模块化设计方法在多用途模块式小堆中的应用研究

蔡鼎阳　林亮　唐涌涛　苏荣福

【摘 要】本文以多用途模块式小堆自动卸压系统布置设计为例，介绍了利用模块化设计方法进行管道布置的设计思路与流程，初步讨论了模块化设计方案的特点以及相对传统设计方案的优势，提出模块化设计在工程应用中待解决的一些问题，为模块化设计方法在核电工程的布置设计用的应用提供参考。

【关键词】模块式小堆;模块化设计;管道模块

中图分类号： TL351.1文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）13-0072-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.033

Research of Modularization Design Method Application in multipurpose-SMR

CAI Ding-yang LIN Liang TANG Yong-tao SU Rong-fu

（China institute of nuclear power research and design，Chengdu Sichuan 610213，China）

【Abstract】This paper analyzed the designing process and problem in piping layout about modularization design method application in automatic depressurization system of multipurpose-SMR.It discussed the characteristics about piping module and advantages comparing with ordinary nuclear power plant.Some disadvantageous factors in engineering design are also discussed.It can be a reference for piping layout designing in nuclear power plant engineering.

【Key words】SMR;Modularization design method;Piping module

1 背景概述

模块式小堆相比于大、中型核电机组，在电厂厂址的选择与要求上更加灵活，建造周期更短，在未来具有广阔的应用前景。在设计、制造、安装等领域，模块式小堆相较传统核电厂有较大的区别。

模块化设计的应用，使得大量设备与工艺系统可作为模块在设备制造厂制造完成，提高工艺系统安装质量，减少现场安装的工序。在批量生产与安装的阶段，相较传统的施工设计流程有明显优势[1]。

自动卸压系统在发生假想的设计基准事故时，使反应堆冷却剂系统降压，以便安全注射系统将水顺利注入堆芯提供应急冷却，防止高压熔堆。自动卸压系统具有以下一些特点：

（1）系统功能重要，直接执行反应堆系统安全相关功能;

（2）对系统设备安装焊接质量要求较高，在役检查要求较高;

（3）系统阀门较多，主要阀门布置较为集中，具备模块化设计条件;

由于自动卸压系统自身特点有利于模块化设计，以该系统进行模块化设计应用具有一定的典型性与普适性。因此，选取快速卸压阀及相关管系作为模块化设计对象，进行管道模块的初步设计与讨论工作。

2 管道模块设计方案

2.1 管道模块设计流程与原则

管道模块的三维设计流程主要分为两个步骤：

（1）模块划分：进行工艺系统的划分与模块化设计对象的选取;根据对象系统的特点进行接口划分，确定模块包含的对象与外部需要装配的接口;

（2）模块设计：进行管道模块的详细设计;包括工艺系统布置设计、模块结构设计、吊点或临时支承设计等;

为满足自动卸压系统的系统功能要求、核电行业相关设计规范，管道模块的主要设计思路与原则如下[2]：

（1）模块设计应考虑假定内部事件发生时，不会导致重要设备部件丧失执行安全功能的能力;

（2）模块设计时应考虑系统设备安装、检修、操作、在役检查的需求，留有足够的人员检修空间以及人员设备通道;

（3）模块的外形尺寸应考虑公路运输的能力，不宜设计的过大;

（4）模块设计时不应对其系统功能的实现产生不可接受的影响;

（5）模块接口的设计应当充分考慮外部接口的合理性，尽量保证与外部相关管道连接的可操作性;

（6）为保证自动卸压系统工艺功能的实现，同时为了满足系统疏水需求，模块内管道的设计都应设计保证一定向下的坡度;

2.2 管道模块设计背景简介

基于以上原则与思路，考虑将两列快速卸压阀及相关管系集成管路模块，模块集成部分系统流程示意图详见图1。

根据实际工程总体规划情况，自动卸压系统阀门组与安全阀等排放管系布置于稳压器隔间侧部专用隔间内，隔间净空高度约4.5m;除去为安全阀及其排放管线预留空间外，隔间内预留出约6.6m2面积作为自动卸压系统阀门组的布置空间，如图2所示;

2.3 设计方案介绍

2.3.1 分散式方案

自动卸压系统管道的布置设计工作基于PDMS三维设计平台进行。工程前期对设计对象进行了传统的分散式布置，提出方案一。

方案一中为充分利用房间高度方向上空间，采取了上下双层布置形式，将隔间右部规划为人员通行区域。为了满足与稳压器上封头接管的接口需求，快速卸压阀组分为上下两层，两层阀组间间隔较大，上层阀组布置位置较高。上层阀组与下层阀组在竖直方向上高差为1970mm，为管道支承的设置与疏水管道的布置设计留出了足够的空间。同层阀组内阀门以阵列式布置，在考虑管道5‰坡度的情况下，尽可能保证阀门布置的整齐，尽可能为阀门间支架设计提供共用结构设置空间，以提高空间利用率。上下两层阀组外形包络尺寸约1750mm（长）×2320mm（宽）×2950mm（高）

方案一作为一种较为传统的布置形式，将快速卸压阀组按照两个系列进行分别布置。分散式布置设计在考虑管道、阀门等在考虑设备运输时具有某些优势，且传统的施工技术在二代加核电中较为成熟，不存在技术上的风险。但分散式布置同时也有以下缺点：

（1）该方案中上层阀组的支承需要额外设计钢结构进行支撑，钢平台的设计存在一定难点;

（2）由于系统疏水接口较多，在主要管系完成安装后，疏水管线与阀门将没有足够安装空间;

（3）上层与下层阀组均存在管道支架设计困难的情况;

（4）上层阀组内侧人员可达性不佳，给在役检查的实施造成一定的困难;

（5）同一隔间的安全阀组施工严重受到快速卸压阀组的施工进度影响;

（6）若安装工序安排不当，则施工时很容易出现部分靠墙管道无法安装的情况。

2.3.2 模块化设计方案

为解决以上问题，提出将应用模块化设计方法应用于快速卸压阀组的设计中，提出方案二。

方案二将设计对象集成为一个整体管道模块，通过管道支承将整个对象集成在钢制框架结构上，形成一个集管道、管路附件、管道支承、框架结构为一体的管道模块。管道模块内部全部在工厂内预制完成，通过开顶法直接吊装至专用隔间后，与外部系统通过预留的5个接口在现场进行安装连接。模块外形尺寸约1600mm（长）×1750mm（宽）×2400mm（高），满足NB/T 20258.1中相关尺寸规定，可满足公路运输要求。

在相同土建背景条件下，方案二同样选择对设计对象在高度方向进行拓展，但是进行了更紧凑的集成，大幅改善了分散式布置的部分缺点，相较于分散式布置方案（方案一）有如下一些优势与特点：

（1）在设计对象包络空间体积上，较分散式布置方案（方案一）缩小了约44%;

（2）模块内的所有部件均在工厂预制装配，很好地解决了现场安装空间狭窄，安装条件恶劣的问题，有效地保证了模块内工艺系统的安装质量;

（3）快速卸压阀组模块的安装将不再影响安全阀组的安装施工，现场在模块就位完成后仅完成接口的对接安装，大幅减小现场安装工作量;

（4）模块在侧部预留出了转运与存放时焊接临时刚性支承与吊点的空间，保证了模块的安装性，但在最终施工安装前，临时刚性支承需要拆除以压缩实际占用的空间;

（5）管系模块本身包含部分钢平台结构，可作为检修与操作平台使用，减少了分散式方案中现场钢结构设置难度，解决了上层阀组的操作与检修难问题;

3 模块化设计应用待解决的问题

在制造与安装的过程中，模块化设计相较于传统设计理念有着不少先天优势，尤其在批量开工建设的背景条件下更能体现出其建造速度快的特点，但是同样也有一些因素制约了其优势的体现[3]。

首先，由于模块制造单位进行模块的集成建造于供货，而模块内的关键部件（如阀门等）则由各部件供应商（阀门供应商等）制造提供，部件的供货进度严重制约了模块制造的进度。若模块中部分部件无法及时供应，导致模块无法按时供货并安装就位，模块将可能无法按照预先设计的引入方式进行安装。如在模块式小堆的建设中，快速卸压阀组模块布置于±0.00m操作平台上，利用开顶法通过外部大型塔吊从安全壳顶部引入安装区域完成就位。若快速卸压阀组模块因其内部的阀门等供货进度较晚而影响模块整体建造进度，可能导致安全壳穹顶封顶等重大施工建设节点的延期。对此，解决方案则是将整体模块拆散，分别通过安全壳的设备闸门进行引入，在预定安装区域进行现场装配工作，可参考三门1#机组稳压器顶部Q601模块的安裝过程[4]。但此种方式则回到了传统施工方式的老路，模块化设计的优势与特点都全部无法体现，是最不推荐的解决方法。

其次，模块安装与现场管系的安装工作是同步进行的，模块引入安装区域的同时模块接口的相关管现同时也在施工。由于土建以及工艺系统的安装误差，可能会造成模块接口现场的安装不匹配情况发生。如果超出模块及管系调整段的调整范围，需要对外部接口管系进行较大幅度的调整，导致模块接口位置的力学接口参数发生较大变化，对模块本身的力学模型和力学评价结果产生不利影响甚至导致修改模块本身的设计。

最后，模块化设计的优势在核电机组大批量建造的背景条件下将更为明显，标准化、批量化的生产将大幅缩短模块本身的建造周期与建造成本。然而在目前核电需求并不饱满，不具备大批量开工建造的条件下，模块化设计与建造的优势将不再突出。

4 结论与建议

模块化设计理念在新一代完全自主设计的核电工程项目中并无太多实际应用经验，从顶层设计思路的合理性到对下游施工安装影响都有待检验。但由于其设计理念的先进性，代表了未来核电工程设计发展方向。从模块化设计本身的理念来看，在未来的研究与应用中，有以下建议：

（1）工艺系统的模块化设计应充分考虑系统本身特点，合理选择集成设计的对象;模块设计时外部接口的设置应尽量少而集中，避免外部接口过于复杂而造成现场施工不便的情况;

（2）模块设计时应充分考虑现场施工误差对模块的影响，在设计阶段以预留足够调整段、设计可替换模块等方法，提高对于制造安装中出现偏差的容错率;

（3）对于较大的集成模块，为避免模块中部分关键部件供货进度对于模块整体供货的影响，可考虑在大型集成模块中再划分较小的部件模块，预先考虑相应的安装接口与手段。在关键部件无法到位的情况下，优先进行模块主体部分的安装工作，后续待关键部件到达现场后再引入，完成模块的装配工作。

【参考文献】

[1]林诚格，郁祖盛，欧阳予.非能动安全先进核电厂AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.

[2]鲁勤武，柴伟东，韩小萍，赵淑昱，李轶，张淑霞.核电工程模块化设计技术研究[J].核科学与工程，2013，33（3）：254-259.

[3]赵淑昱，鲁勤武，李轶.AP1000模块化施工分析[C].中国核科学技术进展报告（第三卷）：哈尔滨：中国核学会，2013：399-405.

[4]邹玮.AP1000模块化施工分析[J].中国核电，2014，1（3）：42-46.