中國散裂中子源項目一期工程(主裝置區及附屬設備區)

何 軍， 趙 驥

(廣東省建筑設計研究院，廣州 510010)

圖1 項目鳥瞰圖

獲獎介紹

獲獎等級：一等獎

獲獎單位：廣東省建筑設計研究院

獲獎人員：陳建飚；何軍；趙驥；莊孫毅；龔仕偉；鐘世權；周一鋒；高健

獲獎專家評語：經專家組評審，認為該工程所采用的主要技術有突出的創新性和經濟性，社會和環境效益非常顯著，項目具有如下技術特點。

(1)設置110kV/10kV總變電站，確保供電高可靠性。

(2)采用了有效的防輻射屏蔽處理措施，所有電氣管道采用防輻射預埋件，在混凝土墻中采用“迷宮”敷設，防輻射密閉封堵。吸氣式火災報警系統通過專用排氣管將采樣氣體排放回原有涉放采集區域，設置迷宮避免射線穿越管道。

(3)采用優化控制策略，實現工藝多種運行模式，滿足裝置工藝對環境的高精度要求。

(4)電氣設計采用BIM技術，實現了在狹小隧道內大量電纜橋架、管線的敷設。

該項目獲得了省勘察設計協會電氣專項一等獎，各項主要指標達到建筑電氣設計行業的國際先進水平。

項目指標

項目名稱：中國散裂中子源項目一期工程(主裝置區及附屬設備區)

項目地點：東莞市大朗鎮

占地面積：26.76ha

總建筑面積：約6.7萬m2

建筑高度：約27m

建筑功能：國家重大科學實驗裝置

建設單位：中國科學院高能物理研究所

竣工時間：2017年04月28日

圖2 項目室內照片(RCS設備樓環隧道)

1 項目總體介紹

中國散裂中子源項目(CSNS)是我國“十一五”期間重點建設的大科學裝置，列入國家中長期科學和技術發展規劃。建成后將成為發展中國家擁有的第一臺散裂中子源實驗裝置，并使中國進入世界四大擁有散裂中子源行列的國家，成為世界四大主要脈沖散裂中子源科學中心之一，將為國內外科學家提供世界一流的中子科學綜合實驗基地。中子源主裝置建設包括1臺強流質子直線加速器、1臺快循環同步加速器、1個靶站、5臺中子譜儀等設施和科學實驗測試系統。為與這些主要裝置配套，還需建設裝置建筑物、供水電、空調、安全防護設施等。

中子源項目選址于廣東省東莞市大朗鎮，規劃工程用地面積26.76ha，建筑面積約6.7萬m2，規劃分為主裝置區、輔助設備區和實驗配套區3個區。其中，主裝置區包括直線設備樓(面積4 696m2)、RCS設備樓(面積11 165m2)、LRBT設備樓(面積933m2)、RTBT設備樓(面積779m2)、靶站設備樓(面積12 634m2)、排風中心(面積684m2)，以及貫穿所有地面設備樓建筑的超長地下隧道層(面積 2 286m2)； 輔助設備區包括兩個測試實驗樓、維修站及倉庫、冷凍站、輻射防護實驗室等；實驗配套區包括綜合實驗樓和綜合服務樓。

2 電氣設計系統

系統名稱建設內容技術特點及指標供配電系統(1)園區內設置一座110/10kV總變電站,總變電站3路110kV進線,要求至少來自2個不同高壓電網(總變電站不屬于本工程范圍)(2)園區分別在直線設備樓、RCS設備樓、靶站設備樓、冷凍站、測試實驗樓1、測試實驗樓2、綜合實驗樓、綜合測試樓設置10/0.38kV變配電所(3)直線設備樓、靶站設備樓:各設兩路10kV進線電源,分別引自園區110kV總變電站的兩個10kV母線段。低壓主用電源由本樓變電所供給,另各設一路低壓備用電源由RCS變配電所低壓系統提供(4)RCS設備樓:設四路10kV主用進線電源,分別引自園區110kV總變電站的兩個10kV母線段。另設一路10kV備用進線電源,由園區第三電源提供,備用電源(第三電源)僅在園區兩路主電源均停電后,維持園區的非工藝一級負荷及其他日常負荷用電。低壓電源由本樓變電所供給,同時向直線樓、靶站、排風中心、冷凍站提供低壓備用電源(5)LRBT設備樓:低壓電源由RCS變電所供給(6)RTBT設備樓:低壓電源由靶站變電所供給(7)排風中心:主用低壓電源由冷凍站變電所供給,工藝排風設備的備用電源由RCS變電所供給(8)測試實驗樓1/2:各設一路10kV進線電源,分別引自110kV總變電站的兩段10kV母線段,兩個實驗樓之間設一路10kV聯絡開關。低壓主用電源由本樓變電所供給(1)項目總計算負荷為3.96萬kW,變壓器及高壓直接供電設備安裝總容量為58 620kVA(2)主裝置區各建筑、冷凍站的工藝實驗設備、水冷系統、與實驗相關的空調通風系統、輻射防護系統、消防設備、應急照明系統、弱電系統等用電為一級負荷;其余為三級負荷(3)各變電所均采用單母線分段運行方式,二路10kV高壓同時工作、互為備用。在實驗設備運行期間,如需要進行進線電源切換,在得到供電部門許可,滿足并列運行條件情況下,10kV母聯開關允許先手動合閘,系統短時并列運行,之后再及時斷開其中一路進線開關,由另一路電源供所有負荷配變電所(1)直線設備樓變電所變壓器安裝容量為5 000kVA(2×2 500kVA)(2)RCS變電所變壓器安裝容量為15 000kVA(6×2 500kVA)。RCS電源廳工藝變壓器安裝容量為9 000kVA(5×1 000kVA+8×500kVA)(3)靶站變電所變壓器安裝容量為10 000kVA(4×2 000kVA+2×1 000kVA)(4)測試樓1及測試樓2變電所變壓器安裝容量均為1 000kVA(1×1 000kVA)(5)冷凍站變電所變壓器安裝容量為7 500kVA(3×2 500kVA)(1)不同的設備樓分別設置變電所,變電所的設置在不影響實驗工藝流程的前提下,盡可能靠近負荷中心,減少供電距離,方便管理及使用(2)受項目面積所限,在保證規范要求及安全距離的條件下,主裝置區變配電所采取緊湊布置,變壓器、高低壓柜設置在同一變電所房間內自備應急電源不設發電機組,重要負荷采用EPS、UPS供電

續表

圖3 冷凍站變配電房

3 電氣技術主要創新點

3.1 提高用電可靠性，提升電能質量，實現高質量的電力監控

本項目作為國家重大科研實驗裝置，為國內外科學家提供世界一流的科學綜合實驗基地，用電負荷高，一年中除了特定檢修時間外，全部設備均幾乎不停機運行。運行期間一旦由于停電造成意外停機事故，將使科研實驗停止，影響實驗數據收集。恢復供電后，設備重新開機還需長時間的設備聯調和預熱，會造成重大的能耗及經濟損失。因此，項目對供電可靠性要求非常高，要求供電保障能確保全年無故障運行；即使電源端需要有計劃地進行電源切換，也需保證不斷電無縫切換。

項目主裝置區各變電所均采用單母線分段運行方式，兩路10kV電源供電，兩路電源同時工作，互為備用。同時，為保證在運行期間對進線電源線路進行不斷電切換，系統允許在滿足并列運行條件的情況下，10kV母聯開關允許先手動合閘，系統短時間并列運行，之后再及時斷開其中一路進線開關，由另一路電源供所有負荷。

另一方面，本項目是進行微分子級的科學實驗，為工藝設備供電電源的電能質量也就成為影響實驗數據結果的因素之一。在供配電系統的設計方面，盡量在設備末端處根據工藝要求設置有源或無源濾波器，減少諧波對設備運行的影響，提高電能質量。同時，為加強電能質量管理，提高管理水平，使用戶的用電系統更安全、更節能、更潔凈，項目設置了一套全面的高質量電力監控系統，重點對供電系統的諧波分析、波形捕捉、擾動和波動進行監測。在各變電所10kV電源進線端，特別設置一個高級的多功能監測儀表，對電源每個周波進行1 024 點采樣，對電源電壓驟升/驟降監測、電壓波動及閃變分析，用于日后實驗結果數據結合電力監控數據的綜合分析。該電力監控系統還包括：電力系統的運行監視、遠程控制、報警和事件管理、歷史數據及報表管理、用戶管理等功能。

3.2 優化電氣管線路由，采用BIM技術進行管線綜合設計

中子源的主裝置區隧道、靶心等區域帶有一定的放射性，為控制放射區域內放射性物質外泄，對電纜的敷設提出了很高要求。所有進出涉放區域的電氣管道必須采用防輻射預埋件或在混凝土墻中采用“迷宮”敷設，并進行防火及防輻射密閉封堵處理(射線在反射和折射后衰減很大，采用“Z”字型埋管能有效減少輻射泄露)。

由于電氣、工藝及控制線纜數量眾多，功能類型多樣、電壓等級也有很大差別。在設計時，各設備樓、隧道等區域均設計了多層橋架，按用途、電壓等級對電纜進行分類敷設，并反復核算電纜及橋架的重量、拐彎半徑，同時用切割剖面并運用BIM技術對橋架及其他設備管線進行管線綜合設計。本項目是我國較早使用BIM技術進行管線綜合設計及各專業設計校核的一個項目。在管線的安裝敷設處理上，對于需要敷設多層橋架及其他設備管線的位置，統一在墻柱面上預置U型槽支架，便于日后管線安裝敷設及擴展。

3.3 根據空間及場所性質，合理選用火災探測器，保證檢測效果

中子源項目火災自動報警系統采取“集中控制、分區管理”的監控模式，根據現場實際情況，運用多種探測技術進行火災探測報警。對于一般非涉放場所，采用傳統煙溫感探測器，電氣橋架處敷設感溫電纜；對于高大空間的非涉放區域，采用線型光束感煙探測器或吸氣式火災報警系統。對于有放射性物質產生的“涉放”隧道區域，由于常規的火災探測設備(如煙溫感、線型光束探測器等)在使用一定時間后受到輻射影響，其電子設備容易損壞失效或產生誤報。本項目涉放區域采用吸氣式火災報警系統(空氣采樣)，并在該區域內容易發生火災危險的電纜橋架內設置感溫電纜。兩種探測設備的主機均安裝于非涉放區內，僅把采樣管和感溫電纜設置在涉放區內，避免主機設備受到輻射損壞。吸氣式火災探測裝置的吸、排氣還堅持在涉放區就地取排原則，探測后的采樣空氣通過專用排氣管排放回原有涉放采集區域，進排放管穿越涉放區域時還需采用“迷宮”設計。這種設計大大降低了火災探測設備受輻射的影響，方便設備維護，并滿足了輻射防護屏蔽要求。

3.4 精確可靠的自控設計，保證通風要求

中子源工藝隧道總長約2km，根據工藝輻射防護及暖通專業要求，涉放隧道通風根據輻射劑量大小分區域設置不同的負壓等級，并形成精確的負壓梯度，輻射劑量大的區域空氣不得流入劑量小的區域。同時，隧道等區域的新排風系統根據工藝運行模式又分為多種運行狀態。這對通風系統的自動控制提出了更高要求。電氣專業結合暖通專業的要求確定了控制原理，采用硬線聯鎖結合PLC控制技術，較好地完成了設計，保證系統可靠運行，基本實現了負壓梯度的精確控制。

4 電氣節能措施

4.1 變電所深入負荷中心

中子源項目用電負荷大而且集中，受項目建筑面積所限，在不影響實驗工藝流程的前提下，將變電所設置在主裝置區的設備樓內，盡可能靠近負荷中心，減少供電距離，方便管線敷設。在保證規范要求及安全距離的條件下，變電所采取緊湊布置，變壓器、高低壓柜設置在同一變電所房間內，盡量減少占用主工藝建筑面積。

4.2 設置備用電源

考慮到園區實驗裝置停機檢修期間，主裝置區用電負荷較小，僅有少量的檢修維護用電，變壓器負荷率極低，損耗較大。因此，在主裝置區各變電所的非工藝用電低壓母排上，設置了低壓備用進線開關。在檢修維護低負荷運行模式時，停止各設備樓主變壓器供電，由主裝置區靠中心位置的RCS設備樓變電所的變壓器統一提供各設備樓的維護用電，降低變壓器損耗。

5 項目自我評價

中國散裂中子源項目是現今我國最大的科學裝置，與正在運行的美國、日本與英國散裂中子源一起，構成世界四大脈沖散裂中子源。項目具有國家歷史重要性及其專業性質的特殊性。