AP1000核电站辅助厂房总体布置分析及优化

摘 要：AP1000辅助厂房替代了传统核电站的辅助厂房、燃料厂房、电气厂房和连接厂房。厂房总体布置是工艺、建筑、结构和模块设计的顶层设计纲领，对整个设计过程起着重要作用。文章从功能划分、灾害防护、辐射防护和施工方式等几个方面，分析了辅助厂房的总体布置特点，并大胆提出了优化方案。

关键词：AP1000；辅助厂房；总体布置

引言

AP1000核电站引入了非能动安全系统和模块化施工的先进理念，具有简单、安全、可靠的特点。而这些先进系统的功能实现，都需要通过厂房总体布置来满足其要求。目前国内几大核岛设计院、高校和企业都对AP1000的反应堆厂房研究较多较透，而对于辅助厂房相关的研究较少。那么辅助厂房的总体布置是如何设计的？考虑了哪些因素？有什么特点呢？

1 概述

辅助厂房主要用于保护和屏蔽位于安全壳外抗震Ⅰ类的机械设备和电气设备，具有抵御飓风、洪水、龙卷风、海啸和地震等外部灾害而不丧失执行安全功能的能力，也能抵御火灾和水淹等内部灾害而不丧失执行安全功能的能力。

辅助厂房为钢筋混凝土结构，满足抗震Ⅰ类要求，辅助厂房和反应堆厂房是在同一块基础底板之上，钢筋混凝土底板约厚1.8m。辅助厂房环绕屏蔽厂房周围大约70%圆周长度，占地面积约1400m2。[1]

2 功能区介绍

辅助厂房可以分为以下几个功能区域：主控室、1E级仪表和控制系统、1E级电气系统、燃料处置区、机械设备区、安全壳贯穿区、主蒸汽和主给水隔离阀门间。见图1辅助厂房的分区和表1功能区的位置。[1]

2.1 主控室

主控室位于2区的四层，主要包括主控制区、运行工作区、开关室以及办公室。主控室主要为运行人员提供监控和干预核电站运行的场所，提供在正常工况下电厂安全运行以及事故工况下保持电厂在安全状态所需的人机接口。

2.2 1E级仪表及控制系统

1E级仪表和控制系统位于1、2区的一至四层，包括保护和安全监测系统（PMS）、电厂控制系统（PLS）以及数据显示和处理系统。PMS和PLS系统在电厂启动，正常运行和停堆期间对电厂提供监测和控制。

2.3 1E级电气系统

1E级电气系统位于1、2区的一至三层。1E级电气系统主要为安全相关的和重要的控制仪表提供125V的直流电，以保证在失去交流电和设计基准事故工况下安全停堆。有A，B，C，D四个独立的1E级125V直流序列，每个序列的蓄电池和备用蓄电池都分别布置在不同的房间内。A和D序列各自包括一个蓄电池组，一个配电盘和一个蓄电池充电器。B和C序列各自包括两个蓄电池组，两个配电盘和两个蓄电池充电器。另外还有一个备用蓄电池组及充电器。

2.4 燃料处置区

燃料处置区主要由燃料操作系统和乏燃料池冷却系统（SFS）组成，位于4、5、6区。燃料处置区的主要功能是通过燃料操作系统接收、检验和贮存新燃料组件，并运输到反应堆厂房内，同时把乏燃料组件从反应堆厂房内输送到辅助厂房的乏燃料池，经贮存之后，最终装入屏蔽容器内运往厂房外。乏燃料池冷却系统用于排出燃料组件产生的衰变热。

AP1000核电站燃料操作系统区域共分两个，分别是反应堆厂房的换料水池和辅助厂房的燃料操作区（FHA），并通过一个贯穿安全壳的燃料运输管道相互连接。辅助厂房的燃料操作区可对外部事件如龙卷风以及龙卷风产生的飞射物进行防护，为乏燃料组件、新燃料组件及相关的放射性系统设置了屏蔽，并且在发生任何会引起燃料组件或相关放射性系统损坏的设计基准事故后，放射性物质的泄漏得到有效控制。[2]

2.5 机械设备区

布置在辅助厂房放射性控制区域的机械设备有：正常余热排出系统泵和热交换器，乏燃料冷却系统泵和热交换器，固体、液体和气体废物泵、箱体、除盐床和过滤器，化学和容积控制系统泵和加热器，空调机组设备和通风阀。

布置在辅助厂房非放射性控制区域的机械设备有：空调机组设备、加热器和通风阀，主控室相关的设备，仪表控制柜，蓄电池组，非能动安全壳冷却系统再循环泵和加热单元，部分冷冻水系统和空气冷却系统相关的设备。

2.6 安全壳贯穿区

辅助厂房内包容了所有的安全壳贯穿区域，包括机械，电气和仪控，并对各贯穿区域进行隔离。如放射性管道贯穿区与非放射性管道貫穿区隔离，电气贯穿区与工艺贯穿区的隔离；电气、仪控的冗余系列之间的隔离等。

2.7 主蒸汽和主给水隔离阀门间

主蒸汽和主给水隔离阀布置在辅助厂房1区的四至五层，在这里单独设立阀门间，并且与辅助厂房其他区域隔离，设计考虑可在主蒸汽或主给水管道破裂事故时提供足够的排汽空间，并且不会影响其他区域，引发二次事故。

3 模块化施工

模块化就是将相对密集布置的钢结构、设备、管道、仪表等物项组装成一个独立单元，形成一个整体进行吊装就位，可以在工厂预制完成，从而取代大量现场施工，因此对保证施工质量、缩短工期大有贡献。由于土建、安装、预制、现场组装出现并行施工、交叉施工的特点，因此要求相互协作更加紧密，对制定综合性进度计划是个挑战。

辅助厂房内布置有38个机械模块，19个结构模块。下面以机械模块KB04和结构模块CA20为例说明。

KB04模块位于辅助厂房12153房间，长宽高约4.1m×1.9m×2.6m，重量约5.5t。KB04模块将放射性气体废物处理系统的两个延迟床和一个保护床及其连接管道安装在同一个钢结构上。保护床是防止湿度大的废气流向下游，保护后边的延迟床，而延迟床用于对放射性废气进行延迟处理，降低废气中放射性水平。如图2所示，12153房间大小与KB04模块的尺寸基本接近，如果不采用模块化施工，12153房间的施工空间可达性低，难以方便现场焊接人员施工，该模块解决了施工困难的问题。

CA20模块为辅助厂房5、6区结构模块，长宽高约21m×14m×21m，重量约844t，位于标高66'-6"与135'-3"之间，见图3。CA20模块组成了乏燃料池、燃料运输通道、容器清洗池、容器装料池、废液暂存箱间、废液监测箱间、RNS系统管道阀门间等结构。为了便于运输，CA20模块又分为了几十个子模块，在现场拼装完成后，一次性吊裝就位，减少了现场施工量，对缩短工期有很大贡献。

4 辐射防护

根据辐射防护的要求，辅助厂房可分为非放射性控制区和放射性控制区，并进行了实体隔离。非放射性控制区主要是指布置了主控室、1E级仪表和控制系统、1E级电气系统、安全壳贯穿区、主蒸汽和主给水隔离阀间的1、2区；放射性控制区主要是指布置了燃料处置区的3-6区。但是每一层的实体隔离位置并非完全相同，屏蔽墙具体位置见表2。

5 结论

5.1 总体布置紧凑，充分利用空间

辅助厂房替代了传统核电站辅助厂房、燃料厂房、电气厂房和连接厂房，使得总体占地面积变小，功能区域的衔接更为紧密。

5.2 总体布置合理，灾害防护考虑周全，符合纵深防御要求

作为潜在水淹水源水池、箱体等结构和设备，均布置于低楼层内，且在各自隔间内。

划分防火区域，各个区域之间利用墙体和楼板作为非能动的防火屏障和实体分隔，并设置有火灾探测系统和灭火系统。

通过实体隔离将厂房分为放射性控制区和非放射性控制区，两个区域配置单独的进出通道，能有效降低运行及维修时人员受辐照的剂量。

考虑内部飞射物及其二次效应的防护，建筑结构设计，机械设备布置设计，以及定期的在役检查，使事故发生的概率最小化。

考虑多重性、多样性和独立性原则，使共因故障影响降到最小，安全相关设备和非安全相关设备之间、多重安全相关设备或系列之间均实施实体隔离。

5.3 模块化施工提高效率和工程质量

模块化设计缩短了建造工期，减少了现场人力，减小了现场施工密度，增加了工厂预制与组装工作量，可以更好地保证施工质量。

5.4 电气仪控集中布置

先进的电气仪控设计，如先进的保护系统、主控室、分布式逻辑柜和光纤的应用大大减少了电缆、托盘和电缆导管的数量，相比传统核电站电缆散布在房间的情况，有了很大的改进，降低了厂房总体布置的难度。

6 优化方案

在辅助厂房6区中布置有乏燃料池，容器装料池，容器清洗池和燃料运输通道，该区域是辅助厂房内潜在的水淹水源的集聚区，对核电站的安全性起着至关重要的作用，尤其是乏燃料池，肩负着排出乏燃料衰变热，屏蔽放射性的重任。经过对这些水池特性的计算和分析，虽然目前的设计可以满足各项要求，但是其水容积冗余较小，池壁结构墙厚度的冗余较小，可容纳的最大乏燃料组件数量也不算多。

出于这个方面的考虑，对辅助厂房进行扩容设计，见图4，新增区域主要用于扩容乏燃料池等水源的容积，这样优化的好处有：（1）便于在厂内贮存更多水源，提高安全冗余，减小辅助厂房内的空间布置压力；（2）可贮存更多的乏燃料组件，增加屏蔽放射性的有效水容积；（3）可以使安全壳两侧的辅助厂房形成对称结构，有利于增强核岛整体基础的抗压强度。

参考文献

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

[2]林诚格，等.非能动安全先进压水堆核电技术[M].北京：原子能出版社，2010.

作者简介：吴国强（1982-），男，浙江萧山人，工程师，硕士研究生，研究方向为核电站核岛布置。