統(tǒng)的集中布置也便于運行管理，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。

6.吊物孔的設置優(yōu)化。本項目采用19m×13m(247m2)的長方形吊物孔，在保證最大件起吊的前提下，優(yōu)化了吊物孔的尺寸，并根據(jù)安裝吊裝的要求，優(yōu)化了0m以下吊物孔的定位和尺寸。便于施工安裝期間的設備吊裝，并且增大了運轉層大平臺的面積，有利于安裝檢修時設備大部件的擺放。(其它工程為16m×17m的方形大吊物孔，272m2)

7.主廠房行車優(yōu)化。汽機房行車的配置有兩種方案：采用一大一小兩臺橋式起重機錯層布置(450噸+90噸)、采用兩臺橋式起重機同層布置(2臺280噸)。發(fā)電機定子重526噸，汽機房行車如采用一大一小兩臺橋式起重機錯層布置的方案，以不考慮抬吊發(fā)電機定子為前提。可以采用液壓頂升方案來實現(xiàn)發(fā)電機定子的安裝就位(或采用廠區(qū)的超大型吊車直接吊裝到位)。最終選擇一大一小兩臺橋式起重機錯層布置方案，設備安裝、運行維護時起重機運行靈活。

8.主廠房通風系統(tǒng)優(yōu)化和主廠房地下層通風系統(tǒng)優(yōu)化。汽機房地上部分通風采用蒸發(fā)式降溫百葉自然進風方案，在確保廠房的環(huán)境溫度和系統(tǒng)運行的安全可靠性條件下，設備一次投資減少了一千多萬元，而且節(jié)約了通風設備的廠房占地面積約550m2。通風形式對比如表1所示。

表1 通風形式對比

巴基斯坦卡拉奇夏季通風室外計算溫度34.6℃，極端最高溫度和相對濕度46℃/27%、36℃/100%。根據(jù)巴基斯坦卡拉奇核電站的氣象條件，對主廠房地下層通風系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計。通風形式對比如表2所示。

表2 通風形式對比

主廠房地下部分通風采用蒸發(fā)式空氣冷卻機械送風。盡管設備一次投資增加了，但是廠房的環(huán)境溫度得到了保證，有利于設備的安全可靠運行。

9.主廠房電氣廠房空調系統(tǒng)優(yōu)化。主廠房電氣廠房空調系統(tǒng)采用冷水機組+冷卻塔+空氣處理機組方案，不僅設備一次投資減少了70萬元，而且廠房的環(huán)境溫度和系統(tǒng)運行的安全可靠性得到了保證。空調形式對比如表3所示。

表3 空調形式對比

(四)常規(guī)島電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)優(yōu)化設計。

1.發(fā)電機斷路器(GCB)設備自主研發(fā)。發(fā)電機出口斷路器(GCB)是關系到核電廠安全性的重要設備，鑒于工程的特殊性，國外采購渠道受阻。為打破壟斷，發(fā)電機出口斷路器堅持自主研發(fā)，采用國產設備。1,100MW級核電機組的GCB設備研發(fā)成功后，將打破ABB公司對世界大容量發(fā)電機組GCB的壟斷，不僅核電站可以選用，也適用于大型火力發(fā)電廠和水力發(fā)電廠。

2.發(fā)電機功率因素優(yōu)化。在汽輪機技術規(guī)格書確定后，巴方提出由于巴基斯坦電網不穩(wěn)定、波動大，因此要求發(fā)電機功率因素從0.9(滯后)調整為0.85(滯后)，發(fā)電機組的視在功率由1,222MVA提高到1,294MVA。在不增加投資的情況下，滿足了巴方電網的需求，保證了機組的安全可靠性。

3.發(fā)電機勵磁系統(tǒng)優(yōu)化。本工程項目發(fā)電機采用三機無刷勵磁系統(tǒng)。由于靜態(tài)勵磁系統(tǒng)勵磁電源取自發(fā)電機母線，在某些系統(tǒng)嚴重故障導致系統(tǒng)電壓波動較大的情況下不宜采用，故靜態(tài)勵磁系統(tǒng)不適合巴基斯坦500kV電網的現(xiàn)狀。而無刷勵磁系統(tǒng)的勵磁電源取自汽輪發(fā)電機的軸端獨立，勵磁電源相對獨立，勵磁系統(tǒng)工作可靠性高；無刷勵磁系統(tǒng)沒有滑環(huán)和碳刷，無碳粉污染，減少運行維護工作量并簡化了勵磁系統(tǒng)的接線；雖然增加了汽輪發(fā)電機組大軸長度，但通過優(yōu)化設計汽機房的長度不僅沒有增加，還比福清5、6參考電站有所減少，實現(xiàn)了技術和效益的雙贏。

4.常規(guī)島DCS自主研發(fā)。巴基斯坦卡拉奇核電項目的主儀控系統(tǒng)，包括安全級儀控系統(tǒng)和非安全級儀控系統(tǒng)。為了執(zhí)行“華龍一號”的設計自主化和設備制造本地化的核電發(fā)展原則，DCS產品須在國產品牌中選擇。考慮到國產品牌的成熟性及技術開發(fā)能力并結合工期要求，項目首先把電廠的安全性、穩(wěn)定性和成熟性放在第一位，其次考慮先進性。因此，本工程安全級儀控系統(tǒng)采用模擬技術實現(xiàn)，非安全級儀控系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)(DCS)實現(xiàn)。

常規(guī)島控制系統(tǒng)屬于非安全級儀控系統(tǒng)，因此將采用DCS控制，并納入全廠統(tǒng)一采購的DCS控制系統(tǒng)，在主控室集中監(jiān)控。項目選定的DCS選型方案為CNCS中核控制系統(tǒng)工程有限公司的國產化DCS控制系統(tǒng)，二次開發(fā)符合本工程要求的DCS控制系統(tǒng)。

選用國產DCS(TCS)產品，DCS常規(guī)島部分的采購費用，按IO點數(shù)粗略估算，與以往核電項目選用進口產品相比，采購費用大大降低(常規(guī)島IO點數(shù)占總DCS點數(shù)的比例均約為1/3)，項目配合及溝通避免與外方接口，有利于提高工作效率，控制系統(tǒng)的性價比有了很大的提高。

國產DCS(TCS)產品在“華龍一號”項目上的成功應用，是TCS應用國產品牌的首個核電項目，打破了國外進口產品在此領域的壟斷，也是在核電廠最大范圍應用國產數(shù)字化控制系統(tǒng)的項目。這將極大地助推“華龍一號”向世界推廣，提升國產品牌的技術進步，從而使我國國產化控制系統(tǒng)產品在核電機組上的應用水平邁上一個新臺階。初步估算，可節(jié)省DCS投資約5,000萬元人民幣(兩臺機組)。

5.TCS自主研發(fā)。常規(guī)島汽輪發(fā)電機組及其輔助系統(tǒng)(TG包控制系統(tǒng)TCS)的任務是為用戶監(jiān)視、操作、控制汽輪發(fā)電機組的正常啟動、運行、停機過程；保障汽輪發(fā)電機組的設備安全；記錄機組運行參數(shù)以及分析查找故障原因等提供一套完整的解決方案。

本工程TCS采用獨立的分布式控制系統(tǒng)DCS實現(xiàn)，隨TG包采購。根據(jù)汽輪機廠商的特點，隨供的TCS控制系統(tǒng)除實現(xiàn)汽機轉速控制、負荷控制、熱應力計算和控制、閥門在線試驗及汽機超速保護等功能之外，還包括汽機本體、發(fā)電機本體溫度檢測、盤車系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、低壓缸噴水系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、控制油系統(tǒng)、本體疏水系統(tǒng)、發(fā)電機氫油水系統(tǒng)等的全部監(jiān)視、調節(jié)、控制、聯(lián)鎖和保護。TG包控制系統(tǒng)控制范圍如圖1所示。

圖1 TG包控制系統(tǒng)控制范圍

TG包供貨范圍內的設備由供貨商成套提供的控制系統(tǒng)進行控制，供貨商熟悉其工藝設備的運行原理，這有利于提高汽輪機控制的自動化程度，保證汽輪機運行的安全、可靠。另外，有利于減少TCS與DCS廠商之間的接口，簡化設計流程，提高工程的設計效率。

目前國內百萬級的核電廠，汽輪發(fā)電機組的控制系統(tǒng)均為國外產品。鑒于本工程的特殊選型要求，由TG包廠家(上海電氣電站集團)負責與國內控制系統(tǒng)廠商合作開發(fā)國產TCS控制系統(tǒng)。在集中控制室設置獨立的TCS操作員站，TG包的監(jiān)控通過專用的TCS操作員站完成，以保證對汽輪發(fā)電機組及其輔助系統(tǒng)的控制。DCS與TCS之間的重要信號通過硬接線連接監(jiān)視信息通過冗余通訊接口送至機組DCS。采用此控制模式，避免了首次應用“華龍一號”的國產TCS與DCS之間可能的通訊問題，保證了對各自系統(tǒng)控制的安全性與獨立性，又通過響應速度更快的硬接線保證了必要信號的安全性。

三、結語

通過對常規(guī)島主廠房總平面布置優(yōu)化、常規(guī)島主廠房、常規(guī)島主要子項、設備、常規(guī)島電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，達到了工程優(yōu)化設計的目的。核電項目常規(guī)島優(yōu)化設計采取多方面的措施，達到提高安全可靠性、提高運行靈活性、提高發(fā)電出力、簡化系統(tǒng)、便于管理、節(jié)省施工安裝工期、降低占地面積、減小房間面積、主要設備國產化、降低工程造價、適應巴基斯坦當?shù)厍闆r的優(yōu)化設計。

巴基斯坦核電項目采用的“華龍一號”三代核電技術，參考電站為福清5、6核電站，與在建的參考電站福清5、6核電站開工時間相差4個月。所以在此基礎上設計是關鍵，設計也是EPC總包工程的龍頭。因地制宜地做好優(yōu)化設計工作為后期的土建施工安裝工作打下基礎，可以節(jié)省項目投資，縮短項目工期，為業(yè)主以及核電項目總承包方帶來更高經濟效益和社會效益。