濱海核電廠廠坪標高優(yōu)化設計與研究

江才俊, 佘靖策, 侯平利

(深圳中廣核工程設計有限公司,深圳518057)

在當今全球氣候暖化、國際社會呼吁溫室氣體減排的背景下,核電作為一種清潔、高效、安全的能源被越來越多的國家所重視?！秶液穗姲l(fā)展專題規(guī)劃(2005—2020)》制定了“積極推進核電建設”的發(fā)展方針,并給出到2020年的發(fā)展目標：到2020年,核電運行裝機容量達到40GW,并有18GW在建項目轉到2020年以后續(xù)建,核電裝機比重將從目前的1.6%上升到4%左右[1]。核電在我國將會出現一個長期、穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展的新局面。但另一方面,由于核電站單位千瓦造價遠高于普通火電機組,極大地制約了核電的發(fā)展,如何有效降低核電站造價和運行費用,已成為各國工程技術人員面臨的一大難題。本文結合核電站廠坪標高的優(yōu)化設計,初步探討了核電站節(jié)約投資及運行費用的一種途徑,以便后續(xù)工程參考。

1 滿足設計基準洪水位要求的廠坪標高

廠區(qū)主廠房的地面標高對核電廠的安全和運營至關重要,對于廠址而言,與核安全有關的廠房的地面標高應高于設計基準洪水位。廠坪最低標高采用可能最大風暴潮增水+10%超越概率天文高潮位+壽命期內海平面增高+安全裕度的組合[2]。

現以國內某正在籌建的濱海核電廠為例,介紹滿足設計基準洪水位要求的廠坪標高的確定。

1.1 設計基準洪水位的確定

洪水起因事件的適當組合取決于廠址的特征,根據核安全導則(HAD 101/09)附錄V所推薦的組合,以及對廠址洪水事件和基準水位的研究與分析計算,結合南海濱海核電廠建設的工程實例,廠址所在海區(qū)的臺風暴潮是最嚴重的洪水極端事件,它比海嘯和假潮的影響要大得多[3]。因此,該廠址設計基準洪水采用可能最大風暴潮增水+10%超越概率天文高潮位+核電廠壽期內海平面變化的組合。其組合如表1所示,表中 PMSS(Probable Maximun Stom Surge)為可能最大的風暴潮,含相應波浪增水。

表1 設計基準洪水

1.2 安全裕度確定

根據《工業(yè)企業(yè)總平面設計規(guī)范GB50187-93》、《核電廠總平面及運輸設計規(guī)范GB/T50294-1999》和《火力發(fā)電廠設計技術規(guī)程DL5000-2000》的有關規(guī)定,廠坪標高的確定應在滿足設計基準洪水位的條件下,考慮適當的安全裕度,一般規(guī)定安全裕度不小于0.5m。

1.3 廠坪最低標高的確定

設計基準洪水位+安全裕度=

6.67+0 .5=7.17m

2 循泵揚程與廠坪標高

循環(huán)水泵揚程與循環(huán)水沿程阻力、凝汽器水室標高有關,如能保證取排水方案及凝汽器水室絕對標高不變,則循環(huán)水泵揚程不變。在保證循環(huán)水泵揚程不變,即運行費用不增加的情況下提高廠坪標高,能減少工程土石方量、縮短建設工期,節(jié)省項目初期投資的目的[4]。

2.1 循環(huán)水泵揚程及凝汽器水室標高的推算

取排水高程如圖1所示。

循環(huán)水泵揚程推算過程如下：

循環(huán)水泵靜揚程(Ho)=虹吸井后排水阻力

根冠比是指植物地下部分與地上部分的鮮重或干重的比值，它的大小能反映出植株地上、地下部生長發(fā)育情況以及土壤的營養(yǎng)供應狀況，該指標高則根系機能活性強，低則弱［22］。錦紫蘇在不同栽培基質下，除處理⑥外，其他處理根冠比均高于對照組，說明不同配比基質的城市堆肥污泥有利于植物根系發(fā)達，增加植物的根系機能活性，從而有利于培養(yǎng)壯株，有利于作物的地上部分生長。試驗證明，城市污泥堆肥對于錦紫蘇生長具有好的適應性，并為污泥堆肥直接用于觀葉類草本植物的種植提供了理論基礎，在一定程度上促進了城市污泥堆肥的資源化利用。

(H t)+堰上下游水位差(H a)

循環(huán)水泵總揚程(H)=沿程阻力(Hc)+靜揚

程(H o)

凝汽器水室出口高度推算過程如下：

虹吸井上水位標高(H z)=虹吸井后排水阻力

(Ht)+堰上下游水位差(Ha)+海平面高度凝汽器水室出口高度(H 1)=虹吸井上水位標

高(Hz)+虹吸利用高度

圖1 取排水高程示意圖

本工程根據水工提供的數據 Ht=1.5m,Ha=0.3m,H c=11.252m。現計算如下：

Hz=1.5+0.3+0.5=2.3m；

H1=2.3+7.5=9.8m。

充分利用虹吸效應能降低循環(huán)水泵揚程。本工程考慮利用虹吸高度最大為7.5 m(理論值為9.8m,7.5m為行業(yè)通用值)。

H o=1.5+0.3=1.8m；

H=11.252+1.8=13.052m。

2.2 汽機房不同布置方案下廠坪標高推算

對于本工程假設凝汽器水室出口高度為9.8m及循環(huán)水取排水方案不變(沿程阻力不變)的情況,循環(huán)水泵揚程將保持不變。在保持循環(huán)水泵揚程不變的情況下,如采用凝汽器局部下沉布置或者采用廠房整體下沉布置,則相應地能提高廠坪的高度,減少土石方開挖量,縮短建設工期[5]。但是凝汽器局部下沉的下沉量受安裝及檢修等限制,不能無限制下沉；廠房整體下沉高度也受安裝、檢修、運行方便等因素影響,一般采用下沉之后廠坪與汽機房中間層或運轉層平齊方案為最佳。

基于上述考慮,現列舉幾種典型的汽機房布置方案。

(1)方案1

如圖2所示。廠坪與汽機房底層對齊,采樣凝汽器地上布置方案,此時汽機房底層標高為9.8-5.55=4.25m；即廠坪最大標高也為4.25-0.2(汽機房相對廠坪高出0.2m)=4.05m。

圖2 方案1

(2)方案2

如圖3所示。廠坪與汽機房底層對齊,采樣凝汽器局部下沉方案,此時凝汽器最大下沉量廠家限制為3.55m,水室出口距離地面高度廠家限制最小為2m,此時汽機房底層標高應為9.8-2=7.8m,即廠坪最大標高也為7.8-0.2=7.6m。

圖3 方案2

(3)方案3

如圖4所示。廠坪與汽機房中間層對齊,廠房整體下沉6m,凝汽器不再局部下沉,此時汽機房底層標高為9.8-2-3.55=4.25 m,此時廠坪標高為4.25+6-0.2=10.05m。

圖4 方案3

(4)方案4

如圖5所示。廠坪與汽機房中間層對齊,廠房整體下沉6m,凝汽器再局部下沉3.55m,則汽機房底層標高為9.8-2=7.8m,此時廠坪標高為7.8+6-0.2=13.6m。

圖5 方案4

方案1中,在保證循環(huán)水泵揚程與其他方案相比不增加的情況下,廠坪標高已低于設計基準洪水位要求的廠坪標高,所以不可行。如假設廠坪標高達到設計基準洪水位要求的廠坪標高,則循環(huán)水泵揚程至少增加7.17-4.05=3.12m,大大增加后期運行費用,為不可行方案。

方案2、方案3、方案4廠坪標高均高于設計基準洪水位要求的廠坪標高,為可行方案。

3 技術經濟比較

對于方案2、方案3、方案4等3個可行方案,循泵揚程均相同。方案3、方案4相對于方案2整體下沉后,主要有如下影響：①電動給水泵、凝結水泵等設備年運行費用有所增加；②廠房結構投資增加,需要采用高抗?jié)B級別的混凝土；③廠區(qū)挖方量減少；④排水暗溝、GD管溝、虹吸井等增加開挖費用；⑤常規(guī)島側主蒸汽、主給水等管道長度增加；⑥電氣封閉母線投資增加等。

本工程規(guī)劃6臺機組,每2臺機組生產用地按照核電廠廠區(qū)建設征地指標計算約為42m×104m(《核電廠總平面及運輸設計規(guī)范》要求征地指標為不大于0.21 m2/kW),按照廠坪標高每提高0.5m計算,節(jié)省土石方開挖量約2.1×105m3,按40元/m3計算,節(jié)省費用約840萬元。

針對方案 2、方案 3、方案4等3個可行方案,進行了初期投資及后期運行費用的技術經濟比較見表2所示。

表2 各方案運行費用及初期投資技術經濟比較(2臺機組) 單位：萬元

以方案2(凝汽器局部下沉方案)作為參考基準值,方案3相對于方案2廠坪抬高了2.45 m,但是減少初投資130萬,增加年運行費用32萬元,按照40年壽命期計算,壽命期內凈現值

NPV=P-A×(8%,40,P/A)=130-32×11.924 6=-251.59萬元；

其中,P為現值(萬元)；A為年投資收益(萬元)；P/A為報酬率。

方案4相對于方案2廠坪抬高了6 m,減少初期投資5 112.7萬元,但是增加年運行費用54萬元,按照40年壽命期計算,壽命期內凈現值

NPV=P-A×(8%,40,P/A)=5 112.7-54×11.924 6=4 468.77萬元；

上述分析中,方案3壽命期內凈現值為負,方案4凈現值為正,可以看出存在一個臨界廠坪標高對應凈現值為零。本工程臨界廠坪標高約為10.35m。在低于此臨界標高的范圍內抬高廠坪不具有經濟性；在高于此臨界標高的范圍內抬高廠坪標高能達到節(jié)省總投資的目的,并且抬高越多經濟性越顯著,最終能抬高的最大數值受常規(guī)島側布置方案限制[6]。

4 結 語

在滿足廠址設計基準洪水位要求的情況下,抬高廠坪標高能減少工程土石方開挖量、縮短工程建設工期、節(jié)省項目初期投資。隨著廠坪標高的抬高,常規(guī)島側須采用局部下沉或者整體下沉方案,將導致廠房結構、設備、運行費用等相應增加[6]。須針對不同廠址條件,結合常規(guī)島側不同的布置方案,進行技術經濟比較之后得到一個臨界廠坪標高,在高于此臨界標高的范圍內,進一步抬高廠坪標高能達到顯著節(jié)省工程總投資的目的。

[1] 孫 琳.核電常規(guī)島主廠房下沉式布置方案經濟性分析[J].科技信息,2007(32)：45.

[2] 李 波.濱海火電廠1 000 MW機組循環(huán)水泵選型方案的探討[J].機電工程技術,2007,36(11)：56-57.

[3] 趙克沙.椰島@海核元年記事[J].中國核工業(yè),2010(1)：48-54.

[4] 張 捷.淺談核電廠常規(guī)島主廠房結構設計[J].廣東建材,2009(12)：74-76.

[5] 左永平,林天泉,鄭 益,等.大型鍛件采用水溶性淬火介質淬火的工藝控制[J].大型鑄鍛件,2010(1)：20-24.

[6] 趙 軍,尹雪梅.提高核電廠建造質量保證監(jiān)查有效性的探討[J].標準科學,2010(1)：56-59.