模塊化設(shè)計方法在多用途模塊式小堆中的應(yīng)用研究

蔡鼎陽　林亮　唐涌濤　蘇榮福

【摘 要】本文以多用途模塊式小堆自動卸壓系統(tǒng)布置設(shè)計為例，介紹了利用模塊化設(shè)計方法進(jìn)行管道布置的設(shè)計思路與流程，初步討論了模塊化設(shè)計方案的特點(diǎn)以及相對傳統(tǒng)設(shè)計方案的優(yōu)勢，提出模塊化設(shè)計在工程應(yīng)用中待解決的一些問題，為模塊化設(shè)計方法在核電工程的布置設(shè)計用的應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】模塊式小堆;模塊化設(shè)計;管道模塊

中圖分類號： TL351.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 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

模塊式小堆相比于大、中型核電機(jī)組，在電廠廠址的選擇與要求上更加靈活，建造周期更短，在未來具有廣闊的應(yīng)用前景。在設(shè)計、制造、安裝等領(lǐng)域，模塊式小堆相較傳統(tǒng)核電廠有較大的區(qū)別。

模塊化設(shè)計的應(yīng)用，使得大量設(shè)備與工藝系統(tǒng)可作為模塊在設(shè)備制造廠制造完成，提高工藝系統(tǒng)安裝質(zhì)量，減少現(xiàn)場安裝的工序。在批量生產(chǎn)與安裝的階段，相較傳統(tǒng)的施工設(shè)計流程有明顯優(yōu)勢[1]。

自動卸壓系統(tǒng)在發(fā)生假想的設(shè)計基準(zhǔn)事故時，使反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)降壓，以便安全注射系統(tǒng)將水順利注入堆芯提供應(yīng)急冷卻，防止高壓熔堆。自動卸壓系統(tǒng)具有以下一些特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)功能重要，直接執(zhí)行反應(yīng)堆系統(tǒng)安全相關(guān)功能;

（2）對系統(tǒng)設(shè)備安裝焊接質(zhì)量要求較高，在役檢查要求較高;

（3）系統(tǒng)閥門較多，主要閥門布置較為集中，具備模塊化設(shè)計條件;

由于自動卸壓系統(tǒng)自身特點(diǎn)有利于模塊化設(shè)計，以該系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計應(yīng)用具有一定的典型性與普適性。因此，選取快速卸壓閥及相關(guān)管系作為模塊化設(shè)計對象，進(jìn)行管道模塊的初步設(shè)計與討論工作。

2 管道模塊設(shè)計方案

2.1 管道模塊設(shè)計流程與原則

管道模塊的三維設(shè)計流程主要分為兩個步驟：

（1）模塊劃分：進(jìn)行工藝系統(tǒng)的劃分與模塊化設(shè)計對象的選取;根據(jù)對象系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行接口劃分，確定模塊包含的對象與外部需要裝配的接口;

（2）模塊設(shè)計：進(jìn)行管道模塊的詳細(xì)設(shè)計;包括工藝系統(tǒng)布置設(shè)計、模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計、吊點(diǎn)或臨時支承設(shè)計等;

為滿足自動卸壓系統(tǒng)的系統(tǒng)功能要求、核電行業(yè)相關(guān)設(shè)計規(guī)范，管道模塊的主要設(shè)計思路與原則如下[2]：

（1）模塊設(shè)計應(yīng)考慮假定內(nèi)部事件發(fā)生時，不會導(dǎo)致重要設(shè)備部件喪失執(zhí)行安全功能的能力;

（2）模塊設(shè)計時應(yīng)考慮系統(tǒng)設(shè)備安裝、檢修、操作、在役檢查的需求，留有足夠的人員檢修空間以及人員設(shè)備通道;

（3）模塊的外形尺寸應(yīng)考慮公路運(yùn)輸?shù)哪芰?，不宜設(shè)計的過大;

（4）模塊設(shè)計時不應(yīng)對其系統(tǒng)功能的實現(xiàn)產(chǎn)生不可接受的影響;

（5）模塊接口的設(shè)計應(yīng)當(dāng)充分考慮外部接口的合理性，盡量保證與外部相關(guān)管道連接的可操作性;

（6）為保證自動卸壓系統(tǒng)工藝功能的實現(xiàn)，同時為了滿足系統(tǒng)疏水需求，模塊內(nèi)管道的設(shè)計都應(yīng)設(shè)計保證一定向下的坡度;

2.2 管道模塊設(shè)計背景簡介

基于以上原則與思路，考慮將兩列快速卸壓閥及相關(guān)管系集成管路模塊，模塊集成部分系統(tǒng)流程示意圖詳見圖1。

根據(jù)實際工程總體規(guī)劃情況，自動卸壓系統(tǒng)閥門組與安全閥等排放管系布置于穩(wěn)壓器隔間側(cè)部專用隔間內(nèi)，隔間凈空高度約4.5m;除去為安全閥及其排放管線預(yù)留空間外，隔間內(nèi)預(yù)留出約6.6m2面積作為自動卸壓系統(tǒng)閥門組的布置空間，如圖2所示;

2.3 設(shè)計方案介紹

2.3.1 分散式方案

自動卸壓系統(tǒng)管道的布置設(shè)計工作基于PDMS三維設(shè)計平臺進(jìn)行。工程前期對設(shè)計對象進(jìn)行了傳統(tǒng)的分散式布置，提出方案一。

方案一中為充分利用房間高度方向上空間，采取了上下雙層布置形式，將隔間右部規(guī)劃為人員通行區(qū)域。為了滿足與穩(wěn)壓器上封頭接管的接口需求，快速卸壓閥組分為上下兩層，兩層閥組間間隔較大，上層閥組布置位置較高。上層閥組與下層閥組在豎直方向上高差為1970mm，為管道支承的設(shè)置與疏水管道的布置設(shè)計留出了足夠的空間。同層閥組內(nèi)閥門以陣列式布置，在考慮管道5‰坡度的情況下，盡可能保證閥門布置的整齊，盡可能為閥門間支架設(shè)計提供共用結(jié)構(gòu)設(shè)置空間，以提高空間利用率。上下兩層閥組外形包絡(luò)尺寸約1750mm（長）×2320mm（寬）×2950mm（高）

方案一作為一種較為傳統(tǒng)的布置形式，將快速卸壓閥組按照兩個系列進(jìn)行分別布置。分散式布置設(shè)計在考慮管道、閥門等在考慮設(shè)備運(yùn)輸時具有某些優(yōu)勢，且傳統(tǒng)的施工技術(shù)在二代加核電中較為成熟，不存在技術(shù)上的風(fēng)險。但分散式布置同時也有以下缺點(diǎn)：

（1）該方案中上層閥組的支承需要額外設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐，鋼平臺的設(shè)計存在一定難點(diǎn);

（2）由于系統(tǒng)疏水接口較多，在主要管系完成安裝后，疏水管線與閥門將沒有足夠安裝空間;

（3）上層與下層閥組均存在管道支架設(shè)計困難的情況;

（4）上層閥組內(nèi)側(cè)人員可達(dá)性不佳，給在役檢查的實施造成一定的困難;

（5）同一隔間的安全閥組施工嚴(yán)重受到快速卸壓閥組的施工進(jìn)度影響;

（6）若安裝工序安排不當(dāng)，則施工時很容易出現(xiàn)部分靠墻管道無法安裝的情況。

2.3.2 模塊化設(shè)計方案

為解決以上問題，提出將應(yīng)用模塊化設(shè)計方法應(yīng)用于快速卸壓閥組的設(shè)計中，提出方案二。

方案二將設(shè)計對象集成為一個整體管道模塊，通過管道支承將整個對象集成在鋼制框架結(jié)構(gòu)上，形成一個集管道、管路附件、管道支承、框架結(jié)構(gòu)為一體的管道模塊。管道模塊內(nèi)部全部在工廠內(nèi)預(yù)制完成，通過開頂法直接吊裝至專用隔間后，與外部系統(tǒng)通過預(yù)留的5個接口在現(xiàn)場進(jìn)行安裝連接。模塊外形尺寸約1600mm（長）×1750mm（寬）×2400mm（高），滿足NB/T 20258.1中相關(guān)尺寸規(guī)定，可滿足公路運(yùn)輸要求。

在相同土建背景條件下，方案二同樣選擇對設(shè)計對象在高度方向進(jìn)行拓展，但是進(jìn)行了更緊湊的集成，大幅改善了分散式布置的部分缺點(diǎn)，相較于分散式布置方案（方案一）有如下一些優(yōu)勢與特點(diǎn)：

（1）在設(shè)計對象包絡(luò)空間體積上，較分散式布置方案（方案一）縮小了約44%;

（2）模塊內(nèi)的所有部件均在工廠預(yù)制裝配，很好地解決了現(xiàn)場安裝空間狹窄，安裝條件惡劣的問題，有效地保證了模塊內(nèi)工藝系統(tǒng)的安裝質(zhì)量;

（3）快速卸壓閥組模塊的安裝將不再影響安全閥組的安裝施工，現(xiàn)場在模塊就位完成后僅完成接口的對接安裝，大幅減小現(xiàn)場安裝工作量;

（4）模塊在側(cè)部預(yù)留出了轉(zhuǎn)運(yùn)與存放時焊接臨時剛性支承與吊點(diǎn)的空間，保證了模塊的安裝性，但在最終施工安裝前，臨時剛性支承需要拆除以壓縮實際占用的空間;

（5）管系模塊本身包含部分鋼平臺結(jié)構(gòu)，可作為檢修與操作平臺使用，減少了分散式方案中現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置難度，解決了上層閥組的操作與檢修難問題;

3 模塊化設(shè)計應(yīng)用待解決的問題

在制造與安裝的過程中，模塊化設(shè)計相較于傳統(tǒng)設(shè)計理念有著不少先天優(yōu)勢，尤其在批量開工建設(shè)的背景條件下更能體現(xiàn)出其建造速度快的特點(diǎn)，但是同樣也有一些因素制約了其優(yōu)勢的體現(xiàn)[3]。

首先，由于模塊制造單位進(jìn)行模塊的集成建造于供貨，而模塊內(nèi)的關(guān)鍵部件（如閥門等）則由各部件供應(yīng)商（閥門供應(yīng)商等）制造提供，部件的供貨進(jìn)度嚴(yán)重制約了模塊制造的進(jìn)度。若模塊中部分部件無法及時供應(yīng)，導(dǎo)致模塊無法按時供貨并安裝就位，模塊將可能無法按照預(yù)先設(shè)計的引入方式進(jìn)行安裝。如在模塊式小堆的建設(shè)中，快速卸壓閥組模塊布置于±0.00m操作平臺上，利用開頂法通過外部大型塔吊從安全殼頂部引入安裝區(qū)域完成就位。若快速卸壓閥組模塊因其內(nèi)部的閥門等供貨進(jìn)度較晚而影響模塊整體建造進(jìn)度，可能導(dǎo)致安全殼穹頂封頂?shù)戎卮笫┕そㄔO(shè)節(jié)點(diǎn)的延期。對此，解決方案則是將整體模塊拆散，分別通過安全殼的設(shè)備閘門進(jìn)行引入，在預(yù)定安裝區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場裝配工作，可參考三門1#機(jī)組穩(wěn)壓器頂部Q601模塊的安裝過程[4]。但此種方式則回到了傳統(tǒng)施工方式的老路，模塊化設(shè)計的優(yōu)勢與特點(diǎn)都全部無法體現(xiàn)，是最不推薦的解決方法。

其次，模塊安裝與現(xiàn)場管系的安裝工作是同步進(jìn)行的，模塊引入安裝區(qū)域的同時模塊接口的相關(guān)管現(xiàn)同時也在施工。由于土建以及工藝系統(tǒng)的安裝誤差，可能會造成模塊接口現(xiàn)場的安裝不匹配情況發(fā)生。如果超出模塊及管系調(diào)整段的調(diào)整范圍，需要對外部接口管系進(jìn)行較大幅度的調(diào)整，導(dǎo)致模塊接口位置的力學(xué)接口參數(shù)發(fā)生較大變化，對模塊本身的力學(xué)模型和力學(xué)評價結(jié)果產(chǎn)生不利影響甚至導(dǎo)致修改模塊本身的設(shè)計。

最后，模塊化設(shè)計的優(yōu)勢在核電機(jī)組大批量建造的背景條件下將更為明顯，標(biāo)準(zhǔn)化、批量化的生產(chǎn)將大幅縮短模塊本身的建造周期與建造成本。然而在目前核電需求并不飽滿，不具備大批量開工建造的條件下，模塊化設(shè)計與建造的優(yōu)勢將不再突出。

4 結(jié)論與建議

模塊化設(shè)計理念在新一代完全自主設(shè)計的核電工程項目中并無太多實際應(yīng)用經(jīng)驗，從頂層設(shè)計思路的合理性到對下游施工安裝影響都有待檢驗。但由于其設(shè)計理念的先進(jìn)性，代表了未來核電工程設(shè)計發(fā)展方向。從模塊化設(shè)計本身的理念來看，在未來的研究與應(yīng)用中，有以下建議：

（1）工藝系統(tǒng)的模塊化設(shè)計應(yīng)充分考慮系統(tǒng)本身特點(diǎn)，合理選擇集成設(shè)計的對象;模塊設(shè)計時外部接口的設(shè)置應(yīng)盡量少而集中，避免外部接口過于復(fù)雜而造成現(xiàn)場施工不便的情況;

（2）模塊設(shè)計時應(yīng)充分考慮現(xiàn)場施工誤差對模塊的影響，在設(shè)計階段以預(yù)留足夠調(diào)整段、設(shè)計可替換模塊等方法，提高對于制造安裝中出現(xiàn)偏差的容錯率;

（3）對于較大的集成模塊，為避免模塊中部分關(guān)鍵部件供貨進(jìn)度對于模塊整體供貨的影響，可考慮在大型集成模塊中再劃分較小的部件模塊，預(yù)先考慮相應(yīng)的安裝接口與手段。在關(guān)鍵部件無法到位的情況下，優(yōu)先進(jìn)行模塊主體部分的安裝工作，后續(xù)待關(guān)鍵部件到達(dá)現(xiàn)場后再引入，完成模塊的裝配工作。

【參考文獻(xiàn)】

[1]林誠格，郁祖盛，歐陽予.非能動安全先進(jìn)核電廠AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.

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[3]趙淑昱，魯勤武，李軼.AP1000模塊化施工分析[C].中國核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報告（第三卷）：哈爾濱：中國核學(xué)會，2013：399-405.

[4]鄒瑋.AP1000模塊化施工分析[J].中國核電，2014，1（3）：42-46.