CPR1000核電廠模塊化技術(shù)研究

魯勤武，趙淑昱，李 軼，韓小萍，柴偉東，張淑霞

(國家能源核電工程建設(shè)研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心，廣東??深圳??518124）

CPR1000核電廠模塊化技術(shù)研究

魯勤武，趙淑昱，李 軼，韓小萍，柴偉東，張淑霞

(國家能源核電工程建設(shè)研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心，廣東??深圳??518124）

模塊化技術(shù)是核電站工程縮短建造工期、降低造價(jià)的重要技術(shù)手段，已成為第三代核電的發(fā)展方向之一。以目前我國核電堆型CPR1000為參考電廠，借鑒國內(nèi)外先進(jìn)模塊化技術(shù)，借助自主開發(fā)的模塊三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，完成核電站核島主廠房的模塊總體方案設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，開展典型模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)工作，以實(shí)例進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)可行性，同時(shí)從采購和施工兩方面對(duì)模塊化技術(shù)的實(shí)施技術(shù)進(jìn)行分析，評(píng)估研究成果在實(shí)際工程項(xiàng)目上的技術(shù)可行性，為我國核電模塊化技術(shù)的自主化推進(jìn)提供借鑒與參考。

核電廠；CPR1000；模塊

模塊化技術(shù)是第三代核電技術(shù)的重要特征之一，是核電廠工程縮短建造工期、降低造價(jià)、提高經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)手段[1]。

在國際上，日本、美國已先后在核電工程中大規(guī)模采用模塊化技術(shù)，并取得十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益[2-3]，加拿大、韓國等已發(fā)布的核電新堆型也將大量應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)。但在我國，核電模塊化技術(shù)尚處于起步階段，除在浙江三門和山東海陽建造AP1000堆型（由美國西屋引進(jìn)）核電廠中有大規(guī)模的模塊化應(yīng)用外，其他核電工程僅有零星應(yīng)用[4]。目前，AP1000模塊設(shè)計(jì)的核心技術(shù)掌握在西屋公司手里，技術(shù)轉(zhuǎn)讓不包括模塊的設(shè)計(jì)過程等，因此研究并掌握具有自主產(chǎn)權(quán)、適合于我國具體情況的模塊化技術(shù)顯得尤為重要。

結(jié)合我國核電發(fā)展及技術(shù)現(xiàn)狀，本文選擇我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且建造技術(shù)已相當(dāng)成熟的CPR1000堆型（中國改進(jìn)型壓水堆）核電廠為參考電廠，對(duì)原始設(shè)計(jì)未采用模塊化技術(shù)的CPR1000堆型核電廠核島主要廠房進(jìn)行全面深入的模塊化研究及開發(fā)，提出基于CPR1000參考電廠的核島主要廠房模塊化總體方案，并從多方面進(jìn)行評(píng)估及驗(yàn)證，為我國核電模塊化技術(shù)的自主化研發(fā)工作提供參考。

1 核電模塊化技術(shù)現(xiàn)狀

日本早在20世紀(jì)80年代就開始了核電模塊化技術(shù)的應(yīng)用研究，至今已經(jīng)取得了飛速發(fā)展，并在ABWR堆型核電工程擁有大量成功的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，并且其技術(shù)是依托未應(yīng)用模塊化技術(shù)的原始設(shè)計(jì)進(jìn)行模塊化改造而逐步發(fā)展成熟的，對(duì)同樣是原始設(shè)計(jì)未采用模塊化設(shè)計(jì)的CPR1000堆型核電廠具有很好的參考價(jià)值。

美國西屋的AP1000堆型是首個(gè)大規(guī)模應(yīng)用模塊化技術(shù)的第三代核電廠，在核電廠初始設(shè)計(jì)規(guī)劃中就融入了模塊化設(shè)計(jì)理念，模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)滲入了整個(gè)工程設(shè)計(jì)，并且此堆型在我國有浙江三門和山東海陽兩個(gè)在建自主化依托項(xiàng)目，其模塊化技術(shù)已在工程中具體實(shí)施，對(duì)我國模塊化技術(shù)自主化工作也具有較好的借鑒作用。

此外，韓國的APR1400堆型、加拿大的下一代CANDU堆型、美國巴威公司的MPower堆型、美國西屋公司SMR堆型等世界上正在研發(fā)的先進(jìn)核電堆型，也均大規(guī)模應(yīng)用模塊化技術(shù)，對(duì)我國模塊化技術(shù)自主化工作也具有一定的學(xué)習(xí)意義。

中國廣核集團(tuán)從2008年就開始了核電工程的模塊化技術(shù)自主研發(fā)與應(yīng)用工作，目前已初步建立起了基于CPR1000的核電工程模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)體系、研究開發(fā)了模塊化三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并且反應(yīng)堆安全殼鋼襯里模塊化施工技術(shù)已成功在陽江核電站3號(hào)機(jī)組進(jìn)行成功示范應(yīng)用[5-9]，同時(shí)還形成并提交了數(shù)十項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利申請(qǐng)，已有數(shù)項(xiàng)獲得專利授權(quán)。

2 核島主要廠房模塊化總體方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)工具

模塊化設(shè)計(jì)作為全新、高集成度的設(shè)計(jì)，需要功能較為全面、強(qiáng)大的專用設(shè)計(jì)工具。為此，中國廣核集團(tuán)自主開發(fā)了基于PDMS平臺(tái)的模塊三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)[9-10]，主要有模塊區(qū)域概選、模塊定義、模塊設(shè)計(jì)、模塊施工圖設(shè)計(jì)、模塊重量及重心計(jì)算、模塊清單設(shè)計(jì)等六大功能，其工具覆蓋了模塊設(shè)計(jì)的全過程。

2.2 設(shè)計(jì)范圍

研究分析表明，常規(guī)島及BOP廠房施工不是制約CPR1000核電廠工程建造工期的主要因素，常規(guī)島及BOP廠房進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)、施工對(duì)整個(gè)工程的縮短工期和降低造價(jià)貢獻(xiàn)有限。所以此次研究的范圍僅包括處于工程關(guān)鍵路徑的核島主要廠房：反應(yīng)堆廠房（簡(jiǎn)稱RX）、電氣廠房（簡(jiǎn)稱LX）、燃料廠房（簡(jiǎn)稱KX）、連接廠房（簡(jiǎn)稱WX）、輔助廠房（簡(jiǎn)稱NX）。而由于CPR1000堆型為兩臺(tái)機(jī)組加公用廠房同時(shí)設(shè)計(jì)、建造，兩臺(tái)機(jī)組基本對(duì)稱，所以研究范圍為1個(gè)機(jī)組的反應(yīng)堆廠房加公用輔助廠房。

2.3 總體方案設(shè)計(jì)

模塊總體方案設(shè)計(jì)主要按以下4個(gè)步驟進(jìn)行。

2.3.1 可模塊化區(qū)域概選

首先運(yùn)用PDMS模塊三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的模塊概選工具，根據(jù)模塊化概選原則，對(duì)整個(gè)廠房進(jìn)行可模塊化區(qū)域概選，即初步確定可能模塊化的范圍，然后進(jìn)行逐個(gè)分析，深化處理，進(jìn)行必要的合并、分拆、增刪等工作?？赡K化區(qū)域概選的工作流程如圖1所示。

2.3.2 模塊定義

在完成整體的可模塊化區(qū)域概選后，依據(jù)模塊設(shè)計(jì)等規(guī)程，結(jié)合CPR1000實(shí)際情況及各模塊的具體情況綜合考慮，對(duì)模塊進(jìn)行定義，初步確定模塊的類型、范圍及包含的物項(xiàng)。模塊定義的工作流程如圖2所示。

圖1 可模塊化區(qū)域概選流程Fig.1 Process of primary selection of module area

在模塊定義階段，對(duì)CPR1000可模塊化區(qū)域的模塊總體設(shè)計(jì)的預(yù)案有了一個(gè)方向性的確定，并根據(jù)模塊設(shè)計(jì)準(zhǔn)則確定可模塊化區(qū)域的模塊類別。在本研究中CPR1000的模塊主要?jiǎng)澐譃?種基本類型：

（1）帶操作平臺(tái)模塊

帶操作平臺(tái)模塊以操作平臺(tái)為結(jié)構(gòu)中心，管道、閥門和支架等圍繞操作平臺(tái)分布。

（2）中間梁模塊

圖2 模塊定義流程Fig.2 Process of module definition

中間梁模塊以橫跨兩面墻之間的“梁”式鋼結(jié)構(gòu)為模塊結(jié)構(gòu)中心，在中間梁上組裝管道、閥門、支吊架等。

（3）帶設(shè)備模塊/設(shè)備共用基座模塊

以設(shè)備為主體的模塊，周邊含適量與設(shè)備相連的管道及其支架。

（4）管道支吊架模塊（落地型）

將管道、閥門以及支吊架組裝成一體，此類模塊以自體的支吊架為結(jié)構(gòu)中心。

（5）管道支吊架模塊（沿墻型）

此類模塊以沿墻面的鋼結(jié)構(gòu)框架為結(jié)構(gòu)中心，鋼結(jié)構(gòu)框架與管道支架連接成一體支撐管道和閥門等。

（6）復(fù)合樓板模塊

在單元化的壓型鋼板鋼結(jié)構(gòu)下組裝管道、通風(fēng)口、電纜橋架及軌道等形成的土建、機(jī)電復(fù)合模塊，以復(fù)合樓板為結(jié)構(gòu)中心。

2.3.3 總體方案設(shè)計(jì)

各模塊定義完成后，將各模塊PDMS三維后臺(tái)數(shù)據(jù)單獨(dú)拷貝成獨(dú)立數(shù)據(jù)塊，進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。總體方案設(shè)計(jì)的工作流程如圖3所示。

圖3 總體方案設(shè)計(jì)流程Fig.3 Design process of general scheme

2.3.4 總體方案優(yōu)化設(shè)計(jì)及成果輸出

總體方案設(shè)計(jì)完成后，對(duì)完成的三維模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，輸出“模塊部件清單”、“模塊總體示意圖”、“模塊信息匯總表”、“模塊量化評(píng)判表”等記錄文件，作為每個(gè)模塊總體方案的成果文件。總體方案優(yōu)化及輸出的工作流程如圖4所示。

圖4 模塊總體方案優(yōu)化及輸出流程Fig.4 Optimization and output process of general scheme design

經(jīng)過以上4個(gè)步驟，共完成模塊總體方案設(shè)計(jì)107個(gè)。每個(gè)模塊的總體方案由模塊信息匯總表、模塊總體示意圖、模塊總體方案部件清單、模塊量化評(píng)判表等四類文件組成。

2.4 模塊設(shè)計(jì)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證總體方案的實(shí)際工程設(shè)計(jì)技術(shù)可行性，從六類基本類型模塊中各選取一個(gè)具有代表性的典型模塊，開展詳細(xì)設(shè)計(jì)。典型模塊的設(shè)計(jì)全面考慮模塊從設(shè)計(jì)到施工各方面的問題，并經(jīng)過各相關(guān)專業(yè)專家從設(shè)計(jì)、進(jìn)度、采購、施工等全方面進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證其方案均具有可實(shí)施性，并有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

典型模塊設(shè)計(jì)共完成6個(gè)典型模塊的PDMS三維模型設(shè)計(jì)，并輸出模塊設(shè)計(jì)成品文件包（包括模塊施工圖、模塊清單文件。其中模塊施工圖包括模塊總體圖、鋼結(jié)構(gòu)圖、管道三維制作圖、支架組裝圖；模塊清單文件包括：模塊部件清單、材料清單）。

3 模塊總體設(shè)計(jì)方案綜合評(píng)估

3.1 模塊化實(shí)施分析

3.1.1 模塊化施工分析

模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用，必然帶來施工技術(shù)的變化。在模塊總體方案設(shè)計(jì)完成后，參考日本A B W R核電工程的模塊化建造經(jīng)驗(yàn)，以及我國A P1000依托項(xiàng)目的模塊化實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合CPR1000傳統(tǒng)施工方法，應(yīng)用直觀的PDMS模塊三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，對(duì)每個(gè)模塊的具體情況逐個(gè)分析研究，從模塊類型、模塊總體情況、所處房間空間特點(diǎn)、周邊物項(xiàng)特點(diǎn)、模塊吊裝引入特點(diǎn)、土建安裝施工邏輯、土建開頂式施工技術(shù)方案、施工接口、成品保護(hù)等各方面進(jìn)行綜合推擬，吸取國內(nèi)外相關(guān)模塊化施工經(jīng)驗(yàn)及CPR1000傳統(tǒng)施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)CPR1000核電廠采用本研究的每個(gè)模塊所可能遇到的土建和安裝的施工技術(shù)共性問題進(jìn)行了研究分析，并對(duì)每個(gè)模塊在采購、運(yùn)輸、吊裝、安裝、土建施工等各建造環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析，提出相應(yīng)的解決措施。CPR1000模塊總體設(shè)計(jì)方案就每一模塊在后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)和施工中的關(guān)注問題都給出了明確的描述。

3.1.2 模塊化采購分析

模塊化技術(shù)在核電建造工程的應(yīng)用帶來的開頂式并行施工模式，使得設(shè)計(jì)、采購、安裝進(jìn)度相比傳統(tǒng)模式大大提前，并且由于模塊為多專業(yè)的結(jié)合體，每一模塊所含物項(xiàng)量少但涵蓋專業(yè)廣的情況突出，這樣雖然采購包總體邏輯不會(huì)改變，但對(duì)我們已經(jīng)熟悉的采購進(jìn)度及采購模式都帶來了重大影響。通過對(duì)日本模塊實(shí)施經(jīng)驗(yàn)的分析、對(duì)國內(nèi)大量的模塊技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的調(diào)研學(xué)習(xí)，以及對(duì)公司內(nèi)現(xiàn)行采購模式的調(diào)研分析，提出應(yīng)對(duì)模塊化技術(shù)實(shí)施的采購對(duì)策[11]。

3.2 總體方案技術(shù)可行性評(píng)估

對(duì)107個(gè)模塊總體設(shè)計(jì)方案，召集模塊內(nèi)物項(xiàng)的相關(guān)專業(yè)對(duì)每一個(gè)模塊總體方案的設(shè)計(jì)可行性進(jìn)行多維度、全方位的綜合評(píng)估，最終得出“是否可行”、“新增工作量”、“不可行原因”綜合評(píng)估結(jié)論。

同時(shí)結(jié)合工程實(shí)施難易程度，結(jié)合模塊化實(shí)施分析結(jié)果，將每個(gè)模塊的綜合評(píng)估結(jié)果分為三個(gè)等級(jí)：A級(jí)（建議優(yōu)先實(shí)施）、B級(jí)（建議后續(xù)實(shí)施）、C級(jí)（建議積累經(jīng)驗(yàn)后實(shí)施），為模塊化技術(shù)方案的具體實(shí)施應(yīng)用提供直觀的參考文件。

3.3 總體方案成果

通過對(duì)CPR1000核電廠核島主要廠房的模塊總體設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)和綜合評(píng)估，基本明確了對(duì)該工程進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)、建造可實(shí)施的范圍，為方針的確定、工程量的把握和資源投入的策劃奠定了一定的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

在當(dāng)前國際核電發(fā)展形勢(shì)下，尤其是國內(nèi)核電新建機(jī)組安全標(biāo)準(zhǔn)全新的要求下，模塊化技術(shù)已經(jīng)逐漸成為項(xiàng)目建設(shè)重點(diǎn)工作之一，盡快掌握這項(xiàng)技術(shù)的核心能力有利于我國核電事業(yè)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期良好的發(fā)展。模塊化技術(shù)具有通用性，其基本理念、設(shè)計(jì)方法、技術(shù)對(duì)策等可通用于各個(gè)堆型的核電廠設(shè)計(jì)建造。通過基于CPR1000堆型核電廠的核島主要廠房的模塊化技術(shù)研究，取得了內(nèi)容翔實(shí)具體、貼合實(shí)際工程的、多方評(píng)估和驗(yàn)證的模塊化總體方案，可為今后我國在不同堆型核電廠的模塊化技術(shù)研發(fā)、設(shè)計(jì)、建造提供技術(shù)性參考和指導(dǎo)，為工程實(shí)施做好充分準(zhǔn)備。

[1]?林誠格，郁祖盛，歐陽予.?非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000[M].?北京：原子能出版社，2008.

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Study on Modular Technology Based on the Reference Nuclear Power Plant

LU?Qin-wu，ZHAO?Shu-yu，LI?Yi，HAN?Xiao-ping，CHAI?Wei-dong，ZHANG?Shu-xia
（National?Energy?R&D?Center?for?Nuclear?Power?Engineering?and?Construction?Technologies，Shenzhen?of?Guangdong?Prov.?518124，China)

As?an?important?technology?for?shortening?the?construction?period?and?reducing?the?cost?of?nuclear?power?project,?modular?technology?has?become?one?of?the?development?orientations?of?the?third?generation?nuclear?power?plant.?Taking?CPR1000?nuclear?power?reactor?as?reference?plant?and?drawing?on?advanced?foreign?technology?of?modularization,?the?overall?concept?design?has?been?completed?with?the?help?of?the?self-developed?3D?modular?design?system.?On?this?basis,?a?typical?detailed?design?work?has?been?carried?out?so?as?to?verify?the?feasibility?of?technology.?Besides,?an?analysis?on?implementation?of?modular?technology?has?been?made?from?two?aspects?(procurement?and?construction),?and?the?feasibility?of?research?results?in?actual?project?has?been?evaluated.?It?provides?references?for?the?promotion?of?self-reliant?modular?technology?in?nuclear?power?project?in?China.

nuclear?power?plant；CPR1000；modular

TL37??Article character：A??Article ID：1674-1617(2014)02-0113-05

TL37

A

1674-1617(2014)02-0113-05

2014-03-23

魯勤武（1965—），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，從事核電工程模塊化技術(shù)研究開發(fā)及設(shè)計(jì)管理工作。