CPR1000核电厂模块化技术研究

鲁勤武，赵淑昱，李 轶，韩小萍，柴伟东，张淑霞

(国家能源核电工程建设研发（实验）中心，广东  深圳  518124）

CPR1000核电厂模块化技术研究

鲁勤武，赵淑昱，李 轶，韩小萍，柴伟东，张淑霞

(国家能源核电工程建设研发（实验）中心，广东  深圳  518124）

模块化技术是核电站工程缩短建造工期、降低造价的重要技术手段，已成为第三代核电的发展方向之一。以目前我国核电堆型CPR1000为参考电厂，借鉴国内外先进模块化技术，借助自主开发的模块三维设计系统，完成核电站核岛主厂房的模块总体方案设计。在此基础上，开展典型模块详细设计工作，以实例进一步验证设计可行性，同时从采购和施工两方面对模块化技术的实施技术进行分析，评估研究成果在实际工程项目上的技术可行性，为我国核电模块化技术的自主化推进提供借鉴与参考。

核电厂；CPR1000；模块

模块化技术是第三代核电技术的重要特征之一，是核电厂工程缩短建造工期、降低造价、提高经济性的重要技术手段[1]。

在国际上，日本、美国已先后在核电工程中大规模采用模块化技术，并取得十分可观的经济效益[2-3]，加拿大、韩国等已发布的核电新堆型也将大量应用此项技术。但在我国，核电模块化技术尚处于起步阶段，除在浙江三门和山东海阳建造AP1000堆型（由美国西屋引进）核电厂中有大规模的模块化应用外，其他核电工程仅有零星应用[4]。目前，AP1000模块设计的核心技术掌握在西屋公司手里，技术转让不包括模块的设计过程等，因此研究并掌握具有自主产权、适合于我国具体情况的模块化技术显得尤为重要。

结合我国核电发展及技术现状，本文选择我国拥有自主知识产权且建造技术已相当成熟的CPR1000堆型（中国改进型压水堆）核电厂为参考电厂，对原始设计未采用模块化技术的CPR1000堆型核电厂核岛主要厂房进行全面深入的模块化研究及开发，提出基于CPR1000参考电厂的核岛主要厂房模块化总体方案，并从多方面进行评估及验证，为我国核电模块化技术的自主化研发工作提供参考。

1 核电模块化技术现状

日本早在20世纪80年代就开始了核电模块化技术的应用研究，至今已经取得了飞速发展，并在ABWR堆型核电工程拥有大量成功的实施经验，并且其技术是依托未应用模块化技术的原始设计进行模块化改造而逐步发展成熟的，对同样是原始设计未采用模块化设计的CPR1000堆型核电厂具有很好的参考价值。

美国西屋的AP1000堆型是首个大规模应用模块化技术的第三代核电厂，在核电厂初始设计规划中就融入了模块化设计理念，模块化设计技术渗入了整个工程设计，并且此堆型在我国有浙江三门和山东海阳两个在建自主化依托项目，其模块化技术已在工程中具体实施，对我国模块化技术自主化工作也具有较好的借鉴作用。

此外，韩国的APR1400堆型、加拿大的下一代CANDU堆型、美国巴威公司的MPower堆型、美国西屋公司SMR堆型等世界上正在研发的先进核电堆型，也均大规模应用模块化技术，对我国模块化技术自主化工作也具有一定的学习意义。

中国广核集团从2008年就开始了核电工程的模块化技术自主研发与应用工作，目前已初步建立起了基于CPR1000的核电工程模块化设计技术体系、研究开发了模块化三维设计系统，并且反应堆安全壳钢衬里模块化施工技术已成功在阳江核电站3号机组进行成功示范应用[5-9]，同时还形成并提交了数十项具有自主知识产权的专利申请，已有数项获得专利授权。

2 核岛主要厂房模块化总体方案设计

2.1 设计工具

模块化设计作为全新、高集成度的设计，需要功能较为全面、强大的专用设计工具。为此，中国广核集团自主开发了基于PDMS平台的模块三维设计系统[9-10]，主要有模块区域概选、模块定义、模块设计、模块施工图设计、模块重量及重心计算、模块清单设计等六大功能，其工具覆盖了模块设计的全过程。

2.2 设计范围

研究分析表明，常规岛及BOP厂房施工不是制约CPR1000核电厂工程建造工期的主要因素，常规岛及BOP厂房进行模块化设计、施工对整个工程的缩短工期和降低造价贡献有限。所以此次研究的范围仅包括处于工程关键路径的核岛主要厂房：反应堆厂房（简称RX）、电气厂房（简称LX）、燃料厂房（简称KX）、连接厂房（简称WX）、辅助厂房（简称NX）。而由于CPR1000堆型为两台机组加公用厂房同时设计、建造，两台机组基本对称，所以研究范围为1个机组的反应堆厂房加公用辅助厂房。

2.3 总体方案设计

模块总体方案设计主要按以下4个步骤进行。

2.3.1 可模块化区域概选

首先运用PDMS模块三维设计系统中的模块概选工具，根据模块化概选原则，对整个厂房进行可模块化区域概选，即初步确定可能模块化的范围，然后进行逐个分析，深化处理，进行必要的合并、分拆、增删等工作。可模块化区域概选的工作流程如图1所示。

2.3.2 模块定义

在完成整体的可模块化区域概选后，依据模块设计等规程，结合CPR1000实际情况及各模块的具体情况综合考虑，对模块进行定义，初步确定模块的类型、范围及包含的物项。模块定义的工作流程如图2所示。

图1 可模块化区域概选流程Fig.1 Process of primary selection of module area

在模块定义阶段，对CPR1000可模块化区域的模块总体设计的预案有了一个方向性的确定，并根据模块设计准则确定可模块化区域的模块类别。在本研究中CPR1000的模块主要划分为6种基本类型：

（1）带操作平台模块

带操作平台模块以操作平台为结构中心，管道、阀门和支架等围绕操作平台分布。

（2）中间梁模块

图2 模块定义流程Fig.2 Process of module definition

中间梁模块以横跨两面墙之间的“梁”式钢结构为模块结构中心，在中间梁上组装管道、阀门、支吊架等。

（3）带设备模块/设备共用基座模块

以设备为主体的模块，周边含适量与设备相连的管道及其支架。

（4）管道支吊架模块（落地型）

将管道、阀门以及支吊架组装成一体，此类模块以自体的支吊架为结构中心。

（5）管道支吊架模块（沿墙型）

此类模块以沿墙面的钢结构框架为结构中心，钢结构框架与管道支架连接成一体支撑管道和阀门等。

（6）复合楼板模块

在单元化的压型钢板钢结构下组装管道、通风口、电缆桥架及轨道等形成的土建、机电复合模块，以复合楼板为结构中心。

2.3.3 总体方案设计

各模块定义完成后，将各模块PDMS三维后台数据单独拷贝成独立数据块，进行总体方案设计。总体方案设计的工作流程如图3所示。

图3 总体方案设计流程Fig.3 Design process of general scheme

2.3.4 总体方案优化设计及成果输出

总体方案设计完成后，对完成的三维模型进行优化设计，输出“模块部件清单”、“模块总体示意图”、“模块信息汇总表”、“模块量化评判表”等记录文件，作为每个模块总体方案的成果文件。总体方案优化及输出的工作流程如图4所示。

图4 模块总体方案优化及输出流程Fig.4 Optimization and output process of general scheme design

经过以上4个步骤，共完成模块总体方案设计107个。每个模块的总体方案由模块信息汇总表、模块总体示意图、模块总体方案部件清单、模块量化评判表等四类文件组成。

2.4 模块设计验证

为了验证总体方案的实际工程设计技术可行性，从六类基本类型模块中各选取一个具有代表性的典型模块，开展详细设计。典型模块的设计全面考虑模块从设计到施工各方面的问题，并经过各相关专业专家从设计、进度、采购、施工等全方面进行评估，验证其方案均具有可实施性，并有一定的经济效益。

典型模块设计共完成6个典型模块的PDMS三维模型设计，并输出模块设计成品文件包（包括模块施工图、模块清单文件。其中模块施工图包括模块总体图、钢结构图、管道三维制作图、支架组装图；模块清单文件包括：模块部件清单、材料清单）。

3 模块总体设计方案综合评估

3.1 模块化实施分析

3.1.1 模块化施工分析

模块化设计的应用，必然带来施工技术的变化。在模块总体方案设计完成后，参考日本A B W R核电工程的模块化建造经验，以及我国A P1000依托项目的模块化实施经验，结合CPR1000传统施工方法，应用直观的PDMS模块三维设计系统，对每个模块的具体情况逐个分析研究，从模块类型、模块总体情况、所处房间空间特点、周边物项特点、模块吊装引入特点、土建安装施工逻辑、土建开顶式施工技术方案、施工接口、成品保护等各方面进行综合推拟，吸取国内外相关模块化施工经验及CPR1000传统施工经验，对CPR1000核电厂采用本研究的每个模块所可能遇到的土建和安装的施工技术共性问题进行了研究分析，并对每个模块在采购、运输、吊装、安装、土建施工等各建造环节可能产生的关键问题进行了分析，提出相应的解决措施。CPR1000模块总体设计方案就每一模块在后续详细设计和施工中的关注问题都给出了明确的描述。

3.1.2 模块化采购分析

模块化技术在核电建造工程的应用带来的开顶式并行施工模式，使得设计、采购、安装进度相比传统模式大大提前，并且由于模块为多专业的结合体，每一模块所含物项量少但涵盖专业广的情况突出，这样虽然采购包总体逻辑不会改变，但对我们已经熟悉的采购进度及采购模式都带来了重大影响。通过对日本模块实施经验的分析、对国内大量的模块技术应用经验的调研学习，以及对公司内现行采购模式的调研分析，提出应对模块化技术实施的采购对策[11]。

3.2 总体方案技术可行性评估

对107个模块总体设计方案，召集模块内物项的相关专业对每一个模块总体方案的设计可行性进行多维度、全方位的综合评估，最终得出“是否可行”、“新增工作量”、“不可行原因”综合评估结论。

同时结合工程实施难易程度，结合模块化实施分析结果，将每个模块的综合评估结果分为三个等级：A级（建议优先实施）、B级（建议后续实施）、C级（建议积累经验后实施），为模块化技术方案的具体实施应用提供直观的参考文件。

3.3 总体方案成果

通过对CPR1000核电厂核岛主要厂房的模块总体设计方案的设计和综合评估，基本明确了对该工程进行模块化设计、建造可实施的范围，为方针的确定、工程量的把握和资源投入的策划奠定了一定的基础。

4 结束语

在当前国际核电发展形势下，尤其是国内核电新建机组安全标准全新的要求下，模块化技术已经逐渐成为项目建设重点工作之一，尽快掌握这项技术的核心能力有利于我国核电事业实现长期良好的发展。模块化技术具有通用性，其基本理念、设计方法、技术对策等可通用于各个堆型的核电厂设计建造。通过基于CPR1000堆型核电厂的核岛主要厂房的模块化技术研究，取得了内容翔实具体、贴合实际工程的、多方评估和验证的模块化总体方案，可为今后我国在不同堆型核电厂的模块化技术研发、设计、建造提供技术性参考和指导，为工程实施做好充分准备。

[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] Japan Atomic Industrial Forum，Inc. Word Nuclear Power Plants[M]，2009.

[3] Noriko Hirata etc. MANAGEMENT OF CONST RUCTION AT LATEST ABWR“SHIMANE3”[C].//17th International Conference on Nuclear Engineering（ICONE17），Brussels:ASME/JSME/ CNS，2009.

[4] 魏俊明，刘琼，孙坤. 第三代压水堆核电机组AP1000的模块化施工分析[J]. 电力建设，2008，29（4）：63-66.（WEI Jun-ming，LIU Qiong，SUN Kun. Analysis of Modular Construction of AP1000 3rdgeneration PWR Nuclear Generator[J]. Electric  Power Construction，2008，29(4):63-66.）

[5] 韩小萍，鲁勤武，李轶. 核电站管道段模块化施工技术[J]. 电力建设，2012（6）：109-112.（HAN Xiao-ping，LU Qin-wu，LI Yi. Piping-Block modular Construction Technology fou Nuclear Power Plant[J]. Electric Power Construction，2012(6):109-112.）

[6] 鲁勤武，张淑霞，郭俊营. 阳江核电站3号机组钢衬里模块化施工方法[J]. 电力建设，2012（7）：102-104.（LU Qin-wu，ZHANG Shu-xia，GUO Jun-ying. Modular Construction Method for Steel Lining in No.3 Unit of Yangjing Nuclear Power Plant[J]. Electric Power Construction，2012(7):102-104.）

[7] 鲁勤武，李轶，唐敏精. 核电工程开顶施工技术[J]. 电力建设，2012（11）：104-108.（LU Qin-wu，LI Yi，TANG Min-jing. Opening-Top Construction Technology for Nuclear Power Engineering[J]. Electric Power Construction，2012(11):104-108.）

[8] 鲁勤武，白鑫，赵淑昱. 核电站安全壳筏基钢筋笼模块化施工技术[J]. 电力建设，2012（12）：107-110.   （LU Qin-wu，BAI Xin-ming，ZHAO Shuyu. Modular Technology of Raft Foundation Reinforcement Cage for Reactor Building in Nuclear Power Plant[J]. Electric Power Construction，2012(12):107-110.）

[9] 吴祥勇，李轶，鲁勤武. 基于PDMS平台的模块三维设计系统研究开发[J]. 核动力工程，2011（32）：127-132.（WU Xiang-yong，LI Yi，LU Qinwu. Research and Development of Module 3D Design System Based on PDMS[J]. Nuclear Power Engineering，2011(32): 127-132.）

[10] 贾震江，刘宇穗. 协同、三维设计技术在数字化电厂 建设中的应用[J]. 电力建设，2011（04）：83-86.   （JIA Zhen-jiang，LIU Yu-sui. Application of Collaborative 3D Design in Digitalized Power Plant[J]. Electric Power Construction，2011(04):83-86.）

[11] 赵淑昱，鲁勤武，唐敏精，等. 核电工程机械模块采购模式的探讨[J] 电力建设，2012（增刊）：240-242.（ZHAO Shu-yu，LU Qin-wu，TANG Min-jing，et al. Research in the purchasing pattern for mechanical modules in nuclear power plants[J] Electric Power Construction，2012(Supplement):240-242.）

Study on Modular Technology Based on the Reference Nuclear Power Plant

LU Qin-wu，ZHAO Shu-yu，LI Yi，HAN Xiao-ping，CHAI Wei-dong，ZHANG Shu-xia
（National Energy R&D Center for Nuclear Power Engineering and Construction Technologies，Shenzhen of Guangdong Prov. 518124，China)

As an important technology for shortening the construction period and reducing the cost of nuclear power project, modular technology has become one of the development orientations of the third generation nuclear power plant. Taking CPR1000 nuclear power reactor as reference plant and drawing on advanced foreign technology of modularization, the overall concept design has been completed with the help of the self-developed 3D modular design system. On this basis, a typical detailed design work has been carried out so as to verify the feasibility of technology. Besides, an analysis on implementation of modular technology has been made from two aspects (procurement and construction), and the feasibility of research results in actual project has been evaluated. It provides references for the promotion of self-reliant modular technology in nuclear power project in China.

nuclear power plant；CPR1000；modular

TL37  Article character：A  Article ID：1674-1617(2014)02-0113-05

TL37

A

1674-1617(2014)02-0113-05

2014-03-23

鲁勤武（1965—），男，硕士研究生，高级工程师，从事核电工程模块化技术研究开发及设计管理工作。