核聚變發(fā)電廠常規(guī)島主廠房土建設(shè)計研究

熊雄

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 510663）

0 引言

利用核聚變發(fā)電是未來核能利用的一種方式。核聚變發(fā)電廠常規(guī)島主廠房由汽輪機(jī)廠房和除氧間以及輔助跨組成。主廠房橫向布置見圖1，簡化起見圖中省略了輔助跨。汽機(jī)房跨度31.5 m，中間層標(biāo)高6.9 m，運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高14.5 m。除氧間為一單跨框架結(jié)構(gòu)，跨度9 m。作為一種新型核電主廠房，其技術(shù)來源于常規(guī)電廠長期積累的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，又以其他核電常規(guī)島技術(shù)為基礎(chǔ)。本文結(jié)合主廠房的結(jié)構(gòu)布置，從主廠房結(jié)構(gòu)體系、汽機(jī)房屋蓋結(jié)構(gòu)、汽輪發(fā)電機(jī)基座選型以及主廠房防火設(shè)計四個方面進(jìn)行探討。

圖1 核聚變常規(guī)島主廠房剖面圖Fig.1 Sections of main building of FPP conventional island

1 主廠房結(jié)構(gòu)體系

方案一：汽機(jī)房平臺采用鋼結(jié)構(gòu)，中間層樓面分采用鋼格柵形式，運(yùn)轉(zhuǎn)層樓面采用壓型鋼板組合樓板；A 列柱采用鋼筋混凝土柱。除氧間采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓面采用混凝土板。這種形式為核電常規(guī)島采用較多的結(jié)構(gòu)型式。除氧間采用鋼筋混凝土框架，為整體常規(guī)島提供了主要的抗側(cè)力剛度，A 列柱與除氧間一起組成橫向框排架結(jié)構(gòu)。汽機(jī)房鋼梁與A 列和B 列柱鉸接。這種型式為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)組合體系。

方案二：如同方案一，A 列柱與除氧間一起組成橫向框排架結(jié)構(gòu)。汽機(jī)房平臺也采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，汽機(jī)房平臺梁與A 列和B 列柱剛接。并與縱向框架共同構(gòu)成一個空間結(jié)構(gòu)體系。這種布置造價最節(jié)省。

方案三：主廠房采用全鋼結(jié)構(gòu)。其中除氧間采用鋼框架支撐結(jié)構(gòu)，汽機(jī)房平臺采用鋼結(jié)構(gòu)，A 列柱采用鋼柱。隨著建筑防火要求的日趨嚴(yán)格，這種布置造價最高。

作為核聚變主廠房，主廠房結(jié)構(gòu)體系可優(yōu)先采用方案一。主要考慮如下因素：

1）汽機(jī)房平臺采用鋼結(jié)構(gòu)，可發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)承載力高，適應(yīng)柱距大的汽機(jī)房工藝系統(tǒng)布置?？捎行Ы档椭髁焊叨?，增加梁底可利用空間，從而降低運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高，使得整個汽機(jī)房布置更加緊湊，節(jié)約主要管道和線纜材料，從而節(jié)省造價。

2）汽機(jī)房平臺總體高度不大，采用鋼結(jié)構(gòu)時，除了自身部分設(shè)置鋼支撐外，主要以A 列柱和除氧間框架作為側(cè)向支撐。側(cè)向剛度不是主要控制因素，對鋼結(jié)構(gòu)用量影響不大。

3）汽機(jī)房平臺采用鋼結(jié)構(gòu)可利于工藝管道和設(shè)備生根。

總體來說，方案一在汽機(jī)房平臺和除氧間框架上，各自充分發(fā)揮了鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，回避了各自的劣勢，取得了較好的平衡，因此推薦。

2 汽機(jī)房屋蓋結(jié)構(gòu)

汽機(jī)房屋蓋為一大跨度結(jié)構(gòu)。根據(jù)屋面材料不同，可以分為輕型屋面和重型屋面。某二代加核電汽機(jī)房跨度為44 m，廠房屋面以汽機(jī)房中心線為頂點(diǎn)向兩邊起坡，采用雙坡梯形鋼屋架體系。汽機(jī)房屋面檁條直接支承在屋架的節(jié)點(diǎn)上，輔助間的屋面檁條直接支承在其屋面鋼筋混凝土屋面梁上。屋面板采用雙層（中間夾層保溫隔熱層）鍍鋅彩色壓型鋼板。屋架兩端與主框架按鉸接連接。屋架的穩(wěn)定性由屋面支撐系統(tǒng)（上、下弦支撐以及水平、垂直系桿）保證。汽機(jī)房屋面檁條直接支承在屋架的節(jié)點(diǎn)上，輔助間的屋面檁條直接支承在其屋面鋼筋混凝土屋面梁上。

對于汽機(jī)房大跨度屋架，周玉[1]分析了屋架支座節(jié)點(diǎn)次應(yīng)力的影響，提出了改進(jìn)支座節(jié)點(diǎn)的措施。實(shí)際上，對于大跨度屋架，不可忽視的是屋架系統(tǒng)與下部廠房結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用。由于兩端支座鉸接的屋架，在承受豎向荷載時，下弦受拉伸長，上弦受壓縮短，支座豎桿產(chǎn)生朝向跨中的微小轉(zhuǎn)動，以及支座向外側(cè)的平動。支座處構(gòu)造越接近理想鉸接，則這一轉(zhuǎn)動對整體計算的影響就越小。而平動的影響則與下部廠房在柱頂提供的側(cè)向剛度有關(guān)。廠房柱對屋架支座的水平約束越強(qiáng)，則次應(yīng)力越大，反之越小。大量的計算實(shí)例表明，對于常規(guī)的兩排立柱的排架體系（如EPR 采用的單跨形式[2]），排架的側(cè)向剛度較小，不足以約束屋架支座處的水平位移，此時次應(yīng)力很小，屋架系統(tǒng)和下部結(jié)構(gòu)可獨(dú)立分析。

應(yīng)注意到，在山墻和邊屋架同時設(shè)置時的特殊情況。如圖2 所示，排架柱由于山墻梁柱的約束而在山墻平面具有很強(qiáng)的側(cè)向剛度，此時屋架的支座水平力，極限接近與兩端完全鉸接的屋架支座反力。此時豎向力200 kN，而水平力可達(dá)260 kN。這部分次應(yīng)力，對屋架支座豎桿以及排架柱的受力都極為不利，應(yīng)在施工組織中要求屋架系統(tǒng)安裝完畢后再固定屋架支座，來釋放次應(yīng)力。施工時，可先安裝并固定好中間榀屋架，最后吊裝山墻屋架，但支座不固定，待屋面系統(tǒng)和屋面板完全安裝后，再固定支座，最終屋架支座豎桿和排架柱承受的水平力為最大滑動摩擦力，約為20 kN，可極大減小次應(yīng)力的影響。

圖2 山墻與邊屋架同時設(shè)置Fig.2 Gable wall frame and roof truss

目前，沿海地區(qū)的核電項(xiàng)目，考慮到屋面板維護(hù)使用壽命[3]、抗風(fēng)揭以及屋面漏水[4]等問題，采用了壓型鋼板為永久底模的現(xiàn)澆混凝土屋面板，荷載更大，此問題更為突出，應(yīng)注意計算模型與施工工序的匹配。

3 汽輪發(fā)電機(jī)基座結(jié)構(gòu)選型

核電汽輪發(fā)電機(jī)組有全速機(jī)和半速機(jī)兩種方案，全速機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，半速機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。根據(jù)《核電廠常規(guī)島設(shè)計規(guī)范》(GB/T 50958—2013)[5]，1 000 MWe 級機(jī)組，宜采用半速機(jī)組，1 000 MWe 以下等級機(jī)組，宜采用全速機(jī)組。主要原因是隨著壓水堆機(jī)組功率等級的不斷提高，全速機(jī)的排汽面積由于受到末級葉片長度和低壓缸數(shù)量的限制，已經(jīng)不能滿足大型壓水堆機(jī)組的工程需要，因此半速機(jī)在近年來大型二代加和三代核電中得到了廣泛采用。核聚變發(fā)電廠，暫定為350 MW等級，因此汽輪機(jī)可采用全速機(jī)組。

常規(guī)火電中大量的350 MW 機(jī)組全速機(jī)采用了剛性基座，即采用大質(zhì)量來抑制振動[6]。基于這一理念，基座的本身構(gòu)件尺寸大，采用大量的異形構(gòu)件以貼合設(shè)備的外形，布置緊湊。隨著機(jī)組等級的提高，半速機(jī)的廣泛應(yīng)用，伴隨而來的是彈簧隔振技術(shù)在汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)中的應(yīng)用。采用彈簧隔振，可使得機(jī)器與基座臺板的固有頻率由20～25 Hz 減小到3～3.5 Hz，遠(yuǎn)離了機(jī)器的工作頻率，避免了共振的發(fā)生，起到了很好的隔振效果。對于剛性基座和彈簧隔振基座上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比見表1?？梢?50 MW 機(jī)組基座尺寸比較小，采用彈簧隔振基座造價高于剛性基座。從節(jié)省造價的角度可采用剛性基座。

表1 基座經(jīng)濟(jì)性對比Tab.1 Economic comparison of TG foundation

應(yīng)該注意到，采用彈簧隔振后，汽機(jī)基座柱可兼做汽機(jī)房平臺柱，汽機(jī)房鋼平臺與汽機(jī)基座之間采用滑動支座連接，甚至可以采用基座與廠房框架聯(lián)合布置的形式[7]。從而簡化了汽機(jī)房平臺的布置。另外，對于高烈度地震區(qū)采用彈簧隔振基座更有優(yōu)勢。臺板在地震作用下的響應(yīng)，不論是哪類場地，其對地震加速度的放大系數(shù)最小,為使得機(jī)組具有廣泛的廠址適應(yīng)性，則推薦采用彈簧隔振基座。

4 主廠房防火設(shè)計

根據(jù)《核電廠常規(guī)島設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50745—2012)[8]，汽輪發(fā)電機(jī)廠房地上部分，火災(zāi)危險性分類為丁類，耐火等級為二級；油處理室，火災(zāi)危險性分類為丙類，耐火等級為二級；汽輪發(fā)電機(jī)廠房地下部分，火災(zāi)危險性分類為丁類，耐火等級為一級。

為方便對比，根據(jù)《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50229—2019)[9]，一般燃煤或燃機(jī)電廠的汽機(jī)房和除氧間，火災(zāi)危險性分類為丁類，耐火等級為二級；油處理室，火災(zāi)危險性分類為丙類，耐火等級為二級；油浸變壓器室，火災(zāi)危險性分類為丙類，耐火等級為一級?？梢姡穗姀S常規(guī)島的防火規(guī)定，等同于一般火力發(fā)電廠。

參考《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)(2018 年版)[10]表3.2.1 條，耐火等級一級時，柱、梁和樓板的耐火極限應(yīng)分別達(dá)到3 h、2 h 和1.5 h；屋頂承重構(gòu)件耐火極限1.5 h。

耐火等級為二級時，柱、梁和樓板的耐火極限應(yīng)分別達(dá)到2.5 h、1.5 h 和1 h；屋頂承重構(gòu)件耐火極限1 h。

而實(shí)際上，考慮到核電的特殊性，GB 50745—2012 規(guī)范頒布之前，一直以來，核電常規(guī)島主廠房都采取了高于一般建筑或常規(guī)火力發(fā)電廠的防火標(biāo)準(zhǔn)。舉例如下：

1) 耐火極限3 h 防火區(qū)域，包括汽機(jī)房潤滑油室、0.0 m 層電動給水泵區(qū)域、和汽輪發(fā)電機(jī)基座。

2) 其他區(qū)域構(gòu)件耐火極限按如下設(shè)計：

a) 主框架混凝土柱：耐火極限2.5 h；

b) 主框架混凝土梁：耐火極限2.0 h；

c) 汽機(jī)房鋼平臺：

鋼柱及柱間支撐耐火極限按2.5 h；

鋼梁及其他樓面支撐耐火極限按1.5 h；

混凝土樓板耐火極限按1.0 h。

d) 行車梁：耐火極限1.5 h；

e) 屋架、屋面支撐系統(tǒng)：耐火極限1.5 h；

f) 檁條：耐火極限1.0 h。

可見，潤滑油室以及潤滑油管道閥門密集區(qū)域，總體按耐火等級一級考慮，梁板柱均按柱子的耐火極限，其他區(qū)域柱子按耐火等級二級，梁按耐火等級一級。

對于核聚變廠房，不設(shè)置地下室，鑒于汽機(jī)房平臺采用鋼結(jié)構(gòu)，建議按GB 50745—2012，除了油處理室外，其他均按丁類，耐火等級定為二級。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防火采用在鋼構(gòu)件表面涂防火涂料來滿足不同的耐火極限要求。

值得注意的是，《混凝土結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》(GB 55008—2021)，作為全文強(qiáng)制性執(zhí)行規(guī)范，自2022年4 月1 日起正式實(shí)施。第2.0.10 條明確要求混凝土保護(hù)層厚度要滿足混凝土構(gòu)件的耐久性能及防火性能要求。

對不同防火極限的混凝土構(gòu)件保護(hù)層最小厚度要求，可參照《建筑設(shè)計防火規(guī)范》：耐火極限為3 h的混凝土梁為40 mm，2 h 為25 mm；耐火極限為1.0 h的混凝土樓板保護(hù)層采用15 mm；3 h 防火極限的潤滑油室現(xiàn)澆混凝土內(nèi)壁、底板內(nèi)表面采用40 mm，外表面保護(hù)層可按耐火極限2 h 采用20 mm；對混凝土柱防火，柱截面大小應(yīng)滿足相應(yīng)的防火要求。

5 結(jié)論

1) 核聚變主廠房可采用鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)，汽機(jī)房平臺采用鋼結(jié)構(gòu)。

2) 汽機(jī)房大跨度屋架，應(yīng)考慮屋架支座處水平位移約束的影響，在屋架安裝過程中釋放次應(yīng)力，以減小對主廠房結(jié)構(gòu)的影響。

3) 汽輪發(fā)電機(jī)采用全速機(jī)，基座并采用彈簧隔振系統(tǒng)。汽機(jī)房平臺鋼梁支承在基座上。

4) 主廠房防火可按一般核電常規(guī)島汽輪機(jī)廠房地上部分設(shè)計。