國內(nèi)三代EPR核電常規(guī)島技術(shù)特點(diǎn)

羅必雄，喬旭斌，陳 娟，徐 翔

（廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州市，510663）

0 引言

歐洲壓水堆（European pressurized water reactor，EPR）作為三代核電堆型之一[1-10]，由法馬通和西門子根據(jù)歐洲用戶要求聯(lián)合開發(fā)，以提高安全性和經(jīng)濟(jì)性。在安全性上，EPR針對防止堆芯熔化以及放射性大量釋放等安全因素進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)[6，10]，采取了很多防備和緩解手段，其主要設(shè)計(jì)得到了實(shí)踐證實(shí)。在經(jīng)濟(jì)性上，EPR設(shè)計(jì)壽命為60年[8]，發(fā)電成本比法國原型機(jī)N4低5%～10%，目標(biāo)是達(dá)到2.9美分/（kW·h），換料周期為12～24個(gè)月，建設(shè)周期48～60個(gè)月[1]，機(jī)組可利用率達(dá)到92%。根據(jù)計(jì)算，當(dāng)EPR機(jī)組功率在N4的1 450 MW基礎(chǔ)上提高15%后并進(jìn)行部分系統(tǒng)優(yōu)化，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性將顯著提高[7]。這就是EPR采用大容量機(jī)組的原因。

目前EPR常規(guī)島包括德國西門子和法國ALSTOM 2種主機(jī)類型。芬蘭OLKILUOTO 3號機(jī)組為世界第1臺EPR機(jī)組[9]，主機(jī)由西門子供貨，單機(jī)容量約為1 600 MW，預(yù)計(jì)2012年發(fā)電。法國FLAMANVILLE 3號機(jī)組為世界第2臺EPR機(jī)組，主機(jī)由ALSTOM供貨，單機(jī)容量約為1 650 MW，預(yù)計(jì)2012年底發(fā)電。

我國臺山核電站1號和2號機(jī)組是世界第3、國內(nèi)首個(gè)EPR項(xiàng)目，單機(jī)容量約為1 755 MW。深入研究臺山EPR常規(guī)島系統(tǒng)、設(shè)備和布置的特點(diǎn)，對核電及大容量機(jī)組的設(shè)計(jì)有重要的借鑒意義。以下將闡述其主要特點(diǎn)，并與CPR1000、AP1000等機(jī)組常規(guī)島進(jìn)行比較分析。

1 EPR常規(guī)島總體特點(diǎn)

EPR經(jīng)濟(jì)性的提高部分原因在于單機(jī)容量的增加，從而降低了單位容量初投資以及運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用。臺山核電站采用法國ALSTOM單軸機(jī)組，汽機(jī)島長約70 m，總質(zhì)量約為2 930 t，高中壓合缸轉(zhuǎn)子長13.988 m，低壓缸轉(zhuǎn)子長11.95 m，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，主蒸汽管道外徑為812 mm，流量為9 400 t/h，機(jī)組設(shè)備及管道尺寸均明顯大于其他機(jī)組。由于主設(shè)備尺寸的增加，使得臺山核電站汽機(jī)房機(jī)島基礎(chǔ)及廠房主要尺寸相應(yīng)增加，成為目前國內(nèi)容積最大的常規(guī)島廠房之一。

為便于了解EPR機(jī)組總體性能，選擇目前國內(nèi)裝機(jī)容量最大的二代加CPR1000壓水堆核電機(jī)組，三代AP1000壓水堆核電機(jī)組，以及成熟的超臨界百萬千瓦火電機(jī)組進(jìn)行橫向?qū)Ρ?。對比情況詳見表1。

表1 不同機(jī)組主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)對比表Tab. 1 Technical economic indices table for different types of units

從表1可以得出，EPR機(jī)組具有以下特點(diǎn)：

（1）EPR機(jī)組容量大，效率變化不大。

EPR機(jī)組容量比其他機(jī)組大了50%以上，但無論是二代還是三代壓水堆機(jī)組，均受到反應(yīng)堆溫度的限制，主蒸汽溫度都小于300℃，其效率差別不大。而超超臨界火電機(jī)組主汽溫度高達(dá)600℃，效率高出10%左右。

（2）EPR機(jī)組主蒸汽流量大，單位體積比焓大。

各核電機(jī)組的主蒸汽流量比值和功率比值基本一致，說明EPR機(jī)組容量的增加主要源于主蒸汽流量的增加；而同容量火電機(jī)組由于采用高參數(shù)，主蒸汽流量比核電少約一半。

壓水堆機(jī)組的主蒸汽都為飽和蒸汽，只是溫度和壓力不同，其比焓基本相同；但EPR機(jī)組的主汽壓力更高，選擇為7.4 MPa，因此單位體積的焓值比其他壓水堆機(jī)組高出17%以上。這相對減小了管道規(guī)格，有助于緩解大口徑管道帶來的布置難題。火電機(jī)組單位體積焓值約為嶺澳二期工程的3.2倍，管道規(guī)格大幅減小。

（3）EPR機(jī)組排汽量大，采用1 500 r/min的半速機(jī)和3個(gè)低壓缸。

不同機(jī)組的低壓缸排汽量比值和主蒸汽流量比值基本一致，只是EPR機(jī)組用于再熱回?zé)岬某槠壤源?，相對減小了排汽量。對于壓水堆核電機(jī)組，由于排汽流量大，需要考慮增加末級葉片長度和低壓缸數(shù)量來保證排汽面積。

為降低對葉片的強(qiáng)度要求，從而盡可能增加葉片長度，大部分壓水堆核電機(jī)組使用了1 500 r/min的半速機(jī)，末級葉片盡可能選用長葉片。臺山核電EPR機(jī)組的末級葉片長為1 430 mm，為ALSTOM的成熟設(shè)計(jì)。

為滿足排汽量的需要，EPR機(jī)組需設(shè)置3個(gè)低壓缸，而嶺澳二期僅設(shè)置了2個(gè)。山東海陽機(jī)組由于汽機(jī)背壓低，采用的末級葉片長為1 146 mm，相對較短，因此也需設(shè)置3個(gè)低壓缸。

綜合表1數(shù)據(jù)和以上分析可知，EPR機(jī)組的大容量使得凝汽器和管道尺寸均需大幅放大。為抑制等比例的放大，采取了增大主蒸汽壓力、增大回?zé)嵩贌岢槠康却胧?，從而相對控制了設(shè)備和管道的尺寸，有助于提高經(jīng)濟(jì)性，減小布置的難度。

2 EPR常規(guī)島系統(tǒng)和輔助設(shè)備特點(diǎn)

2.1 主蒸汽及其旁路系統(tǒng)

主蒸汽系統(tǒng)由4根主蒸汽管線將汽輪機(jī)4個(gè)主汽閥和核島4臺蒸汽發(fā)生器相連接。另外為保持壓力平衡，在常規(guī)島內(nèi)分別從4根主蒸汽管道上引出1根管匯入主蒸汽聯(lián)箱。從主蒸汽聯(lián)箱引出主蒸汽分別送往汽輪機(jī)密封系統(tǒng)、汽水分離再熱器新蒸汽段、輔助蒸汽轉(zhuǎn)換器、除氧器以及旁路系統(tǒng)。

汽機(jī)旁路流量設(shè)計(jì)為額定壓力下主汽流量的60%，允許汽機(jī)由滿負(fù)荷突然銳減或汽輪機(jī)跳閘時(shí)蒸汽可通過旁路閥排入凝汽器，而不導(dǎo)致反應(yīng)堆緊急停堆，并使主汽系統(tǒng)的卸壓閥和安全閥也不動作。本系統(tǒng)共配置8個(gè)大容量和2個(gè)小容量共10個(gè)旁路閥。

AP1000機(jī)組同樣采用4根主蒸汽管線的對稱布置方案，CPR1000機(jī)組采用3根主蒸汽管線，這與核島蒸汽發(fā)生器數(shù)量是一致的。

2.2 汽水分離再熱系統(tǒng)

汽水分離再熱系統(tǒng)是介于汽輪機(jī)高壓缸和中壓缸之間的1個(gè)蒸汽除濕加熱系統(tǒng)，為壓水堆核電所特有。由于進(jìn)入汽機(jī)的新蒸汽接近飽和狀態(tài)，在高壓缸內(nèi)做功后，濕度增加。本系統(tǒng)的功能是將此蒸汽除去其中約98%的水分，然后通過再熱器提高其溫度，將蒸汽送入汽輪機(jī)的中壓缸使其繼續(xù)做功。這樣就可使等量的蒸汽發(fā)出更大功率，從而提高汽輪機(jī)的熱效率，并可減少蒸汽中水滴對低壓缸的長葉片的侵蝕。分離水量約占總蒸汽量的11%，蒸汽再熱溫升約為90℃，和嶺澳二期工程基本一致[3-4]。

目前國內(nèi)核電機(jī)組普遍采用臥式汽水分離再熱器（moisture separator reheater，MSR），而臺山EPR機(jī)組采用了立式MSR。立式MSR的一、二級加熱蒸汽分別從MSR的頂部進(jìn)入，沿著換熱管冷卻凝結(jié)，匯流在管束下集水區(qū)，再由疏水管排至一、二級疏水罐中，疏水罐就直接外掛在MSR的下部。采用立式MSR后，疏水通過自重排放，不會像臥式MSR一樣形成積水，不需在管束上設(shè)置排汽設(shè)施，從而減少了部分蒸汽排放量，因此可以省約500 kW的折合功率[5]。

2.3 給水回?zé)嵯到y(tǒng)

給水回?zé)嵯到y(tǒng)和其他核電機(jī)組一致，為“2高4低1除氧”。

凝結(jié)水系統(tǒng)采用3臺50%凝結(jié)水量的凝結(jié)水泵。低壓給水系統(tǒng)共設(shè)4級加熱器，1、2號低加為3臺33.3%的復(fù)合式加熱器，設(shè)在3個(gè)凝汽器頸部。由于低加的設(shè)計(jì)壓力和溫度均較低，故障率低，為節(jié)省占地，臺山EPR機(jī)組的3、4號低加均為單列布置。

EPR機(jī)組2、3、4號低加設(shè)置疏水箱和疏水罐，汽機(jī)抽汽加熱給水后的疏水可直接注入給水系統(tǒng)。CPR1000和AP1000機(jī)組只設(shè)3號低加的疏水箱和疏水泵，4號低加疏水也匯流至3號低加疏水箱，并經(jīng)泵注入給水系統(tǒng)，2號低加的疏水逐級回流至1號低加和凝汽器。

高壓給水系統(tǒng)設(shè)2級加熱器，分別為雙列50%容量的6、7號高壓加熱器。任何一列高加隔離時(shí)，系統(tǒng)能連續(xù)運(yùn)行。高加系統(tǒng)不再另設(shè)旁路，高加疏水逐級回流至除氧器。

給水系統(tǒng)設(shè)置4×33.3%容量的電動液耦變速給水泵，另外設(shè)置1路4%的啟動給水及加熱系統(tǒng)用于啟停堆時(shí)使用。

2.4 冷卻水系統(tǒng)

本工程廠址臨海，采用一次海水直流冷卻和二次閉式循環(huán)冷卻水的冷卻方式。一次直流冷卻范圍包括凝汽器、閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水-水熱交換器和真空泵。凝汽器通過1機(jī)4臺循環(huán)水泵提供海水冷卻，而水-水熱交換器和真空泵通過2臺獨(dú)立的輔助冷卻水泵直接提供海水冷卻，不同于從循環(huán)水管路引水，然后增設(shè)提升泵的方法。這對于優(yōu)化常規(guī)島廠房布置，以及設(shè)置無閥循環(huán)水系統(tǒng)均有幫助。

2.5 小結(jié)

EPR機(jī)組常規(guī)島系統(tǒng)設(shè)備的配置方案基本延續(xù)了ALSTOM機(jī)組的傳統(tǒng)風(fēng)格，是在成熟機(jī)型基礎(chǔ)上的改良，保證了其可靠性。

3 EPR常規(guī)島布置特點(diǎn)

3.1 半地下布置

常規(guī)島廠房采用底部整體下沉的半地下布置。由于機(jī)組單機(jī)容量大，因此機(jī)組的循環(huán)水量也大（約為92 m3/s），約為山東海陽AP1000和嶺澳CPR1000機(jī)組的1.4倍。而循環(huán)水泵揚(yáng)程和凝汽器標(biāo)高有密切關(guān)系，降低其標(biāo)高可有效降低循泵揚(yáng)程，從而帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益。常規(guī)電廠一般采取凝汽器局部下沉措施即可滿足要求，但對于EPR核電機(jī)組，由于凝汽器經(jīng)濟(jì)標(biāo)高遠(yuǎn)小于廠區(qū)地坪標(biāo)高，凝汽器能局部下沉的高度滿足不了要求，因此臺山核電站降低了常規(guī)島廠房整體標(biāo)高，采用地下2層的布置方式。與常規(guī)地上布置方式相比，臺山核電站底層下降了13.7 m，每年節(jié)約循泵運(yùn)行費(fèi)用約2 000萬元。

在選擇最終的廠房底層標(biāo)高時(shí)，在保證技術(shù)安全因素的前提下主要考慮綜合經(jīng)濟(jì)性，包括年運(yùn)行費(fèi)和初投資費(fèi)。主要比較方案包括最終采用的地下2層方案、地下1層方案和常規(guī)的地上布置方案。底層標(biāo)高影響的年運(yùn)行費(fèi)主要包括循環(huán)水泵運(yùn)行費(fèi)用、給水泵運(yùn)行費(fèi)用等。底層標(biāo)高影響的初投資費(fèi)主要包括汽機(jī)房負(fù)挖費(fèi)、汽機(jī)房結(jié)構(gòu)工程費(fèi)。底層標(biāo)高影響的主要經(jīng)濟(jì)因素詳見表2；綜合年運(yùn)行費(fèi)和初投資費(fèi)的年平均費(fèi)用比較結(jié)果如表3所示。

由表2、3可知，地下2層方案最優(yōu)，相對常規(guī)地上布置年節(jié)約1 550萬元左右。

表2 底層標(biāo)高影響的主要經(jīng)濟(jì)因素TTaabb.. 22 Main economic factors influencing the ground floor elevation

表3 各底層標(biāo)高的主要經(jīng)濟(jì)比較Tab.Tab.3 3 Economical comparison for different floor elevations

3.2 4層布置結(jié)構(gòu)

優(yōu)化層高使得廠房具有較大的空間利用率。EPR常規(guī)島廠房占地面積節(jié)省，只比CPR1000機(jī)組的廠房略大，甚至比AP1000機(jī)組廠房還小，詳見表4。

表4 各型機(jī)組常規(guī)島典型布置方式數(shù)據(jù)對比Tab.Tab.4 4 Typical arrangement data for different types of units

由于EPR機(jī)組單機(jī)容量大，設(shè)備和管道尺寸也更大，根據(jù)主要設(shè)備及管道布置需要的容積很大，但通過采用4層布置，提升廠房高度，有效容積可得到保證。主廠房高約58.5 m，體積約為37.13萬m3。主廠房采用4層大平臺布置，地下2層，地上2層，各層由下至上依次為-13.7 m層，-7.5 m層，0 m層，10.9 m層，其中0 m層由幾個(gè)不等高的大平臺構(gòu)成。EPR常規(guī)島主廠房4層布置結(jié)構(gòu)（圖1）與CPR1000及AP1000機(jī)組的3層布置區(qū)別明顯。

4層廠房使得設(shè)備布置整齊，檢修維護(hù)方便。同時(shí)功能分區(qū)規(guī)劃清晰，在靠近發(fā)電機(jī)端主要布置凝結(jié)水、閉冷水等低溫和輔助系統(tǒng)，中間部分布置低加系統(tǒng)，機(jī)頭部分布置主蒸汽、高加和除氧等高溫系統(tǒng)。

3.3 無除氧間形式

常規(guī)島采用非常規(guī)的布置方式，將除氧器、高加和給水泵等設(shè)備布置在汽機(jī)房的機(jī)頭側(cè)，取消除氧間，如圖2所示。與常規(guī)除氧間布置相比，減少了常規(guī)島的總跨度和占地面積，但同時(shí)增加了廠房長度，汽機(jī)房跨度也相對增加，對廠房框架結(jié)構(gòu)和行車提出了更高的要求。

采用無除氧間布置方式，除氧器長度是決定常規(guī)島總跨度的主要因素，因此盡量把除氧器設(shè)計(jì)的短而粗。由于除氧器布置在汽機(jī)房，在安裝期間可利用行車對除氧器進(jìn)行分段吊裝，在運(yùn)行期間可利用行車對閥門進(jìn)行檢修維護(hù)。

3.4 立式MSR

在臺山EPR機(jī)組中采用立式MSR（如圖3），主要考慮其優(yōu)點(diǎn)是空間使用小，包括占地和大件擺放空間小，同時(shí)還可以省約50 kW的功率，對殼體排氣也比較有利。

立式MSR長約22.7 m，直徑約5.64 m，質(zhì)量達(dá)412 t（非運(yùn)行狀態(tài)）/486 t（運(yùn)行狀態(tài)），與立式相比容積更小，荷重更小。

MSR立式布置于機(jī)頭兩側(cè)，使得相關(guān)的管道及設(shè)備布置有別于常規(guī)的臥式MSR廠房，廠房占地面積得到進(jìn)一步壓縮，同時(shí)便于再熱蒸汽管道的布置。由于布置緊湊，空間得到有效利用，使得運(yùn)轉(zhuǎn)層較為空曠，易于運(yùn)行維護(hù)。

3.5 小結(jié)

雖然EPR常規(guī)島廠房容積大，但通過采用4層布置結(jié)構(gòu)形式、無除氧間、立式MSR的方式減小占地面積，提高空間利用率。廠房容積約為37.13萬m3，占地約為6 350 m2，單位功率常規(guī)島建筑造價(jià)EPR機(jī)組要小于其他核電機(jī)組。

目前該布置方式雖然有效減小了占地面積，但根據(jù)剖面圖可知，運(yùn)轉(zhuǎn)層以上空間太大，略顯浪費(fèi)，主要是因?yàn)椴扇×⑹組SR后造成的，因此主廠房容積還存在進(jìn)一步優(yōu)化的潛力。

4 結(jié)論

（1）國內(nèi)EPR常規(guī)島采用ALSTOM主機(jī)并參考法國FA3機(jī)組設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)備的配置方案基本延續(xù)了其二代核電機(jī)組的風(fēng)格，從而保證了其可靠性。布置上為適應(yīng)其大容量機(jī)組的特點(diǎn)，采用了地下2層、地上2層的半地下式布置，取消除氧間，采用立式MSR，節(jié)約了運(yùn)行費(fèi)用，減小了占地面積，提高了空間利用率。

（2）與AP1000、CPR1000機(jī)組相比，由于EPR機(jī)組單機(jī)容量大，單位功率的技術(shù)指標(biāo)更好，有助于提高單位功率建設(shè)周期和可利用率。

（3）EPR常規(guī)島機(jī)組的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，尤其是地下2層的半地下布置方案可為國內(nèi)其他大容量機(jī)組提供借鑒。

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