国内三代EPR核电常规岛技术特点

罗必雄，乔旭斌，陈 娟，徐 翔

（广东省电力设计研究院，广州市，510663）

0 引言

欧洲压水堆（European pressurized water reactor，EPR）作为三代核电堆型之一[1-10]，由法马通和西门子根据欧洲用户要求联合开发，以提高安全性和经济性。在安全性上，EPR针对防止堆芯熔化以及放射性大量释放等安全因素进行了设计改进[6，10]，采取了很多防备和缓解手段，其主要设计得到了实践证实。在经济性上，EPR设计寿命为60年[8]，发电成本比法国原型机N4低5%～10%，目标是达到2.9美分/（kW·h），换料周期为12～24个月，建设周期48～60个月[1]，机组可利用率达到92%。根据计算，当EPR机组功率在N4的1 450 MW基础上提高15%后并进行部分系统优化，机组经济性将显著提高[7]。这就是EPR采用大容量机组的原因。

目前EPR常规岛包括德国西门子和法国ALSTOM 2种主机类型。芬兰OLKILUOTO 3号机组为世界第1台EPR机组[9]，主机由西门子供货，单机容量约为1 600 MW，预计2012年发电。法国FLAMANVILLE 3号机组为世界第2台EPR机组，主机由ALSTOM供货，单机容量约为1 650 MW，预计2012年底发电。

我国台山核电站1号和2号机组是世界第3、国内首个EPR项目，单机容量约为1 755 MW。深入研究台山EPR常规岛系统、设备和布置的特点，对核电及大容量机组的设计有重要的借鉴意义。以下将阐述其主要特点，并与CPR1000、AP1000等机组常规岛进行比较分析。

1 EPR常规岛总体特点

EPR经济性的提高部分原因在于单机容量的增加，从而降低了单位容量初投资以及运行维护的费用。台山核电站采用法国ALSTOM单轴机组，汽机岛长约70 m，总质量约为2 930 t，高中压合缸转子长13.988 m，低压缸转子长11.95 m，转速为1 500 r/min，主蒸汽管道外径为812 mm，流量为9 400 t/h，机组设备及管道尺寸均明显大于其他机组。由于主设备尺寸的增加，使得台山核电站汽机房机岛基础及厂房主要尺寸相应增加，成为目前国内容积最大的常规岛厂房之一。

为便于了解EPR机组总体性能，选择目前国内装机容量最大的二代加CPR1000压水堆核电机组，三代AP1000压水堆核电机组，以及成熟的超临界百万千瓦火电机组进行横向对比。对比情况详见表1。

表1 不同机组主要技术指标和参数对比表Tab. 1 Technical economic indices table for different types of units

从表1可以得出，EPR机组具有以下特点：

（1）EPR机组容量大，效率变化不大。

EPR机组容量比其他机组大了50%以上，但无论是二代还是三代压水堆机组，均受到反应堆温度的限制，主蒸汽温度都小于300℃，其效率差别不大。而超超临界火电机组主汽温度高达600℃，效率高出10%左右。

（2）EPR机组主蒸汽流量大，单位体积比焓大。

各核电机组的主蒸汽流量比值和功率比值基本一致，说明EPR机组容量的增加主要源于主蒸汽流量的增加；而同容量火电机组由于采用高参数，主蒸汽流量比核电少约一半。

压水堆机组的主蒸汽都为饱和蒸汽，只是温度和压力不同，其比焓基本相同；但EPR机组的主汽压力更高，选择为7.4 MPa，因此单位体积的焓值比其他压水堆机组高出17%以上。这相对减小了管道规格，有助于缓解大口径管道带来的布置难题。火电机组单位体积焓值约为岭澳二期工程的3.2倍，管道规格大幅减小。

（3）EPR机组排汽量大，采用1 500 r/min的半速机和3个低压缸。

不同机组的低压缸排汽量比值和主蒸汽流量比值基本一致，只是EPR机组用于再热回热的抽汽比例稍大，相对减小了排汽量。对于压水堆核电机组，由于排汽流量大，需要考虑增加末级叶片长度和低压缸数量来保证排汽面积。

为降低对叶片的强度要求，从而尽可能增加叶片长度，大部分压水堆核电机组使用了1 500 r/min的半速机，末级叶片尽可能选用长叶片。台山核电EPR机组的末级叶片长为1 430 mm，为ALSTOM的成熟设计。

为满足排汽量的需要，EPR机组需设置3个低压缸，而岭澳二期仅设置了2个。山东海阳机组由于汽机背压低，采用的末级叶片长为1 146 mm，相对较短，因此也需设置3个低压缸。

综合表1数据和以上分析可知，EPR机组的大容量使得凝汽器和管道尺寸均需大幅放大。为抑制等比例的放大，采取了增大主蒸汽压力、增大回热再热抽汽量等措施，从而相对控制了设备和管道的尺寸，有助于提高经济性，减小布置的难度。

2 EPR常规岛系统和辅助设备特点

2.1 主蒸汽及其旁路系统

主蒸汽系统由4根主蒸汽管线将汽轮机4个主汽阀和核岛4台蒸汽发生器相连接。另外为保持压力平衡，在常规岛内分别从4根主蒸汽管道上引出1根管汇入主蒸汽联箱。从主蒸汽联箱引出主蒸汽分别送往汽轮机密封系统、汽水分离再热器新蒸汽段、辅助蒸汽转换器、除氧器以及旁路系统。

汽机旁路流量设计为额定压力下主汽流量的60%，允许汽机由满负荷突然锐减或汽轮机跳闸时蒸汽可通过旁路阀排入凝汽器，而不导致反应堆紧急停堆，并使主汽系统的卸压阀和安全阀也不动作。本系统共配置8个大容量和2个小容量共10个旁路阀。

AP1000机组同样采用4根主蒸汽管线的对称布置方案，CPR1000机组采用3根主蒸汽管线，这与核岛蒸汽发生器数量是一致的。

2.2 汽水分离再热系统

汽水分离再热系统是介于汽轮机高压缸和中压缸之间的1个蒸汽除湿加热系统，为压水堆核电所特有。由于进入汽机的新蒸汽接近饱和状态，在高压缸内做功后，湿度增加。本系统的功能是将此蒸汽除去其中约98%的水分，然后通过再热器提高其温度，将蒸汽送入汽轮机的中压缸使其继续做功。这样就可使等量的蒸汽发出更大功率，从而提高汽轮机的热效率，并可减少蒸汽中水滴对低压缸的长叶片的侵蚀。分离水量约占总蒸汽量的11%，蒸汽再热温升约为90℃，和岭澳二期工程基本一致[3-4]。

目前国内核电机组普遍采用卧式汽水分离再热器（moisture separator reheater，MSR），而台山EPR机组采用了立式MSR。立式MSR的一、二级加热蒸汽分别从MSR的顶部进入，沿着换热管冷却凝结，汇流在管束下集水区，再由疏水管排至一、二级疏水罐中，疏水罐就直接外挂在MSR的下部。采用立式MSR后，疏水通过自重排放，不会像卧式MSR一样形成积水，不需在管束上设置排汽设施，从而减少了部分蒸汽排放量，因此可以省约500 kW的折合功率[5]。

2.3 给水回热系统

给水回热系统和其他核电机组一致，为“2高4低1除氧”。

凝结水系统采用3台50%凝结水量的凝结水泵。低压给水系统共设4级加热器，1、2号低加为3台33.3%的复合式加热器，设在3个凝汽器颈部。由于低加的设计压力和温度均较低，故障率低，为节省占地，台山EPR机组的3、4号低加均为单列布置。

EPR机组2、3、4号低加设置疏水箱和疏水罐，汽机抽汽加热给水后的疏水可直接注入给水系统。CPR1000和AP1000机组只设3号低加的疏水箱和疏水泵，4号低加疏水也汇流至3号低加疏水箱，并经泵注入给水系统，2号低加的疏水逐级回流至1号低加和凝汽器。

高压给水系统设2级加热器，分别为双列50%容量的6、7号高压加热器。任何一列高加隔离时，系统能连续运行。高加系统不再另设旁路，高加疏水逐级回流至除氧器。

给水系统设置4×33.3%容量的电动液耦变速给水泵，另外设置1路4%的启动给水及加热系统用于启停堆时使用。

2.4 冷却水系统

本工程厂址临海，采用一次海水直流冷却和二次闭式循环冷却水的冷却方式。一次直流冷却范围包括凝汽器、闭式循环冷却水系统的水-水热交换器和真空泵。凝汽器通过1机4台循环水泵提供海水冷却，而水-水热交换器和真空泵通过2台独立的辅助冷却水泵直接提供海水冷却，不同于从循环水管路引水，然后增设提升泵的方法。这对于优化常规岛厂房布置，以及设置无阀循环水系统均有帮助。

2.5 小结

EPR机组常规岛系统设备的配置方案基本延续了ALSTOM机组的传统风格，是在成熟机型基础上的改良，保证了其可靠性。

3 EPR常规岛布置特点

3.1 半地下布置

常规岛厂房采用底部整体下沉的半地下布置。由于机组单机容量大，因此机组的循环水量也大（约为92 m3/s），约为山东海阳AP1000和岭澳CPR1000机组的1.4倍。而循环水泵扬程和凝汽器标高有密切关系，降低其标高可有效降低循泵扬程，从而带来巨大经济效益。常规电厂一般采取凝汽器局部下沉措施即可满足要求，但对于EPR核电机组，由于凝汽器经济标高远小于厂区地坪标高，凝汽器能局部下沉的高度满足不了要求，因此台山核电站降低了常规岛厂房整体标高，采用地下2层的布置方式。与常规地上布置方式相比，台山核电站底层下降了13.7 m，每年节约循泵运行费用约2 000万元。

在选择最终的厂房底层标高时，在保证技术安全因素的前提下主要考虑综合经济性，包括年运行费和初投资费。主要比较方案包括最终采用的地下2层方案、地下1层方案和常规的地上布置方案。底层标高影响的年运行费主要包括循环水泵运行费用、给水泵运行费用等。底层标高影响的初投资费主要包括汽机房负挖费、汽机房结构工程费。底层标高影响的主要经济因素详见表2；综合年运行费和初投资费的年平均费用比较结果如表3所示。

由表2、3可知，地下2层方案最优，相对常规地上布置年节约1 550万元左右。

表2 底层标高影响的主要经济因素TTaabb.. 22 Main economic factors influencing the ground floor elevation

表3 各底层标高的主要经济比较Tab.Tab.3 3 Economical comparison for different floor elevations

3.2 4层布置结构

优化层高使得厂房具有较大的空间利用率。EPR常规岛厂房占地面积节省，只比CPR1000机组的厂房略大，甚至比AP1000机组厂房还小，详见表4。

表4 各型机组常规岛典型布置方式数据对比Tab.Tab.4 4 Typical arrangement data for different types of units

由于EPR机组单机容量大，设备和管道尺寸也更大，根据主要设备及管道布置需要的容积很大，但通过采用4层布置，提升厂房高度，有效容积可得到保证。主厂房高约58.5 m，体积约为37.13万m3。主厂房采用4层大平台布置，地下2层，地上2层，各层由下至上依次为-13.7 m层，-7.5 m层，0 m层，10.9 m层，其中0 m层由几个不等高的大平台构成。EPR常规岛主厂房4层布置结构（图1）与CPR1000及AP1000机组的3层布置区别明显。

4层厂房使得设备布置整齐，检修维护方便。同时功能分区规划清晰，在靠近发电机端主要布置凝结水、闭冷水等低温和辅助系统，中间部分布置低加系统，机头部分布置主蒸汽、高加和除氧等高温系统。

3.3 无除氧间形式

常规岛采用非常规的布置方式，将除氧器、高加和给水泵等设备布置在汽机房的机头侧，取消除氧间，如图2所示。与常规除氧间布置相比，减少了常规岛的总跨度和占地面积，但同时增加了厂房长度，汽机房跨度也相对增加，对厂房框架结构和行车提出了更高的要求。

采用无除氧间布置方式，除氧器长度是决定常规岛总跨度的主要因素，因此尽量把除氧器设计的短而粗。由于除氧器布置在汽机房，在安装期间可利用行车对除氧器进行分段吊装，在运行期间可利用行车对阀门进行检修维护。

3.4 立式MSR

在台山EPR机组中采用立式MSR（如图3），主要考虑其优点是空间使用小，包括占地和大件摆放空间小，同时还可以省约50 kW的功率，对壳体排气也比较有利。

立式MSR长约22.7 m，直径约5.64 m，质量达412 t（非运行状态）/486 t（运行状态），与立式相比容积更小，荷重更小。

MSR立式布置于机头两侧，使得相关的管道及设备布置有别于常规的卧式MSR厂房，厂房占地面积得到进一步压缩，同时便于再热蒸汽管道的布置。由于布置紧凑，空间得到有效利用，使得运转层较为空旷，易于运行维护。

3.5 小结

虽然EPR常规岛厂房容积大，但通过采用4层布置结构形式、无除氧间、立式MSR的方式减小占地面积，提高空间利用率。厂房容积约为37.13万m3，占地约为6 350 m2，单位功率常规岛建筑造价EPR机组要小于其他核电机组。

目前该布置方式虽然有效减小了占地面积，但根据剖面图可知，运转层以上空间太大，略显浪费，主要是因为采取立式MSR后造成的，因此主厂房容积还存在进一步优化的潜力。

4 结论

（1）国内EPR常规岛采用ALSTOM主机并参考法国FA3机组设计，系统设备的配置方案基本延续了其二代核电机组的风格，从而保证了其可靠性。布置上为适应其大容量机组的特点，采用了地下2层、地上2层的半地下式布置，取消除氧间，采用立式MSR，节约了运行费用，减小了占地面积，提高了空间利用率。

（2）与AP1000、CPR1000机组相比，由于EPR机组单机容量大，单位功率的技术指标更好，有助于提高单位功率建设周期和可利用率。

（3）EPR常规岛机组的设计特点，尤其是地下2层的半地下布置方案可为国内其他大容量机组提供借鉴。

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