尹春明,錢 萍
(廣東省電力設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510663)
近期,電力“十二五”規(guī)劃編制的工作已啟動(dòng),而核電中長(zhǎng)期調(diào)整方案制訂也已進(jìn)入尾聲。對(duì)2007年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的《核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2005—2020年)》,初步調(diào)整方案是到2020年,我國(guó)的核電裝機(jī)規(guī)模將增長(zhǎng)到7500萬千瓦,約占全國(guó)發(fā)電總裝機(jī)容量的5%,發(fā)電量達(dá)到8%。這標(biāo)志著我國(guó)核電發(fā)展進(jìn)入了新的階段。根據(jù)核電發(fā)展目標(biāo),2005年以來,在國(guó)家的大力支持下,廣東、浙江、遼寧、福建、山東等沿海地區(qū)正在建設(shè)一批新的核電站,中國(guó)成為新世紀(jì)第一個(gè)把宏偉核電規(guī)劃變?yōu)閷?shí)際行動(dòng)的國(guó)家。目前嶺澳二期、紅沿河、寧德、陽江、方家山及福清共計(jì)20臺(tái)機(jī)組正在建設(shè)之中, 2009年將有山東海陽、高橋島、三門和臺(tái)山核電站如期開工。核電發(fā)展的春天真正來臨了!
本文選取四個(gè)核電站,就“二代半”與“二代”、“三代”和“二代半”核電站常規(guī)島土建技術(shù)進(jìn)行比較,分析常規(guī)島結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因核電技術(shù)的發(fā)展而相應(yīng)的變化發(fā)展,見表1。
表1 不同堆型比較
嶺澳二期CPR1000是二代半核電站的代表堆型,其常規(guī)島結(jié)構(gòu)方案特點(diǎn):
2.1.1 大平臺(tái)布置
CPR1000常規(guī)島汽機(jī)房的跨距為44m,縱向長(zhǎng)度為100m,有效利用高度約為38m。長(zhǎng)度方向共設(shè)12排柱,柱距采用8m和12m兩種。汽機(jī)房主要分為三層:底層(0.20m)、中間層(6.20m)和運(yùn)轉(zhuǎn)層(16.20m),局部有11.40m層,中間層及運(yùn)轉(zhuǎn)層都采用大平臺(tái)。
常規(guī)島輔助間跨度l5m,縱向長(zhǎng)度與汽機(jī)房長(zhǎng)度相同為100m,有效利用高度約為41m。輔助間主要分四層,即底層(0.20m)、電纜夾層(16.20m),開關(guān)柜層(20.20m),除氧層(28.20m),局部有8.20m層。
主廠房采用鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)型式,汽機(jī)房平臺(tái)框架采用鋼結(jié)構(gòu),鋼框架梁支承在汽機(jī)基礎(chǔ)立柱的牛腿上,采用滑動(dòng)支座,鋼框架梁與廠房主體混凝土結(jié)構(gòu)采用鉸接連接。
2.1.2 防甩擊結(jié)構(gòu)
與核島電氣樓相鄰的山墻,屬于重要的構(gòu)筑物,山墻上不僅承擔(dān)各種連接核島與常規(guī)島管道的荷重,還設(shè)置了主蒸氣管防甩擊的結(jié)構(gòu)。在山墻柱平面外采取結(jié)構(gòu)措施,形成足夠的抗側(cè)力體系,以抵御風(fēng)荷載,地震作用和管道甩擊力。
2.1.3 汽輪發(fā)電機(jī)彈性基礎(chǔ)
CPR1000核電廠半速汽輪發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)采用彈簧隔振的彈性基礎(chǔ),彈性基礎(chǔ)具有抗振動(dòng)、抗地震、快速對(duì)中調(diào)平的優(yōu)點(diǎn)。汽機(jī)基礎(chǔ)立柱與頂臺(tái)板之間的連接不采用剛性連接,取而代之的是彈簧隔振器。
圖1 CPR1000常規(guī)島汽機(jī)彈性基礎(chǔ)與防甩結(jié)構(gòu)
2.2.1 AP1000結(jié)構(gòu)方案特點(diǎn)
海陽AP1000常規(guī)島主廠房從結(jié)構(gòu)角度來說,大體上與CPR1000相似,采用鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)型式,設(shè)置輔助跨。汽機(jī)房的跨距為42m,縱向長(zhǎng)度為120.5m,有效利用高度約為38m。長(zhǎng)度方向共設(shè)12排柱,柱距從9m到13m不等。輔助間跨度l3m,縱向長(zhǎng)度與汽機(jī)房長(zhǎng)度相同為120.5m,有效利用高度約為35m。此外還有以下技術(shù)特點(diǎn):
⑴ 布置連接廠房
按西屋的要求,與核島緊鄰處布置一跨結(jié)構(gòu),分別與和核島附屬廠房和脫開,在緊鄰常規(guī)島主廠房側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土墻。
⑵ 布置連接廠房
按西屋的要求,與核島緊鄰處布置一跨結(jié)構(gòu),分別與和核島附屬廠房和脫開,在緊鄰常規(guī)島主廠房側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土墻。
⑶ 核島對(duì)常規(guī)島廠房結(jié)構(gòu)有特殊要求
常規(guī)島主廠房結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)充分考慮核島對(duì)常規(guī)島廠房結(jié)構(gòu)的要求,例如抗震抗倒塌、龍卷風(fēng)以及防甩擊的要求。
⑷ 汽輪發(fā)電機(jī)剛性基礎(chǔ)
目前AP1000核電汽輪發(fā)電機(jī)采用日本三菱的半速機(jī)組,基礎(chǔ)采用框架式剛性基礎(chǔ),基礎(chǔ)整體從底板到上部結(jié)構(gòu)均與廠房主體結(jié)構(gòu)設(shè)縫脫開。
2.2.2 EPR結(jié)構(gòu)方案特點(diǎn)
EPR常規(guī)島廠房采用全鋼結(jié)構(gòu),按半地下室布置,不設(shè)置輔助跨,運(yùn)轉(zhuǎn)層以上為單跨鋼結(jié)構(gòu), 汽機(jī)房縱向長(zhǎng)度109.85m,共10排柱,最大柱距14.5m,其它柱距基本在12m左右;橫向僅一跨,跨度57.2m。廠房帶兩層地下室,標(biāo)高分別為-13.7m和-7.5m,兩層地下室局部還有一些夾層作為設(shè)備平臺(tái)。地下?lián)跬翂殇摻罨炷翂w,墻身與廠房鋼結(jié)構(gòu)不相連,懸臂結(jié)構(gòu)高度達(dá)14m,擋土墻底部與筏基相連。
MSR設(shè)備為立式布置,設(shè)備立柱直接落在筏板面。1750MW半速汽輪發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)采用彈簧隔振的彈性基礎(chǔ)。
圖2 EPR常規(guī)島廠房三維圖
由于核電機(jī)組只能使用飽和蒸汽,汽輪機(jī)的進(jìn)汽溫度和進(jìn)汽壓力都比較低,每公斤蒸汽的做功能力比較小,因此與使用超臨界以及超、超臨界蒸汽的機(jī)組相比較,在發(fā)同樣功率的條件下,蒸汽流量大很多。為了擴(kuò)大汽輪機(jī)的通流能力,必須擴(kuò)大汽輪機(jī)末級(jí)葉片的通流面積,因此必須增加末級(jí)葉片的高度。葉片高度增加后,又因葉片材料強(qiáng)度而受到葉頂線速度的限制,于是必須降低轉(zhuǎn)速。而降速又受到發(fā)電機(jī)電樞極數(shù)的限制,全速(50或60Hz)以下最接近的轉(zhuǎn)速是半速(25或30Hz),于是選擇半速,這是為什么很多核電機(jī)組使用半速的原因。目前我國(guó)新型的二代半和三代核電站全部采用半速汽輪發(fā)電機(jī)。
世界上對(duì)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)有兩種理念:
一種是美國(guó)、日本的理念,用大質(zhì)量來抑制振動(dòng)。一般情況下,如果機(jī)器加基礎(chǔ)的總質(zhì)量與機(jī)器轉(zhuǎn)子質(zhì)量的比值大于100,則可以不考慮振動(dòng)問題。基于這樣的理念,美國(guó)、日本機(jī)組的基礎(chǔ)都設(shè)計(jì)得非常大,立柱的尺寸經(jīng)常做到3m、甚至4m,這么大的尺寸使設(shè)備布置的較為困難。
另一種是歐洲的理念,用調(diào)頻的方法來隔振與減振。例如使用彈簧隔振的彈性基礎(chǔ),可以使系統(tǒng)(機(jī)器與基礎(chǔ)臺(tái)板)的固有頻率由20~25Hz減小到3~3.5Hz,從而使系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)離了機(jī)器的工作頻率,避免了共振的發(fā)生。彈性基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)見圖1。它與常規(guī)固定基礎(chǔ)的最主要的差別在于將立柱與頂臺(tái)板之間的剛性連接拆開了,取代剛性連接的是彈簧隔振器。彈性基礎(chǔ)的系統(tǒng)固有頻率(3~3.5Hz)遠(yuǎn)小于半速機(jī)組的工作頻率(25或30Hz),不僅滿足了足夠的避開裕量的要求,而且實(shí)踐證明了很好的隔振效果。
表2 核電全速和半速汽輪發(fā)電機(jī)對(duì)比
圖3 嶺澳一期全速汽輪發(fā)電機(jī)
圖4 嶺澳二期半速汽輪發(fā)電機(jī)安裝現(xiàn)場(chǎng)
以上是嶺澳一期和二期,全速機(jī)和半速機(jī)組在設(shè)備部件外型與荷重上的對(duì)比。嶺澳二期汽機(jī)間跨度和一期一樣,而表2可以看出半速機(jī)組外型與荷重比全速機(jī)大得多。同樣的廠房,布置下更龐大的機(jī)組,這都是汽輪發(fā)電機(jī)彈性基礎(chǔ)節(jié)約空間所起的重要作用。
目前國(guó)內(nèi)正在設(shè)計(jì)的兩個(gè)AP1000項(xiàng)目都是采用日本三菱與哈爾濱動(dòng)力集團(tuán)聯(lián)合生產(chǎn)的1250MW機(jī)組。汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)采用剛性基礎(chǔ)。
表3 以下是嶺澳二期汽機(jī)彈性基礎(chǔ)與海陽核電剛性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)比
從表3可以看出,兩核電站運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高相當(dāng),但海陽三菱機(jī)型筏板面標(biāo)高低7m,即立柱長(zhǎng)7m,這是由于龐大的凝汽器平面空間受到汽機(jī)基礎(chǔ)剛性基礎(chǔ)的限制,只能往高度方面拓展,整個(gè)汽機(jī)廠房由于凝汽器的設(shè)計(jì)布置,大大增加了地下結(jié)構(gòu)的工程費(fèi)用。
對(duì)于同一個(gè)地區(qū),由于百萬級(jí)半速核電機(jī)組凝汽器的循環(huán)冷卻水量?jī)杀队诎偃f級(jí)全速火電機(jī)組,相比之下凝汽器容積要大得多,因而采用彈性基礎(chǔ)不僅有良好的低頻基礎(chǔ)的動(dòng)力性能,還可以給廠房布置預(yù)留更多的空間。
核電廠結(jié)構(gòu)作為一種特種結(jié)構(gòu),其安全問題直接影響著周圍的環(huán)境,三里島核電站事故、切爾貝利核電站事故及日本JCO核電站事故等說明了核能工業(yè)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)。因此,對(duì)抗震設(shè)計(jì)的要求很高,要確保遇到極限安全地震震動(dòng)下不會(huì)對(duì)電站工作人員和附近造成放射性災(zāi)害。抗震既要確保電站設(shè)備、管道的安全,防止其因破壞導(dǎo)致的放射性物質(zhì)擴(kuò)散,又要保證放射性物質(zhì)擴(kuò)散防止措施的正常功能及其緊急防止措施的運(yùn)轉(zhuǎn)功能。以上是核島等抗震Ⅰ類物項(xiàng)自身所必須具有的抗震性能要求,抗震Ⅰ類物項(xiàng)的抗震標(biāo)準(zhǔn)是在極限安全地震震動(dòng)(SL-2/SSE)下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)。
常規(guī)島結(jié)構(gòu)鄰近核島,因而常規(guī)島的抗震性能要考慮對(duì)核島的影響。原理上對(duì)于可能危及抗震Ⅰ類物項(xiàng)功能的非安全級(jí)構(gòu)筑物,可選擇下列設(shè)計(jì)措施:
⑴ 非安全級(jí)構(gòu)筑物在總圖布置上考慮了其倒塌影響范圍在Ⅰ類物項(xiàng)以外;
⑵ 被危及的抗震Ⅰ類物項(xiàng)被保護(hù),鄰近的非安全級(jí)構(gòu)筑物倒塌不影響Ⅰ類物項(xiàng);
⑶ 證明非安全級(jí)構(gòu)筑物在極限安全地震震動(dòng)下不倒塌。
以上三條是從設(shè)計(jì)原理上分析,但由于核電站總圖布置和核島的設(shè)計(jì),第⑴、⑵項(xiàng)在核電設(shè)計(jì)領(lǐng)域都沒有采用,目前建設(shè)的核電站核島輔助廠房外墻與常規(guī)島外墻的距離都在10m范圍之內(nèi),核島結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有考慮常規(guī)島倒塌沖擊而增加保護(hù)措施。所以以上措施唯一可以執(zhí)行的是第⑶項(xiàng),即對(duì)常規(guī)島要進(jìn)行防倒塌校核驗(yàn)算。
對(duì)與常規(guī)島的抗震標(biāo)準(zhǔn),在《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB50223-2008第5.2.4條規(guī)定核電站常規(guī)島劃為重點(diǎn)設(shè)防類,即乙類建筑。筆者總結(jié)了多個(gè)國(guó)內(nèi)外核電站常規(guī)島的抗震設(shè)計(jì)(見表4),認(rèn)為彈性階段的設(shè)計(jì)可以采用國(guó)標(biāo)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2001的規(guī)定進(jìn)行,但由于核電站的特殊性,常規(guī)島的倒塌對(duì)核島的安全是有影響的,因而彈塑性階段地震作用的輸入應(yīng)與極限安全地震震動(dòng)(SL-2、SSE)相匹配,《核電站抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定:極限安全地震震動(dòng)是在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期中年超越概率為0.1‰的地震震動(dòng),其峰值加速度不小于0.15,通常為核電廠區(qū)可能遭遇的最大地震震動(dòng)。
表4 國(guó)內(nèi)外核電站常規(guī)島抗震設(shè)計(jì)要求
核電樓層反應(yīng)譜是建筑物樓層上相關(guān)設(shè)備震動(dòng)輸入的重要依據(jù),在核電站動(dòng)力分析中是一個(gè)重要的部分。有關(guān)技術(shù)以往一直應(yīng)用于核電站核安全物項(xiàng)(核島和核級(jí)泵房等)的抗震分析,從事核安全物項(xiàng)土建設(shè)計(jì)方根據(jù)整體結(jié)構(gòu)模型分析結(jié)果,提取考察點(diǎn)在地震作用及其它動(dòng)力荷載作用下的樓層響應(yīng)譜,以接口形式提供給設(shè)備制造方,用于重要設(shè)備、敏感儀表的連接、安裝設(shè)計(jì),保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件連接的安全性。
核島和泵房等核安全物項(xiàng)樓層反應(yīng)譜的計(jì)算,通常將其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)-彈簧-梁模型,利用SUPER SAP、CLASSI軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析研究,這種方法目前使用較為普遍,而三維空間復(fù)雜實(shí)體簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)-彈簧-梁模型的計(jì)算誤差有待進(jìn)一步研究。
從嶺澳二期開始,常規(guī)島土建設(shè)計(jì)方需要向進(jìn)口設(shè)備供貨商提供常規(guī)島內(nèi)部分區(qū)域的樓層反應(yīng)譜,以便其進(jìn)行重要管道和設(shè)備與廠房結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接設(shè)計(jì)。
圖5 某二代半型核電站常規(guī)島樓層反應(yīng)譜
目前常規(guī)島結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用的是三維空間桿系模型,根據(jù)《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行樓層反應(yīng)譜的編制,但如何按照結(jié)構(gòu)和地基的材料性質(zhì)、阻尼比值、地基與結(jié)構(gòu)相互作用等技術(shù)參數(shù)不確定性以及地震計(jì)算方法的近似性而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)頻率不確定性,對(duì)計(jì)算確定的樓層反應(yīng)譜予以修正是業(yè)內(nèi)需要進(jìn)一步探討的問題。
根據(jù)核電站實(shí)際的運(yùn)行情況和實(shí)際需要,目前國(guó)際上很多核電機(jī)組都延長(zhǎng)了服務(wù)的年限。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,制造水平和施工水平不斷提高,核電站的設(shè)計(jì)壽命也不斷加長(zhǎng),國(guó)內(nèi)的大亞灣核電站等設(shè)計(jì)壽命為40年,臺(tái)山核電站EPR機(jī)組及國(guó)內(nèi)引進(jìn)的AP1000機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命為60年,表明了核電站業(yè)主對(duì)設(shè)計(jì)、制造和施工建設(shè)提出了更高的要求。
由于三代核電設(shè)計(jì)使用壽命的延長(zhǎng),相應(yīng)的廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也必須采取必要的技術(shù)措施,以獲得與三代核電設(shè)計(jì)使用壽命相匹配的設(shè)計(jì)使用期。我國(guó)的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的混凝土耐久性相關(guān)技術(shù)要求是針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年提出的,設(shè)計(jì)使用年限延長(zhǎng)以后,如何使廠區(qū)混凝土滿足耐久性的要求,如何在設(shè)計(jì)和施工上采取相應(yīng)的措施,三代核電站對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)新的要求?!痘炷两Y(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50476-2008在2009年5月1日開始施行,該規(guī)范對(duì)三代核電混凝土設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義。
在中國(guó)核電全面進(jìn)入“二代半”同時(shí)大力引進(jìn)“三代”核電的時(shí)代,隨著核電技術(shù)的發(fā)展,常規(guī)島結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)新技術(shù)的要求也不斷提高,設(shè)計(jì)人員應(yīng)加強(qiáng)有關(guān)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。
⑴ 半速汽機(jī)發(fā)電機(jī)是現(xiàn)在和將來核電站的主導(dǎo)機(jī)型,對(duì)于歐洲百萬級(jí)半速機(jī)組,彈簧隔振的彈性基礎(chǔ)是最佳的結(jié)構(gòu)型式。采用STARDYNE和SAP2000國(guó)際通用的成熟軟件可以完成隔振基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和校核;對(duì)于美國(guó)、日本機(jī)型,這種類似機(jī)型完全可以采用彈性基礎(chǔ),但因?yàn)橹鳈C(jī)廠的原因,仍然采用剛性基礎(chǔ)的型式居多,針對(duì)剛性基礎(chǔ)可以采用MFSAP和SAP2000成熟的專業(yè)軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并配合物模試驗(yàn)使技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更優(yōu)。
⑵ 抗震性能分析是常規(guī)島結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),由于2008年8月前國(guó)內(nèi)沒有規(guī)范明確常規(guī)島的抗震設(shè)計(jì)水準(zhǔn),各核電站抗震設(shè)計(jì)方法不一。有的核島設(shè)計(jì)方對(duì)常規(guī)島提了明確要求,有的是建設(shè)方提出的要求,有的參考《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,有的按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》?!督ㄖこ炭拐鹪O(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB50223-2008施行后,對(duì)于常規(guī)島結(jié)構(gòu)彈性階段的設(shè)計(jì)有了明確的規(guī)定,考慮到核電站的特殊性,在彈塑性階段地震作用應(yīng)與極限安全地震震動(dòng)(SL-2/SSE)相匹配。
⑶ 核電樓層反應(yīng)譜是核電站重要技術(shù)性廠房相關(guān)設(shè)備震動(dòng)輸入的重要依據(jù),在核電站動(dòng)力分析中是一個(gè)重要的部分。目前三代核電基本采用半地下室布置,主廠房基礎(chǔ)采用筏基,結(jié)構(gòu)計(jì)算模型宜計(jì)入地基與結(jié)構(gòu)的相互作用,特別對(duì)于地基土平均剪切波速不大于1100m/s的地基。
⑷ 百萬千瓦以上大容量核電站常規(guī)島樓面活荷載的取值、三代核電站混凝土耐久性設(shè)計(jì)、EPR項(xiàng)目超大跨度鋼結(jié)構(gòu)和大型地下懸壁式擋土墻設(shè)計(jì)等都是新型核電站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的技術(shù)問題。
綜合上述,在新型核電站常規(guī)島設(shè)計(jì)技術(shù)方面,國(guó)際上已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,國(guó)內(nèi)電力行業(yè)的土建結(jié)構(gòu)工程師在未來幾年將面臨艱巨的設(shè)計(jì)任務(wù)和新技術(shù)的挑戰(zhàn),我們應(yīng)大膽引進(jìn)和消化吸收,進(jìn)一步提升技術(shù)創(chuàng)新的能力。
[1]GB50011-2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[2]GB50223-2008,建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].
[3]GB/T50476-2008,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[4]GB50267-97,核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].