汽輪機房行車選型及布置優(yōu)化

(福建福清核電有限公司,福建 福清 350318)

汽輪機房行車是常規(guī)島重要輔助設(shè)備,其主要功能是安裝期間承擔常規(guī)島廠房內(nèi)設(shè)備及管道吊裝就位；機組商運后承擔了常規(guī)島廠房設(shè)備的檢修及吊裝任務(wù),汽輪機房行車如何選型及布置,將會影響汽輪機房的造價及行車的可用性。中核集團旗下的核電站中汽輪機房行車大部分是采用大小兩臺行車錯層布置,這種選型及布置方式是否科學合理,性價比是否最高,值得探討,本文就是在這一背景下所寫,主要以某核電廠汽輪機房行車實際選型及布置實例進行討論并與優(yōu)化方案進行對比分析,目的是對汽輪機房行車選型及布置進行優(yōu)化,爭取達到最高的性價比,節(jié)約投資,同時滿足使用要求。

1 某核電廠汽輪機房行車實際選型及布置

核電站中汽輪機房行車的選型主要與汽輪機房內(nèi)各個設(shè)備的重量相關(guān),具體應考慮發(fā)電機轉(zhuǎn)子重量、汽輪機轉(zhuǎn)子重量、汽輪機高中壓缸上半與下半重量；若設(shè)計時考慮用汽輪機房行車起吊MSR設(shè)備及發(fā)電機定子,則還需根據(jù)這些設(shè)備的具體重量綜合考量。

1.1 行車噸位選擇

該核電廠汽輪機房行車實際選型為QDWHX350/60t-47.1m大行車一臺,QDWHX80/20t-46.2m噸小行車一臺。大行車主鉤選取350 t,主要考慮吊裝MSR設(shè)備(凈重340 t)的需要。

配備QDWHX80/20t-46.2m噸小行車一臺,主要考慮汽輪機缸內(nèi)部件重量大部分不超過80 t,且小行車起降速度較大行車要快,可縮短安裝或大修時設(shè)備的吊裝時間。

1.2 行車布置

查華東電力設(shè)計院5、6號機組汽輪機房斷面布置圖紙[1]大行車布置在汽輪機房A、B排間,軌頂標高26.5 m；小行車也布置在汽輪機房A、B排間,軌頂標高20.5 m。大小行車采用錯層布置,采用錯層布置的優(yōu)點是在大行車不使用的情況下,小行車可在汽輪機房0～11軸間運行。

2 該核電廠行車選型及布置存在的問題

2.1 大行車主鉤噸位選擇偏大,增加了廠房投資成本

汽輪機房行車的選型主要與汽輪機房內(nèi)各個設(shè)備的重量相關(guān),具體應考慮發(fā)電機轉(zhuǎn)子重量、汽輪機轉(zhuǎn)子重量、汽輪機高中壓缸上半與下半重量；行車主鉤噸位選擇必須保證能夠吊起發(fā)電機轉(zhuǎn)子重量,該核電廠發(fā)電機轉(zhuǎn)子重量為240 t,行車主鉤目前配置為350 t,遠高于發(fā)電機轉(zhuǎn)子重量,行車起重量的增加勢必要增大汽輪機房A排及B排柱頭的承載,必將增加廠房的投資成本。

2.2 大小行車錯層布置,增加了廠房整體高度,增加了廠房投資成本

某核電廠汽輪機房行車錯層布置,大小行車間垂直距離為6 m,若采用同層布置則汽輪機房整體高度可降低6 m,可以降低廠房的投資成本。

2.3 大行車副鉤配置為60 t,在高中壓缸翻轉(zhuǎn)時安全欲度偏小

汽輪機房大行車主鉤及副鉤的配置是主鉤起吊重量為350 t,副鉤起吊重量為60 t,而汽輪機高中壓缸上半及下半的重量分別為130 t,安裝時用大行車主、副鉤進行汽缸翻轉(zhuǎn)時,副鉤的安全欲度偏小。

3 該核電廠汽輪機房行車選型及布置方面的優(yōu)化方案

汽輪機房行車的選型主要與汽輪機房內(nèi)各個設(shè)備的重量相關(guān),經(jīng)查東方汽輪機廠關(guān)于某核電廠汽輪機設(shè)計圖紙[2]以及東方電機廠關(guān)于某核電廠發(fā)電機的設(shè)計圖紙[3],查得汽輪機房內(nèi)大件設(shè)備重量如表1所示。

表1 汽輪機房內(nèi)大件設(shè)備重量Table 1 The weight of large equipment in the turbine room

根據(jù)表1中各部件重量以及是否需用汽輪機房行車起吊,可對某核電廠行車選型及布置方案進行優(yōu)化,確保行車選型能夠滿足使用要求且整體投入最少,爭取做到性價比最高。

3.1 行車噸位選擇方面的優(yōu)化

因發(fā)電機轉(zhuǎn)子重量為240 t,行車主鉤的起重量需大于240 t,否則將不能滿足發(fā)電機抽穿轉(zhuǎn)子工作的進行,考慮到其他必需用汽輪機房行車起吊的設(shè)備重量均不超過240 t,故將汽輪機房行車主鉤起重噸位由實際方案中的350 t減為250 t,可節(jié)約汽輪機房土建的投資成本。

考慮到高中壓下缸現(xiàn)場翻轉(zhuǎn)的需要,根據(jù)高中壓下缸重量130 t,行車副鉤的重量宜選用80 t的副鉤,確保翻轉(zhuǎn)時行車的副鉤安全系數(shù)足夠。

因此汽輪機房大行車的選型優(yōu)化為250/80 t,最為經(jīng)濟合理,也最為安全。

3.2 行車布置方面的優(yōu)化

根據(jù)華東電力設(shè)計院設(shè)計的汽輪機房斷面布置圖紙[1],大行車布置在26.5 m,小行車布置在20.5 m,大小行車采用錯層布置,可將大行車的布置標高降到小行車的布置標高20.5 m,即大小行車采用同層同軌布置,行車軌道及軌道梁采用大行車的軌道梁及軌道,可降低廠房高度,可省去小行車的軌道及軌道梁,也可降低土建投資成本。

考慮到發(fā)電機定子及MSR設(shè)備的吊裝方便,可將實際方案中小行車主鉤噸位增加到250 t,可以用兩臺行車主鉤抬吊(起吊重量可達500 t)發(fā)電機定子及MSR設(shè)備?？紤]到大修時汽輪機小部件的快速吊裝,可將優(yōu)化方案中小行車的副鉤起吊重量仍按20 t設(shè)計。

因此汽輪機房行車最優(yōu)配置應是2臺行車同層同軌布置,且兩臺行車的主鉤均按250 t設(shè)計,其中一臺行車的副鉤按80 t設(shè)計,確保安裝時汽缸翻轉(zhuǎn)的需要,另一臺行車的副鉤按20 t設(shè)計,保證大修時汽輪機小部件的快速吊裝。

4 優(yōu)化方案與實際方案對比分析

將優(yōu)化方案與該核電廠汽輪機房行車實際方案進行對比,可發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案在經(jīng)濟性方面、施工工期方面以及可用性方面均明顯優(yōu)于某核電廠汽輪機房行車實際配置方案。

4.1 經(jīng)濟性方面的對比分析

優(yōu)化方案與實際方案在經(jīng)濟性方面比較主要表現(xiàn)在兩個方面,一個是汽輪機房土建投資方面,另一方面在于汽輪機房行車的設(shè)備費投資方面。

4.1.1 行車錯層布置與同層布置經(jīng)濟性分析

優(yōu)化方案中將兩臺行車同層同軌布置,可省去小行車的軌道梁、軌道及車擋,節(jié)約的材料成本計算如下：

查汽輪機房行車軌道梁設(shè)計圖紙TO301[4],由該圖可知：

1)QU100軌道材料用量為216 m,每米重量43 kg,總重9 288 kg,QU100軌道單價為5 000元/t,則軌道可節(jié)約的成本為A1=9.288×5 000=4.644萬元。

2)小行車軌道梁的截面圖如圖1所示。

圖1 小行車軌道梁截面圖Fig.1 The cross section of the beam of the small crane

根據(jù)圖1計算出小行車軌道梁截面積S=0.057 8 m2。

查該核電廠行車軌道梁圖紙T5209可知汽輪機房A排長度為108 m,B排長度為108 m,小行車軌道梁由鋼結(jié)構(gòu)焊接而成,軌道梁高度1 450 mm、寬度500 mm,軌道梁每隔1 500 mm用鋼板加強,加強板尺寸16 mm×120 mm×1 390 mm,加強板共計288塊,則小行車軌道梁鋼筋體積V=S×216+288×0.016×0.120×1.390=0.057 8×216+0.768 6=13.25 m3。小行車軌道梁質(zhì)量M=V×7.8=103.4 t。

鋼板材料單價約為5 000元/噸,軌道梁焊接所需的焊條及焊工的人工成本按鋼板材料價格的30%考慮,則軌道梁節(jié)約的成本A3=M×5 000×1.3=67.21萬元。

3)小行車車擋材質(zhì)Q235,鋼板用量4 t,根據(jù)市場行情,板材市場價約為5 000元/t,則車擋可節(jié)約的成本A2=5 000×4=20 000元=2萬元。

4)行車采用同層布置后,汽輪機房高度可降低6 m,查該核電廠設(shè)計圖紙TO301可知汽輪機房A排柱及B排柱截面積S=2 200 mm×1 200 mm=2.64 m2,汽輪機房A排、B排分別13個柱子,共26個柱子。每個柱子因高度降低而節(jié)約的鋼筋混凝土體積為6S=2.64×6=15.84 m3,整個汽輪機房因高度降低而節(jié)約的鋼筋混凝土體積為6S×26=15.84×26=411.84 m3查鋼筋混凝土手冊[5],得出承載梁鋼筋混凝土密度為3 t/m3。鋼筋混凝土的材料單價約為3 000元/t,則汽輪機房高度降低可節(jié)約的成本A4=6S×26×3×3 000=7 413 120元=370.656萬元。

行車由實際方案中的錯層布置改為同層布置后,可節(jié)約的土建材料成本為A=A1+A2+A3+A4=4.644+2+67.21+370.656=444.51萬元。

4.1.2 行車噸位變小可降低汽輪機房的土建成本

行車主鉤噸位由350 t變?yōu)?50 t后,汽輪機房A排柱及B排柱的承載將減小100 t,相應地A排柱及B排柱截面積也可以減小,經(jīng)核實同行某核電廠1、2號機組汽輪機房大行車主鉤起重量為250 t,與優(yōu)化方案中行車主鉤起重量相同,因此采用優(yōu)化方案后,汽輪機房A排、B排柱截面程圖可按同行某核電廠1、2號機組汽輪機房土建圖紙進行設(shè)計,查同行某核電廠1、2號機組汽輪機房土建設(shè)計圖紙T5203[6]可知A排及B排截面積為2 000 mm×1 100 mm=2.2 m2。

查設(shè)計圖紙T5203[7],優(yōu)化前汽輪機房A、B排柱截面積為2 200 mm×1 200 mm=2.64 m2。

比較可知,采用優(yōu)化方案后汽輪機房A、B排柱的截面積可減小ΔS=0.44 m2,查汽輪機房土建設(shè)計圖紙T5203[7]可知,A、B排柱高度HA=38 m,HB=40 m,A排共有13個柱子,B排共有13個柱子,則行車起重量降為250 t后,可節(jié)省的鋼筋混凝土體積為：ΔV=VA+VB=0.44×38×13+0.44×40×13=446.16 m3

查鋼筋混凝土手冊[5],得出承載梁鋼筋混凝土密度為3 t/m3。

鋼筋混凝土的材料單價約為3 000元/t,則行車由350 t降為250 t后可節(jié)約的廠房投資成本：B=ΔV×6×3 000=446.16×3×3 000=8 030 880元=401.94萬元。

4.1.3 兩種方案行車設(shè)備費用投入分析

查該核電廠汽輪機房行車設(shè)備采購合同[8],可知一臺350 t行車與一臺80 t行車總價820萬元；查同行某核電廠1、2號機組汽輪機房行車設(shè)備采購合同[9],可知一臺250 t行車與一臺80 t行車總價為730萬元。查廠家的投標報價文件[10],可知一臺80 t汽輪機房行車價格為253萬元,則若采用兩臺250 t行車,則設(shè)備費投入約為(730-253)×2=954萬元。該費用與采用大小行車錯層布置設(shè)備費820萬元相比,增加了134萬元,設(shè)備費投入方面稍有增加。

總體上來看,若采用優(yōu)化方案即兩臺250 t行車同層布置,廠房的土建材料投資成本可降低846.5萬元(費用A+費用B),若再計算因土建施工量的增加額外發(fā)生的人工成本費及管理費,則實際降低的成本將比846.5萬元還要高；設(shè)備費投入增加了134萬元,綜合考慮土建投入及設(shè)備費投入,則總體上至少可約投資成本約712.5萬元(費用A+費用B-134萬元),因此采用優(yōu)化方案后,經(jīng)濟性方面優(yōu)勢明顯。

4.2 廠房施工工期方面的比較分析

4.2.1 汽輪機房A、B排柱施工工期分析

采用優(yōu)化方案后,汽輪機房A、B排柱高度可以降低6 m,相對汽輪機房A排總高度38 m來說,汽輪機房A、B排柱的施工工期可縮短6/38；考慮到優(yōu)化方案中汽輪機房A、B排柱子的承載降低,柱子的截面積相對于大小行車錯層布置方案可縮小0.44 m2,某核電廠汽輪機房A、B排柱截面積為2 200 mm×1 200 mm=2.64 m2,采用優(yōu)化后的同層布置方案則柱子截面積縮小節(jié)約的工期為0.44/2.64,因此采用優(yōu)化方案后,汽輪機房A、B排柱的施工工期較大小行車錯層布置可縮短32.5%(6/38+0.44/2.64=32.5%)。

4.2.2 行車軌道梁施工工期分析

采用優(yōu)化方案后,兩臺行車同層同軌布置,可以省去小行車的軌道梁、軌道的施工,軌道梁施工工期方面較實際方案中大小行車錯層布置約縮短1倍時間。

4.2.3 對汽輪機房11軸外變壓器基礎(chǔ)施工工期的影響分析

采用優(yōu)化方案后,發(fā)電機定子可用兩臺行車抬吊就位,這樣發(fā)電機定子從吊物孔進入汽輪機房即可,汽輪機房11軸處變壓器的基礎(chǔ)施工將不受定子是否就位的制約,變壓器基礎(chǔ)可按原計劃施工,可以保證倒送電節(jié)點目標如期實現(xiàn)。

4.3 行車使用方面的對比分析

4.3.1 使用安全性方面的對比分析

該核電廠行車選型及布置的實際方案中,未考慮用汽輪機房行車吊裝發(fā)電機定子,發(fā)電機定子的吊裝采用液壓提升裝置起吊,并在汽輪機運轉(zhuǎn)層平臺正對汽輪機軸線位置鋪設(shè)液壓提升裝置拖運滑道,在汽輪機運轉(zhuǎn)層平臺布置卷揚機。當液壓提升裝置提起發(fā)電機定子到一定高度后,用汽輪機運轉(zhuǎn)層平臺布置的卷揚機將發(fā)電機定子沿鋪設(shè)好的滑道拖運到安裝位置。優(yōu)化方案中兩臺250 t行車同層布置,這樣可用兩臺250 t行車抬吊發(fā)電機定子,且吊裝快速性方面遠遠高于液壓提升裝置吊裝方案。兩種方案安全性方面進行比較,用行車抬高發(fā)電機定子的安全性要遠高于液壓提升裝置,首先行車主鉤配置了兩套制動裝置,可以保證所吊重物有效制動而不發(fā)生滑落,其次行車的結(jié)構(gòu)是經(jīng)過有設(shè)計及制造資質(zhì)的廠家進行設(shè)計及制造的,并經(jīng)技術(shù)監(jiān)督局通過載荷試驗驗證合格后取得正式的使用許可證書的特種設(shè)備,只要在額定載荷內(nèi)使用將會是十分安全的。

4.3.2 使用可靠性方面的對比分析

優(yōu)化方案中兩臺行車同層布置且主鉤均按250 t設(shè)計,則兩臺行車的主鉤可以互為備用,一臺行車主鉤若出現(xiàn)故障,可用另一臺行車的主鉤完成相應的工作,相對于實際方案中只有一臺350 t的行車主鉤來說,主鉤的使用可靠性提高了1倍。

4.3.3 維護方面的對比分析

優(yōu)化方案中兩臺行車主鉤均按250 t設(shè)計,兩臺行車除副鉤及副起升機構(gòu)不相同外,其余部件選型均完全相同,相對于實際方案中大小兩臺行車來說,優(yōu)化方案中兩臺行車的大部分備件可以互用,可節(jié)約庫存?zhèn)浼姆N類,節(jié)約了運行維護備件投入成本,同時更加方便維護。

4.3.4 大修期間使用效率方面的對比分析

在核電站60年壽期中,行車的使用效率直接影響汽輪機檢修主路徑,優(yōu)化方案中其中一臺行車副鉤按20 t設(shè)計,與同行某核電廠汽輪機房行車實際方案中的小行車副鉤噸位相同,因此在大修中汽輪機小部件的快速吊裝方面,兩方案基本相當,優(yōu)化后的布置方案不會增加汽輪機的檢修時間。

5 結(jié)束語

汽輪機房行車的選型及布置應根據(jù)汽輪機房內(nèi)設(shè)備的重量及部件重量確定,根據(jù)某核電廠汽輪機房內(nèi)設(shè)備重量及吊裝需要,通過上文的對比分析可知該核電廠汽輪機房行車選型及布置宜選擇兩臺250 t行車同層同軌布置,其中一臺行車的副鉤選擇80 t,另一臺行車副鉤選擇20 t。這樣的選型及布置既節(jié)約了投資方的投資成本,也更加便于安裝單位的大件吊裝(如發(fā)電機定子吊裝、MSR吊裝等),且汽輪機房內(nèi)大件吊裝的安全性、可靠性將大大提高,這樣的選型及布置也使得行車備件的互換性方面有較大提升,便于今后的維護,同時還能夠縮短廠房土建施工工期,是一種最優(yōu)選型及布置方案。因此建議后續(xù)核電機組建設(shè)中在汽輪機房行車選型及布置方面應經(jīng)過充分的論證分析,并優(yōu)先考慮同層布置方案。