鍛造“華龍一號”常規(guī)島精品工程

李儒鵬,黃家運,張 熠,劉鶴忠

(中國電力工程顧問集團 華東電力設計院有限公司,上海 200063)

“華龍一號”示范工程的技術方案建立在我國已掌握的成熟技術基礎之上,吸收福島核電站事故的經驗反饋,考慮了完善的嚴重事故預防與緩解措施;相對于國內翻版改進型核電廠 (M310堆型)實施了一系列重要的安全設計和技術改進,“華龍一號”示范工程的常規(guī)島設計充分吸收國內外成熟先進的核電設計、制造、施工及安裝技術,在滿足安全、可靠的前提下降低工程造價,工程設計方面進行了多項關鍵技術的突破和全面的優(yōu)化,體現了“華龍一號”三代核電技術的明顯優(yōu)勢,彰顯出常規(guī)島的設計技術在可靠性、經濟性及先進性方面的顯著特點和諸多亮點。

1 降標高布置方案

1.1 方案主要背景

20世紀90年代初,華東院率先將降標高布置方案成功應用于核電站常規(guī)島主廠房設計,產生了良好的經濟效益和社會效益,引領了國內大容量核電常規(guī)島設計的潮流和發(fā)展方向,近十年來,一大批百萬千瓦級核電工程,以降標高方案為基礎,進行了常規(guī)島主廠房的設計和建設,投入運行后,技術和經濟指標優(yōu)良,得到了總包單位和廣大業(yè)主的一致好評。當前,一批正在設計和計劃中的核電工程,同樣將降低標高布置作為常規(guī)島工程首選考慮方案,其中包括 “華龍一號”示范工程福清核電站5、6號機組。

1.2 示范工程廠址基本條件

表1是與常規(guī)島主廠房標高設置密切相關的示范工程廠址基本條件,這是常規(guī)島主廠房標高方案分析的基礎。

表1 “華龍一號”示范工程廠址基本條件Table 1 Basic conditions for the site of Hualong One demonstration project

1.3 示范工程標高優(yōu)化分析

根據以上示范工程輸入條件,結合主機冷端優(yōu)化后的參數,對示范工程常規(guī)島主廠房標高設置進行了優(yōu)化分析。

1)若采用地面布置方案,汽輪機房凝汽器水室頂標高、堰上水位、排水尾部及平均高低水位數據見圖1。

2)地面布置的堰上水位約為8.37 m,相比平均潮位、特別是平均低潮位,排出的循環(huán)冷卻水有明顯的 “跌落水頭損失”,造成循環(huán)水系統(tǒng)功率損失。

3)鑒于以上地面布置方案對機組運行經濟性帶來了明顯不利的特點,需要采取降低汽機房布置標高的方法,提高機組運行的經濟性。

圖1 地面布置方案主要標高關系圖Fig.1 Relations of main elevations in the ground layout

4)通過綜合分析降低標高后循環(huán)水系統(tǒng)、主廠房布置、接口、工程量及機組功率等之間的變化關系及運行投資估算,確定了降低8.5 m的優(yōu)化方案,該方案相比福清核電站1、2號機組及福清核電站3、4機組降低7.5方案,經濟性更加優(yōu)越,廠房布置更為合理暢通,這是示范工程對實施經驗反饋一個典型案例。

1.4 示范工程標高方案優(yōu)化后的主要特點和優(yōu)勢

1)由于有效地降低了循環(huán)水泵揚程,節(jié)省了循環(huán)水泵的采購費用,一臺機組兩臺泵配置,節(jié)省了約600萬元的設備成本。

2)由于有效地降低了循環(huán)水泵揚程,循環(huán)水泵運行廠用電明顯下降,經計算,每年節(jié)省了廠用電約2 600萬元,在60年運行周期內均可得到明顯收益;

3)常規(guī)島主廠房降低標高后,主廠房結構、暖通消防、循環(huán)水構筑物等工程量方面有一定的增加,初步估算增加值在6 000萬元上下,扣除設備采購費用的節(jié)省,應該在機組投運2年左右時間,就可得到回收,項目整體經濟性明顯增加。

4)降低標高后,常規(guī)島主廠房的結構穩(wěn)定性大大增加,抗震性能提高,保證60年運行期內,機組安全、可靠運行。

2 半轉速長葉片汽輪發(fā)電機組技術

2.1 汽輪發(fā)電機組總體技術

“華龍一號”示范工程汽輪發(fā)電機組是東方電氣和國內多個協作單位在20多年、20多臺百萬千瓦級核電汽輪發(fā)電機組技術引進消化、自主研發(fā)和應用基礎上,進行了多項開創(chuàng)性的技術突破和大量的技術改進分析,形成了完全自主知識產權的系統(tǒng)性集成技術,保證 “華龍一號”示范工程常規(guī)島核心設備的可靠性、先進性及經濟性。

該型機組技術的總體方案為三缸四排汽、半轉速、末級葉片1 828 mm長度的汽輪機組,配水氫氫發(fā)電機及其他輔助系統(tǒng)。

2.2 汽輪發(fā)電機組中的核心技術

(1)1 828 mm末級葉片技術

1 828 mm末級葉片是目前世界上在運、在建的核電站汽輪機最長的葉片,也是最先進的技術,由東方電氣自主開發(fā),經過了一系列論證和優(yōu)化,完成了大量子課題的攻關,包括葉片部件材料的選擇及其六十年壽命驗證、超長葉片的加工程序、超長葉片變形控制技術、超長葉片應力試驗方法等,2012年6月,成功完成了葉輪空氣動力試驗和應力試驗。為 “華龍一號”示范工程汽輪發(fā)電機組正式制造創(chuàng)造了條件。

通過長葉片方案的應用,汽輪發(fā)電機組在不增加低壓缸數量的情況下增大了機組的排汽面積,相比福清1、2機組1 430 mm末級葉片的汽輪機,其名義排汽面積從80 m2增加到120 m2,提高了機組的發(fā)電功率和效率,長葉片方案避免了 “華龍一號”堆型采用3個低壓缸方案,汽輪機設備的直接成本節(jié)省超過1 000萬元以上人民幣,同時也節(jié)省了汽輪機廠房布置空間,機組的經濟性也明顯提高。

(2)焊接轉子技術

低壓缸焊接轉子的采用也是該型汽輪發(fā)電機組的一個亮點,焊接轉子由許多分段組焊而成,分段內部可形成較大的空腔,轉子慣性低、啟動快,機組運行更靈活;另外,由于焊接轉子的鍛件尺寸小,鍛件的鍛壓質量和熱處理質量容易得到保證,轉子金屬組織均勻,內在質量檢測的可靠性高,該項技術同樣經過了詳細的自主研究、論證和優(yōu)化,按照核電產品過程控制的嚴格要求,全面應用于 “華龍一號”示范工程的汽輪發(fā)電機組設備中,保證了機組可靠性、經濟性的同時,技術指標也處于同行領先水平。

(3)發(fā)電機組三維設計技術

示范工程自主化發(fā)電機組也具有眾多獨特的設計特點,由于定子、轉子結構的復雜性、定子線圈環(huán)形引線安裝的空間非常緊湊等特點,設計人員利用三維技術對安裝過程進行了全動畫設計,模擬后續(xù)工序,包括工人怎么操作、如何移動等,設計方案的精度、設備安裝、調試和運行各環(huán)節(jié)的質量得到可靠保證。

(4)凝汽器技術改進

根據福清核電站1、2號機組等幾臺同類型的百萬千瓦核電機組,運行后均發(fā)生凝汽器傳熱管磨損的情況,示范工程從設計方案開始,對傳熱管和相關結構,進行了針對性的改進,有效地減小汽流激振下冷卻管的振幅,從而在一定程度上避免冷卻管發(fā)生碰磨現象,成為經驗反饋的又一成果。

(5)機組功率的保證

通過以上技術方案的開發(fā)、試驗和論證,同時與其他各項改進技術集成,“華龍一號”示范工程汽輪發(fā)電機組在T MCR工況下可保證達到1 161 MW的功率水平。

3 常規(guī)島設計中一些關鍵技術的攻克和應用

對于 “華龍一號”示范工程的常規(guī)島設計,除以上降標高布置方案和主設備選型優(yōu)化工作外,設計承擔單位華東院還進行了30多項設計技術的攻關和改進,本文列舉如下幾項代表性的技術,以進一步體現示范工程的常規(guī)島設計綜合水平。

3.1 核電常規(guī)島主蒸汽管道地震應力分析

(1)地震應力分析課題背景

日本核島事故后,地震對于核電站安全的影響日益受到關注,常規(guī)島主蒸汽和主給水管道與核島直接相連,該部分系統(tǒng)在地震工況下的運行情況,也間接影響著核電站的安全、可靠運行,有必要及時開展常規(guī)島主蒸汽和主給水管道地震應力分析課題攻關研究,并在 “華龍一號”示范工程中應用。

(2)地震應力分析主要內涵

華東院組織院內技術骨干,成立專項課題,查閱國外資料,建立了核電主蒸汽計算模型,分別用靜力、動力兩種方法,不同的地震加速度,經過兩年多時間計算和分析,對核電主蒸汽和主給水管道地震工況應力反復研究和論證,掌握了地震工況應力的計算原理、計算方法,了解了各種工況下,管系應力分布特點、變化規(guī)律,各類支吊架包括阻尼器的設置要求。

以計算后阻尼器荷載數據分析為例,計算表明:通過動力法計算后阻尼器荷載明顯高于靜力法,平均增大65%左右,個別阻尼器荷載值相差2～3倍,圖2是靜力和動力兩種不同計算方法計算后阻尼器的載荷變化特征。通過這些計算和分析,不僅了解了阻尼器在地震工況下的機理和重要作用,同時對管系中如何布局阻尼器,有直接的指導作用。

圖2 地震應力不同計算方法計算結果增幅比較表Fig.2 Co mparison f or t he calculation result increase of seis mic stress with different calculation methods

(3)地震應力分析重大意義

核電常規(guī)島主蒸汽和主給水管道地震工況應力分析課題的完成,是核電常規(guī)島技術發(fā)展的又一次重大突破,該技術在 “華龍一號”示范工程的成功應用,提升了常規(guī)島乃至整個電站系統(tǒng)設計的可靠性和安全性。

3.2 常規(guī)島主廠房防倒塌分析技術

常規(guī)島主廠房為非核級抗震建筑物,即與核安全無關的III類物項,但是由于常規(guī)島主廠房與核島相鄰,若其在地震中發(fā)生倒塌,將可能危及核島中的電氣廠房等I類物項,按照我國 《核電廠的抗震設計與鑒定》(HAD102/02)和 《核電廠常規(guī)島設計規(guī)范》(GB/T 50958-2013)中的規(guī)定,需要評估常規(guī)島主廠房對核島輔助附屬廠房的影響,進行在廠址極限安全地震動 (SL-2)作用下的結構防倒塌驗算,以確保常規(guī)島廠房結構在強震下不會發(fā)生倒塌及喪失功能。

地震作用下結構的防倒塌分析方法,主要有非線性動力時程分析及非線性靜力推覆分析。經過分析,選用非線性靜力推覆分析即push-over方法,對常規(guī)島主廠房結構防倒塌進行分析和驗算,該方法計算簡便、結果豐富直觀,已并被納入FEMA-356、ATC-40及我國的 《建筑抗震設計規(guī)范》等規(guī)范標準。華東院率先采用pushover方法,對百萬千瓦級核電廠常規(guī)島主廠房在強震作用下性能特性進行研究,并將相關成果及時應用到 “華龍一號”示范工程常規(guī)島主廠房的防倒塌分析及工程設計中。

對常規(guī)島主廠房的防倒塌分析研究表明,通過push-over分析可以直觀地了解到地震作用下結構的內力和變形特性、塑性鉸出現的順序和位置等信息,從而確定結構在強震作用下的非線性特性、薄弱點及破壞機制。圖3為常規(guī)島主廠房整體結構計算分析模型,圖4為y向加速度常量加載下的塑性鉸分布圖。

圖3 常規(guī)島主廠房整體結構模型Fig.3 Integral str ucture model of the main building of t he conventional island

圖4 y向加速度常量加載下的塑性鉸分布圖Fig.4 Plastic hinge distribution when loading Y-direction acceleration constant

在規(guī)定地震作用下,“華龍一號”示范工程常規(guī)島主廠房結構在性能點處的層間位移角和最大位移均滿足要求,主要受力構件的塑性發(fā)展程度不深,塑性鉸主要集中在梁的兩端。結果表明,“華龍一號”示范工程常規(guī)島主廠房能夠通過防倒塌驗算,不會影響到其周邊核島的輔助附屬廠房結構,目前 “華龍一號”示范工程常規(guī)島主廠房土建設計工作基本結束,正在對主廠房最后階段計算復核工作,計算分析結果將體現在項目的最終安全分析報告中。

3.3 系統(tǒng)設計及布置方案進一步優(yōu)化

系統(tǒng)設計及布置方案是 “華龍一號”示范工程常規(guī)島設計方案的重要組成部分,華東院 “華龍一號”項目組在充分吸取30多年設計經驗基礎上,結合示范工程特點,提出了更多詳細的優(yōu)化改進方案,一些典型的改進方案如下:取消蒸汽轉換器系統(tǒng)、取消至除氧器的旁路排放閥、采用立式MSR疏水泵、優(yōu)化設備選型、優(yōu)化管道材料的選取、優(yōu)化主蒸汽和主給水管道布置、優(yōu)化主給水流量控制系統(tǒng)閥門站布置、優(yōu)化凝結水精處理系統(tǒng)酸堿廢水中和池布置方案等,這些改進和完善措施均在保證機組運行安全的基礎上,在施工圖設計中貫徹執(zhí)行,做到設計方案科學、合理又經濟。

4 先進的設計手段

“華龍一號”示范工程在大量火電及核電三維協同設計經驗的基礎上,首次在核電中采用更為先進、功能更強大的Smart3D三維設計軟件進行設計,工藝專業(yè)的設備及管道 (含支吊架)、結構專業(yè)的梁柱及平臺、電氣專業(yè)電纜橋架、暖通專業(yè)的風道以及大量設備供貨商的三維模型等齊聚三維模型中,在模型中完成各專業(yè)配合、各設備接口配合、碰撞檢查及成品出圖,從而基本消除了現場施工中的相互干涉帶來的返工情況,提高了設計效率,圖5是示范工程汽機房運轉層三維渲染圖。

圖5 示范工程汽機房運轉層三維渲染圖Fig.5 3D diagra m of the operating floor in the tur bine building of the de monstration project

與此同時,在設計過程中建立的完整、準確的三維模型及數據庫信息,為核電廠投運后60年的全壽期技術支持與服務奠定堅實的基礎。

5 結束語

“華龍一號”示范工程正在順利向前推進,華東院將一如既往,恪守 “服務總包、服務業(yè)主、深挖潛力、做精業(yè)務”的宗旨,不斷將核電常規(guī)島設計推向一個又一個新的高度。

“華龍一號”常規(guī)島工程的設計優(yōu)化工作永遠在路上,華東院有條件、有決心、更有責任、有信心,努力夯實好 “華龍一號”常規(guī)島設計之路上的每一個腳印,決心打造出 “華龍一號”示范項目常規(guī)島的優(yōu)質工程、精品工程。

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[3]張成,等．核電常規(guī)島主廠房防倒塌分析 (30-K2014-T04) [R]．中國電力工程顧問集團公司技術成果,2014．