模塊化設計方法在多用途模塊式小堆中的應用研究

蔡鼎陽　林亮　唐涌濤　蘇榮福

【摘 要】本文以多用途模塊式小堆自動卸壓系統布置設計為例，介紹了利用模塊化設計方法進行管道布置的設計思路與流程，初步討論了模塊化設計方案的特點以及相對傳統設計方案的優勢，提出模塊化設計在工程應用中待解決的一些問題，為模塊化設計方法在核電工程的布置設計用的應用提供參考。

【關鍵詞】模塊式小堆;模塊化設計;管道模塊

中圖分類號： TL351.1文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）13-0072-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.033

Research of Modularization Design Method Application in multipurpose-SMR

CAI Ding-yang LIN Liang TANG Yong-tao SU Rong-fu

（China institute of nuclear power research and design，Chengdu Sichuan 610213，China）

【Abstract】This paper analyzed the designing process and problem in piping layout about modularization design method application in automatic depressurization system of multipurpose-SMR.It discussed the characteristics about piping module and advantages comparing with ordinary nuclear power plant.Some disadvantageous factors in engineering design are also discussed.It can be a reference for piping layout designing in nuclear power plant engineering.

【Key words】SMR;Modularization design method;Piping module

1 背景概述

模塊式小堆相比于大、中型核電機組，在電廠廠址的選擇與要求上更加靈活，建造周期更短，在未來具有廣闊的應用前景。在設計、制造、安裝等領域，模塊式小堆相較傳統核電廠有較大的區別。

模塊化設計的應用，使得大量設備與工藝系統可作為模塊在設備制造廠制造完成，提高工藝系統安裝質量，減少現場安裝的工序。在批量生產與安裝的階段，相較傳統的施工設計流程有明顯優勢[1]。

自動卸壓系統在發生假想的設計基準事故時，使反應堆冷卻劑系統降壓，以便安全注射系統將水順利注入堆芯提供應急冷卻，防止高壓熔堆。自動卸壓系統具有以下一些特點：

（1）系統功能重要，直接執行反應堆系統安全相關功能;

（2）對系統設備安裝焊接質量要求較高，在役檢查要求較高;

（3）系統閥門較多，主要閥門布置較為集中，具備模塊化設計條件;

由于自動卸壓系統自身特點有利于模塊化設計，以該系統進行模塊化設計應用具有一定的典型性與普適性。因此，選取快速卸壓閥及相關管系作為模塊化設計對象，進行管道模塊的初步設計與討論工作。

2 管道模塊設計方案

2.1 管道模塊設計流程與原則

管道模塊的三維設計流程主要分為兩個步驟：

（1）模塊劃分：進行工藝系統的劃分與模塊化設計對象的選取;根據對象系統的特點進行接口劃分，確定模塊包含的對象與外部需要裝配的接口;

（2）模塊設計：進行管道模塊的詳細設計;包括工藝系統布置設計、模塊結構設計、吊點或臨時支承設計等;

為滿足自動卸壓系統的系統功能要求、核電行業相關設計規范，管道模塊的主要設計思路與原則如下[2]：

（1）模塊設計應考慮假定內部事件發生時，不會導致重要設備部件喪失執行安全功能的能力;

（2）模塊設計時應考慮系統設備安裝、檢修、操作、在役檢查的需求，留有足夠的人員檢修空間以及人員設備通道;

（3）模塊的外形尺寸應考慮公路運輸的能力，不宜設計的過大;

（4）模塊設計時不應對其系統功能的實現產生不可接受的影響;

（5）模塊接口的設計應當充分考慮外部接口的合理性，盡量保證與外部相關管道連接的可操作性;

（6）為保證自動卸壓系統工藝功能的實現，同時為了滿足系統疏水需求，模塊內管道的設計都應設計保證一定向下的坡度;

2.2 管道模塊設計背景簡介

基于以上原則與思路，考慮將兩列快速卸壓閥及相關管系集成管路模塊，模塊集成部分系統流程示意圖詳見圖1。

根據實際工程總體規劃情況，自動卸壓系統閥門組與安全閥等排放管系布置于穩壓器隔間側部專用隔間內，隔間凈空高度約4.5m;除去為安全閥及其排放管線預留空間外，隔間內預留出約6.6m2面積作為自動卸壓系統閥門組的布置空間，如圖2所示;

2.3 設計方案介紹

2.3.1 分散式方案

自動卸壓系統管道的布置設計工作基于PDMS三維設計平臺進行。工程前期對設計對象進行了傳統的分散式布置，提出方案一。

方案一中為充分利用房間高度方向上空間，采取了上下雙層布置形式，將隔間右部規劃為人員通行區域。為了滿足與穩壓器上封頭接管的接口需求，快速卸壓閥組分為上下兩層，兩層閥組間間隔較大，上層閥組布置位置較高。上層閥組與下層閥組在豎直方向上高差為1970mm，為管道支承的設置與疏水管道的布置設計留出了足夠的空間。同層閥組內閥門以陣列式布置，在考慮管道5‰坡度的情況下，盡可能保證閥門布置的整齊，盡可能為閥門間支架設計提供共用結構設置空間，以提高空間利用率。上下兩層閥組外形包絡尺寸約1750mm（長）×2320mm（寬）×2950mm（高）

方案一作為一種較為傳統的布置形式，將快速卸壓閥組按照兩個系列進行分別布置。分散式布置設計在考慮管道、閥門等在考慮設備運輸時具有某些優勢，且傳統的施工技術在二代加核電中較為成熟，不存在技術上的風險。但分散式布置同時也有以下缺點：

（1）該方案中上層閥組的支承需要額外設計鋼結構進行支撐，鋼平臺的設計存在一定難點;

（2）由于系統疏水接口較多，在主要管系完成安裝后，疏水管線與閥門將沒有足夠安裝空間;

（3）上層與下層閥組均存在管道支架設計困難的情況;

（4）上層閥組內側人員可達性不佳，給在役檢查的實施造成一定的困難;

（5）同一隔間的安全閥組施工嚴重受到快速卸壓閥組的施工進度影響;

（6）若安裝工序安排不當，則施工時很容易出現部分靠墻管道無法安裝的情況。

2.3.2 模塊化設計方案

為解決以上問題，提出將應用模塊化設計方法應用于快速卸壓閥組的設計中，提出方案二。

方案二將設計對象集成為一個整體管道模塊，通過管道支承將整個對象集成在鋼制框架結構上，形成一個集管道、管路附件、管道支承、框架結構為一體的管道模塊。管道模塊內部全部在工廠內預制完成，通過開頂法直接吊裝至專用隔間后，與外部系統通過預留的5個接口在現場進行安裝連接。模塊外形尺寸約1600mm（長）×1750mm（寬）×2400mm（高），滿足NB/T 20258.1中相關尺寸規定，可滿足公路運輸要求。

在相同土建背景條件下，方案二同樣選擇對設計對象在高度方向進行拓展，但是進行了更緊湊的集成，大幅改善了分散式布置的部分缺點，相較于分散式布置方案（方案一）有如下一些優勢與特點：

（1）在設計對象包絡空間體積上，較分散式布置方案（方案一）縮小了約44%;

（2）模塊內的所有部件均在工廠預制裝配，很好地解決了現場安裝空間狹窄，安裝條件惡劣的問題，有效地保證了模塊內工藝系統的安裝質量;

（3）快速卸壓閥組模塊的安裝將不再影響安全閥組的安裝施工，現場在模塊就位完成后僅完成接口的對接安裝，大幅減小現場安裝工作量;

（4）模塊在側部預留出了轉運與存放時焊接臨時剛性支承與吊點的空間，保證了模塊的安裝性，但在最終施工安裝前，臨時剛性支承需要拆除以壓縮實際占用的空間;

（5）管系模塊本身包含部分鋼平臺結構，可作為檢修與操作平臺使用，減少了分散式方案中現場鋼結構設置難度，解決了上層閥組的操作與檢修難問題;

3 模塊化設計應用待解決的問題

在制造與安裝的過程中，模塊化設計相較于傳統設計理念有著不少先天優勢，尤其在批量開工建設的背景條件下更能體現出其建造速度快的特點，但是同樣也有一些因素制約了其優勢的體現[3]。

首先，由于模塊制造單位進行模塊的集成建造于供貨，而模塊內的關鍵部件（如閥門等）則由各部件供應商（閥門供應商等）制造提供，部件的供貨進度嚴重制約了模塊制造的進度。若模塊中部分部件無法及時供應，導致模塊無法按時供貨并安裝就位，模塊將可能無法按照預先設計的引入方式進行安裝。如在模塊式小堆的建設中，快速卸壓閥組模塊布置于±0.00m操作平臺上，利用開頂法通過外部大型塔吊從安全殼頂部引入安裝區域完成就位。若快速卸壓閥組模塊因其內部的閥門等供貨進度較晚而影響模塊整體建造進度，可能導致安全殼穹頂封頂等重大施工建設節點的延期。對此，解決方案則是將整體模塊拆散，分別通過安全殼的設備閘門進行引入，在預定安裝區域進行現場裝配工作，可參考三門1#機組穩壓器頂部Q601模塊的安裝過程[4]。但此種方式則回到了傳統施工方式的老路，模塊化設計的優勢與特點都全部無法體現，是最不推薦的解決方法。

其次，模塊安裝與現場管系的安裝工作是同步進行的，模塊引入安裝區域的同時模塊接口的相關管現同時也在施工。由于土建以及工藝系統的安裝誤差，可能會造成模塊接口現場的安裝不匹配情況發生。如果超出模塊及管系調整段的調整范圍，需要對外部接口管系進行較大幅度的調整，導致模塊接口位置的力學接口參數發生較大變化，對模塊本身的力學模型和力學評價結果產生不利影響甚至導致修改模塊本身的設計。

最后，模塊化設計的優勢在核電機組大批量建造的背景條件下將更為明顯，標準化、批量化的生產將大幅縮短模塊本身的建造周期與建造成本。然而在目前核電需求并不飽滿，不具備大批量開工建造的條件下，模塊化設計與建造的優勢將不再突出。

4 結論與建議

模塊化設計理念在新一代完全自主設計的核電工程項目中并無太多實際應用經驗，從頂層設計思路的合理性到對下游施工安裝影響都有待檢驗。但由于其設計理念的先進性，代表了未來核電工程設計發展方向。從模塊化設計本身的理念來看，在未來的研究與應用中，有以下建議：

（1）工藝系統的模塊化設計應充分考慮系統本身特點，合理選擇集成設計的對象;模塊設計時外部接口的設置應盡量少而集中，避免外部接口過于復雜而造成現場施工不便的情況;

（2）模塊設計時應充分考慮現場施工誤差對模塊的影響，在設計階段以預留足夠調整段、設計可替換模塊等方法，提高對于制造安裝中出現偏差的容錯率;

（3）對于較大的集成模塊，為避免模塊中部分關鍵部件供貨進度對于模塊整體供貨的影響，可考慮在大型集成模塊中再劃分較小的部件模塊，預先考慮相應的安裝接口與手段。在關鍵部件無法到位的情況下，優先進行模塊主體部分的安裝工作，后續待關鍵部件到達現場后再引入，完成模塊的裝配工作。

【參考文獻】

[1]林誠格，郁祖盛，歐陽予.非能動安全先進核電廠AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.

[2]魯勤武，柴偉東，韓小萍，趙淑昱，李軼，張淑霞.核電工程模塊化設計技術研究[J].核科學與工程，2013，33（3）：254-259.

[3]趙淑昱，魯勤武，李軼.AP1000模塊化施工分析[C].中國核科學技術進展報告（第三卷）：哈爾濱：中國核學會，2013：399-405.

[4]鄒瑋.AP1000模塊化施工分析[J].中國核電，2014，1（3）：42-46.