核電廠總平面設計分析研究
——基于福島事故改進及運營經(jīng)驗分析

王 棟，劉 濤

(中國核電工程有限公司北京工業(yè)研究設計院,北京 100840)

核電廠總平面設計是建造核電廠的基礎，內(nèi)容包含各子項的平面定位、室外管線溝道綜合設計、豎向及道路設計，對核電廠的建設起到至關重要的作用。本文通過福島事件后對總平面設計的要求及我國核電廠多年運營經(jīng)驗的分析，主要從兩個角度對核電廠總平面設計進行分析研究，最終提出有益于日后核電廠設計、建設的建議。

1 福島事件對核電廠總平面設計提出新要求

發(fā)生在2011年3月11日的日本福島核事故，時間雖已過去8年多，但其影響仍遠未消除，各個國家的核電廠相關領域仍在做相關分析研究，避免類似事故的再次發(fā)生。

對核電廠總平面布置而言，福島事件后，我國及時出版了《福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求》(試行)的規(guī)定，并對我國在建及運營核電工程進行了逐一排查，本文通過對該規(guī)定的詳細研究，從應急角度考慮，增設應急控制中心、應急場內(nèi)支援基地及相關設施，對目前核電廠總平面設計做出優(yōu)化分析。

1.1 應急控制中心的設計要求

按《福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求》，核電廠總平面布置增加應急控制中心的設計與建造。

從總平面布置角度考慮，應急控制中心是核電廠營運單位應急響應的指揮、管理和協(xié)調(diào)中樞，是應急期間應急響應指揮部的工作場所，應急期間應確保應急人員可以順利地達到該中心。且應考慮滿足可居留性和可達性的要求。

總平面布置應按廠址所在地區(qū)地震基本烈度提高一度進行抗震設計，并按照設計基準地震動SL2(相當?shù)牡孛婕铀俣?進行校核；應具備抵御設計基準洪水危害的能力。

1.1.1 案例分析

以××核電工程應急控制中心為例，該核電工程場地基本無預留用地，不具備廠內(nèi)建設的條件，只能在廠址周邊進行選址。經(jīng)過分析研究并與核電業(yè)主進行協(xié)商，從運營管理角度及快速實施應急計劃的角度分析，最終將應急控制中心布置在該核電工程的西南側、非居住區(qū)以外、緊鄰××公路，詳見圖1應急控制中心位置示意圖。

圖1 應急控制中心位置示意圖

該控制中心位置滿足可居留性、交通可達性，但該位置的自然標高較該電廠的設計基準洪水位偏低，需要進一步分析論證其防洪能力。后經(jīng)該核電廠所在省份的相關科研單位進行專題研究，分析確定了該控制中心適合的室內(nèi)標高，滿足其防洪要求。

1.1.2 分析總結

由于該子項是福島改進后的增加子項，從用地上可以看出，原廠區(qū)用地布局緊湊，缺乏預留用地，不得以將新增子項布置在廠區(qū)外側。

本文建議今后的總平面設計過程中，應該優(yōu)化總平面及豎向設計，為后續(xù)增加子項留有余地，以便使應急控制中心從設計初期就能滿足可達性、可居留性及防洪的要求。在滿足工藝要求的前提下，也能降低施工難度及建造費用。

1.2 應急場內(nèi)支援基地的設計要求

應急場內(nèi)支援基地要求提供日常值守場所、培訓演練場所、技術支持場所及物資儲備場所，保證核電廠發(fā)生嚴重事故時應急支援工作的需要。

1.2.1 案例分析

以××核電工程應急移動設備庫為例，該工程為福島事件后的增加子項，屬于應急物資儲備場所，其儲存設備為中、低壓移動電源及移動泵車輛等，按《福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求》，該項目需要滿足如下三個要求：

(1)存儲移動應急電源、移動泵等相關設備的構筑物按廠址所在地區(qū)地震基本烈度提高一度進行抗震設計，并按照設計基準地震動SL2(相當?shù)牡孛婕铀俣?進行校核。

(2)移動應急電源、移動泵等相關設備儲存應滿足在水淹高度高于設計基準洪水位5 m時，已采取的防水淹措施不會導致移動泵及相關設備不可用。

(3)儲存移動應急電源、移動泵等相關設備的構筑物宜設置在核安全廠房100 m以外，同時考慮交通的可達性。

由于該核電工程基本沒有預留用地，且周邊地形普遍較低，為了滿足豎向標高不低于設計基準洪水位加5 m的要求，場址最終布置在該核電工程參觀平臺西南側，距離最近的核安全相關廠房直線距離約為305 m，如圖2應急移動設備庫位置示意圖所示：

由上分析可知，雖然目前的設計滿足福島改進項的要求，但不足之處在于該子項位于山體上，到達廠區(qū)的實際距離略長，可達性還有優(yōu)化的空間。

圖2 應急移動設備庫位置示意圖

1.2.2 分析總結

由上分析可知，原有核電廠址用地緊張，基本沒有預留用地，且豎向標高很難達到后期福島改進項的設計要求，這就對今后新的核電廠總平面設計提出了更高的要求。

我國目前主推的華龍一號核電工程，將來可能也會設計應急支援基地，同樣需要滿足抗震、豎向防洪及與核安全廠房距離的要求。所以，鑒于福島核事故的經(jīng)驗教訓，可在核電廠總平面布置中，做出如下優(yōu)化設計：一是選址盡量在地質(zhì)條件良好，承載力高的地段；二是豎向設計階段，在兼顧土石方平衡過程中，可以考慮將場地布置為臺階式，從經(jīng)濟、施工角度考慮，臺階高差不超過5 m為宜，以便滿足將存儲移動泵等相關設施的建、構筑物，布置在高于設計基準洪水位5 m場地的要求；三是將存儲移動泵等相關設施的建、構筑物，布置在距離核安全物項或抗震I類物項100 m外，且滿足交通的可達性，對于華龍一號機型的核安全物項或抗震I類物項的子項如表1所示。

表1 “華龍一號”安全級或抗震Ⅰ類子項列表

續(xù)表

說明：NC——非安全級；LS——安全級；抗震類別中Ⅰ類——抗震Ⅰ類。

本文通過對應急移動設備庫的設計分析，以達到以后優(yōu)化核電廠總平面布置的目的。

2 對有吊裝要求區(qū)域的分析優(yōu)化

根據(jù)運營核電廠的反饋，在總平面設計中可以對在核電廠大修期間有吊裝需求的子項區(qū)域進行優(yōu)化設計。

2.1 案例分析

以××核電工程排水虹吸井及××核電工程取水泵房平面設計為例進行分析。

2.1.1 ××核電工程排水虹吸井區(qū)域平面設計

(1)初始設計

初始設計沒有考慮排水虹吸井閘門在運行大修期間的吊裝需求，在虹吸井閘門周邊沒有預留相應的操作空間。如圖3原排水虹吸井區(qū)域平面布置圖所示。

(2)優(yōu)化分析

根據(jù)核電業(yè)主反饋的排水虹吸井閘門在大修期間的吊裝需求，設計方需對排水虹吸井周邊平面進行優(yōu)化設計，以滿足核電廠大修期間的需求。設計方參考業(yè)主建議，從方便現(xiàn)場實際操作的角度出發(fā)，為方便業(yè)主在大修期間虹吸井閘門的吊裝作業(yè)，對平面布置進行了優(yōu)化設計，并增加了吊裝通道，對周邊實物保護圍欄也進行了相應改造，如圖4優(yōu)化后排水虹吸井區(qū)域平面布置圖所示。

2.1.2 ××核電項目取水泵房平面設計

(1)初始設計

在××核電項目取水泵房區(qū)域平面設計過程中，前期沒有提出該子項有吊裝的要求，故在平面布置過程中，并沒有預留供吊車行走、站位、作業(yè)的空間，如圖5原取水泵房區(qū)域平面布置圖所示。

圖3 原排水虹吸井區(qū)域平面布置圖

圖4 優(yōu)化后排水虹吸井區(qū)域平面布置圖

圖5 原取水泵房區(qū)域平面布置圖

(2)優(yōu)化分析

1)分析吊裝工藝

根據(jù)工藝及現(xiàn)場資料，該取水泵房前池設置兩個(7×7)m的鋼閘門，自重34 t。按照施工單位閘門吊裝方案，閘門初次安裝時，需要采用200 t履帶吊車。參考施工單位資料，進行如下優(yōu)化設計。

2)設計優(yōu)化

將取水泵房南側保護區(qū)圍欄局部南移11 m，原4 m寬道路局部調(diào)整為15 m寬，滿足一般吊車吊臂操作空間的要求，如圖6優(yōu)化后取水泵房區(qū)域平面布置圖所示。

圖6 優(yōu)化后取水泵房區(qū)域平面布置圖

2.2 總結

在核電廠總平面設計中，不僅要考慮建造階段，而且要多從運營角度考慮，方便業(yè)主使用。鑒于上述排水虹吸井與取水泵房在大修期間，對閘門有吊裝需求，故在該區(qū)域的平面設計中，要提前考慮其交通組織及需預留的操作空間。

3 核電廠道路設計分析

目前核電廠道路設計的文件或圖紙中，一般會出現(xiàn)如下概念：主要進廠道路、次要進廠道路，大件運輸?shù)缆?，重型路、輕型路，應急道路。以上叫法既有聯(lián)系，又有區(qū)別，本文通過對核電廠道路的分析研究，澄清概念和使用范圍，達到優(yōu)化設計的目的。

3.1 大件運輸?shù)缆?/h3>

按《核電廠總平面及運輸設計規(guī)范》(GB/T 50294—2014)8.4.3節(jié)要求，“廠外道路應設置不同方向的主要和次要進廠道路，大件道路應與進廠道路結合規(guī)劃”。

首先，需要明確“大件”的概念，按《電力大件運輸規(guī)范》(DL/T 1071—2014)相關描述，外形尺寸或質(zhì)量符合長度大于14 m、寬度大于3.5 m、高度大于3.0 m或質(zhì)量在20 t以上的即為大型設備或構件，即重量、長、寬、高有一個參數(shù)達到上述數(shù)值，即為“大件”。

大件運輸?shù)缆费赝咀畹蛢艨崭叨?、最小通行寬度、最大橫坡、最大縱坡、道路凹凸曲線、彎道最小內(nèi)彎半徑、最小外彎半徑、通道寬度、掃空半徑應滿足車組安全通行要求。施工現(xiàn)場道路要平整，道路荷載應滿足車組安全通行要求。運輸車輛過橋涵、鐵路道口時，時速不宜超過5 km/h。其設計、實施一般為專業(yè)的交通運輸單位完成。

(1)大件運輸?shù)缆放c主要、次要進廠道路的關系

大件運輸?shù)缆分饕诤穗娬镜慕ㄔ炱陂g使用，在運營期間可以保留，與主要進廠道路或次要進廠道路合并，如××核電工程大件運輸?shù)缆放c主要進廠道路為同一條路徑，由于控制區(qū)大門本身尺寸不能走大件設備，故在其旁邊單獨設計一通道，為大件運輸?shù)念A留道路，供運營期間的尺寸超過普通設備的大件運輸車輛通行，如圖7主要進廠道路與大件運輸?shù)缆菲矫媸疽鈭D所示。該設計思路值得后續(xù)核電站設計者參考，這樣的設計可以將核電站對外的開口數(shù)量控制為兩個，避免單獨設計一條大件運輸?shù)缆?，從建造費用及實物保護方面考慮都是很有利的。

圖7 ××核電工程主要進廠道路與大件運輸?shù)缆菲矫媸疽鈭D

(2)大件運輸?shù)缆放c重型路的關系

從大件設備的定義來講，設備重量超過20 t即為大件，也可以理解為重件。即重型路是大件路的一種，是針對輕型路而言的。從道路做法上，與輕型路加以區(qū)分。重型路與輕型路是針對廠內(nèi)道路而言，重型路的路徑與大件運輸?shù)缆芬恢?，主要為核島、常規(guī)島、主變及BOP區(qū)域的取水泵房和放射性機修車間服務。按《核電廠總平面及運輸設計規(guī)范》(GB/T 50294—2014)相關要求，重型路最大縱坡不宜大于4%，寬度不宜小于9 m，轉(zhuǎn)彎內(nèi)半徑不宜小于25 m，掃空寬度根據(jù)運輸設備的尺寸確定。

3.2 應急道路的設計分析

在事故工況下，應急道路不僅需要滿足核電廠內(nèi)的工作人員緊急疏散至廠外的要求，而且還需滿足將應急設施如應急移動電源等及時運到廠內(nèi)。

應急道路在作為應急設施通道時，對道路的縱坡、路寬、轉(zhuǎn)彎半徑、荷載有一定要求。故在進行總平面設計時，對主要進廠道路及次要進廠道路進行適當?shù)陌j設計，使其設計參數(shù)同時滿足應急道路的要求，使核電廠總平面的對外接口，控制在兩個，避免單獨修建應急道路，增加額外成本。

所以在核電廠道路設計時，主要進廠道路和次要進廠的設計標準宜按可以同時滿足應急道路和大件運輸?shù)缆返臉藴蔬M行考慮和設計。

4 總結

本文基于福島核事故改進要求及我國核電廠運營經(jīng)驗兩個角度，從如下三個方面對核電廠總平面設計進行了分析研究：

(1)考慮應急控制中心、應急場內(nèi)支援基地的相關建、構物，對核電廠總平面及豎向布置的要求與影響。

(2)排水虹吸井區(qū)域、取水泵房區(qū)域的平面設計，要結合核電廠大修及運營進行。

(3)優(yōu)化核電廠道路系統(tǒng)，更加經(jīng)濟高效的建設核電廠。

以上內(nèi)容，歡迎同行指正、交流。