AP1000核電站輔助廠房總體布置分析及優(yōu)化

摘 要：AP1000輔助廠房替代了傳統(tǒng)核電站的輔助廠房、燃料廠房、電氣廠房和連接廠房。廠房總體布置是工藝、建筑、結(jié)構(gòu)和模塊設(shè)計(jì)的頂層設(shè)計(jì)綱領(lǐng)，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程起著重要作用。文章從功能劃分、災(zāi)害防護(hù)、輻射防護(hù)和施工方式等幾個(gè)方面，分析了輔助廠房的總體布置特點(diǎn)，并大膽提出了優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：AP1000；輔助廠房；總體布置

引言

AP1000核電站引入了非能動(dòng)安全系統(tǒng)和模塊化施工的先進(jìn)理念，具有簡(jiǎn)單、安全、可靠的特點(diǎn)。而這些先進(jìn)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，都需要通過(guò)廠房總體布置來(lái)滿足其要求。目前國(guó)內(nèi)幾大核島設(shè)計(jì)院、高校和企業(yè)都對(duì)AP1000的反應(yīng)堆廠房研究較多較透，而對(duì)于輔助廠房相關(guān)的研究較少。那么輔助廠房的總體布置是如何設(shè)計(jì)的？考慮了哪些因素？有什么特點(diǎn)呢？

1 概述

輔助廠房主要用于保護(hù)和屏蔽位于安全殼外抗震Ⅰ類(lèi)的機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備，具有抵御颶風(fēng)、洪水、龍卷風(fēng)、海嘯和地震等外部災(zāi)害而不喪失執(zhí)行安全功能的能力，也能抵御火災(zāi)和水淹等內(nèi)部災(zāi)害而不喪失執(zhí)行安全功能的能力。

輔助廠房為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，滿足抗震Ⅰ類(lèi)要求，輔助廠房和反應(yīng)堆廠房是在同一塊基礎(chǔ)底板之上，鋼筋混凝土底板約厚1.8m。輔助廠房環(huán)繞屏蔽廠房周?chē)蠹s70%圓周長(zhǎng)度，占地面積約1400m2。[1]

2 功能區(qū)介紹

輔助廠房可以分為以下幾個(gè)功能區(qū)域：主控室、1E級(jí)儀表和控制系統(tǒng)、1E級(jí)電氣系統(tǒng)、燃料處置區(qū)、機(jī)械設(shè)備區(qū)、安全殼貫穿區(qū)、主蒸汽和主給水隔離閥門(mén)間。見(jiàn)圖1輔助廠房的分區(qū)和表1功能區(qū)的位置。[1]

2.1 主控室

主控室位于2區(qū)的四層，主要包括主控制區(qū)、運(yùn)行工作區(qū)、開(kāi)關(guān)室以及辦公室。主控室主要為運(yùn)行人員提供監(jiān)控和干預(yù)核電站運(yùn)行的場(chǎng)所，提供在正常工況下電廠安全運(yùn)行以及事故工況下保持電廠在安全狀態(tài)所需的人機(jī)接口。

2.2 1E級(jí)儀表及控制系統(tǒng)

1E級(jí)儀表和控制系統(tǒng)位于1、2區(qū)的一至四層，包括保護(hù)和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（PMS）、電廠控制系統(tǒng)（PLS）以及數(shù)據(jù)顯示和處理系統(tǒng)。PMS和PLS系統(tǒng)在電廠啟動(dòng)，正常運(yùn)行和停堆期間對(duì)電廠提供監(jiān)測(cè)和控制。

2.3 1E級(jí)電氣系統(tǒng)

1E級(jí)電氣系統(tǒng)位于1、2區(qū)的一至三層。1E級(jí)電氣系統(tǒng)主要為安全相關(guān)的和重要的控制儀表提供125V的直流電，以保證在失去交流電和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下安全停堆。有A，B，C，D四個(gè)獨(dú)立的1E級(jí)125V直流序列，每個(gè)序列的蓄電池和備用蓄電池都分別布置在不同的房間內(nèi)。A和D序列各自包括一個(gè)蓄電池組，一個(gè)配電盤(pán)和一個(gè)蓄電池充電器。B和C序列各自包括兩個(gè)蓄電池組，兩個(gè)配電盤(pán)和兩個(gè)蓄電池充電器。另外還有一個(gè)備用蓄電池組及充電器。

2.4 燃料處置區(qū)

燃料處置區(qū)主要由燃料操作系統(tǒng)和乏燃料池冷卻系統(tǒng)（SFS）組成，位于4、5、6區(qū)。燃料處置區(qū)的主要功能是通過(guò)燃料操作系統(tǒng)接收、檢驗(yàn)和貯存新燃料組件，并運(yùn)輸?shù)椒磻?yīng)堆廠房?jī)?nèi)，同時(shí)把乏燃料組件從反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)輸送到輔助廠房的乏燃料池，經(jīng)貯存之后，最終裝入屏蔽容器內(nèi)運(yùn)往廠房外。乏燃料池冷卻系統(tǒng)用于排出燃料組件產(chǎn)生的衰變熱。

AP1000核電站燃料操作系統(tǒng)區(qū)域共分兩個(gè)，分別是反應(yīng)堆廠房的換料水池和輔助廠房的燃料操作區(qū)（FHA），并通過(guò)一個(gè)貫穿安全殼的燃料運(yùn)輸管道相互連接。輔助廠房的燃料操作區(qū)可對(duì)外部事件如龍卷風(fēng)以及龍卷風(fēng)產(chǎn)生的飛射物進(jìn)行防護(hù)，為乏燃料組件、新燃料組件及相關(guān)的放射性系統(tǒng)設(shè)置了屏蔽，并且在發(fā)生任何會(huì)引起燃料組件或相關(guān)放射性系統(tǒng)損壞的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后，放射性物質(zhì)的泄漏得到有效控制。[2]

2.5 機(jī)械設(shè)備區(qū)

布置在輔助廠房放射性控制區(qū)域的機(jī)械設(shè)備有：正常余熱排出系統(tǒng)泵和熱交換器，乏燃料冷卻系統(tǒng)泵和熱交換器，固體、液體和氣體廢物泵、箱體、除鹽床和過(guò)濾器，化學(xué)和容積控制系統(tǒng)泵和加熱器，空調(diào)機(jī)組設(shè)備和通風(fēng)閥。

布置在輔助廠房非放射性控制區(qū)域的機(jī)械設(shè)備有：空調(diào)機(jī)組設(shè)備、加熱器和通風(fēng)閥，主控室相關(guān)的設(shè)備，儀表控制柜，蓄電池組，非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)再循環(huán)泵和加熱單元，部分冷凍水系統(tǒng)和空氣冷卻系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備。

2.6 安全殼貫穿區(qū)

輔助廠房?jī)?nèi)包容了所有的安全殼貫穿區(qū)域，包括機(jī)械，電氣和儀控，并對(duì)各貫穿區(qū)域進(jìn)行隔離。如放射性管道貫穿區(qū)與非放射性管道貫穿區(qū)隔離，電氣貫穿區(qū)與工藝貫穿區(qū)的隔離；電氣、儀控的冗余系列之間的隔離等。

2.7 主蒸汽和主給水隔離閥門(mén)間

主蒸汽和主給水隔離閥布置在輔助廠房1區(qū)的四至五層，在這里單獨(dú)設(shè)立閥門(mén)間，并且與輔助廠房其他區(qū)域隔離，設(shè)計(jì)考慮可在主蒸汽或主給水管道破裂事故時(shí)提供足夠的排汽空間，并且不會(huì)影響其他區(qū)域，引發(fā)二次事故。

3 模塊化施工

模塊化就是將相對(duì)密集布置的鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道、儀表等物項(xiàng)組裝成一個(gè)獨(dú)立單元，形成一個(gè)整體進(jìn)行吊裝就位，可以在工廠預(yù)制完成，從而取代大量現(xiàn)場(chǎng)施工，因此對(duì)保證施工質(zhì)量、縮短工期大有貢獻(xiàn)。由于土建、安裝、預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)組裝出現(xiàn)并行施工、交叉施工的特點(diǎn)，因此要求相互協(xié)作更加緊密，對(duì)制定綜合性進(jìn)度計(jì)劃是個(gè)挑戰(zhàn)。

輔助廠房?jī)?nèi)布置有38個(gè)機(jī)械模塊，19個(gè)結(jié)構(gòu)模塊。下面以機(jī)械模塊KB04和結(jié)構(gòu)模塊CA20為例說(shuō)明。

KB04模塊位于輔助廠房12153房間，長(zhǎng)寬高約4.1m×1.9m×2.6m，重量約5.5t。KB04模塊將放射性氣體廢物處理系統(tǒng)的兩個(gè)延遲床和一個(gè)保護(hù)床及其連接管道安裝在同一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)上。保護(hù)床是防止?jié)穸却蟮膹U氣流向下游，保護(hù)后邊的延遲床，而延遲床用于對(duì)放射性廢氣進(jìn)行延遲處理，降低廢氣中放射性水平。如圖2所示，12153房間大小與KB04模塊的尺寸基本接近，如果不采用模塊化施工，12153房間的施工空間可達(dá)性低，難以方便現(xiàn)場(chǎng)焊接人員施工，該模塊解決了施工困難的問(wèn)題。

CA20模塊為輔助廠房5、6區(qū)結(jié)構(gòu)模塊，長(zhǎng)寬高約21m×14m×21m，重量約844t，位于標(biāo)高66'-6"與135'-3"之間，見(jiàn)圖3。CA20模塊組成了乏燃料池、燃料運(yùn)輸通道、容器清洗池、容器裝料池、廢液暫存箱間、廢液監(jiān)測(cè)箱間、RNS系統(tǒng)管道閥門(mén)間等結(jié)構(gòu)。為了便于運(yùn)輸，CA20模塊又分為了幾十個(gè)子模塊，在現(xiàn)場(chǎng)拼裝完成后，一次性吊裝就位，減少了現(xiàn)場(chǎng)施工量，對(duì)縮短工期有很大貢獻(xiàn)。

4 輻射防護(hù)

根據(jù)輻射防護(hù)的要求，輔助廠房可分為非放射性控制區(qū)和放射性控制區(qū)，并進(jìn)行了實(shí)體隔離。非放射性控制區(qū)主要是指布置了主控室、1E級(jí)儀表和控制系統(tǒng)、1E級(jí)電氣系統(tǒng)、安全殼貫穿區(qū)、主蒸汽和主給水隔離閥間的1、2區(qū)；放射性控制區(qū)主要是指布置了燃料處置區(qū)的3-6區(qū)。但是每一層的實(shí)體隔離位置并非完全相同，屏蔽墻具體位置見(jiàn)表2。

5 結(jié)論

5.1 總體布置緊湊，充分利用空間

輔助廠房替代了傳統(tǒng)核電站輔助廠房、燃料廠房、電氣廠房和連接廠房，使得總體占地面積變小，功能區(qū)域的銜接更為緊密。

5.2 總體布置合理，災(zāi)害防護(hù)考慮周全，符合縱深防御要求

作為潛在水淹水源水池、箱體等結(jié)構(gòu)和設(shè)備，均布置于低樓層內(nèi)，且在各自隔間內(nèi)。

劃分防火區(qū)域，各個(gè)區(qū)域之間利用墻體和樓板作為非能動(dòng)的防火屏障和實(shí)體分隔，并設(shè)置有火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)。

通過(guò)實(shí)體隔離將廠房分為放射性控制區(qū)和非放射性控制區(qū)，兩個(gè)區(qū)域配置單獨(dú)的進(jìn)出通道，能有效降低運(yùn)行及維修時(shí)人員受輻照的劑量。

考慮內(nèi)部飛射物及其二次效應(yīng)的防護(hù)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)備布置設(shè)計(jì)，以及定期的在役檢查，使事故發(fā)生的概率最小化。

考慮多重性、多樣性和獨(dú)立性原則，使共因故障影響降到最小，安全相關(guān)設(shè)備和非安全相關(guān)設(shè)備之間、多重安全相關(guān)設(shè)備或系列之間均實(shí)施實(shí)體隔離。

5.3 模塊化施工提高效率和工程質(zhì)量

模塊化設(shè)計(jì)縮短了建造工期，減少了現(xiàn)場(chǎng)人力，減小了現(xiàn)場(chǎng)施工密度，增加了工廠預(yù)制與組裝工作量，可以更好地保證施工質(zhì)量。

5.4 電氣儀控集中布置

先進(jìn)的電氣儀控設(shè)計(jì)，如先進(jìn)的保護(hù)系統(tǒng)、主控室、分布式邏輯柜和光纖的應(yīng)用大大減少了電纜、托盤(pán)和電纜導(dǎo)管的數(shù)量，相比傳統(tǒng)核電站電纜散布在房間的情況，有了很大的改進(jìn)，降低了廠房總體布置的難度。

6 優(yōu)化方案

在輔助廠房6區(qū)中布置有乏燃料池，容器裝料池，容器清洗池和燃料運(yùn)輸通道，該區(qū)域是輔助廠房?jī)?nèi)潛在的水淹水源的集聚區(qū)，對(duì)核電站的安全性起著至關(guān)重要的作用，尤其是乏燃料池，肩負(fù)著排出乏燃料衰變熱，屏蔽放射性的重任。經(jīng)過(guò)對(duì)這些水池特性的計(jì)算和分析，雖然目前的設(shè)計(jì)可以滿足各項(xiàng)要求，但是其水容積冗余較小，池壁結(jié)構(gòu)墻厚度的冗余較小，可容納的最大乏燃料組件數(shù)量也不算多。

出于這個(gè)方面的考慮，對(duì)輔助廠房進(jìn)行擴(kuò)容設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖4，新增區(qū)域主要用于擴(kuò)容乏燃料池等水源的容積，這樣優(yōu)化的好處有：（1）便于在廠內(nèi)貯存更多水源，提高安全冗余，減小輔助廠房?jī)?nèi)的空間布置壓力；（2）可貯存更多的乏燃料組件，增加屏蔽放射性的有效水容積；（3）可以使安全殼兩側(cè)的輔助廠房形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，有利于增強(qiáng)核島整體基礎(chǔ)的抗壓強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1]Westinghouse Electric Company. AP1000 Design Control Document Rev. 19[Z].2011.

[2]林誠(chéng)格，等.非能動(dòng)安全先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)[M].北京：原子能出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：吳國(guó)強(qiáng)（1982-），男，浙江蕭山人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)楹穗娬竞藣u布置。