核電廠總平面設(shè)計分析研究
——基于福島事故改進及運營經(jīng)驗分析

王 棟，劉 濤

(中國核電工程有限公司北京工業(yè)研究設(shè)計院,北京 100840)

核電廠總平面設(shè)計是建造核電廠的基礎(chǔ)，內(nèi)容包含各子項的平面定位、室外管線溝道綜合設(shè)計、豎向及道路設(shè)計，對核電廠的建設(shè)起到至關(guān)重要的作用。本文通過福島事件后對總平面設(shè)計的要求及我國核電廠多年運營經(jīng)驗的分析，主要從兩個角度對核電廠總平面設(shè)計進行分析研究，最終提出有益于日后核電廠設(shè)計、建設(shè)的建議。

1 福島事件對核電廠總平面設(shè)計提出新要求

發(fā)生在2011年3月11日的日本福島核事故，時間雖已過去8年多，但其影響仍遠未消除，各個國家的核電廠相關(guān)領(lǐng)域仍在做相關(guān)分析研究，避免類似事故的再次發(fā)生。

對核電廠總平面布置而言，福島事件后，我國及時出版了《福島核事故后核電廠改進行動通用技術(shù)要求》(試行)的規(guī)定，并對我國在建及運營核電工程進行了逐一排查，本文通過對該規(guī)定的詳細研究，從應(yīng)急角度考慮，增設(shè)應(yīng)急控制中心、應(yīng)急場內(nèi)支援基地及相關(guān)設(shè)施，對目前核電廠總平面設(shè)計做出優(yōu)化分析。

1.1 應(yīng)急控制中心的設(shè)計要求

按《福島核事故后核電廠改進行動通用技術(shù)要求》，核電廠總平面布置增加應(yīng)急控制中心的設(shè)計與建造。

從總平面布置角度考慮，應(yīng)急控制中心是核電廠營運單位應(yīng)急響應(yīng)的指揮、管理和協(xié)調(diào)中樞，是應(yīng)急期間應(yīng)急響應(yīng)指揮部的工作場所，應(yīng)急期間應(yīng)確保應(yīng)急人員可以順利地達到該中心。且應(yīng)考慮滿足可居留性和可達性的要求。

總平面布置應(yīng)按廠址所在地區(qū)地震基本烈度提高一度進行抗震設(shè)計，并按照設(shè)計基準地震動SL2(相當?shù)牡孛婕铀俣?進行校核；應(yīng)具備抵御設(shè)計基準洪水危害的能力。

1.1.1 案例分析

以××核電工程應(yīng)急控制中心為例，該核電工程場地基本無預(yù)留用地，不具備廠內(nèi)建設(shè)的條件，只能在廠址周邊進行選址。經(jīng)過分析研究并與核電業(yè)主進行協(xié)商，從運營管理角度及快速實施應(yīng)急計劃的角度分析，最終將應(yīng)急控制中心布置在該核電工程的西南側(cè)、非居住區(qū)以外、緊鄰××公路，詳見圖1應(yīng)急控制中心位置示意圖。

圖1 應(yīng)急控制中心位置示意圖

該控制中心位置滿足可居留性、交通可達性，但該位置的自然標高較該電廠的設(shè)計基準洪水位偏低，需要進一步分析論證其防洪能力。后經(jīng)該核電廠所在省份的相關(guān)科研單位進行專題研究，分析確定了該控制中心適合的室內(nèi)標高，滿足其防洪要求。

1.1.2 分析總結(jié)

由于該子項是福島改進后的增加子項，從用地上可以看出，原廠區(qū)用地布局緊湊，缺乏預(yù)留用地，不得以將新增子項布置在廠區(qū)外側(cè)。

本文建議今后的總平面設(shè)計過程中，應(yīng)該優(yōu)化總平面及豎向設(shè)計，為后續(xù)增加子項留有余地，以便使應(yīng)急控制中心從設(shè)計初期就能滿足可達性、可居留性及防洪的要求。在滿足工藝要求的前提下，也能降低施工難度及建造費用。

1.2 應(yīng)急場內(nèi)支援基地的設(shè)計要求

應(yīng)急場內(nèi)支援基地要求提供日常值守場所、培訓演練場所、技術(shù)支持場所及物資儲備場所，保證核電廠發(fā)生嚴重事故時應(yīng)急支援工作的需要。

1.2.1 案例分析

以××核電工程應(yīng)急移動設(shè)備庫為例，該工程為福島事件后的增加子項，屬于應(yīng)急物資儲備場所，其儲存設(shè)備為中、低壓移動電源及移動泵車輛等，按《福島核事故后核電廠改進行動通用技術(shù)要求》，該項目需要滿足如下三個要求：

(1)存儲移動應(yīng)急電源、移動泵等相關(guān)設(shè)備的構(gòu)筑物按廠址所在地區(qū)地震基本烈度提高一度進行抗震設(shè)計，并按照設(shè)計基準地震動SL2(相當?shù)牡孛婕铀俣?進行校核。

(2)移動應(yīng)急電源、移動泵等相關(guān)設(shè)備儲存應(yīng)滿足在水淹高度高于設(shè)計基準洪水位5 m時，已采取的防水淹措施不會導(dǎo)致移動泵及相關(guān)設(shè)備不可用。

(3)儲存移動應(yīng)急電源、移動泵等相關(guān)設(shè)備的構(gòu)筑物宜設(shè)置在核安全廠房100 m以外，同時考慮交通的可達性。

由于該核電工程基本沒有預(yù)留用地，且周邊地形普遍較低，為了滿足豎向標高不低于設(shè)計基準洪水位加5 m的要求，場址最終布置在該核電工程參觀平臺西南側(cè)，距離最近的核安全相關(guān)廠房直線距離約為305 m，如圖2應(yīng)急移動設(shè)備庫位置示意圖所示：

由上分析可知，雖然目前的設(shè)計滿足福島改進項的要求，但不足之處在于該子項位于山體上，到達廠區(qū)的實際距離略長，可達性還有優(yōu)化的空間。

圖2 應(yīng)急移動設(shè)備庫位置示意圖

1.2.2 分析總結(jié)

由上分析可知，原有核電廠址用地緊張，基本沒有預(yù)留用地，且豎向標高很難達到后期福島改進項的設(shè)計要求，這就對今后新的核電廠總平面設(shè)計提出了更高的要求。

我國目前主推的華龍一號核電工程，將來可能也會設(shè)計應(yīng)急支援基地，同樣需要滿足抗震、豎向防洪及與核安全廠房距離的要求。所以，鑒于福島核事故的經(jīng)驗教訓，可在核電廠總平面布置中，做出如下優(yōu)化設(shè)計：一是選址盡量在地質(zhì)條件良好，承載力高的地段；二是豎向設(shè)計階段，在兼顧土石方平衡過程中，可以考慮將場地布置為臺階式，從經(jīng)濟、施工角度考慮，臺階高差不超過5 m為宜，以便滿足將存儲移動泵等相關(guān)設(shè)施的建、構(gòu)筑物，布置在高于設(shè)計基準洪水位5 m場地的要求；三是將存儲移動泵等相關(guān)設(shè)施的建、構(gòu)筑物，布置在距離核安全物項或抗震I類物項100 m外，且滿足交通的可達性，對于華龍一號機型的核安全物項或抗震I類物項的子項如表1所示。

表1 “華龍一號”安全級或抗震Ⅰ類子項列表

續(xù)表

說明：NC——非安全級；LS——安全級；抗震類別中Ⅰ類——抗震Ⅰ類。

本文通過對應(yīng)急移動設(shè)備庫的設(shè)計分析，以達到以后優(yōu)化核電廠總平面布置的目的。

2 對有吊裝要求區(qū)域的分析優(yōu)化

根據(jù)運營核電廠的反饋，在總平面設(shè)計中可以對在核電廠大修期間有吊裝需求的子項區(qū)域進行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 案例分析

以××核電工程排水虹吸井及××核電工程取水泵房平面設(shè)計為例進行分析。

2.1.1 ××核電工程排水虹吸井區(qū)域平面設(shè)計

(1)初始設(shè)計

初始設(shè)計沒有考慮排水虹吸井閘門在運行大修期間的吊裝需求，在虹吸井閘門周邊沒有預(yù)留相應(yīng)的操作空間。如圖3原排水虹吸井區(qū)域平面布置圖所示。

(2)優(yōu)化分析

根據(jù)核電業(yè)主反饋的排水虹吸井閘門在大修期間的吊裝需求，設(shè)計方需對排水虹吸井周邊平面進行優(yōu)化設(shè)計，以滿足核電廠大修期間的需求。設(shè)計方參考業(yè)主建議，從方便現(xiàn)場實際操作的角度出發(fā)，為方便業(yè)主在大修期間虹吸井閘門的吊裝作業(yè)，對平面布置進行了優(yōu)化設(shè)計，并增加了吊裝通道，對周邊實物保護圍欄也進行了相應(yīng)改造，如圖4優(yōu)化后排水虹吸井區(qū)域平面布置圖所示。

2.1.2 ××核電項目取水泵房平面設(shè)計

(1)初始設(shè)計

在××核電項目取水泵房區(qū)域平面設(shè)計過程中，前期沒有提出該子項有吊裝的要求，故在平面布置過程中，并沒有預(yù)留供吊車行走、站位、作業(yè)的空間，如圖5原取水泵房區(qū)域平面布置圖所示。

圖3 原排水虹吸井區(qū)域平面布置圖

圖4 優(yōu)化后排水虹吸井區(qū)域平面布置圖

圖5 原取水泵房區(qū)域平面布置圖

(2)優(yōu)化分析

1)分析吊裝工藝

根據(jù)工藝及現(xiàn)場資料，該取水泵房前池設(shè)置兩個(7×7)m的鋼閘門，自重34 t。按照施工單位閘門吊裝方案，閘門初次安裝時，需要采用200 t履帶吊車。參考施工單位資料，進行如下優(yōu)化設(shè)計。

2)設(shè)計優(yōu)化

將取水泵房南側(cè)保護區(qū)圍欄局部南移11 m，原4 m寬道路局部調(diào)整為15 m寬，滿足一般吊車吊臂操作空間的要求，如圖6優(yōu)化后取水泵房區(qū)域平面布置圖所示。

圖6 優(yōu)化后取水泵房區(qū)域平面布置圖

2.2 總結(jié)

在核電廠總平面設(shè)計中，不僅要考慮建造階段，而且要多從運營角度考慮，方便業(yè)主使用。鑒于上述排水虹吸井與取水泵房在大修期間，對閘門有吊裝需求，故在該區(qū)域的平面設(shè)計中，要提前考慮其交通組織及需預(yù)留的操作空間。

3 核電廠道路設(shè)計分析

目前核電廠道路設(shè)計的文件或圖紙中，一般會出現(xiàn)如下概念：主要進廠道路、次要進廠道路，大件運輸?shù)缆?，重型路、輕型路，應(yīng)急道路。以上叫法既有聯(lián)系，又有區(qū)別，本文通過對核電廠道路的分析研究，澄清概念和使用范圍，達到優(yōu)化設(shè)計的目的。

3.1 大件運輸?shù)缆?/h3>

按《核電廠總平面及運輸設(shè)計規(guī)范》(GB/T 50294—2014)8.4.3節(jié)要求，“廠外道路應(yīng)設(shè)置不同方向的主要和次要進廠道路，大件道路應(yīng)與進廠道路結(jié)合規(guī)劃”。

首先，需要明確“大件”的概念，按《電力大件運輸規(guī)范》(DL/T 1071—2014)相關(guān)描述，外形尺寸或質(zhì)量符合長度大于14 m、寬度大于3.5 m、高度大于3.0 m或質(zhì)量在20 t以上的即為大型設(shè)備或構(gòu)件，即重量、長、寬、高有一個參數(shù)達到上述數(shù)值，即為“大件”。

大件運輸?shù)缆费赝咀畹蛢艨崭叨取⒆钚⊥ㄐ袑挾?、最大橫坡、最大縱坡、道路凹凸曲線、彎道最小內(nèi)彎半徑、最小外彎半徑、通道寬度、掃空半徑應(yīng)滿足車組安全通行要求。施工現(xiàn)場道路要平整，道路荷載應(yīng)滿足車組安全通行要求。運輸車輛過橋涵、鐵路道口時，時速不宜超過5 km/h。其設(shè)計、實施一般為專業(yè)的交通運輸單位完成。

(1)大件運輸?shù)缆放c主要、次要進廠道路的關(guān)系

大件運輸?shù)缆分饕诤穗娬镜慕ㄔ炱陂g使用，在運營期間可以保留，與主要進廠道路或次要進廠道路合并，如××核電工程大件運輸?shù)缆放c主要進廠道路為同一條路徑，由于控制區(qū)大門本身尺寸不能走大件設(shè)備，故在其旁邊單獨設(shè)計一通道，為大件運輸?shù)念A(yù)留道路，供運營期間的尺寸超過普通設(shè)備的大件運輸車輛通行，如圖7主要進廠道路與大件運輸?shù)缆菲矫媸疽鈭D所示。該設(shè)計思路值得后續(xù)核電站設(shè)計者參考，這樣的設(shè)計可以將核電站對外的開口數(shù)量控制為兩個，避免單獨設(shè)計一條大件運輸?shù)缆?，從建造費用及實物保護方面考慮都是很有利的。

圖7 ××核電工程主要進廠道路與大件運輸?shù)缆菲矫媸疽鈭D

(2)大件運輸?shù)缆放c重型路的關(guān)系

從大件設(shè)備的定義來講，設(shè)備重量超過20 t即為大件，也可以理解為重件。即重型路是大件路的一種，是針對輕型路而言的。從道路做法上，與輕型路加以區(qū)分。重型路與輕型路是針對廠內(nèi)道路而言，重型路的路徑與大件運輸?shù)缆芬恢?，主要為核島、常規(guī)島、主變及BOP區(qū)域的取水泵房和放射性機修車間服務(wù)。按《核電廠總平面及運輸設(shè)計規(guī)范》(GB/T 50294—2014)相關(guān)要求，重型路最大縱坡不宜大于4%，寬度不宜小于9 m，轉(zhuǎn)彎內(nèi)半徑不宜小于25 m，掃空寬度根據(jù)運輸設(shè)備的尺寸確定。

3.2 應(yīng)急道路的設(shè)計分析

在事故工況下，應(yīng)急道路不僅需要滿足核電廠內(nèi)的工作人員緊急疏散至廠外的要求，而且還需滿足將應(yīng)急設(shè)施如應(yīng)急移動電源等及時運到廠內(nèi)。

應(yīng)急道路在作為應(yīng)急設(shè)施通道時，對道路的縱坡、路寬、轉(zhuǎn)彎半徑、荷載有一定要求。故在進行總平面設(shè)計時，對主要進廠道路及次要進廠道路進行適當?shù)陌j(luò)設(shè)計，使其設(shè)計參數(shù)同時滿足應(yīng)急道路的要求，使核電廠總平面的對外接口，控制在兩個，避免單獨修建應(yīng)急道路，增加額外成本。

所以在核電廠道路設(shè)計時，主要進廠道路和次要進廠的設(shè)計標準宜按可以同時滿足應(yīng)急道路和大件運輸?shù)缆返臉藴蔬M行考慮和設(shè)計。

4 總結(jié)

本文基于福島核事故改進要求及我國核電廠運營經(jīng)驗兩個角度，從如下三個方面對核電廠總平面設(shè)計進行了分析研究：

(1)考慮應(yīng)急控制中心、應(yīng)急場內(nèi)支援基地的相關(guān)建、構(gòu)物，對核電廠總平面及豎向布置的要求與影響。

(2)排水虹吸井區(qū)域、取水泵房區(qū)域的平面設(shè)計，要結(jié)合核電廠大修及運營進行。

(3)優(yōu)化核電廠道路系統(tǒng)，更加經(jīng)濟高效的建設(shè)核電廠。

以上內(nèi)容，歡迎同行指正、交流。