核电常规岛主厂房布置对火电厂的启发

(国核电力规划设计研究院,北京 100095)

核电常规岛主厂房布置对火电厂的启发

张亚鹏

(国核电力规划设计研究院,北京 100095)

为了降低火电厂循环水泵的轴功率(即扬程)，通过对某核电厂常规岛主厂房半地下布置模式进行技术和经济分析，半地下布置模式对降低循环水泵功率效果显著，收益回报率高。这启发我们：对于火电厂，可以通过降低主厂房布置或降低凝汽器安装高度达到降低循环水泵的扬程，希望核电厂的经验能对常规火电厂主厂房布置有借鉴意义。

半地下布置；几何扬程；虹吸井；降耗；凝汽器

主厂房半地下布置对降低循环水泵扬程，减少电厂运行成本较为突出，国外核电和火电均有成功运行业绩。国内核电厂主厂房半地下布置已有成功运行业绩，如秦山二期、三期等，在建(设计)项目如辽宁徐大堡、CAP1400主厂房均采用半地下布置，但在火电领域，国内还是个空白。当前国际化石能源枯竭的形势，节能减排再次成为一项严峻课题。本文利用核电经验，给我们火电建设一点启发。

1 某核电厂概述

1.1 厂址有关数据

(1)高程系统

·高程系统采用1985年国家高程系统。

·厂址多年平均海平面：0.57 m。

(2)包括波浪影响的设计基准洪水位：6.87 m

(3)厂区地坪标高+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)常规岛循环冷却水设计水温

循环水系统采用直流循环冷却系统，冷却水水源为海水。设计基准水温：24.8℃

1.2 汽轮发电机组装机方案

汽轮发电机组暂按东方电气集团提供的单轴、四缸六排汽半速汽轮机发电机组资料设计。

1.3 常规岛主厂房总体布局

常规岛主厂房包括汽机房(T.A～T.E)、除氧间(T.E～T.F)、辅助厂房(T.F～T.G)和第一跨，汽机房和除氧间采用半地下布置(底层位于厂坪以下)，其他均为全地上布置。

本文重点论述汽机房和除氧间，主厂房主要尺寸如表1。

表1 主厂房主要尺寸表

这种布置方案与常规主厂房布置的不同点：前者汽机房和除氧间底层均处于厂坪之下，后者汽机房和除氧间底层均处于厂坪之上；另外，主要检修通道和检修场地有差异，前者在汽机房中间层，后者在汽机房底层。

2 主厂房布置经济分析

根据该核电厂址地理条件：设计潮位为0.57 m(年平均潮位)，厂坪标高为14 m(暂定不改变厂坪高度),主厂房零米标高14.3 m(汽机房零米层标高比厂坪标高高0.3 m)，虹吸井堰上水位最低可设置为2.439 m(根据需要可适当抬高。其高程图为图1，虹吸利用高度为B(约7.5 m～8.0 m)，循环水泵的几何扬程为A。

2.1 常规岛主厂房半地下布置(采用虹吸井最低堰上水位2.439 m)

凝汽器顶排管高度(虹吸利用高度为7.761 m)

H=2.439+7.761=10.2 m

根据主机外形，凝汽器顶排管至运转层高度为14.1 m

运转层标高为10.2+14.1=24.3 m

中间层标高为14.3 m，该层为主厂房0米标高,

底层标高为6.3 m

以上主厂房层高可满足电厂运行检修的基本要求，布置格局较为合理。故该方案循环水泵的几何扬程为

A=2.439-0.57=1.869 m(为最小几何扬程)

2.2 常规岛主厂房地上布置(常规布置方式)

在上述半地下布置基础上，将主厂房相对厂坪抬升底层层高(8 m)，考虑到虹吸利用高度为7～8 m，须将虹吸井堰上水位抬高～8 m方能满足循环水虹吸正常稳定运行。

图1 高程图

凝汽器顶排管高度H=10.439+7.761=18.2 m

根据主机外形，凝汽器顶排管至运转层高度为14.1 m

运转层最低标高为18.2+14.1=32.3 m(绝对标高)

中间层最低标高为22.3 m(绝对标高)

底层最低标高为14.3 m(绝对标高)，该层为主厂房0米标高。循环水泵的几何扬程为

A=10.439-0.57=9.869 m

2.3 经济比较

循环水泵的扬程=循环水泵的几何扬程+循环水系统总水头损失

循环水系统的总水头损失和系统的布置有关。相对上述两种汽机房的布置方案来说，如采用相同口径的进、排水管，循环水系统的总水头损失是差别不大的，几何扬程的变化是影响循环水泵扬程的主要因素。虽然目前阶段尚无详细的循环水系统布置资料，但通过几何扬程的分析可以对比出两种方案的循环水泵扬程差值。

当汽机房采用半地下布置时，循环水泵几何扬程为1.869 m。

当汽机房采用地上布置时，循环水泵几何扬程为9.869 m。

循环水泵的电机功率主要取决于循环水泵的流量(约为73.3 m3/s)、扬程和水泵的效率(89%)。所以汽机房布置采用半地下布置相对地上布置方式，单台机循环水泵电机耗电功率可降低

(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。

本工程单台机组(汽机房采用半地下布置相比地上布置，按年运行小时7 000 h，上网电价367.5元/MWh，循环水泵的年运行费用可节省约1 768.9万元(不含税)。

3 主厂房采用半地下布置的缺点

3.1 主厂房通风运行费用增加

半地下布置方案汽机房底层及以下各层布置有凝汽器、给水泵组等设备，以及主蒸汽等管道，室内散热量及散湿量较大，在电厂正常运行过程中需采用通风手段实现厂房内的散热、散湿，以满足厂房内的环境要求。而由于汽机房地下各层难于实现自然进风，为满足汽机房通风要求，汽机房半地下布置方案需采取地上部分自然进风结合地下部分机械送风，防爆屋顶风机机械排风的通风方式。

地上布置方案地下部分容积减小，但凝汽器等散热散湿也存在，需考虑增加机械通风设备及运行费用。

两种方案均存在地下部分机械通风情况，只是设备容量、通风量和通风运行费用不同，其维护和检修费用无差别。与地上布置方案相比，半地下布置方案主厂房通风设备初投资增加900万元，年运行费用增加154.4万元。

3.2 工程量增加

对两种方案工程量的比较主要从以下几个方面考虑：主厂房结构工程量、汽机房负挖工程量、循环水取排水管道(沟)工程量、给排水管道工程量。

3.2.1 主厂房结构工程量

与地上布置方案相比，半地下布置方案主厂房结构增加的工程量产生的费用约为4 086万元/单台机组

3.2.2 汽机房负挖及回填工程量

与地上布置方案相比，半地下布置方案需增加开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开挖和回填工程量分别为70 000 m3和77 000 m3，增加的工程量产生的费用约为269.5万元/单台机组

3.2.3 循环水取排水管道(沟)安装土方开挖及回填工程量

循环水取水管道施工工程量两方案差别很小，两方案施工土方开挖及回填差别不大；根据目前循环水排水管出水口的相关规范要求：出水口要求为淹没出流，两方案出水侧水道施工土方开挖及回填工程量相当。

3.3 汽机房布置方案的技术安全分析

本阶段汽轮发电机按东方电气集团的单轴四缸六排汽汽轮机组及水氢氢冷却发电机组考虑。

3.3.1 两种主厂房布置方案在技术上的差别

主要是半地下布置的汽机房相对常规电厂汽机房整体下沉8.0 m以后带来的土建结构上的差异。

土建结构差异主要从以下几个方面考虑：基础形式、侧壁抗渗、基础底板及侧壁抗裂、半地下厂房抗浮、循环水管安装。

两个方案的基础形式不会改变，只是半地下布置比地上布置的基础底标高低8.0 m，因此汽机房地下室底板和侧壁的厚度可能会增大，并且承受的地下水浮力比地上布置大，但是不会引起基础方案的较大改变。另外半地下布置方案的基坑开挖量和回填量会比地上布置方案大。

两者之间的工艺系统的差异基本可忽略。两方案均存在不具备自然进风条件的地下厂房空间，需考虑机械进风以满足防潮、降温要求；两者区别在于半地下布置方案地下部分的厂房体积及设备管道散热量较大，通风设备容量及运行费用均较地上布置方案有所提高。

另外，半地下布置方案凝汽器层低于海平面高度，需考虑凝汽器层防止海水倒灌淹没相关设备腐蚀的措施，半地下布置方案需考虑较大容积的海水池。

3.3.2 汽机房布置方案的安全分析

主要从抗地下水渗漏、抗地下水浮力、防外部水淹及消防排水等方面进行主厂房布置的安全分析，该分析不包括对核岛的影响分析。

(1)抗地下水渗漏分析

半地下布置方式凝汽器层和底层均位于地坪标高以下，汽机房基础应设计成钢筋混凝土大平板基础，以增强厂房的整体刚度，并抗御地下水通过岩石裂隙的渗漏。

(2)抗地下水浮力分析

半地下布置方式凝汽器层和底层均位于地坪标高以下，由于汽机房地下部分已设计成整体的钢筋混凝土大平板基础和墙板，因此，要进行地下水位浮力计算，一旦浮力大于厂房上部重量，采取相应抗浮措施。

本工程可借鉴和采用其它工程的经验，例如海阳一期工程，进行地下水位浮力的计算、分析和处理。

(3)防外部水淹分析

由于汽机房所在的厂区地坪标高是+14 m，高于包括波浪影响的设计基准洪水位+6.87 m，已达到核级厂房的防洪要求，因此，尽管半地下布置方案凝汽器层和底层位于厂坪标高以下，其防洪的标准仍未变化。

但在设计中半地下布置方式需考虑下列几个问题：

(a)考虑主厂房底层和凝汽器层的排水设施。

(b)考虑凝汽器层防止海水倒灌的措施。本工程拟在循环水排水井处装设闸门，一旦凝汽器停止运行，闸门关闭，阻止海水倒灌。

表2 综合对比表

(c)考虑循环水管破裂循环水对底层设备的破坏影响。本工程根据管道破裂时循环水系统的水容积设置合理的海水池和与之相适应的排水泵。

(4)消防排水分析

半地下布置方式凝汽器层及底层位于厂坪标高以下，可考虑在凝汽器层的循环水坑内设置集水坑，集水坑内设排水泵。消防后产生的消防水经地沟汇集到集水坑后通过泵打至厂区雨水管网。

4 综合比较5 核电厂常规岛主厂房布置的启发

综上所述，半地下布置方式主要优点可以降低循环水泵的轴功率，降低电厂运行成本1 768.9万元/年；不利之处为主厂房负挖、回填工程量增大，地下通风增加，同时还需考虑抗地下水渗漏、抗地下水浮力、防外部水淹及消防排水等因素分析及其相应的处理措施,投资增加约5 255.5万元、主厂房通风运行费用增加154.4万元/年，其资金回收年限约为4～5年，技术经济、安全分析，半地下布置方案满足核电厂建设和运行要求，具有可观的经济回报率，且目前国内很多核电站采用这种半地下布置方式，投入运行的如秦山二期、三期等，在建(设计)的如辽宁徐大堡、CAP1400等，均带来可观的经济收益。

半地下布置主要是通过降低凝汽器顶排管高度减小循环水泵的扬程途径降低电厂运行费用，而满足降低凝汽器顶排管高度的另一途径：凝汽器下沉方式，在建核电厂如海阳一期、海阳二期等工程，其主厂房三层均为地上布置，而较长的凝汽器喉部使其顶排管高度降低。

常规火电厂主厂房布置与核电厂常规岛主厂房布置模式类似：采用大平台布置，汽轮发电机组纵向布置在汽机房运转层，加热器和除氧器分别布置在除氧间中间层、运转层和除氧层，凝结水泵和工业水泵等均布置在汽机房底层，给水泵与大容量火电厂机组布置略有不同，但不影响汽机房布置格局，故对于凝汽器采用直流冷却方式的常规火电主厂房布置可考虑采用半地下布置和凝汽器下沉布置等方式。从已投产的和在建的核电厂现场环境看，上述不同模式均能满足核电站的安全稳定运行，其运行、巡检、维护和检修都比较方便有效。

目前常规火电厂主厂房布置均为地上布置，为了响应国家节能减排政策号召，对于厂址条件和主辅机型式符合主厂房半地下布置(或凝汽器下沉布置)的电厂，可进行技术经济论证确定高效节能的主厂房布置模式。

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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修订稿日期2014-06-22

张亚鹏(1979～)，男，工程师，本科，主要从事电厂热机设计。

TM623;TM611

A

1002-6339 (2014) 05-0465-05