EPR三代核電廠廊道設(shè)計

劉小云，張?zhí)?/p>

(深圳中廣核工程有限公司，廣東省深圳市，518000)

0 引言

核電廠是一個龐大的系統(tǒng)工程，核島、常規(guī)島和外圍設(shè)施(balance of plant，BOP)各廠房間存在大量的工藝、電氣系統(tǒng)接口。除了主蒸汽、主給水等管道采用架空連接外，通常采用地下廊道作為通道來實現(xiàn)廠區(qū)各廠房之間工藝管道以及電纜的連接［1-2］。歐洲壓水堆(Europe pressure-water reactor，EPR)核電廠由于具有單機(jī)容量大、電氣和消防系統(tǒng)冗余度高的特點，廊道設(shè)計與國內(nèi)其他技術(shù)路線的核電廠相比更為復(fù)雜。本文結(jié)合臺山核電廠一期工程廊道設(shè)計實踐，根據(jù)EPR核電廠廊道設(shè)計內(nèi)容，提出EPR核電廠廊道設(shè)計的思路和方法，在目前國內(nèi)相關(guān)適用規(guī)范欠缺的情況下，為國內(nèi)同類設(shè)計工作提供借鑒。

1 廊道功能及分類

EPR核電廠廊道和涉及系統(tǒng)數(shù)量眾多，以臺山核電廠一期工程(2×1 750 MW)EPR機(jī)組為例，廠區(qū)廊道數(shù)量達(dá)70余條，其中不包括常規(guī)島與泵房之間的循環(huán)水廊道及取排水涵洞。按功能分，這些廊道主要包括綜合廊道、重要廠用水廊道、消防廊道、廢液廊道、電氣廊道等，涵蓋36個工藝系統(tǒng)、64個電氣系統(tǒng)。表1列出了EPR核電廠內(nèi)的主要廊道及其安全和校核等級。

1.1 綜合機(jī)械廊道

綜合機(jī)械廊道為核電廠廠區(qū)主要公用工藝系統(tǒng)和部分電氣系統(tǒng)管、線敷設(shè)場所，是核電廠涉及廠房子項和系統(tǒng)最多的廊道。工藝系統(tǒng)主要包括飲用水、除鹽水、消防水、輔助蒸汽、熱水、壓縮空氣、各類氣體及非放射性廢液系統(tǒng)等;電氣系統(tǒng)主要包括10 kV配電、維修配電以及照明系統(tǒng)等。該廊道不設(shè)安全功能。

1.2 重要廠用水廊道

重要廠用水廊道為連接重要廠用水泵房和安全廠房的管、線通道，布置于核島和常規(guī)島兩側(cè)，每臺機(jī)組共4條廊道。該廊道具有安全功能，在正常運行和事故工況下能確保置于其中的冷卻系統(tǒng)管道正常工作［3］。主要系統(tǒng)包括重要廠用水系統(tǒng)、專設(shè)重要冷卻水系統(tǒng)(安全殼熱導(dǎo)出系統(tǒng))、核島消防水系統(tǒng)等，部分段也作為電氣系統(tǒng)的通道，主要包括核島690 V交流應(yīng)急配電和應(yīng)急輔助配電系統(tǒng)。

表1 EPR核電廠主要廊道Tab.1 The main gallery in EPR nuclear power plant

1.3 消防廊道

消防廊道為連接消防水池、核島、常規(guī)島及BOP的消防水、應(yīng)急給水、水池補水管、線的通道，同時敷設(shè)消防水池所需動力電纜、測量電纜和控制電纜，具有安全功能，設(shè)計上考慮冗余。

1.4 廢液廊道

廢液廊道為核島與廢液處理廠房之間的放射性廢液輸送廊道，具有安全功能。主要系統(tǒng)包括核島廢液監(jiān)測和排放系統(tǒng)、附加廢液貯存系統(tǒng)、核島消防水系統(tǒng)等，同時布置有核島400 V正常配電系統(tǒng)和照明系統(tǒng)。

1.5 電氣廊道

電氣廊道為核島、常規(guī)島及BOP區(qū)的動力電纜、測量電纜和控制電纜以及機(jī)組出線的通道。主要包括核島電氣廊道、普通電氣廊道、220和500 kV高壓電氣廊道等。核島電氣廊道主要是為核島400 V、690 V正常配電和次級配電電源及10 kV應(yīng)急電源提供的通道，具有安全功能，設(shè)計上考慮冗余［4］。普通電氣廊道為常規(guī)島電氣廠房至核島4列安全廠房及部分BOP廠房的電纜通道，無安全功能。220 kV電氣廊道分2個部分，一部分由220 kV施工與輔助變電站至廠區(qū)輔助變壓器，為機(jī)組提供輔助電源;另一部分由220 kV施工與輔助變電站至輔助鍋爐廠房，為輔助蒸汽生產(chǎn)系統(tǒng)的電鍋爐供電。此廊道在本工程中布置位置較淺，實際形式為電纜淺溝，無安全功能。

2 廊道設(shè)計要點

根據(jù)核電廠廊道涉及系統(tǒng)多、功能復(fù)雜、接口繁瑣等特點，理順廠區(qū)各廠房之間的關(guān)系，合理進(jìn)行總圖布局，依據(jù)功能分類設(shè)置合理的廊道數(shù)量和尺寸，同時完成廊道內(nèi)部各系統(tǒng)的具體布置。其難點是接口配合復(fù)雜、布置協(xié)調(diào)困難，方案固化前需要統(tǒng)籌配合才能有效開展工作。國內(nèi)的設(shè)計單位專業(yè)劃分嚴(yán)格，各廊道設(shè)計通常由實現(xiàn)主要功能的專業(yè)牽頭，其余專業(yè)配合。廊道設(shè)計主要可分為以下幾個部分。

2.1 廊道總圖設(shè)計

總圖專業(yè)作為總體統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)的角色進(jìn)行廊道路徑綜合規(guī)劃，廊道總圖與廠區(qū)總圖并行設(shè)計。工藝和電氣專業(yè)牽頭的廊道子項首先梳理出廠區(qū)廠房之間的關(guān)系，列出初步工藝管道單線流程圖及電纜路徑圖等邏輯路徑，然后發(fā)揮廊道設(shè)計牽頭方的作用，協(xié)同相關(guān)專業(yè)確定廊道內(nèi)部管道和橋架等初步布置，進(jìn)而確定廊道各段的內(nèi)截面尺寸?？倛D設(shè)計專業(yè)獲得邏輯路徑和廊道內(nèi)壁等信息后，協(xié)同各廊道子項設(shè)計專業(yè)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)開展廊道具體路徑設(shè)計，確定廊道在廠區(qū)的坐標(biāo)及標(biāo)高，同時結(jié)構(gòu)專業(yè)根據(jù)相關(guān)信息確定廊道結(jié)構(gòu)壁厚以及安裝孔位置等。

2.2 廊道結(jié)構(gòu)設(shè)計

廊道結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)綜合上游專業(yè)確定的廊道內(nèi)尺寸，與總圖設(shè)計專業(yè)共同確定廊道路徑和標(biāo)高，結(jié)合廊道所處具體位置地質(zhì)情況以及廊道內(nèi)、外部荷載，并考慮廊道物項等級進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

廊道結(jié)構(gòu)設(shè)計所考慮的荷載一般包括設(shè)備荷載、靜荷載、活荷載、溫度荷載、地震荷載等?？缰丶缆范涡枰紤]重件運輸時的最大重車荷載。物項等級要確定安全和抗震等級，執(zhí)行GB 50267—1997《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》［5］、GB/T 17569—1998《壓水堆核電廠物項分級》［6］和 HAD 102/02《核電廠的抗震設(shè)計與鑒定》［7］的規(guī)定以及系統(tǒng)專業(yè)的設(shè)計要求。此外，廊道結(jié)構(gòu)設(shè)計還必須考慮必要的地基處理、伸縮縫設(shè)置、密封設(shè)計等，并設(shè)置一定數(shù)量出入口和通風(fēng)口以及安裝孔。對于高出廠坪的應(yīng)急出入口，還應(yīng)考慮爆炸波的影響。

2.3 廊道工藝、電氣系統(tǒng)設(shè)計

從電廠正常運行需要出發(fā)，結(jié)合各廠房所處位置，確定廠區(qū)系統(tǒng)連接邏輯圖，各系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)通過配合逐步確定連接管道的規(guī)格、橋架數(shù)量及規(guī)格。設(shè)計布置綜合廊道內(nèi)所有通過的工藝、電氣系統(tǒng)的管、線，并畫出廊道斷面圖。相關(guān)原則規(guī)范可以參考GB/T 50294—1999《核電廠總平面及運輸設(shè)計規(guī)范》［2］。典型斷面布置參見圖1、2。

值得一提的是，國外核電工程也有一些無安全功能的廊道(如綜合機(jī)械廊道)采用工藝環(huán)路(technical ring，TR)和電氣環(huán)路(electrical ring，ER)作為替代方案的設(shè)計實踐，前者為直埋式，后者為淺埋式。這種方案的特點是造價相對較低，工程進(jìn)度快，但同時也具有因埋深不夠?qū)е鹿艿廊菀讚p壞、管道需用抗腐蝕和抗壓的材料、檢修不方便以及管線區(qū)域會產(chǎn)生不均勻沉降等缺點。這2種方式很難評估哪種方式長期綜合效益更高，國內(nèi)目前核電站設(shè)計中通常傾向于采用廊道式。

2.4 廊道通風(fēng)設(shè)計

普通廊道內(nèi)可設(shè)置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)保證環(huán)境及人員安全。利用廊道安裝孔或?qū)ＴO(shè)廊道通風(fēng)孔加裝一定數(shù)量的風(fēng)機(jī)，將風(fēng)直接送入廊道;排風(fēng)設(shè)于廊道底部。對于放射性廢液廊道，應(yīng)設(shè)置專門的通風(fēng)系統(tǒng)引至特定廠房進(jìn)行統(tǒng)一處理。

2.5 廊道給排水設(shè)計

廊道底部通常設(shè)計成3‰的縱向坡度、5‰的橫向坡度。管廊一側(cè)設(shè)置與廊道縱坡同坡度的排水溝，廊道低點設(shè)置集水坑，每個集水坑內(nèi)設(shè)置2臺潛污泵，水泵出水接就近的雨水排出系統(tǒng)。對于廢液廊道，廊道底部集水應(yīng)排至廢液儲罐。

2.6 廊道消防和火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計

廊道消防和火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計主要針對安裝有易燃?xì)怏w管道或者電氣系統(tǒng)等存在火災(zāi)危險的廊道。通過安裝火災(zāi)探測器進(jìn)行連續(xù)探測，一旦發(fā)生火災(zāi)，立即發(fā)出火警信號并確定著火區(qū)域位置，聯(lián)動排煙、滅火等消防設(shè)施，在火災(zāi)未引起較大損害之前采取消防措施［8］。主要的滅火設(shè)施包括移動式滅火器和消防水噴淋系統(tǒng)。

在安裝有橋架的廊道中，通常根據(jù)表2所示的廊道火災(zāi)風(fēng)險等級，采取對應(yīng)的措施進(jìn)行防火設(shè)計，主要手段包括:

1)設(shè)置防火隔斷，實現(xiàn)區(qū)域隔離，針對由于橋架內(nèi)電纜過熱而引起的火災(zāi)，實施區(qū)域防火隔斷(橋架水平方向每隔20～25 m、垂直方向每隔5 m作一隔斷)，防止火勢經(jīng)由電纜通道蔓延;

2)防火隔斷使用阻燃材料;

3)設(shè)置的防火隔斷耐火極限為2 h;

4)采用低煙無鹵阻燃電纜。

采取了防火措施后的廊道可以通過表2進(jìn)行風(fēng)險判別，并以此作為廊道應(yīng)急出入口間距設(shè)計的依據(jù)。

表2 廊道火災(zāi)風(fēng)險等級識別依據(jù)Tab.2 Characterization basis of gallery fire risk level

2.7 廊道通信設(shè)計

廊道內(nèi)通信系統(tǒng)本身不涉及核安全，但其中部分系統(tǒng)與核電廠安全運行和實施核事故應(yīng)急計劃有關(guān)，因此應(yīng)有多樣性、獨立性和冗余度，確保暢通可靠。主要系統(tǒng)包括綜合布線系統(tǒng)、行政電話系統(tǒng)、有線廣播系統(tǒng)、聲警報系統(tǒng)及無線通信系統(tǒng)。

3 實踐中存在的問題和建議

3.1 廊道方案優(yōu)化

在臺山核電廠一期工程的設(shè)計、施工過程中，部分廊道因設(shè)計分工不同和設(shè)計進(jìn)度不一致導(dǎo)致廊道間接口連接不盡合理，同時也存在進(jìn)度設(shè)置不合理或因趕工而導(dǎo)致廊道方案優(yōu)化程度不夠的問題，不利于施工安裝和總體土建成本的節(jié)約。

建議在廊道設(shè)計過程中盡早梳理各工藝、電氣系統(tǒng)接口關(guān)系，盡可能在概念設(shè)計階段或初步設(shè)計階段建立各系統(tǒng)接口關(guān)系并初步規(guī)劃廊道路徑。在工程分包設(shè)計的情況下，應(yīng)由總圖專業(yè)設(shè)計人員或?qū)Ｂ氃O(shè)計經(jīng)理承擔(dān)綜合協(xié)調(diào)工作，對整體方案進(jìn)行綜合衡量，協(xié)調(diào)好廊道設(shè)計各方。設(shè)計人員可充分運用PDMS等三維設(shè)計工具，做出全廠最優(yōu)而非單個廊道最優(yōu)的方案。

3.2 地基處理

廠區(qū)部分廊道(如綜合機(jī)械廊道)范圍非常大，其總長度達(dá)幾千m，地基情況迥異。故應(yīng)分段設(shè)計廊道，對不良地基應(yīng)采取必要的地基處理手段，如換填、強夯等以防止廊道沉降不均［9］。

3.3 設(shè)計進(jìn)度匹配問題

廊道所連接的各個廠房子項的設(shè)計進(jìn)度在臺山核電廠一期項目中遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于廊道設(shè)計進(jìn)度，在設(shè)計過程中出現(xiàn)廊道土建接口、工藝系統(tǒng)接口難以固化的情況，導(dǎo)致廊道設(shè)計進(jìn)度難以保證。主要原因是設(shè)計進(jìn)度通常依據(jù)建造進(jìn)度推算，而建造進(jìn)度通常又根據(jù)子項廠房投入使用時間作為主要編制依據(jù)。從實踐中看，廠房子項設(shè)計進(jìn)度應(yīng)適當(dāng)提前，確保廠房定位，使與廊道土建實體接口尺寸和標(biāo)高以及與廊道連接的工藝和電氣系統(tǒng)數(shù)量和規(guī)格等信息能及時固化，并作為設(shè)計條件提供給廊道設(shè)計方。

3.4 廊道設(shè)計規(guī)范

目前僅文獻(xiàn)［2］中有對綜合廊道的規(guī)定，而對于其他一些廊道如廢液廊道、重要廠用水廊道等方面的規(guī)范基本沒有。同時，在已有規(guī)范中的一些具體要求也存在不完善的情況。另外，臺山一期工程很多無安全功能的廊道也進(jìn)行了抗震設(shè)計，這是一種基于性能的抗震設(shè)計［10］，但對內(nèi)部管道和橋架布置設(shè)計是否需要考慮這種基于性能的抗震設(shè)計，目前尚無相關(guān)規(guī)范說明。關(guān)于廊道設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范必須補充和完善。

4 結(jié)語

EPR核電廠廊道設(shè)計有數(shù)量多、規(guī)劃難等特點。針對這些難題，在實際工程設(shè)計中，需要組建專業(yè)設(shè)計團(tuán)隊，在熟練掌握EPR廊道設(shè)計思路和方法的前提下，掌握設(shè)計原則、理順設(shè)計思路、制定合理的設(shè)計進(jìn)度，從而得出優(yōu)良的設(shè)計方案。通過該工程廊道設(shè)計，希望能促進(jìn)國內(nèi)相關(guān)廊道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的完善，并能推動廊道全面自主化設(shè)計的進(jìn)程。

［1］陳濟(jì)東.大亞灣核電站系統(tǒng)及運行［M］.北京:原子能出版社，1994.

［2］GB/T 50294—1999核電廠總平面及運輸設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社.

［3］HAF 102—2004核動力廠設(shè)計安全規(guī)定［S］.北京:中國法制出版社，2004.

［4］GB/T 13284.1—2008核電廠安全系統(tǒng)第1部分:設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

［5］GB 50267—1997核電廠抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

［6］GB/T 17569—1998壓水堆核電廠物項分級［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

［7］HAD102/02—2000核電廠的抗震設(shè)計與鑒定［S］.北京:中國法制出版社，2000.

［8］GB/T 22158—2008核電廠防火設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［9］張春文.高壓噴射注漿法處理嶺澳核電站DG GB廊道工后沉降的應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2002，23(6):16-17.

［10］李剛，程耿東.基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計——理論、方法與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.