浅析“华龙一号”示范工程建设中设计的“龙头”作用

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

“华龙一号”是在日本福岛核事故后，按照国家对新建核电厂最高核安全标准并结合国际上三代核电技术要求，自主研发设计的先进百万千瓦级压水堆核电技术。“华龙一号”首堆示范工程——福清核电站5号机组计划工期为62个月，自2015年5月7日正式开工建设以来，已于2017年5月25日，提前14天完成穹顶吊装，工程建设由土建阶段全面转向安装阶段；2019年4月28日，提前50天完成冷试，全面进入热试准备阶段。截止目前为止，所有关键里程碑节点均按计划完成，有望成为全球唯一按照进度计划建成的三代核电机组。

核电是最为复杂的能源系统，即便在工程建设规模与技术发展日新月异的今天，仍是当之无愧的“超级工程”。客观上，由于缺乏建造经验，采用新技术的项目相较于采用成熟技术的项目具有更多的不确定因素，存在较大的工程风险，国内外“三代核电”建设均陷入首堆工期必拖的“魔咒”也由此产生。

“华龙一号”工程参建单位众多，配合关系复杂，据不完全统计，参与供货的制造企业就超过5300多家，参与工程建设超过十万人，这对工程项目组织管理提出了极高的要求。自2007年开始，中核集团为适应我国核电发展新要求，顺应国际工程管理模式的发展趋势，加强集团化运作、集中优势资源、发挥整体优势，推进核电建设自主化、专业化发展，积极推进贯彻落实国家创新驱动战略，开始全面实施核电工程总承包管理。“华龙一号”首堆示范工程开工前，中国核电工程有限公司(简称“中核工程”)已通过多台机组“设计-采购-建造-调试”EPC总承包模式的实践，打造了一支经验丰富、作风优良、能打胜仗的复合型人才队伍，具备了成熟的项目管理体系与能力，形成了总承包核心竞争力，至2015年底，已实现5台机组建成投产。同时，中核集团坚持自主创新，不断提高自主研发设计能力，完整掌握核电设计技术，建立了完整的工程设计管理体系，积累了项目管理经验，为采用EPC总承包模式建设“华龙一号”示范工程打下了基础。

“华龙一号”示范工程业主为福建福清核电有限公司，由中核工程进行工程总承包，全面负责工程设计、设备采购、调试和试运行；中国核动力研究设计院负责一回路系统设计，华东电力研究设计院负责常规岛设计，中国核工业二四基础有限公司负责土建施工，中国核工业二三建设有限公司负责核岛及核岛BOP安装工作，中国核工业第五建设有限公司负责常规岛及常规岛BOP安装工作。在中核集团的统一领导下，业主、总包单位、设计与施工单位和主要供应商之间建立了以项目为核心的高效协调机制，对推进首堆工程顺利建设发挥了决定性作用。此外，EPC总包建设模式的优势得到了充分发挥，使工程建设在质量进度和费用控制上得到保证。其中，充分发挥自主设计的“龙头作用”，激发了设计单位开展设计优化的主观能动性，提高了项目运作效率，在工程整体质量、投资和进度等目标的实现上，充分体现出其优势，取得了显著的成效。

1 示范工程设计

1.1 设计自主化

通过坚持自主研发和引进吸收国外先进核电技术的“两条腿”走路，我国逐渐掌握了核电设计的关键技术，并于20世纪90年代自主设计了60万千瓦核电机组，成功建设了秦山二期工程，实现了由自主建设小型原型堆核电站到建设商用核电站的重大跨越。继秦山二期之后，基于CNP600设计的秦山二期扩建工程与海南昌江核电工程也陆续开工建设。此外，在批量化建设引进M310技术的二代改进型百万千瓦级核电机组同时，中核集团百万千瓦压水堆核电的型号自主研发工作也在抓紧开展，从CNP1000到CP1000，再到ACP1000，共经历了16年时间，为后来成功研发华龙一号奠定了坚实的基础。

基于三十多年的发展，中核集团在核电研发设计工程实践中积累了丰富的经验，配备了压水堆核电工程设计所需的配套设计工具，建立了压水堆核电设计和分析所需的软件体系，同时建立了较完善的核电设计研发基础数据信息库和设计平台，培养了一支优秀的核电研发设计队伍，具备开展核电自主研发的能力。日本福岛核事故后，随着我国对核电安全要求的提高，中核集团开展了 “华龙一号”研发，通过自主投入研发经费，支持中核工程与核动力院等单位开展了54项科研攻关课题，期间，两院对外广泛开展科研合作，与国内外共签署上百项研发合同。“华龙一号”是在充分利用我国30年核电发展形成的研发设计能力，并借鉴与吸收国际上先进核电设计理念的基础上，通过持续改进和自主创新形成的先进核电技术。“华龙一号”通过设计理念与技术方案创新、设计软件创新、关键设备研发，完整的掌握了核心技术，共申请700余项专利，形成了完善的自主知识产权体系。

此外，以依托项目为目标的工程设计也在同步开展，在上报项目申请报告之前，已完成工程总体设计和初步设计工作。在主要科研项目完成的同时，标准初步设计与安全分析报告已同步完成，为实施首堆示范工程奠定了坚实的基础。

1.2 示范工程设计组织

核电设计是复杂的系统工程，涉及专业技术领域超过70个，“华龙一号”示范工程包括350多个系统，超过80个子项，需出版施工图纸113 517张；除总包设计院及核岛与常规岛分包设计院外，还有多家单位参与工程设计，设计过程中有数以万计的内外部接口数据需要得到有效的协调管理。作为全新设计，大量接口数据需要在不同专业、不同设计单位与供应商之间进行多次传递，反复迭代计算后才能最终得到确定。任何一项数据错误都会对工程带来影响，这对设计协调管理带来巨大的挑战。

早在我国第一座60万千瓦级商用核电站秦山二期工程的自主设计中，核工业第二研究设计院承担了设计总包任务，与核动力院和华东电力设计院共同合作，建立起了完整的设计总包协调管理体系。此后，经过后续自主设计和建设的秦山二期扩建、海南昌江、方家山、福清等核电工程，设计总包协调管理体系得到不断优化完善，为“华龙一号”示范工程设计组织管理体系的建立奠定了坚实的基础。

“华龙一号”设计管理针对首堆工程特点，全面贯彻“安全第一、质量第一”的管理理念，强化了“精细化管理”“过程管理”和“风险管理”，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。例如针对反应堆及一回路系统设计，逐一梳理了每个专业的上下游相互逻辑关系、建立内外部接口，设置设计接口控制手册(ICM)，华龙一号建立了8 160个内部设计接口，3 285个外部接口，同时建立了内外部风险管理清单，针对每一风险项，逐一进行分解和落实可执行的行动项，并进行专人跟踪落实。通过采用这些管理措施，设计质量与进度得到有效的保证。

设计方案难以及时固化是造成首堆工程拖期的主要原因之一。示范工程由于是全新的设计，各种因素带来方案调整的可能性难以避免，如施工图设计阶段调整系统、设备和布置等设计方案，都将引起相关设计的连锁反应，直接影响工程进展。从概念设计到施工图出版，是不同参与方、不同专业在3～5年的时间内反复迭代的结果。在这个过程中，会出现大量亟需技术决策的问题，有些问题是跨专业综合性问题，技术决策的效率和质量往往会成为工程项目能否顺利推进的制约因素。为了提高决策效率和决策质量，“华龙一号”采用了项目总师决策制度，形成了所级、院级和公司三级决策体系，项目总师团队解决了绝大多数技术问题，有力推进了各项设计工作。

“华龙一号”示范工程设计过程中，全面采用了数字化设计手段，设计信息管理系统彻底实现了无纸化设计，三维设计实现了北京、成都、河北、郑州、上海多地协同可视化设计，土建及布置设计变更量下降40%，设计效率提高30%以上。

尽管“华龙一号”示范工程也出现了大量设计变更，但由于建立了高效的技术协调与决策体系，以及采用了如设计风险管理、敏捷团队(专项组)、设计沙盘推演、设计变更管理协调机制、以及“开口项”管理、EPCS“一体化进度”、信息化设计管理和三维协同设计等创新方式，最大程度减少了对工程的影响，设计方案固化带来的进度风险得到了较好的控制。

2 设计对采购、施工和调试的支持

2.1 设计优化为采购提供便捷

设备供货延误是造成核电工程拖期的主要风险，“华龙一号”示范工程有各类设备超过6万台套，设备国产化率不低于85%。三代标准要求的提升也给设备设计和制造带来了前所未有的压力，许多关键设备要进行研制。由于采用了大量“三新设备”，给设备按期交货带来了挑战，因此，“华龙一号”在设计之初就重点关注了与采购的结合，将采购纳入设计流程，为设备采购提供技术保障。此外，在设备采购与制造过程中也不断创新管理方式，有效保证制造质量与进度，取得了许多宝贵经验。

设计工作首先要保证为设备采购与制造创造条件，为此设计单位做出了巨大努力。例如在主设备采购与制造中，设计输入受上游和外部厂家接口制约，影响设备制造和采购周期，设计单位勇于担当，以“调研+论证+讨论”螺旋式推进设计，提前为制造厂进行长周期原材料的准备提供输入，最终设计输入确定后，重新进行复核计算，确认前期计算分析的有效性。将设计与制造的串行逻辑调整为合理交叉的并行逻辑，既保证了设计质量，也为设备制造赢得了时间，充分发挥出自主研发和设计的优势。

又如在仪控就地箱设计中，充分考虑满足采购和施工的不同需求进行优化设计，不仅提高了设备可靠性，可维护性，节约工程投资，同时大幅减少安装工作量，将采购周期从三到八个月缩短至一个月，缓解了供货周期长的矛盾。为了简化设备类型，方便采购，电气设计对阀门配电装置进行设计优化，在保证安全功能同时为设备采购带来了便利。工程设计中对大宗材料采用一物一码、三维预估用量、定期更新材料量、升版规格书、核对现场需求量等环节确保输入的准确和及时性，有效降低了采购裕量，避免出现漏采、重复采购的情况。通过设计优化减少仪表管阀件、电缆规格、合并采购量较少的规格，减轻了采购压力，以“高代低”方式充分利用现场余料，有效节省了采购费用。

为加强设计与采购的协调，成立了多个设计加采购联合专项组，聚焦上游设计输入和下游施工调试需求，有力保障了设备按时交付。以DCS供货为例，福清核电站5号机组DCS在4年间，召开EP专项协调会127次、处理文函16 078件、出席质量见证点2 448个，最终设备提前计划2天交付现场，走出“首堆项目DCS供货必延期”的桎梏。

2.2 设计与施工深度融合

“华龙一号”设计过程中，充分考虑将可施工性融入设计，以实现施工便捷性、安全性。设计上采用三维技术进行施工可视化模拟，施工单位在正式施工前通过三维模型进行模拟施工，比较施工方案，全面了解整个施工过程及环境、具体施工操作流程，进行施工准备，提高了施工效率。此外，EPC总包建设模式调动了设计优化积极性，在示范工程建设中，建立了设计经验反馈机制，使建设经验实时得到反馈，在5号机组施工中存在的困难和问题，在6号机组施工前就及时采取措施加以解决。经验反馈的有效实施，确保了6号机组设计变更数量比5号机组同期数量大大减少，CR/FCR同期减少69.3%，设计变更同期减少53.3%。

例如PCS水箱的施工，存在高空悬挑跨度大、施工荷载大、与周边厂房交叉作业等不利于施工及安全的难题。根据5号机组经验反馈，设计与施工单位密切配合，经分析研究后采用了永久式钢平台的方案，解决了施工困难和安全风险大的难题，加快了施工进度。又如反应堆厂房外层安全壳穹顶施工，5号机组设计外穹顶施工方案是在内层安全壳顶部支设脚手架作为混凝土模板支撑，影响内壳预应力张拉工作的开展和施工周期；由于内外壳之间空间较小，施工作业不太方便，且高空作业存在危险性。为此，设计开展了大量分析计算工作，重新修改设计方案，6号机组采用了外穹顶整体施工模板，在满足安全功能要求的同时，提高了施工安全性，降低了施工难度，有效缩短了建设总工期。

及时处理施工过程中发生的问题，是保证工程进度的重要环节。与国际上其他“三代核电”首堆一样，“华龙一号”建设过程中，由施工单位提出的问题澄清单(CR)和现场修改通知单(FCR)数量远超此前成熟二代核电项目。为此，设计院与项目部共同制定了一系列管理程序，优化问题处理流程，完善现场设计授权，在管理机制与技术力量上给予充分的保障。统计数据表明，“华龙一号”现场问题周回复率达到95%以上，平均回复时间仅1.5天，按期答复率接近100%，远高于此前所有核电工程项目，与引进技术建设的“三代”核电项目现场问题回复效率低的情况形成巨大的反差。除了上述因素外，自主掌握核心技术，有能力处理施工中各种问题是决定性因素。这有效的避免了因问题得不到及时处理，带来对工程进度的影响，有力保障了项目建设的顺利进行。

2.3 设计与调试一体化

“华龙一号”贯彻创新性、规范性的设计理念。在设计过程中，针对具有新概念设计和新设计特性的物项，开展了调试首堆试验专题研究、试验项目选取、试验方案制定及相关技术审评。其中研究工作从项目实施前便已开展，持续了约6年时间；方案制定随着工程的进展在不断完善，期间综合性技术审评会召开了7次，相关会议40余次。按照标准化、规范化的设计方法建立了完善系统的压水堆核电厂调试上游文件体系，形成了施工图阶段的设计文件350余份，在最大程度上保证了“华龙一号”的设计功能在调试期间得以全面验证，确保调试工作安全、有序、高效开展。

在调试准备阶段，由调试部门主导，设计人员会同调试人员开展具体试验方案的研究，分析可能存在的风险，共同制定切实有效的应对措施。在调试实施阶段，工程由EP(设计采购)协调为主，切换到以现场调试为核心的EPCS(设计采购建安调试)协调机制为主，业务板块间的分级协调机制发挥了对各项工作的高效推动作用。调试期间设计代表与调试人员同地办公，直接参与现场调试工作，工作过程充分体现将业务服务于工程项目的理念，设计单位建立了由现场设计代表—院内各专业团队—公司总师总工决策组的“三级梯队”快速响应机制，有效地保障了调试问题能够得到及时解决和各项试验的顺利进行。如在冷试过程中，针对系统流量不足的问题，设计人员第一时间赶往现场了解实情，召集多专业联合讨论，及时优化设计，调整布置方案，加班加点进行符合性分析计算。另外，采购与施工单位迅速联动，保证上下游工作无缝连接，以这种方式高效的解决了一个个调试中出现的问题。

3 结束语

对示范工程而言，自主技术与EPC总包管理模式是保证“华龙一号”工程建设顺利推进的两个最重要的基础，设计是实施工程项目成功的基石，因为设计不受制于人，EPC项目才能在中核工程公司的谋篇布局中从图纸顺利走向现实；而EPC总承包建设模式，又使自主设计的技术优势得到最大程度的发挥，有力地保证了“华龙一号”示范工程建设的质量与进度。

“华龙一号”示范工程从开工建设以来，在中核集团的强有力的领导下，各参建单位高效协调，不断提升业务管理水平，开展了大量的技术、管理创新，实践中有大量宝贵的经验值得认真总结，而本文仅从发挥自主设计的“龙头作用”方面谈些粗浅认识。示范工程建设正在努力打破“首堆必拖”的行业魔咒，重大工程节点均按时或提前实现，得益于全体建设者的共同努力，是各种积极因素共同作用和各方力量共同推动的结果。对于即将迎来的5号机组热试、装料等重大里程碑节点，和6号机组安装施工高峰爬坡的重大挑战，设计单位将与所有参建单位一道，继续秉承“两弹一星”精神和“四个一切”核工业精神，继续保持勇往直前的冲劲，振奋精神，决胜华龙！