核電常規(guī)島主廠房布置對(duì)火電廠的啟發(fā)

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100095)

核電常規(guī)島主廠房布置對(duì)火電廠的啟發(fā)

張亞鵬

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100095)

為了降低火電廠循環(huán)水泵的軸功率(即揚(yáng)程)，通過(guò)對(duì)某核電廠常規(guī)島主廠房半地下布置模式進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析，半地下布置模式對(duì)降低循環(huán)水泵功率效果顯著，收益回報(bào)率高。這啟發(fā)我們：對(duì)于火電廠，可以通過(guò)降低主廠房布置或降低凝汽器安裝高度達(dá)到降低循環(huán)水泵的揚(yáng)程，希望核電廠的經(jīng)驗(yàn)?zāi)軐?duì)常規(guī)火電廠主廠房布置有借鑒意義。

半地下布置；幾何揚(yáng)程；虹吸井；降耗；凝汽器

主廠房半地下布置對(duì)降低循環(huán)水泵揚(yáng)程，減少電廠運(yùn)行成本較為突出，國(guó)外核電和火電均有成功運(yùn)行業(yè)績(jī)。國(guó)內(nèi)核電廠主廠房半地下布置已有成功運(yùn)行業(yè)績(jī)，如秦山二期、三期等，在建(設(shè)計(jì))項(xiàng)目如遼寧徐大堡、CAP1400主廠房均采用半地下布置，但在火電領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)還是個(gè)空白。當(dāng)前國(guó)際化石能源枯竭的形勢(shì)，節(jié)能減排再次成為一項(xiàng)嚴(yán)峻課題。本文利用核電經(jīng)驗(yàn)，給我們火電建設(shè)一點(diǎn)啟發(fā)。

1 某核電廠概述

1.1 廠址有關(guān)數(shù)據(jù)

(1)高程系統(tǒng)

·高程系統(tǒng)采用1985年國(guó)家高程系統(tǒng)。

·廠址多年平均海平面：0.57 m。

(2)包括波浪影響的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位：6.87 m

(3)廠區(qū)地坪標(biāo)高+14 m。

(4)潮位

·千年一遇高潮位：2.04 m

·百年一遇高潮位：3.91 m

·年平均高高潮位：2.17 m

·年平均潮位：-0.036 m

·年平均低低潮位：-0.24 m

·三十三年一遇低潮位：-2.23 m

·百年一遇低潮位：-2.33 m

(5)常規(guī)島循環(huán)冷卻水設(shè)計(jì)水溫

循環(huán)水系統(tǒng)采用直流循環(huán)冷卻系統(tǒng)，冷卻水水源為海水。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)水溫：24.8℃

1.2 汽輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)方案

汽輪發(fā)電機(jī)組暫按東方電氣集團(tuán)提供的單軸、四缸六排汽半速汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組資料設(shè)計(jì)。

1.3 常規(guī)島主廠房總體布局

常規(guī)島主廠房包括汽機(jī)房(T.A～T.E)、除氧間(T.E～T.F)、輔助廠房(T.F～T.G)和第一跨，汽機(jī)房和除氧間采用半地下布置(底層位于廠坪以下)，其他均為全地上布置。

本文重點(diǎn)論述汽機(jī)房和除氧間，主廠房主要尺寸如表1。

表1 主廠房主要尺寸表

這種布置方案與常規(guī)主廠房布置的不同點(diǎn)：前者汽機(jī)房和除氧間底層均處于廠坪之下，后者汽機(jī)房和除氧間底層均處于廠坪之上；另外，主要檢修通道和檢修場(chǎng)地有差異，前者在汽機(jī)房中間層，后者在汽機(jī)房底層。

2 主廠房布置經(jīng)濟(jì)分析

根據(jù)該核電廠址地理?xiàng)l件：設(shè)計(jì)潮位為0.57 m(年平均潮位)，廠坪標(biāo)高為14 m(暫定不改變廠坪高度),主廠房零米標(biāo)高14.3 m(汽機(jī)房零米層標(biāo)高比廠坪標(biāo)高高0.3 m)，虹吸井堰上水位最低可設(shè)置為2.439 m(根據(jù)需要可適當(dāng)抬高。其高程圖為圖1，虹吸利用高度為B(約7.5 m～8.0 m)，循環(huán)水泵的幾何揚(yáng)程為A。

2.1 常規(guī)島主廠房半地下布置(采用虹吸井最低堰上水位2.439 m)

凝汽器頂排管高度(虹吸利用高度為7.761 m)

H=2.439+7.761=10.2 m

根據(jù)主機(jī)外形，凝汽器頂排管至運(yùn)轉(zhuǎn)層高度為14.1 m

運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高為10.2+14.1=24.3 m

中間層標(biāo)高為14.3 m，該層為主廠房0米標(biāo)高,

底層標(biāo)高為6.3 m

以上主廠房層高可滿足電廠運(yùn)行檢修的基本要求，布置格局較為合理。故該方案循環(huán)水泵的幾何揚(yáng)程為

A=2.439-0.57=1.869 m(為最小幾何揚(yáng)程)

2.2 常規(guī)島主廠房地上布置(常規(guī)布置方式)

在上述半地下布置基礎(chǔ)上，將主廠房相對(duì)廠坪抬升底層層高(8 m)，考慮到虹吸利用高度為7～8 m，須將虹吸井堰上水位抬高～8 m方能滿足循環(huán)水虹吸正常穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 高程圖

凝汽器頂排管高度H=10.439+7.761=18.2 m

根據(jù)主機(jī)外形，凝汽器頂排管至運(yùn)轉(zhuǎn)層高度為14.1 m

運(yùn)轉(zhuǎn)層最低標(biāo)高為18.2+14.1=32.3 m(絕對(duì)標(biāo)高)

中間層最低標(biāo)高為22.3 m(絕對(duì)標(biāo)高)

底層最低標(biāo)高為14.3 m(絕對(duì)標(biāo)高)，該層為主廠房0米標(biāo)高。循環(huán)水泵的幾何揚(yáng)程為

A=10.439-0.57=9.869 m

2.3 經(jīng)濟(jì)比較

循環(huán)水泵的揚(yáng)程=循環(huán)水泵的幾何揚(yáng)程+循環(huán)水系統(tǒng)總水頭損失

循環(huán)水系統(tǒng)的總水頭損失和系統(tǒng)的布置有關(guān)。相對(duì)上述兩種汽機(jī)房的布置方案來(lái)說(shuō)，如采用相同口徑的進(jìn)、排水管，循環(huán)水系統(tǒng)的總水頭損失是差別不大的，幾何揚(yáng)程的變化是影響循環(huán)水泵揚(yáng)程的主要因素。雖然目前階段尚無(wú)詳細(xì)的循環(huán)水系統(tǒng)布置資料，但通過(guò)幾何揚(yáng)程的分析可以對(duì)比出兩種方案的循環(huán)水泵揚(yáng)程差值。

當(dāng)汽機(jī)房采用半地下布置時(shí)，循環(huán)水泵幾何揚(yáng)程為1.869 m。

當(dāng)汽機(jī)房采用地上布置時(shí)，循環(huán)水泵幾何揚(yáng)程為9.869 m。

循環(huán)水泵的電機(jī)功率主要取決于循環(huán)水泵的流量(約為73.3 m3/s)、揚(yáng)程和水泵的效率(89%)。所以汽機(jī)房布置采用半地下布置相對(duì)地上布置方式，單臺(tái)機(jī)循環(huán)水泵電機(jī)耗電功率可降低

(73.3 m3/s×1 000 kg/m3×9.81 N/kg×(9.869 m-1.869 m))/0.89/0.94=6 876.2 kW。

本工程單臺(tái)機(jī)組(汽機(jī)房采用半地下布置相比地上布置，按年運(yùn)行小時(shí)7 000 h，上網(wǎng)電價(jià)367.5元/MWh，循環(huán)水泵的年運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)省約1 768.9萬(wàn)元(不含稅)。

3 主廠房采用半地下布置的缺點(diǎn)

3.1 主廠房通風(fēng)運(yùn)行費(fèi)用增加

半地下布置方案汽機(jī)房底層及以下各層布置有凝汽器、給水泵組等設(shè)備，以及主蒸汽等管道，室內(nèi)散熱量及散濕量較大，在電廠正常運(yùn)行過(guò)程中需采用通風(fēng)手段實(shí)現(xiàn)廠房?jī)?nèi)的散熱、散濕，以滿足廠房?jī)?nèi)的環(huán)境要求。而由于汽機(jī)房地下各層難于實(shí)現(xiàn)自然進(jìn)風(fēng)，為滿足汽機(jī)房通風(fēng)要求，汽機(jī)房半地下布置方案需采取地上部分自然進(jìn)風(fēng)結(jié)合地下部分機(jī)械送風(fēng)，防爆屋頂風(fēng)機(jī)機(jī)械排風(fēng)的通風(fēng)方式。

地上布置方案地下部分容積減小，但凝汽器等散熱散濕也存在，需考慮增加機(jī)械通風(fēng)設(shè)備及運(yùn)行費(fèi)用。

兩種方案均存在地下部分機(jī)械通風(fēng)情況，只是設(shè)備容量、通風(fēng)量和通風(fēng)運(yùn)行費(fèi)用不同，其維護(hù)和檢修費(fèi)用無(wú)差別。與地上布置方案相比，半地下布置方案主廠房通風(fēng)設(shè)備初投資增加900萬(wàn)元，年運(yùn)行費(fèi)用增加154.4萬(wàn)元。

3.2 工程量增加

對(duì)兩種方案工程量的比較主要從以下幾個(gè)方面考慮：主廠房結(jié)構(gòu)工程量、汽機(jī)房負(fù)挖工程量、循環(huán)水取排水管道(溝)工程量、給排水管道工程量。

3.2.1 主廠房結(jié)構(gòu)工程量

與地上布置方案相比，半地下布置方案主廠房結(jié)構(gòu)增加的工程量產(chǎn)生的費(fèi)用約為4 086萬(wàn)元/單臺(tái)機(jī)組

3.2.2 汽機(jī)房負(fù)挖及回填工程量

與地上布置方案相比，半地下布置方案需增加開(kāi)挖土石工程量和回填工程量。初步估算，半地下布置比地上布置方案增加的土石開(kāi)挖和回填工程量分別為70 000 m3和77 000 m3，增加的工程量產(chǎn)生的費(fèi)用約為269.5萬(wàn)元/單臺(tái)機(jī)組

3.2.3 循環(huán)水取排水管道(溝)安裝土方開(kāi)挖及回填工程量

循環(huán)水取水管道施工工程量?jī)煞桨覆顒e很小，兩方案施工土方開(kāi)挖及回填差別不大；根據(jù)目前循環(huán)水排水管出水口的相關(guān)規(guī)范要求：出水口要求為淹沒(méi)出流，兩方案出水側(cè)水道施工土方開(kāi)挖及回填工程量相當(dāng)。

3.3 汽機(jī)房布置方案的技術(shù)安全分析

本階段汽輪發(fā)電機(jī)按東方電氣集團(tuán)的單軸四缸六排汽汽輪機(jī)組及水氫氫冷卻發(fā)電機(jī)組考慮。

3.3.1 兩種主廠房布置方案在技術(shù)上的差別

主要是半地下布置的汽機(jī)房相對(duì)常規(guī)電廠汽機(jī)房整體下沉8.0 m以后帶來(lái)的土建結(jié)構(gòu)上的差異。

土建結(jié)構(gòu)差異主要從以下幾個(gè)方面考慮：基礎(chǔ)形式、側(cè)壁抗?jié)B、基礎(chǔ)底板及側(cè)壁抗裂、半地下廠房抗浮、循環(huán)水管安裝。

兩個(gè)方案的基礎(chǔ)形式不會(huì)改變，只是半地下布置比地上布置的基礎(chǔ)底標(biāo)高低8.0 m，因此汽機(jī)房地下室底板和側(cè)壁的厚度可能會(huì)增大，并且承受的地下水浮力比地上布置大，但是不會(huì)引起基礎(chǔ)方案的較大改變。另外半地下布置方案的基坑開(kāi)挖量和回填量會(huì)比地上布置方案大。

兩者之間的工藝系統(tǒng)的差異基本可忽略。兩方案均存在不具備自然進(jìn)風(fēng)條件的地下廠房空間，需考慮機(jī)械進(jìn)風(fēng)以滿足防潮、降溫要求；兩者區(qū)別在于半地下布置方案地下部分的廠房體積及設(shè)備管道散熱量較大，通風(fēng)設(shè)備容量及運(yùn)行費(fèi)用均較地上布置方案有所提高。

另外，半地下布置方案凝汽器層低于海平面高度，需考慮凝汽器層防止海水倒灌淹沒(méi)相關(guān)設(shè)備腐蝕的措施，半地下布置方案需考慮較大容積的海水池。

3.3.2 汽機(jī)房布置方案的安全分析

主要從抗地下水滲漏、抗地下水浮力、防外部水淹及消防排水等方面進(jìn)行主廠房布置的安全分析，該分析不包括對(duì)核島的影響分析。

(1)抗地下水滲漏分析

半地下布置方式凝汽器層和底層均位于地坪標(biāo)高以下，汽機(jī)房基礎(chǔ)應(yīng)設(shè)計(jì)成鋼筋混凝土大平板基礎(chǔ)，以增強(qiáng)廠房的整體剛度，并抗御地下水通過(guò)巖石裂隙的滲漏。

(2)抗地下水浮力分析

半地下布置方式凝汽器層和底層均位于地坪標(biāo)高以下，由于汽機(jī)房地下部分已設(shè)計(jì)成整體的鋼筋混凝土大平板基礎(chǔ)和墻板，因此，要進(jìn)行地下水位浮力計(jì)算，一旦浮力大于廠房上部重量，采取相應(yīng)抗浮措施。

本工程可借鑒和采用其它工程的經(jīng)驗(yàn)，例如海陽(yáng)一期工程，進(jìn)行地下水位浮力的計(jì)算、分析和處理。

(3)防外部水淹分析

由于汽機(jī)房所在的廠區(qū)地坪標(biāo)高是+14 m，高于包括波浪影響的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位+6.87 m，已達(dá)到核級(jí)廠房的防洪要求，因此，盡管半地下布置方案凝汽器層和底層位于廠坪標(biāo)高以下，其防洪的標(biāo)準(zhǔn)仍未變化。

但在設(shè)計(jì)中半地下布置方式需考慮下列幾個(gè)問(wèn)題：

(a)考慮主廠房底層和凝汽器層的排水設(shè)施。

(b)考慮凝汽器層防止海水倒灌的措施。本工程擬在循環(huán)水排水井處裝設(shè)閘門，一旦凝汽器停止運(yùn)行，閘門關(guān)閉，阻止海水倒灌。

表2 綜合對(duì)比表

(c)考慮循環(huán)水管破裂循環(huán)水對(duì)底層設(shè)備的破壞影響。本工程根據(jù)管道破裂時(shí)循環(huán)水系統(tǒng)的水容積設(shè)置合理的海水池和與之相適應(yīng)的排水泵。

(4)消防排水分析

半地下布置方式凝汽器層及底層位于廠坪標(biāo)高以下，可考慮在凝汽器層的循環(huán)水坑內(nèi)設(shè)置集水坑，集水坑內(nèi)設(shè)排水泵。消防后產(chǎn)生的消防水經(jīng)地溝匯集到集水坑后通過(guò)泵打至廠區(qū)雨水管網(wǎng)。

4 綜合比較5 核電廠常規(guī)島主廠房布置的啟發(fā)

綜上所述，半地下布置方式主要優(yōu)點(diǎn)可以降低循環(huán)水泵的軸功率，降低電廠運(yùn)行成本1 768.9萬(wàn)元/年；不利之處為主廠房負(fù)挖、回填工程量增大，地下通風(fēng)增加，同時(shí)還需考慮抗地下水滲漏、抗地下水浮力、防外部水淹及消防排水等因素分析及其相應(yīng)的處理措施,投資增加約5 255.5萬(wàn)元、主廠房通風(fēng)運(yùn)行費(fèi)用增加154.4萬(wàn)元/年，其資金回收年限約為4～5年，技術(shù)經(jīng)濟(jì)、安全分析，半地下布置方案滿足核電廠建設(shè)和運(yùn)行要求，具有可觀的經(jīng)濟(jì)回報(bào)率，且目前國(guó)內(nèi)很多核電站采用這種半地下布置方式，投入運(yùn)行的如秦山二期、三期等，在建(設(shè)計(jì))的如遼寧徐大堡、CAP1400等，均帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)收益。

半地下布置主要是通過(guò)降低凝汽器頂排管高度減小循環(huán)水泵的揚(yáng)程途徑降低電廠運(yùn)行費(fèi)用，而滿足降低凝汽器頂排管高度的另一途徑：凝汽器下沉方式，在建核電廠如海陽(yáng)一期、海陽(yáng)二期等工程，其主廠房三層均為地上布置，而較長(zhǎng)的凝汽器喉部使其頂排管高度降低。

常規(guī)火電廠主廠房布置與核電廠常規(guī)島主廠房布置模式類似：采用大平臺(tái)布置，汽輪發(fā)電機(jī)組縱向布置在汽機(jī)房運(yùn)轉(zhuǎn)層，加熱器和除氧器分別布置在除氧間中間層、運(yùn)轉(zhuǎn)層和除氧層，凝結(jié)水泵和工業(yè)水泵等均布置在汽機(jī)房底層，給水泵與大容量火電廠機(jī)組布置略有不同，但不影響汽機(jī)房布置格局，故對(duì)于凝汽器采用直流冷卻方式的常規(guī)火電主廠房布置可考慮采用半地下布置和凝汽器下沉布置等方式。從已投產(chǎn)的和在建的核電廠現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境看，上述不同模式均能滿足核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，其運(yùn)行、巡檢、維護(hù)和檢修都比較方便有效。

目前常規(guī)火電廠主廠房布置均為地上布置，為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策號(hào)召，對(duì)于廠址條件和主輔機(jī)型式符合主廠房半地下布置(或凝汽器下沉布置)的電廠，可進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證確定高效節(jié)能的主廠房布置模式。

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InspiredbyConventionalIslandMainBuildingLayoutinaNuclearPowerPlanttoConventionalCoal-firedPowerPlant

ZHANG Ya-peng

(State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100095,China)

To decrease the shaft power (delivery lift) of circulating water pump of thermal power plant, the author analyzed the layout method of half-underground layout of the conventional island of some nuclear power plant both technically and economically, and came out with a conclusion that half-underground layout method could decrease the capacity of circulating water pump dramatically. As of thermal power plant, we could decrease the elevation of the turbine hall or decrease the elevation of the condenser, so that the delivery lift of circulating water pump would be decreased. Hopefully the design of thermal power plant could borrow ideas from the design experiences in nuclear power plant.

semi-underground layout; geometric lift; siphon well; reducing consumption; condenser

2014-05-22修訂稿日期2014-06-22

張亞鵬(1979～)，男，工程師，本科，主要從事電廠熱機(jī)設(shè)計(jì)。

TM623;TM611

A

1002-6339 (2014) 05-0465-05