锻造“华龙一号”常规岛精品工程

2018-01-19李儒鹏黄家运刘鹤忠

中国核电 2017年4期

李儒鹏,黄家运,张熠,刘鹤忠

(中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司,上海 200063)

“华龙一号”示范工程的技术方案建立在我国已掌握的成熟技术基础之上,吸收福岛核电站事故的经验反馈,考虑了完善的严重事故预防与缓解措施;相对于国内翻版改进型核电厂 (M310堆型)实施了一系列重要的安全设计和技术改进,“华龙一号”示范工程的常规岛设计充分吸收国内外成熟先进的核电设计、制造、施工及安装技术,在满足安全、可靠的前提下降低工程造价,工程设计方面进行了多项关键技术的突破和全面的优化,体现了“华龙一号”三代核电技术的明显优势,彰显出常规岛的设计技术在可靠性、经济性及先进性方面的显著特点和诸多亮点。

1 降标高布置方案

1.1 方案主要背景

20世纪90年代初,华东院率先将降标高布置方案成功应用于核电站常规岛主厂房设计,产生了良好的经济效益和社会效益,引领了国内大容量核电常规岛设计的潮流和发展方向,近十年来,一大批百万千瓦级核电工程,以降标高方案为基础,进行了常规岛主厂房的设计和建设,投入运行后,技术和经济指标优良,得到了总包单位和广大业主的一致好评。当前,一批正在设计和计划中的核电工程,同样将降低标高布置作为常规岛工程首选考虑方案,其中包括 “华龙一号”示范工程福清核电站5、6号机组。

1.2 示范工程厂址基本条件

表1是与常规岛主厂房标高设置密切相关的示范工程厂址基本条件,这是常规岛主厂房标高方案分析的基础。

表1 “华龙一号”示范工程厂址基本条件Table 1 Basic conditions for the site of Hualong One demonstration project

1.3 示范工程标高优化分析

根据以上示范工程输入条件,结合主机冷端优化后的参数,对示范工程常规岛主厂房标高设置进行了优化分析。

1)若采用地面布置方案,汽轮机房凝汽器水室顶标高、堰上水位、排水尾部及平均高低水位数据见图1。

2)地面布置的堰上水位约为8.37 m,相比平均潮位、特别是平均低潮位,排出的循环冷却水有明显的 “跌落水头损失”,造成循环水系统功率损失。

3)鉴于以上地面布置方案对机组运行经济性带来了明显不利的特点,需要采取降低汽机房布置标高的方法,提高机组运行的经济性。

图1 地面布置方案主要标高关系图Fig.1 Relations of main elevations in the ground layout

4)通过综合分析降低标高后循环水系统、主厂房布置、接口、工程量及机组功率等之间的变化关系及运行投资估算,确定了降低8.5 m的优化方案,该方案相比福清核电站1、2号机组及福清核电站3、4机组降低7.5方案,经济性更加优越,厂房布置更为合理畅通,这是示范工程对实施经验反馈一个典型案例。

1.4 示范工程标高方案优化后的主要特点和优势

1)由于有效地降低了循环水泵扬程,节省了循环水泵的采购费用,一台机组两台泵配置,节省了约600万元的设备成本。

2)由于有效地降低了循环水泵扬程,循环水泵运行厂用电明显下降,经计算,每年节省了厂用电约2 600万元,在60年运行周期内均可得到明显收益;

3)常规岛主厂房降低标高后,主厂房结构、暖通消防、循环水构筑物等工程量方面有一定的增加,初步估算增加值在6 000万元上下,扣除设备采购费用的节省,应该在机组投运2年左右时间,就可得到回收,项目整体经济性明显增加。

4)降低标高后,常规岛主厂房的结构稳定性大大增加,抗震性能提高,保证60年运行期内,机组安全、可靠运行。

2 半转速长叶片汽轮发电机组技术

2.1 汽轮发电机组总体技术

“华龙一号”示范工程汽轮发电机组是东方电气和国内多个协作单位在20多年、20多台百万千瓦级核电汽轮发电机组技术引进消化、自主研发和应用基础上,进行了多项开创性的技术突破和大量的技术改进分析,形成了完全自主知识产权的系统性集成技术,保证 “华龙一号”示范工程常规岛核心设备的可靠性、先进性及经济性。

该型机组技术的总体方案为三缸四排汽、半转速、末级叶片1 828 mm长度的汽轮机组,配水氢氢发电机及其他辅助系统。

2.2 汽轮发电机组中的核心技术

(1)1 828 mm末级叶片技术

1 828 mm末级叶片是目前世界上在运、在建的核电站汽轮机最长的叶片,也是最先进的技术,由东方电气自主开发,经过了一系列论证和优化,完成了大量子课题的攻关,包括叶片部件材料的选择及其六十年寿命验证、超长叶片的加工程序、超长叶片变形控制技术、超长叶片应力试验方法等,2012年6月,成功完成了叶轮空气动力试验和应力试验。为 “华龙一号”示范工程汽轮发电机组正式制造创造了条件。

通过长叶片方案的应用,汽轮发电机组在不增加低压缸数量的情况下增大了机组的排汽面积,相比福清1、2机组1 430 mm末级叶片的汽轮机,其名义排汽面积从80 m2增加到120 m2,提高了机组的发电功率和效率,长叶片方案避免了 “华龙一号”堆型采用3个低压缸方案,汽轮机设备的直接成本节省超过1 000万元以上人民币,同时也节省了汽轮机厂房布置空间,机组的经济性也明显提高。

(2)焊接转子技术

低压缸焊接转子的采用也是该型汽轮发电机组的一个亮点,焊接转子由许多分段组焊而成,分段内部可形成较大的空腔,转子惯性低、启动快,机组运行更灵活;另外,由于焊接转子的锻件尺寸小,锻件的锻压质量和热处理质量容易得到保证,转子金属组织均匀,内在质量检测的可靠性高,该项技术同样经过了详细的自主研究、论证和优化,按照核电产品过程控制的严格要求,全面应用于 “华龙一号”示范工程的汽轮发电机组设备中,保证了机组可靠性、经济性的同时,技术指标也处于同行领先水平。

(3)发电机组三维设计技术

示范工程自主化发电机组也具有众多独特的设计特点,由于定子、转子结构的复杂性、定子线圈环形引线安装的空间非常紧凑等特点,设计人员利用三维技术对安装过程进行了全动画设计,模拟后续工序,包括工人怎么操作、如何移动等,设计方案的精度、设备安装、调试和运行各环节的质量得到可靠保证。

(4)凝汽器技术改进

根据福清核电站1、2号机组等几台同类型的百万千瓦核电机组,运行后均发生凝汽器传热管磨损的情况,示范工程从设计方案开始,对传热管和相关结构,进行了针对性的改进,有效地减小汽流激振下冷却管的振幅,从而在一定程度上避免冷却管发生碰磨现象,成为经验反馈的又一成果。

(5)机组功率的保证

通过以上技术方案的开发、试验和论证,同时与其他各项改进技术集成,“华龙一号”示范工程汽轮发电机组在T MCR工况下可保证达到1 161 MW的功率水平。

3 常规岛设计中一些关键技术的攻克和应用

对于 “华龙一号”示范工程的常规岛设计,除以上降标高布置方案和主设备选型优化工作外,设计承担单位华东院还进行了30多项设计技术的攻关和改进,本文列举如下几项代表性的技术,以进一步体现示范工程的常规岛设计综合水平。

3.1 核电常规岛主蒸汽管道地震应力分析

(1)地震应力分析课题背景

日本核岛事故后,地震对于核电站安全的影响日益受到关注,常规岛主蒸汽和主给水管道与核岛直接相连,该部分系统在地震工况下的运行情况,也间接影响着核电站的安全、可靠运行,有必要及时开展常规岛主蒸汽和主给水管道地震应力分析课题攻关研究,并在 “华龙一号”示范工程中应用。

(2)地震应力分析主要内涵

华东院组织院内技术骨干,成立专项课题,查阅国外资料,建立了核电主蒸汽计算模型,分别用静力、动力两种方法,不同的地震加速度,经过两年多时间计算和分析,对核电主蒸汽和主给水管道地震工况应力反复研究和论证,掌握了地震工况应力的计算原理、计算方法,了解了各种工况下,管系应力分布特点、变化规律,各类支吊架包括阻尼器的设置要求。

以计算后阻尼器荷载数据分析为例,计算表明:通过动力法计算后阻尼器荷载明显高于静力法,平均增大65%左右,个别阻尼器荷载值相差2～3倍,图2是静力和动力两种不同计算方法计算后阻尼器的载荷变化特征。通过这些计算和分析,不仅了解了阻尼器在地震工况下的机理和重要作用,同时对管系中如何布局阻尼器,有直接的指导作用。

图2 地震应力不同计算方法计算结果增幅比较表Fig.2 Co mparison f or t he calculation result increase of seis mic stress with different calculation methods

(3)地震应力分析重大意义

核电常规岛主蒸汽和主给水管道地震工况应力分析课题的完成,是核电常规岛技术发展的又一次重大突破,该技术在 “华龙一号”示范工程的成功应用,提升了常规岛乃至整个电站系统设计的可靠性和安全性。

3.2 常规岛主厂房防倒塌分析技术

常规岛主厂房为非核级抗震建筑物,即与核安全无关的III类物项,但是由于常规岛主厂房与核岛相邻,若其在地震中发生倒塌,将可能危及核岛中的电气厂房等I类物项,按照我国《核电厂的抗震设计与鉴定》(HAD102/02)和《核电厂常规岛设计规范》(GB/T 50958-2013)中的规定,需要评估常规岛主厂房对核岛辅助附属厂房的影响,进行在厂址极限安全地震动 (SL-2)作用下的结构防倒塌验算,以确保常规岛厂房结构在强震下不会发生倒塌及丧失功能。

地震作用下结构的防倒塌分析方法,主要有非线性动力时程分析及非线性静力推覆分析。经过分析,选用非线性静力推覆分析即push-over方法,对常规岛主厂房结构防倒塌进行分析和验算,该方法计算简便、结果丰富直观,已并被纳入FEMA-356、ATC-40及我国的《建筑抗震设计规范》等规范标准。华东院率先采用pushover方法,对百万千瓦级核电厂常规岛主厂房在强震作用下性能特性进行研究,并将相关成果及时应用到 “华龙一号”示范工程常规岛主厂房的防倒塌分析及工程设计中。

对常规岛主厂房的防倒塌分析研究表明,通过push-over分析可以直观地了解到地震作用下结构的内力和变形特性、塑性铰出现的顺序和位置等信息,从而确定结构在强震作用下的非线性特性、薄弱点及破坏机制。图3为常规岛主厂房整体结构计算分析模型,图4为y向加速度常量加载下的塑性铰分布图。

图3 常规岛主厂房整体结构模型Fig.3 Integral str ucture model of the main building of t he conventional island

图4 y向加速度常量加载下的塑性铰分布图Fig.4 Plastic hinge distribution when loading Y-direction acceleration constant

在规定地震作用下,“华龙一号”示范工程常规岛主厂房结构在性能点处的层间位移角和最大位移均满足要求,主要受力构件的塑性发展程度不深,塑性铰主要集中在梁的两端。结果表明,“华龙一号”示范工程常规岛主厂房能够通过防倒塌验算,不会影响到其周边核岛的辅助附属厂房结构,目前 “华龙一号”示范工程常规岛主厂房土建设计工作基本结束,正在对主厂房最后阶段计算复核工作,计算分析结果将体现在项目的最终安全分析报告中。

3.3 系统设计及布置方案进一步优化

系统设计及布置方案是 “华龙一号”示范工程常规岛设计方案的重要组成部分,华东院 “华龙一号”项目组在充分吸取30多年设计经验基础上,结合示范工程特点,提出了更多详细的优化改进方案,一些典型的改进方案如下:取消蒸汽转换器系统、取消至除氧器的旁路排放阀、采用立式MSR疏水泵、优化设备选型、优化管道材料的选取、优化主蒸汽和主给水管道布置、优化主给水流量控制系统阀门站布置、优化凝结水精处理系统酸碱废水中和池布置方案等,这些改进和完善措施均在保证机组运行安全的基础上,在施工图设计中贯彻执行,做到设计方案科学、合理又经济。

4 先进的设计手段

“华龙一号”示范工程在大量火电及核电三维协同设计经验的基础上,首次在核电中采用更为先进、功能更强大的Smart3D三维设计软件进行设计,工艺专业的设备及管道 (含支吊架)、结构专业的梁柱及平台、电气专业电缆桥架、暖通专业的风道以及大量设备供货商的三维模型等齐聚三维模型中,在模型中完成各专业配合、各设备接口配合、碰撞检查及成品出图,从而基本消除了现场施工中的相互干涉带来的返工情况,提高了设计效率,图5是示范工程汽机房运转层三维渲染图。