“华龙一号”设计管理及创新

毛喜道,魏 峰,李广慧,张 利,黄伟峰,甄天雷,彭尚坤,姜萍萍,张晓宁

(中国核电工程有限公司,北京 100840)

1 “华龙一号”技术特点及管理概述

1.1 技术特点

“华龙一号”研发设计团队在我国30余年核电厂科研、设计、建造、调试、运行经验的基础上,融合借鉴国际先进核电技术设计理念,充分汲取福岛核事故经验反馈,完成了我国具有自主知识产权的三代核电品牌 “华龙一号”的研发。

“华龙一号”反应堆采取的177堆芯为反应堆装上了 “中国芯”,不仅可以使发电功率提高10%,同时也降低了堆芯功率密度,增加了堆芯热工裕量,提高了安全性和经济性;革新地采用了 “能动和非能动”相结合的安全系统,为核电厂长期失去交流电源的情况下提供多层安全保障;双层安全壳,能够抵御商用大飞机的撞击,事故情况下可保证放射性物质不会外泄;采用0.3g地面加速度作为地震输入进行建构筑物、设备设计,留有更大的抗震裕度,能够抵御类似引发福岛核事故震级的地震;采用全面的防水淹措施,即使出现极端气象,也能保证核电厂安全运行;设计寿命为60年,堆芯采用18个月换料,核电厂可利用率90%,大大提高核电厂经济性;采用确定论与概率论相结合的分析方法,识别薄弱环节、优化平衡设计,在保障安全性的同时保证经济性。

1.2 管理概述

技术上的改进和突破,同时也给设计管理带来了前所未有的挑战。为了保证 “华龙一号”全球首堆工程福建福清核电站5、6号机组及国外首堆工程卡拉奇K2/K3项目顺利推进,“华龙一号”设计管理团队以 “四个意识、一个观念”(危机意识、创新意识、主动意识、合作意识和大局观)为指导,积极探索、不断创新,开创了核电项目设计管理的新局面。

“华龙一号”设计管理贯彻 “安全第一、质量第一”的管理理念,将设计管理与公司组织管理相匹配、与项目管理相融合,将 “核安全”落实在设计管理的各个环节。通过 “过程管理”和“精细化管理”打造 “精品华龙”,通过 “规范化、标准化”管理提升设计效率。采取一切必要管理措施确保各项设计工作 “保质量、控风险、按计划”开展。

在上述管理思想的指导下,“华龙一号”设计管理团队编制了 《核电项目设计管理大纲》(以下简称 《大纲》),在质量、进度、费用等常规管理的基础上,创新性采用了风险管理、开口项管理、接口管理和信息化管理等一系列管理方法,取得了显著的效果。

2 管理策划

为了对设计管理进行总体策划,“华龙一号”设计管理团队编制了 《大纲》,《大纲》针对核电项目设计管理的基本要素提出了基本的管理要求,这些要素包括:管理目标、组织管理、人力管理、沟通管理、范围管理、合同管理、质量管理、进度管理、接口管理、费用管理、风险管理、安全管理、文档管理、信息化管理、考核管理、软件管理、技术服务、分包院管理、保密管理、知识产权管理、宣传管理、科研管理、培训管理、技术决策管理、经验反馈管理、开口项管理[1]等。

《大纲》结合中国核电工程有限公司 (以下简称 “工程公司”)工程设计组织的特点,对设计经理、总体设总、系统设总、设备设总、电仪设总、厂房设总、BOP设总、常规岛设总、计划工程师、接口工程师、质量工程师、合同主管、文档主管、所负责人等关键管理岗位提出了基本管理要求,明确了各岗位在可行性研究、方案设计、初步设计和施工图设计阶段的工作和职责。

《大纲》结合核电厂设计管理要求及 “华龙一号”示范工程设计的特点,对设计策划、设计输入、设计接口、设计输出、设计验证、设计评审、设计确认、设计更改等设计管理进行规定,并使之与项目管理要素有机地统一起来。

由此形成了由设计阶段、管理岗位、管理要素为维度, “三维一体”的设计管理体系 (见图1)。《大纲》统一了设计管理团队的思想,真正形成了 “事事有人管、实时有人管、管理有规矩”的局面。

3 设计风险管理

3.1 风险管理目的

图1 “三维一体”设计管理体系Fig.1 ‘Three-di mensional’engineering design manage ment syste m

“华龙一号”福清核电站5、6号机组作为我国自主研发三代核电技术的示范工程,重大风险集中在设计及研发,随着示范工程施工图设计的深入,一些重点、难点技术问题逐渐显现,比如状态导向法事故规程 (SEOP)开发、核岛水淹分析、安全壳外穹顶APC屋面设计方案等。另外,设计作为项目上游领域,受项目工期紧张、设计周期压缩、进度计划安排不均衡、设计方案和设备资料固化以及人力资源配备等因素影响,安装出图及按时FU困难超出预期,存在较大风险。

为了有效识别和管控 “华龙一号”项目设计重大风险,工程公司在北京核工程研究设计院(以下简称 “设计院”)各所、分公司、设计分包院开展了全面风险管理工作,建立设计风险管理体系,制定风险管控措施,切实解决设计进展关键问题,为实现项目四大控制目标提供有力支持和保障。

3.2 设计风险管理体系

设计院建立了 “华龙一号”设计领域风险管理体系,覆盖了参与 “华龙一号”设计的所有单位。设计院发布 《“华龙一号”设计风险TOP10管理程序》《“华龙一号”风险分析报表》等程序,并要求分包院也制定了相应的风险管理程序;成立了 “华龙一号”设计风险管理组织机构(见图2),落实了从院领导到专业所以及分公司、分包院的风险管理责任人,配备了风险管理工程师;开发了风险信息化管理平台,实行风险管理的在线连续监控和精细化管理。

3.3 风险识别和管控

设计院按照 《“华龙一号”设计风险TOP10管理程序》要求分包院每月5日更新并报送风险分析报表,分公司和设计所识别出的风险在风险管理平台报送。设计院每月汇总分包院、分公司、设计所风险信息,形成设计风险清单,根据风险发生概率和风险影响程度将设计风险分成4个预警等级。通过集体讨论、专家咨询、设计所调查研究等方式进行风险评估,进行设计领域风险TOP10排序。按照不同级别的技术风险实施分级控制,落实风险管控责任人,对项目风险TOP10、设计领域风险TOP10排序,制定专项管控措施、定期检查评价管控措施完成情况、效果及风险发展趋势,避免风险项对项目进度、质量、成本造成重大影响[2]。

针对级别较高的重大风险实施专项管控,成立专项组,制定专项管控计划,并落实专业总师、责任总工、专项组组长、责任设总及相关责任人,进行责任分解、细化,有针对性地制定应对措施及完成时间,定期召开风险专项会议,根据制定的管控措施、定期检查评价管控措施完成情况、效果及风险发展趋势,实施动态风险监控,提供已完成措施的支持性文件。图3给出了SEOP风险专项组运行机制。

图3 SEOP风险专项组Fig.3 SEOP risk manage ment tea m

3.4 风险管理平台

为保障设计领域范围内风险管理工作的正常实施,充分暴露潜在的设计风险,管控设计风险管理工作所需的信息和资源,设计院建立风险信息化管理平台 (见图4),实现平台信息共享,及时有效解决和关闭设计风险。

图4 设计风险管理平台风险控制界面Fig.4 Risk contr ol interface of design risk management platf or m

3.5 成果和成效评价

截至2017年8月,设计院累计发布 《福清核电项目风险分析报告-设计领域》20份,共识别设计相关风险131项,其中外部风险95项,内控风险36项,已关闭84项风险。

已识别出的重大设计风险包括5RX安全壳16.5 m以上钢衬里施工、DCS提资、燃料组件0.3g抗震设计、SEOP规程编制等,及时对这些风险采取了应对措施,包括5RX安全壳16.5 m以上钢衬里施工、燃料组件0.3g抗震设计等重大风险已关闭,取得了显著的成效,避免或减少了可能对工程造成的重大损失。风险管理统计图如图5所示。

图5 风险管理统计图Fig.5 Statistical diagra m of design risk manage ment

“华龙一号”福清核电站5、6号示范工程设计风险管理工作取得了良好效果,对设计风险的防范、控制、解决起到了积极作用,有力推动了项目的顺利实施。

4 开口项管理

4.1 概述

“华龙一号”首堆项目设计过程中,存在由于设计所需的内部、外部接口未建立或延误关闭所导致的下游设计所需设计输入暂时无法确定而产生的未固化的设计内容,称之为开口项。为了在确保设计质量的同时尽可能满足项目进度要求,在内、外部设计接口管理的基础上,开展开口项理工作,以便对该类设计接口交换或设计方案固化工作进行更加精细化的分级分类专项跟踪管理,对存在未固化内容的已出版成品文件进行有效的跟踪管理,同时将设计需求及设计文件的可用范围明确反馈至采购、施工领域,实现设计对采购领域的促进并对施工的可连续性提供技术指导。

4.2 开口项管理策划

核电首堆项目开口项涉及面广、跟踪周期较长,是一个繁琐的、复杂的管理工作。为实现多方、异地的统一化管理,并在资源受限条件下有效实现开口项管理的及时性,开项管理需要采取分类、分级管理并开发完善的填报跟踪管理平台,实现体系化管理[3]。开口项管理的流程如图6所示。

图6 开口项管理流程简图Fig.6 Design uncertain opening manage ment process diagra m

4.3 管理程序

程序按照开口项分类、分级管理思路制定,并为开口管理平台的开发提供明确需求,主要包括以下内容:

1)开口项分类,依据开口项对施工的影响(以宣布可用时间节点为界)将开口项分为三类,有效实现开口项管理为施工服务;

2)制定开口项管理工作流程,明确开口项设立时的责任要求和填写说明,给出三类开口项的升级处理原则,以及开口项关闭的条件和流程,最终形成开口项的闭环管理;

3)为开口项管理平台的开发提供输入。

4.4 开口项管理平台

依照开口项管理程序要求,开发了基于互联网的开口项跟踪管理平台。该平台实现了设计参与各方异地、同步、便捷的按开口项管理程序要求完成开口项填写和管理工作,同时实现了与设计信息化管理系统数据同步,充分利用了设计信息管理系统与图纸、计划、接口有关的数据,并具备了实时更新功能,为开口项便捷的更新管理提供了重要保障。开口项管理平台同时具备完善开口项关闭状态填报和查询功能,可以有效实现开口项的闭环管理。开口项管理平台最终形成一个 “大数据、云计算”的平台,为项目管理和数据分析提供支撑。

4.5 应用及成效

截至目前,“华龙一号”首堆项目的开口项最新状态如表1所示,福清和卡拉奇两个项目各专业开口项共计2 447条,已及时有效关闭2 392条,关闭率达97.75%。

表1 华龙首堆项目各专业开口项清单Table 1 List of HPR1000 design uncertain opening

开口项管理是现代工程项目管理中为满足质量、进度和费用管理需求,并为缓解三者之间矛盾而形成的一种有效手段,是 “华龙一号”风险管理的重要组成,首堆项目的实践是设计管理的一次创新。目前,开口项管理已经成功应用在“华龙一号”海内外两个首堆项目中,并建立了可靠的工作平台,在跨专业技术风险跟踪、开口项专项攻坚式管控等方面均取得了显著成效,有力保障了示范堆FCD、穹顶吊装等重大节点的按期甚至提前完成。

同时,开口项管理形成的大数据平台,可以用于核电设计风险类型统计、关键因素分析、设计与采购信息交互,设计同施工信息共享等诸多方面,是设计、采购、施工等各领域管理风险因素的一个范例,并可以推广至核电建造运行的相关领域甚至社会其他行业,是提高我国核电总承包管理能力一项重要尝试。

5 接口管理

5.1 接口管理背景

一般的核电项目的设计需经历厂址普选、初步可行性研究、可行性研究、总体设计、初步设计、施工图设计等阶段,部分项目还需要开展科研工作。不考虑非可控因素的干扰,整个设计过程需要5～7年。

工程公司承担的核电项目一般由公司设计院、中国核动力研究设计院、常规岛院为主完成设计工作,同时还需众多外委单位完成部分专项设计。公司设计院内部参与核电设计又有8个设计所和两个分公司,涉及70余个专业。

从图7可以看出,核电设计过程是一个各个单位和部门不断交换数据并产生设计成果的过程。核电设计具有如下特点。

1)需要众多设计单位和部门协同完成;

2)各单位、部门之间需要通过设计接口传递信息;

图7 核电设计过程及接口原理图Fig.7 Design process and interface diagra m

3)设计接口贯穿于项目设计的始终;

4)设计过程是设计的重要组成部分;

5)过程的质量和进度决定成果的质量和进度。

在以往的核电工程项目中,已经基本形成了一套接口信息交换手段,但也存在局部的不完备性,例如接口管理采用粗犷式管理,接口信息由各设计所、各专业根据设计进度索取和提供。接口信息交换的打开、关闭、延误等无法从管理环节进行实质性的跟踪和管理,存在信息交换效率较低的问题。

由于本文1.1节所述 “华龙一号”的技术特点,“华龙一号”首堆工程相对于 “二代加改进”核电机组,在工艺系统、厂房布局、设备设计、设备管道布置等方面进行了较大调整和改进。这些变化使接口信息交换工作的重要性更为突出。对于 “华龙一号”首堆工程,以往的接口管理方式可能成为设计工作无法按计划完成的重大潜在风险。

在技术方案发生重大变化的背景下,如何在整个设计周期内,对众多设计参与单位的接口信息交换进行科学的管理,保证设计工作的顺利推进,是设计管理团队面临的重大问题。

5.2 接口管理新模式

设计管理团队根据 “华龙一号”的技术特点和设计管理特点,提出了设计接口管理的新模式——接口手册,即:根据设计进度计划,提前预测各单位和部门需要交换的信息,确定责任单位、责任人和接口交换时间,并形成接口数据库[4-5]。

设计管理团队编制了 《外部设计接口管理程序》和 《内部设计接口管理程序》,程序规定工程公司设计院、设计分包院、设备供货商以及设计院内部各专业之间的技术接口资料交换,全部纳入接口手册进行管理。内部接口手册的格式如表2所示。

表2 内部接口手册格式Table 2 For mat of inter nal interface manual

5.3 接口管理平台

为了便于对接口完成情况进行统计分析,工程公司利用信息化平台——设计信息管理系统(CI MS)管理内外部接口。将接口手册导入到CI MS的设计接口管理模块后,设计人员可在CI MS系统中进行接口交换,管理人员可以进行接口管理和完成情况统计。

通过接口管理平台,设计管理团队可以实现规定时间段内接口计划打开率、实际打开率、计划关闭率、实际关闭率、累计打开率、累计关闭率的统计与分析工作。

除例行的日常跟踪管理工作外,设计院还采用了包括接口月报、双周接口协调会、设计采购周例会、板块协调会等报告及协调机制加强内部接口管理。对于接口管理过程中识别出的重大问题,填报至设计风险管理平台,并上升到专业总师例会或公司总工例会进行协调解决。

通过上述机制,对接口延误原因及存在问题的分析,对预计延误和延误接口滚动更新并跟踪协调直至问题解决。

5.4 管理成果及评价

“华龙一号”首堆工程福建福清核电站5、6号核电项目采用接口手册管理模式取得了良好的管理效果。截至目前,工程公司设计院内部共建立内部接口7 587个,其中初步设计阶段接口1 059个,施工图设计阶段接口6 066个,其他不分阶段接口462个,累计交换内部接口资料单20 255余份。设计院与设备供货商之间共建立接口1 639个,累计交换接口信息单和意见单5 410余份。工程公司设计院与设计分包院之间共建立接口734个,累计交换接口信息单和意见单1 221余份。

通过采用新的接口管理模式,取得了如下效果:

1)实现了接口的提前预测,设计接口交换进度与成品文件出版进度相匹配,责任落实到具体单位和设计人员,最大限度避免了成品文件因接口交换不及时而引起的出版延误。

2)将内部接口管理纳入计划管理范畴,不再是以往项目较为孤立、粗狂管理的工程设计资料单模式。切实做到有程序可依,有计划可供跟踪执行,有记录可以追溯上、下游信息交换状态,保证了设计质量。

3)对于基本属性相同 (第一方、第二方、提出方和接口信息)的接口,设计接口交换平台采用自动绑定的形式,即发布方提供接口信息可以一对多,不仅减轻了工作量,更能有效避免因升版资料时漏提某一接收方而导致设计输入未能送达影响设计质量的问题。

4)有助于开口项的追踪管理。对于内部设计输入有明确的标识,通过跟踪查看接口是否打开与关闭,能判断图纸开口项相关问题,可以更有效地协调设计输入,保证工程进度与质量。

5)对设计风险的防范、控制、解决起到了积极作用,有力推动了项目的顺利实施。

6 技术决策体系优化

如本文1.1节所述 “华龙一号”的技术特点,“华龙一号”首堆工程相对于 “二代加改进”核电机组有了较大调整和改进。在设计过程中,出现了大量急需决策的技术问题。为了满足 “华龙一号”的需求,工程公司在技术决策体系方面也进行了优化。

核电工程项目设置公司级、院级、所级三级设计技术决策组织体系。公司级技术决策是公司最高技术决策,核电设计总体技术方案和重大技术问题由公司级技术决策确定。公司总工、副总工负责公司级技术决策,公司级技术决策参与人员包括公司总工、副总工和公司专家委员会委员。院、所级技术决策是设计院、所内最高技术决策,设计院、所负责所承担核电设计任务范围内的技术决策工作。对跨设计所的技术问题,由相关责任所提出技术意见和建议,报请设计院级进行技术协调与决策。

为了提高 “华龙一号”项目的技术决策效率,在首堆工程施工图设计阶段,设置了项目总设计师,实行项目总设计师负责制,并配备了专业总设计师。项目总设计师在授权范围内负责“华龙一号”公司级技术决策,决策参与人员包括项目总 (副总)设计师、专业总 (副总)设计师、公司专家委员会委员及设计经理等。施工图阶段技术决策流程如图8所示。

图8 施工图阶段技术决策流程Fig.8 Process of technical decision at constr uction docu ments design phase

项目总设计师、专业总设计师团队的成立,使决策者聚焦于项目,综合考虑技术问题对项目质量、进度、投资的影响,大大提高了技术问题的处理效率,保证了项目的顺利推进。

7 信息化管理

为了适应工程公司设计业务的发展要求,特别是 “华龙一号”设计业务的需求,并满足核电总承包项目管理需求,工程公司以 “华龙一号”为依托项目,建设了设计信息管理系统 (简称CI MS),并全面应用了工厂三维布置设计管理系统 (简称PDMS)。

7.1 设计信息管理系统

设计信息管理系统整合了设计资源,集中管理设计数据,促进了信息共享,提升了工作效率,为工程公司项目管理和经营决策提供有力支持。

设计信息管理系统功能架构分为五层,如表3所示。

表3 设计信息管理系统功能架构Table 3 Frame of CI MS

7.2 三维协同设计

作为首堆,技术难度大,设计参与方众多,为实现协同工作、提高效率、规范数据流、优化设计、直观模拟、减少碰撞、服务施工、采购等目的,并为后续的项目提供详尽的参考,同时实现为数字化核电厂的开发提供基础数据和平台,“华龙一号”采用了PDMS三维设计。

(1)三维设计策划

1)在项目启动阶段即开始采用三维设计,实现设计与三维模型同步开展;

2)通过管理程序实现三维设计的标准化及制度化,实现异地协同设计;

3)利用三维模型抽图,减少二维设计工作量,提高出图效率;

4)三维数据信息尽可能完善,为采购、施工服务;

5)配套开发集成模型浏览工具,为碰撞检查、模型综合工作提供便捷;

6)为后续项目提供参考,并为数字化核电厂开发奠定基础。

(2)三维设计管理

按三维设计策划,“华龙一号”组建了三维工作组,出台了近70项管理程序,并按照专业需求开发了数十项插件,实现了三维模型的异地同步使用、三维提资、碰撞检查、三维抽图、材料汇总、可视动画、模型集成浏览等功能。

(3)三维综合

三维综合是PDMS在 “华龙一号”设计的一项应用,是保证设计质量的一项重要手段。“华龙一号”利用三维模型良好的可视性,对各专业设计内容进行检查,内容包括是否满足布置原则 (含安装、运行、维修和人员通行要求)、物项是否碰撞、布置是否美观、与建筑结构设计的相适应性等。综合过程中需要填写布置原则落实清单、未固化内容 (开口)确认单、固化房间确认单,同时协调专业间碰撞问题,对于疑难问题形成问题上报单并启动技术决策流程。

8 结束语

结合 “华龙一号”的技术特点和首堆工程的特点,设计管理团队以 “四个意识、一个观念”为指导,积极探索、不断创新,积极推进 “精细化管理”,强化 “过程控制”,确保设计工作 “保质量、控风险、按计划”开展。

“华龙一号”设计管理团队编制了 《核电项目设计管理大纲》,形成了由设计阶段、管理岗位、管理要素为维度,“三维一体”的管理体系。形成了 “事事有人管、实时有人管、管理有规矩”的局面。

在质量、进度、费用等常规管理的基础上,“华龙一号”创新性采用了接口管理、开口项管理和风险管理等管理方法,这些管理措施不但提高了设计管理的效率,更重要的是使设计质量全面受控,将 “核安全”落实到了设计及设计管理的每个环节,取得了显著的效果。

结合 “华龙一号”首堆工程的特点,工程公司对技术决策体系进行了优化,在施工图阶段实行项目总设计师负责制,大大提高了技术决策效率。

设计信息管理系统及三维协同设计平台的建立,一方面显著地提高了设计效率,同时信息化的过程反过来又促进了业务流程的规范化和标准化,使设计质量得到了显著的提高。

核电厂设计质量、进度、费用、接口、开口项、风险、技术决策、信息化管理等是相互关联的,项目设计过程中应协调发展。

“华龙一号”通过管理创新,全面落实了核电厂设计质量管理相关法规的要求,有效地保障了 “华龙一号”技术方案的实施。

本文所述的核电设计管理经验、方法可推广应用到后续批量化建设的 “华龙一号”机组,对于采用新堆型的原型堆或首堆示范项目,也具有参考和借鉴意义。

[1]毛喜道,宋代勇,魏峰,等.标准化核电项目设计管理大纲 [Z]．北京:中国核电工程有限公司,2017:6-7.

[2]张晓宁,黄伟峰,宋代勇,等. “华龙一号”设计风险TOP10管理程序 [Z]．北京:中国核电工程有限公司,2016:5-10.

[3]彭尚坤,宋代勇,荆春宁. “华龙一号”核电工程开口项管理程序 [Z]．北京:中国核电工程有限公司,2016:6-8.

[4]姜萍萍,韩国庆,霍建明.ACP1000核电工程内部设计接口管理程序 [Z]．北京:中国核电工程有限公司,2013:5-10．

[5]任宏,韩国庆,霍建明．外部设计接口管理程序 [Z]．北京:中国核电工程有限公司,2013:4-7．