“華龍一號”設計管理及創新

毛喜道,魏 峰,李廣慧,張 利,黃偉峰,甄天雷,彭尚坤,姜萍萍,張曉寧

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

1 “華龍一號”技術特點及管理概述

1.1 技術特點

“華龍一號”研發設計團隊在我國30余年核電廠科研、設計、建造、調試、運行經驗的基礎上,融合借鑒國際先進核電技術設計理念,充分汲取福島核事故經驗反饋,完成了我國具有自主知識產權的三代核電品牌 “華龍一號”的研發。

“華龍一號”反應堆采取的177堆芯為反應堆裝上了 “中國芯”,不僅可以使發電功率提高10%,同時也降低了堆芯功率密度,增加了堆芯熱工裕量,提高了安全性和經濟性;革新地采用了 “能動和非能動”相結合的安全系統,為核電廠長期失去交流電源的情況下提供多層安全保障;雙層安全殼,能夠抵御商用大飛機的撞擊,事故情況下可保證放射性物質不會外泄;采用0.3g地面加速度作為地震輸入進行建構筑物、設備設計,留有更大的抗震裕度,能夠抵御類似引發福島核事故震級的地震;采用全面的防水淹措施,即使出現極端氣象,也能保證核電廠安全運行;設計壽命為60年,堆芯采用18個月換料,核電廠可利用率90%,大大提高核電廠經濟性;采用確定論與概率論相結合的分析方法,識別薄弱環節、優化平衡設計,在保障安全性的同時保證經濟性。

1.2 管理概述

技術上的改進和突破,同時也給設計管理帶來了前所未有的挑戰。為了保證 “華龍一號”全球首堆工程福建福清核電站5、6號機組及國外首堆工程卡拉奇K2/K3項目順利推進,“華龍一號”設計管理團隊以 “四個意識、一個觀念”(危機意識、創新意識、主動意識、合作意識和大局觀)為指導,積極探索、不斷創新,開創了核電項目設計管理的新局面。

“華龍一號”設計管理貫徹 “安全第一、質量第一”的管理理念,將設計管理與公司組織管理相匹配、與項目管理相融合,將 “核安全”落實在設計管理的各個環節。通過 “過程管理”和“精細化管理”打造 “精品華龍”,通過 “規范化、標準化”管理提升設計效率。采取一切必要管理措施確保各項設計工作 “保質量、控風險、按計劃”開展。

在上述管理思想的指導下,“華龍一號”設計管理團隊編制了 《核電項目設計管理大綱》(以下簡稱 《大綱》),在質量、進度、費用等常規管理的基礎上,創新性采用了風險管理、開口項管理、接口管理和信息化管理等一系列管理方法,取得了顯著的效果。

2 管理策劃

為了對設計管理進行總體策劃,“華龍一號”設計管理團隊編制了 《大綱》,《大綱》針對核電項目設計管理的基本要素提出了基本的管理要求,這些要素包括:管理目標、組織管理、人力管理、溝通管理、范圍管理、合同管理、質量管理、進度管理、接口管理、費用管理、風險管理、安全管理、文檔管理、信息化管理、考核管理、軟件管理、技術服務、分包院管理、保密管理、知識產權管理、宣傳管理、科研管理、培訓管理、技術決策管理、經驗反饋管理、開口項管理[1]等。

《大綱》結合中國核電工程有限公司 (以下簡稱 “工程公司”)工程設計組織的特點,對設計經理、總體設總、系統設總、設備設總、電儀設總、廠房設總、BOP設總、常規島設總、計劃工程師、接口工程師、質量工程師、合同主管、文檔主管、所負責人等關鍵管理崗位提出了基本管理要求,明確了各崗位在可行性研究、方案設計、初步設計和施工圖設計階段的工作和職責。

《大綱》結合核電廠設計管理要求及 “華龍一號”示范工程設計的特點,對設計策劃、設計輸入、設計接口、設計輸出、設計驗證、設計評審、設計確認、設計更改等設計管理進行規定,并使之與項目管理要素有機地統一起來。

由此形成了由設計階段、管理崗位、管理要素為維度, “三維一體”的設計管理體系 (見圖1)?！洞缶V》統一了設計管理團隊的思想,真正形成了 “事事有人管、實時有人管、管理有規矩”的局面。

3 設計風險管理

3.1 風險管理目的

圖1 “三維一體”設計管理體系Fig.1 ‘Three-di mensional’engineering design manage ment syste m

“華龍一號”福清核電站5、6號機組作為我國自主研發三代核電技術的示范工程,重大風險集中在設計及研發,隨著示范工程施工圖設計的深入,一些重點、難點技術問題逐漸顯現,比如狀態導向法事故規程 (SEOP)開發、核島水淹分析、安全殼外穹頂APC屋面設計方案等。另外,設計作為項目上游領域,受項目工期緊張、設計周期壓縮、進度計劃安排不均衡、設計方案和設備資料固化以及人力資源配備等因素影響,安裝出圖及按時FU困難超出預期,存在較大風險。

為了有效識別和管控 “華龍一號”項目設計重大風險,工程公司在北京核工程研究設計院(以下簡稱 “設計院”)各所、分公司、設計分包院開展了全面風險管理工作,建立設計風險管理體系,制定風險管控措施,切實解決設計進展關鍵問題,為實現項目四大控制目標提供有力支持和保障。

3.2 設計風險管理體系

設計院建立了 “華龍一號”設計領域風險管理體系,覆蓋了參與 “華龍一號”設計的所有單位。設計院發布 《“華龍一號”設計風險TOP10管理程序》《“華龍一號”風險分析報表》等程序,并要求分包院也制定了相應的風險管理程序;成立了 “華龍一號”設計風險管理組織機構(見圖2),落實了從院領導到專業所以及分公司、分包院的風險管理責任人,配備了風險管理工程師;開發了風險信息化管理平臺,實行風險管理的在線連續監控和精細化管理。

3.3 風險識別和管控

設計院按照 《“華龍一號”設計風險TOP10管理程序》要求分包院每月5日更新并報送風險分析報表,分公司和設計所識別出的風險在風險管理平臺報送。設計院每月匯總分包院、分公司、設計所風險信息,形成設計風險清單,根據風險發生概率和風險影響程度將設計風險分成4個預警等級。通過集體討論、專家咨詢、設計所調查研究等方式進行風險評估,進行設計領域風險TOP10排序。按照不同級別的技術風險實施分級控制,落實風險管控責任人,對項目風險TOP10、設計領域風險TOP10排序,制定專項管控措施、定期檢查評價管控措施完成情況、效果及風險發展趨勢,避免風險項對項目進度、質量、成本造成重大影響[2]。

針對級別較高的重大風險實施專項管控,成立專項組,制定專項管控計劃,并落實專業總師、責任總工、專項組組長、責任設總及相關責任人,進行責任分解、細化,有針對性地制定應對措施及完成時間,定期召開風險專項會議,根據制定的管控措施、定期檢查評價管控措施完成情況、效果及風險發展趨勢,實施動態風險監控,提供已完成措施的支持性文件。圖3給出了SEOP風險專項組運行機制。

圖3 SEOP風險專項組Fig.3 SEOP risk manage ment tea m

3.4 風險管理平臺

為保障設計領域范圍內風險管理工作的正常實施,充分暴露潛在的設計風險,管控設計風險管理工作所需的信息和資源,設計院建立風險信息化管理平臺 (見圖4),實現平臺信息共享,及時有效解決和關閉設計風險。

圖4 設計風險管理平臺風險控制界面Fig.4 Risk contr ol interface of design risk management platf or m

3.5 成果和成效評價

截至2017年8月,設計院累計發布 《福清核電項目風險分析報告-設計領域》20份,共識別設計相關風險131項,其中外部風險95項,內控風險36項,已關閉84項風險。

已識別出的重大設計風險包括5RX安全殼16.5 m以上鋼襯里施工、DCS提資、燃料組件0.3g抗震設計、SEOP規程編制等,及時對這些風險采取了應對措施,包括5RX安全殼16.5 m以上鋼襯里施工、燃料組件0.3g抗震設計等重大風險已關閉,取得了顯著的成效,避免或減少了可能對工程造成的重大損失。風險管理統計圖如圖5所示。

圖5 風險管理統計圖Fig.5 Statistical diagra m of design risk manage ment

“華龍一號”福清核電站5、6號示范工程設計風險管理工作取得了良好效果,對設計風險的防范、控制、解決起到了積極作用,有力推動了項目的順利實施。

4 開口項管理

4.1 概述

“華龍一號”首堆項目設計過程中,存在由于設計所需的內部、外部接口未建立或延誤關閉所導致的下游設計所需設計輸入暫時無法確定而產生的未固化的設計內容,稱之為開口項。為了在確保設計質量的同時盡可能滿足項目進度要求,在內、外部設計接口管理的基礎上,開展開口項理工作,以便對該類設計接口交換或設計方案固化工作進行更加精細化的分級分類專項跟蹤管理,對存在未固化內容的已出版成品文件進行有效的跟蹤管理,同時將設計需求及設計文件的可用范圍明確反饋至采購、施工領域,實現設計對采購領域的促進并對施工的可連續性提供技術指導。

4.2 開口項管理策劃

核電首堆項目開口項涉及面廣、跟蹤周期較長,是一個繁瑣的、復雜的管理工作。為實現多方、異地的統一化管理,并在資源受限條件下有效實現開口項管理的及時性,開項管理需要采取分類、分級管理并開發完善的填報跟蹤管理平臺,實現體系化管理[3]。開口項管理的流程如圖6所示。

圖6 開口項管理流程簡圖Fig.6 Design uncertain opening manage ment process diagra m

4.3 管理程序

程序按照開口項分類、分級管理思路制定,并為開口管理平臺的開發提供明確需求,主要包括以下內容:

1)開口項分類,依據開口項對施工的影響(以宣布可用時間節點為界)將開口項分為三類,有效實現開口項管理為施工服務;

2)制定開口項管理工作流程,明確開口項設立時的責任要求和填寫說明,給出三類開口項的升級處理原則,以及開口項關閉的條件和流程,最終形成開口項的閉環管理;

3)為開口項管理平臺的開發提供輸入。

4.4 開口項管理平臺

依照開口項管理程序要求,開發了基于互聯網的開口項跟蹤管理平臺。該平臺實現了設計參與各方異地、同步、便捷的按開口項管理程序要求完成開口項填寫和管理工作,同時實現了與設計信息化管理系統數據同步,充分利用了設計信息管理系統與圖紙、計劃、接口有關的數據,并具備了實時更新功能,為開口項便捷的更新管理提供了重要保障。開口項管理平臺同時具備完善開口項關閉狀態填報和查詢功能,可以有效實現開口項的閉環管理。開口項管理平臺最終形成一個 “大數據、云計算”的平臺,為項目管理和數據分析提供支撐。

4.5 應用及成效

截至目前,“華龍一號”首堆項目的開口項最新狀態如表1所示,福清和卡拉奇兩個項目各專業開口項共計2 447條,已及時有效關閉2 392條,關閉率達97.75%。

表1 華龍首堆項目各專業開口項清單Table 1 List of HPR1000 design uncertain opening

開口項管理是現代工程項目管理中為滿足質量、進度和費用管理需求,并為緩解三者之間矛盾而形成的一種有效手段,是 “華龍一號”風險管理的重要組成,首堆項目的實踐是設計管理的一次創新。目前,開口項管理已經成功應用在“華龍一號”海內外兩個首堆項目中,并建立了可靠的工作平臺,在跨專業技術風險跟蹤、開口項專項攻堅式管控等方面均取得了顯著成效,有力保障了示范堆FCD、穹頂吊裝等重大節點的按期甚至提前完成。

同時,開口項管理形成的大數據平臺,可以用于核電設計風險類型統計、關鍵因素分析、設計與采購信息交互,設計同施工信息共享等諸多方面,是設計、采購、施工等各領域管理風險因素的一個范例,并可以推廣至核電建造運行的相關領域甚至社會其他行業,是提高我國核電總承包管理能力一項重要嘗試。

5 接口管理

5.1 接口管理背景

一般的核電項目的設計需經歷廠址普選、初步可行性研究、可行性研究、總體設計、初步設計、施工圖設計等階段,部分項目還需要開展科研工作。不考慮非可控因素的干擾,整個設計過程需要5～7年。

工程公司承擔的核電項目一般由公司設計院、中國核動力研究設計院、常規島院為主完成設計工作,同時還需眾多外委單位完成部分專項設計。公司設計院內部參與核電設計又有8個設計所和兩個分公司,涉及70余個專業。

從圖7可以看出,核電設計過程是一個各個單位和部門不斷交換數據并產生設計成果的過程。核電設計具有如下特點。

1)需要眾多設計單位和部門協同完成;

2)各單位、部門之間需要通過設計接口傳遞信息;

圖7 核電設計過程及接口原理圖Fig.7 Design process and interface diagra m

3)設計接口貫穿于項目設計的始終;

4)設計過程是設計的重要組成部分;

5)過程的質量和進度決定成果的質量和進度。

在以往的核電工程項目中,已經基本形成了一套接口信息交換手段,但也存在局部的不完備性,例如接口管理采用粗獷式管理,接口信息由各設計所、各專業根據設計進度索取和提供。接口信息交換的打開、關閉、延誤等無法從管理環節進行實質性的跟蹤和管理,存在信息交換效率較低的問題。

由于本文1.1節所述 “華龍一號”的技術特點,“華龍一號”首堆工程相對于 “二代加改進”核電機組,在工藝系統、廠房布局、設備設計、設備管道布置等方面進行了較大調整和改進。這些變化使接口信息交換工作的重要性更為突出。對于 “華龍一號”首堆工程,以往的接口管理方式可能成為設計工作無法按計劃完成的重大潛在風險。

在技術方案發生重大變化的背景下,如何在整個設計周期內,對眾多設計參與單位的接口信息交換進行科學的管理,保證設計工作的順利推進,是設計管理團隊面臨的重大問題。

5.2 接口管理新模式

設計管理團隊根據 “華龍一號”的技術特點和設計管理特點,提出了設計接口管理的新模式——接口手冊,即:根據設計進度計劃,提前預測各單位和部門需要交換的信息,確定責任單位、責任人和接口交換時間,并形成接口數據庫[4-5]。

設計管理團隊編制了 《外部設計接口管理程序》和 《內部設計接口管理程序》,程序規定工程公司設計院、設計分包院、設備供貨商以及設計院內部各專業之間的技術接口資料交換,全部納入接口手冊進行管理。內部接口手冊的格式如表2所示。

表2 內部接口手冊格式Table 2 For mat of inter nal interface manual

5.3 接口管理平臺

為了便于對接口完成情況進行統計分析,工程公司利用信息化平臺——設計信息管理系統(CI MS)管理內外部接口。將接口手冊導入到CI MS的設計接口管理模塊后,設計人員可在CI MS系統中進行接口交換,管理人員可以進行接口管理和完成情況統計。

通過接口管理平臺,設計管理團隊可以實現規定時間段內接口計劃打開率、實際打開率、計劃關閉率、實際關閉率、累計打開率、累計關閉率的統計與分析工作。

除例行的日常跟蹤管理工作外,設計院還采用了包括接口月報、雙周接口協調會、設計采購周例會、板塊協調會等報告及協調機制加強內部接口管理。對于接口管理過程中識別出的重大問題,填報至設計風險管理平臺,并上升到專業總師例會或公司總工例會進行協調解決。

通過上述機制,對接口延誤原因及存在問題的分析,對預計延誤和延誤接口滾動更新并跟蹤協調直至問題解決。

5.4 管理成果及評價

“華龍一號”首堆工程福建福清核電站5、6號核電項目采用接口手冊管理模式取得了良好的管理效果。截至目前,工程公司設計院內部共建立內部接口7 587個,其中初步設計階段接口1 059個,施工圖設計階段接口6 066個,其他不分階段接口462個,累計交換內部接口資料單20 255余份。設計院與設備供貨商之間共建立接口1 639個,累計交換接口信息單和意見單5 410余份。工程公司設計院與設計分包院之間共建立接口734個,累計交換接口信息單和意見單1 221余份。

通過采用新的接口管理模式,取得了如下效果:

1)實現了接口的提前預測,設計接口交換進度與成品文件出版進度相匹配,責任落實到具體單位和設計人員,最大限度避免了成品文件因接口交換不及時而引起的出版延誤。

2)將內部接口管理納入計劃管理范疇,不再是以往項目較為孤立、粗狂管理的工程設計資料單模式。切實做到有程序可依,有計劃可供跟蹤執行,有記錄可以追溯上、下游信息交換狀態,保證了設計質量。

3)對于基本屬性相同 (第一方、第二方、提出方和接口信息)的接口,設計接口交換平臺采用自動綁定的形式,即發布方提供接口信息可以一對多,不僅減輕了工作量,更能有效避免因升版資料時漏提某一接收方而導致設計輸入未能送達影響設計質量的問題。

4)有助于開口項的追蹤管理。對于內部設計輸入有明確的標識,通過跟蹤查看接口是否打開與關閉,能判斷圖紙開口項相關問題,可以更有效地協調設計輸入,保證工程進度與質量。

5)對設計風險的防范、控制、解決起到了積極作用,有力推動了項目的順利實施。

6 技術決策體系優化

如本文1.1節所述 “華龍一號”的技術特點,“華龍一號”首堆工程相對于 “二代加改進”核電機組有了較大調整和改進。在設計過程中,出現了大量急需決策的技術問題。為了滿足 “華龍一號”的需求,工程公司在技術決策體系方面也進行了優化。

核電工程項目設置公司級、院級、所級三級設計技術決策組織體系。公司級技術決策是公司最高技術決策,核電設計總體技術方案和重大技術問題由公司級技術決策確定。公司總工、副總工負責公司級技術決策,公司級技術決策參與人員包括公司總工、副總工和公司專家委員會委員。院、所級技術決策是設計院、所內最高技術決策,設計院、所負責所承擔核電設計任務范圍內的技術決策工作。對跨設計所的技術問題,由相關責任所提出技術意見和建議,報請設計院級進行技術協調與決策。

為了提高 “華龍一號”項目的技術決策效率,在首堆工程施工圖設計階段,設置了項目總設計師,實行項目總設計師負責制,并配備了專業總設計師。項目總設計師在授權范圍內負責“華龍一號”公司級技術決策,決策參與人員包括項目總 (副總)設計師、專業總 (副總)設計師、公司專家委員會委員及設計經理等。施工圖階段技術決策流程如圖8所示。

圖8 施工圖階段技術決策流程Fig.8 Process of technical decision at constr uction docu ments design phase

項目總設計師、專業總設計師團隊的成立,使決策者聚焦于項目,綜合考慮技術問題對項目質量、進度、投資的影響,大大提高了技術問題的處理效率,保證了項目的順利推進。

7 信息化管理

為了適應工程公司設計業務的發展要求,特別是 “華龍一號”設計業務的需求,并滿足核電總承包項目管理需求,工程公司以 “華龍一號”為依托項目,建設了設計信息管理系統 (簡稱CI MS),并全面應用了工廠三維布置設計管理系統 (簡稱PDMS)。

7.1 設計信息管理系統

設計信息管理系統整合了設計資源,集中管理設計數據,促進了信息共享,提升了工作效率,為工程公司項目管理和經營決策提供有力支持。

設計信息管理系統功能架構分為五層,如表3所示。

表3 設計信息管理系統功能架構Table 3 Frame of CI MS

7.2 三維協同設計

作為首堆,技術難度大,設計參與方眾多,為實現協同工作、提高效率、規范數據流、優化設計、直觀模擬、減少碰撞、服務施工、采購等目的,并為后續的項目提供詳盡的參考,同時實現為數字化核電廠的開發提供基礎數據和平臺,“華龍一號”采用了PDMS三維設計。

(1)三維設計策劃

1)在項目啟動階段即開始采用三維設計,實現設計與三維模型同步開展;

2)通過管理程序實現三維設計的標準化及制度化,實現異地協同設計;

3)利用三維模型抽圖,減少二維設計工作量,提高出圖效率;

4)三維數據信息盡可能完善,為采購、施工服務;

5)配套開發集成模型瀏覽工具,為碰撞檢查、模型綜合工作提供便捷;

6)為后續項目提供參考,并為數字化核電廠開發奠定基礎。

(2)三維設計管理

按三維設計策劃,“華龍一號”組建了三維工作組,出臺了近70項管理程序,并按照專業需求開發了數十項插件,實現了三維模型的異地同步使用、三維提資、碰撞檢查、三維抽圖、材料匯總、可視動畫、模型集成瀏覽等功能。

(3)三維綜合

三維綜合是PDMS在 “華龍一號”設計的一項應用,是保證設計質量的一項重要手段?！叭A龍一號”利用三維模型良好的可視性,對各專業設計內容進行檢查,內容包括是否滿足布置原則 (含安裝、運行、維修和人員通行要求)、物項是否碰撞、布置是否美觀、與建筑結構設計的相適應性等。綜合過程中需要填寫布置原則落實清單、未固化內容 (開口)確認單、固化房間確認單,同時協調專業間碰撞問題,對于疑難問題形成問題上報單并啟動技術決策流程。

8 結束語

結合 “華龍一號”的技術特點和首堆工程的特點,設計管理團隊以 “四個意識、一個觀念”為指導,積極探索、不斷創新,積極推進 “精細化管理”,強化 “過程控制”,確保設計工作 “保質量、控風險、按計劃”開展。

“華龍一號”設計管理團隊編制了 《核電項目設計管理大綱》,形成了由設計階段、管理崗位、管理要素為維度,“三維一體”的管理體系。形成了 “事事有人管、實時有人管、管理有規矩”的局面。

在質量、進度、費用等常規管理的基礎上,“華龍一號”創新性采用了接口管理、開口項管理和風險管理等管理方法,這些管理措施不但提高了設計管理的效率,更重要的是使設計質量全面受控,將 “核安全”落實到了設計及設計管理的每個環節,取得了顯著的效果。

結合 “華龍一號”首堆工程的特點,工程公司對技術決策體系進行了優化,在施工圖階段實行項目總設計師負責制,大大提高了技術決策效率。

設計信息管理系統及三維協同設計平臺的建立,一方面顯著地提高了設計效率,同時信息化的過程反過來又促進了業務流程的規范化和標準化,使設計質量得到了顯著的提高。

核電廠設計質量、進度、費用、接口、開口項、風險、技術決策、信息化管理等是相互關聯的,項目設計過程中應協調發展。

“華龍一號”通過管理創新,全面落實了核電廠設計質量管理相關法規的要求,有效地保障了 “華龍一號”技術方案的實施。

本文所述的核電設計管理經驗、方法可推廣應用到后續批量化建設的 “華龍一號”機組,對于采用新堆型的原型堆或首堆示范項目,也具有參考和借鑒意義。

[1]毛喜道,宋代勇,魏峰,等.標準化核電項目設計管理大綱 [Z]．北京:中國核電工程有限公司,2017:6-7.

[2]張曉寧,黃偉峰,宋代勇,等. “華龍一號”設計風險TOP10管理程序 [Z]．北京:中國核電工程有限公司,2016:5-10.

[3]彭尚坤,宋代勇,荊春寧. “華龍一號”核電工程開口項管理程序 [Z]．北京:中國核電工程有限公司,2016:6-8.

[4]姜萍萍,韓國慶,霍建明.ACP1000核電工程內部設計接口管理程序 [Z]．北京:中國核電工程有限公司,2013:5-10．

[5]任宏,韓國慶,霍建明．外部設計接口管理程序 [Z]．北京:中國核電工程有限公司,2013:4-7．