滨海核电厂厂坪标高优化设计与研究

江才俊, 佘靖策, 侯平利

(深圳中广核工程设计有限公司,深圳518057)

在当今全球气候暖化、国际社会呼吁温室气体减排的背景下,核电作为一种清洁、高效、安全的能源被越来越多的国家所重视。《国家核电发展专题规划(2005—2020)》制定了“积极推进核电建设”的发展方针,并给出到2020年的发展目标：到2020年,核电运行装机容量达到40GW,并有18GW在建项目转到2020年以后续建,核电装机比重将从目前的1.6%上升到4%左右[1]。核电在我国将会出现一个长期、稳定和持续发展的新局面。但另一方面,由于核电站单位千瓦造价远高于普通火电机组,极大地制约了核电的发展,如何有效降低核电站造价和运行费用,已成为各国工程技术人员面临的一大难题。本文结合核电站厂坪标高的优化设计,初步探讨了核电站节约投资及运行费用的一种途径,以便后续工程参考。

1 满足设计基准洪水位要求的厂坪标高

厂区主厂房的地面标高对核电厂的安全和运营至关重要,对于厂址而言,与核安全有关的厂房的地面标高应高于设计基准洪水位。厂坪最低标高采用可能最大风暴潮增水+10%超越概率天文高潮位+寿命期内海平面增高+安全裕度的组合[2]。

现以国内某正在筹建的滨海核电厂为例,介绍满足设计基准洪水位要求的厂坪标高的确定。

1.1 设计基准洪水位的确定

洪水起因事件的适当组合取决于厂址的特征,根据核安全导则(HAD 101/09)附录V所推荐的组合,以及对厂址洪水事件和基准水位的研究与分析计算,结合南海滨海核电厂建设的工程实例,厂址所在海区的台风暴潮是最严重的洪水极端事件,它比海啸和假潮的影响要大得多[3]。因此,该厂址设计基准洪水采用可能最大风暴潮增水+10%超越概率天文高潮位+核电厂寿期内海平面变化的组合。其组合如表1所示,表中 PMSS(Probable Maximun Stom Surge)为可能最大的风暴潮,含相应波浪增水。

表1 设计基准洪水

1.2 安全裕度确定

根据《工业企业总平面设计规范GB50187-93》、《核电厂总平面及运输设计规范GB/T50294-1999》和《火力发电厂设计技术规程DL5000-2000》的有关规定,厂坪标高的确定应在满足设计基准洪水位的条件下,考虑适当的安全裕度,一般规定安全裕度不小于0.5m。

1.3 厂坪最低标高的确定

设计基准洪水位+安全裕度=

6.67+0 .5=7.17m

2 循泵扬程与厂坪标高

循环水泵扬程与循环水沿程阻力、凝汽器水室标高有关,如能保证取排水方案及凝汽器水室绝对标高不变,则循环水泵扬程不变。在保证循环水泵扬程不变,即运行费用不增加的情况下提高厂坪标高,能减少工程土石方量、缩短建设工期,节省项目初期投资的目的[4]。

2.1 循环水泵扬程及凝汽器水室标高的推算

取排水高程如图1所示。

循环水泵扬程推算过程如下：

循环水泵静扬程(Ho)=虹吸井后排水阻力

根冠比是指植物地下部分与地上部分的鲜重或干重的比值，它的大小能反映出植株地上、地下部生长发育情况以及土壤的营养供应状况，该指标高则根系机能活性强，低则弱［22］。锦紫苏在不同栽培基质下，除处理⑥外，其他处理根冠比均高于对照组，说明不同配比基质的城市堆肥污泥有利于植物根系发达，增加植物的根系机能活性，从而有利于培养壮株，有利于作物的地上部分生长。试验证明，城市污泥堆肥对于锦紫苏生长具有好的适应性，并为污泥堆肥直接用于观叶类草本植物的种植提供了理论基础，在一定程度上促进了城市污泥堆肥的资源化利用。

(H t)+堰上下游水位差(H a)

循环水泵总扬程(H)=沿程阻力(Hc)+静扬

程(H o)

凝汽器水室出口高度推算过程如下：

虹吸井上水位标高(H z)=虹吸井后排水阻力

(Ht)+堰上下游水位差(Ha)+海平面高度凝汽器水室出口高度(H 1)=虹吸井上水位标

高(Hz)+虹吸利用高度

图1 取排水高程示意图

本工程根据水工提供的数据 Ht=1.5m,Ha=0.3m,H c=11.252m。现计算如下：

Hz=1.5+0.3+0.5=2.3m；

H1=2.3+7.5=9.8m。

充分利用虹吸效应能降低循环水泵扬程。本工程考虑利用虹吸高度最大为7.5 m(理论值为9.8m,7.5m为行业通用值)。

H o=1.5+0.3=1.8m；

H=11.252+1.8=13.052m。

2.2 汽机房不同布置方案下厂坪标高推算

对于本工程假设凝汽器水室出口高度为9.8m及循环水取排水方案不变(沿程阻力不变)的情况,循环水泵扬程将保持不变。在保持循环水泵扬程不变的情况下,如采用凝汽器局部下沉布置或者采用厂房整体下沉布置,则相应地能提高厂坪的高度,减少土石方开挖量,缩短建设工期[5]。但是凝汽器局部下沉的下沉量受安装及检修等限制,不能无限制下沉；厂房整体下沉高度也受安装、检修、运行方便等因素影响,一般采用下沉之后厂坪与汽机房中间层或运转层平齐方案为最佳。

基于上述考虑,现列举几种典型的汽机房布置方案。

(1)方案1

如图2所示。厂坪与汽机房底层对齐,采样凝汽器地上布置方案,此时汽机房底层标高为9.8-5.55=4.25m；即厂坪最大标高也为4.25-0.2(汽机房相对厂坪高出0.2m)=4.05m。

图2 方案1

(2)方案2

如图3所示。厂坪与汽机房底层对齐,采样凝汽器局部下沉方案,此时凝汽器最大下沉量厂家限制为3.55m,水室出口距离地面高度厂家限制最小为2m,此时汽机房底层标高应为9.8-2=7.8m,即厂坪最大标高也为7.8-0.2=7.6m。

图3 方案2

(3)方案3

如图4所示。厂坪与汽机房中间层对齐,厂房整体下沉6m,凝汽器不再局部下沉,此时汽机房底层标高为9.8-2-3.55=4.25 m,此时厂坪标高为4.25+6-0.2=10.05m。

图4 方案3

(4)方案4

如图5所示。厂坪与汽机房中间层对齐,厂房整体下沉6m,凝汽器再局部下沉3.55m,则汽机房底层标高为9.8-2=7.8m,此时厂坪标高为7.8+6-0.2=13.6m。

图5 方案4

方案1中,在保证循环水泵扬程与其他方案相比不增加的情况下,厂坪标高已低于设计基准洪水位要求的厂坪标高,所以不可行。如假设厂坪标高达到设计基准洪水位要求的厂坪标高,则循环水泵扬程至少增加7.17-4.05=3.12m,大大增加后期运行费用,为不可行方案。

方案2、方案3、方案4厂坪标高均高于设计基准洪水位要求的厂坪标高,为可行方案。

3 技术经济比较

对于方案2、方案3、方案4等3个可行方案,循泵扬程均相同。方案3、方案4相对于方案2整体下沉后,主要有如下影响：①电动给水泵、凝结水泵等设备年运行费用有所增加；②厂房结构投资增加,需要采用高抗渗级别的混凝土；③厂区挖方量减少；④排水暗沟、GD管沟、虹吸井等增加开挖费用；⑤常规岛侧主蒸汽、主给水等管道长度增加；⑥电气封闭母线投资增加等。

本工程规划6台机组,每2台机组生产用地按照核电厂厂区建设征地指标计算约为42m×104m(《核电厂总平面及运输设计规范》要求征地指标为不大于0.21 m2/kW),按照厂坪标高每提高0.5m计算,节省土石方开挖量约2.1×105m3,按40元/m3计算,节省费用约840万元。

针对方案 2、方案 3、方案4等3个可行方案,进行了初期投资及后期运行费用的技术经济比较见表2所示。

表2 各方案运行费用及初期投资技术经济比较(2台机组) 单位：万元

以方案2(凝汽器局部下沉方案)作为参考基准值,方案3相对于方案2厂坪抬高了2.45 m,但是减少初投资130万,增加年运行费用32万元,按照40年寿命期计算,寿命期内净现值

NPV=P-A×(8%,40,P/A)=130-32×11.924 6=-251.59万元；

其中,P为现值(万元)；A为年投资收益(万元)；P/A为报酬率。

方案4相对于方案2厂坪抬高了6 m,减少初期投资5 112.7万元,但是增加年运行费用54万元,按照40年寿命期计算,寿命期内净现值

NPV=P-A×(8%,40,P/A)=5 112.7-54×11.924 6=4 468.77万元；

上述分析中,方案3寿命期内净现值为负,方案4净现值为正,可以看出存在一个临界厂坪标高对应净现值为零。本工程临界厂坪标高约为10.35m。在低于此临界标高的范围内抬高厂坪不具有经济性；在高于此临界标高的范围内抬高厂坪标高能达到节省总投资的目的,并且抬高越多经济性越显著,最终能抬高的最大数值受常规岛侧布置方案限制[6]。

4 结 语

在满足厂址设计基准洪水位要求的情况下,抬高厂坪标高能减少工程土石方开挖量、缩短工程建设工期、节省项目初期投资。随着厂坪标高的抬高,常规岛侧须采用局部下沉或者整体下沉方案,将导致厂房结构、设备、运行费用等相应增加[6]。须针对不同厂址条件,结合常规岛侧不同的布置方案,进行技术经济比较之后得到一个临界厂坪标高,在高于此临界标高的范围内,进一步抬高厂坪标高能达到显著节省工程总投资的目的。

[1] 孙 琳.核电常规岛主厂房下沉式布置方案经济性分析[J].科技信息,2007(32)：45.

[2] 李 波.滨海火电厂1 000 MW机组循环水泵选型方案的探讨[J].机电工程技术,2007,36(11)：56-57.

[3] 赵克沙.椰岛@海核元年记事[J].中国核工业,2010(1)：48-54.

[4] 张 捷.浅谈核电厂常规岛主厂房结构设计[J].广东建材,2009(12)：74-76.

[5] 左永平,林天泉,郑 益,等.大型锻件采用水溶性淬火介质淬火的工艺控制[J].大型铸锻件,2010(1)：20-24.

[6] 赵 军,尹雪梅.提高核电厂建造质量保证监查有效性的探讨[J].标准科学,2010(1)：56-59.