淺析“華龍一號”示范工程建設中設計的“龍頭”作用

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

“華龍一號”是在日本福島核事故后，按照國家對新建核電廠最高核安全標準并結合國際上三代核電技術要求，自主研發設計的先進百萬千瓦級壓水堆核電技術。“華龍一號”首堆示范工程——福清核電站5號機組計劃工期為62個月，自2015年5月7日正式開工建設以來，已于2017年5月25日，提前14天完成穹頂吊裝，工程建設由土建階段全面轉向安裝階段；2019年4月28日，提前50天完成冷試，全面進入熱試準備階段。截止目前為止，所有關鍵里程碑節點均按計劃完成，有望成為全球唯一按照進度計劃建成的三代核電機組。

核電是最為復雜的能源系統，即便在工程建設規模與技術發展日新月異的今天，仍是當之無愧的“超級工程”。客觀上，由于缺乏建造經驗，采用新技術的項目相較于采用成熟技術的項目具有更多的不確定因素，存在較大的工程風險，國內外“三代核電”建設均陷入首堆工期必拖的“魔咒”也由此產生。

“華龍一號”工程參建單位眾多，配合關系復雜，據不完全統計，參與供貨的制造企業就超過5300多家，參與工程建設超過十萬人，這對工程項目組織管理提出了極高的要求。自2007年開始，中核集團為適應我國核電發展新要求，順應國際工程管理模式的發展趨勢，加強集團化運作、集中優勢資源、發揮整體優勢，推進核電建設自主化、專業化發展，積極推進貫徹落實國家創新驅動戰略，開始全面實施核電工程總承包管理。“華龍一號”首堆示范工程開工前，中國核電工程有限公司(簡稱“中核工程”)已通過多臺機組“設計-采購-建造-調試”EPC總承包模式的實踐，打造了一支經驗豐富、作風優良、能打勝仗的復合型人才隊伍，具備了成熟的項目管理體系與能力，形成了總承包核心競爭力，至2015年底，已實現5臺機組建成投產。同時，中核集團堅持自主創新，不斷提高自主研發設計能力，完整掌握核電設計技術，建立了完整的工程設計管理體系，積累了項目管理經驗，為采用EPC總承包模式建設“華龍一號”示范工程打下了基礎。

“華龍一號”示范工程業主為福建福清核電有限公司，由中核工程進行工程總承包，全面負責工程設計、設備采購、調試和試運行；中國核動力研究設計院負責一回路系統設計，華東電力研究設計院負責常規島設計，中國核工業二四基礎有限公司負責土建施工，中國核工業二三建設有限公司負責核島及核島BOP安裝工作，中國核工業第五建設有限公司負責常規島及常規島BOP安裝工作。在中核集團的統一領導下，業主、總包單位、設計與施工單位和主要供應商之間建立了以項目為核心的高效協調機制，對推進首堆工程順利建設發揮了決定性作用。此外，EPC總包建設模式的優勢得到了充分發揮，使工程建設在質量進度和費用控制上得到保證。其中，充分發揮自主設計的“龍頭作用”，激發了設計單位開展設計優化的主觀能動性，提高了項目運作效率，在工程整體質量、投資和進度等目標的實現上，充分體現出其優勢，取得了顯著的成效。

1 示范工程設計

1.1 設計自主化

通過堅持自主研發和引進吸收國外先進核電技術的“兩條腿”走路，我國逐漸掌握了核電設計的關鍵技術，并于20世紀90年代自主設計了60萬千瓦核電機組，成功建設了秦山二期工程，實現了由自主建設小型原型堆核電站到建設商用核電站的重大跨越。繼秦山二期之后，基于CNP600設計的秦山二期擴建工程與海南昌江核電工程也陸續開工建設。此外，在批量化建設引進M310技術的二代改進型百萬千瓦級核電機組同時，中核集團百萬千瓦壓水堆核電的型號自主研發工作也在抓緊開展，從CNP1000到CP1000，再到ACP1000，共經歷了16年時間，為后來成功研發華龍一號奠定了堅實的基礎。

基于三十多年的發展，中核集團在核電研發設計工程實踐中積累了豐富的經驗，配備了壓水堆核電工程設計所需的配套設計工具，建立了壓水堆核電設計和分析所需的軟件體系，同時建立了較完善的核電設計研發基礎數據信息庫和設計平臺，培養了一支優秀的核電研發設計隊伍，具備開展核電自主研發的能力。日本福島核事故后，隨著我國對核電安全要求的提高，中核集團開展了 “華龍一號”研發，通過自主投入研發經費，支持中核工程與核動力院等單位開展了54項科研攻關課題，期間，兩院對外廣泛開展科研合作，與國內外共簽署上百項研發合同。“華龍一號”是在充分利用我國30年核電發展形成的研發設計能力，并借鑒與吸收國際上先進核電設計理念的基礎上，通過持續改進和自主創新形成的先進核電技術。“華龍一號”通過設計理念與技術方案創新、設計軟件創新、關鍵設備研發，完整的掌握了核心技術，共申請700余項專利，形成了完善的自主知識產權體系。

此外，以依托項目為目標的工程設計也在同步開展，在上報項目申請報告之前，已完成工程總體設計和初步設計工作。在主要科研項目完成的同時，標準初步設計與安全分析報告已同步完成，為實施首堆示范工程奠定了堅實的基礎。

1.2 示范工程設計組織

核電設計是復雜的系統工程，涉及專業技術領域超過70個，“華龍一號”示范工程包括350多個系統，超過80個子項，需出版施工圖紙113 517張；除總包設計院及核島與常規島分包設計院外，還有多家單位參與工程設計，設計過程中有數以萬計的內外部接口數據需要得到有效的協調管理。作為全新設計，大量接口數據需要在不同專業、不同設計單位與供應商之間進行多次傳遞，反復迭代計算后才能最終得到確定。任何一項數據錯誤都會對工程帶來影響，這對設計協調管理帶來巨大的挑戰。

早在我國第一座60萬千瓦級商用核電站秦山二期工程的自主設計中，核工業第二研究設計院承擔了設計總包任務，與核動力院和華東電力設計院共同合作，建立起了完整的設計總包協調管理體系。此后，經過后續自主設計和建設的秦山二期擴建、海南昌江、方家山、福清等核電工程，設計總包協調管理體系得到不斷優化完善，為“華龍一號”示范工程設計組織管理體系的建立奠定了堅實的基礎。

“華龍一號”設計管理針對首堆工程特點，全面貫徹“安全第一、質量第一”的管理理念，強化了“精細化管理”“過程管理”和“風險管理”，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。例如針對反應堆及一回路系統設計，逐一梳理了每個專業的上下游相互邏輯關系、建立內外部接口，設置設計接口控制手冊(ICM)，華龍一號建立了8 160個內部設計接口，3 285個外部接口，同時建立了內外部風險管理清單，針對每一風險項，逐一進行分解和落實可執行的行動項，并進行專人跟蹤落實。通過采用這些管理措施，設計質量與進度得到有效的保證。

設計方案難以及時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設計，各種因素帶來方案調整的可能性難以避免，如施工圖設計階段調整系統、設備和布置等設計方案，都將引起相關設計的連鎖反應，直接影響工程進展。從概念設計到施工圖出版，是不同參與方、不同專業在3～5年的時間內反復迭代的結果。在這個過程中，會出現大量亟需技術決策的問題，有些問題是跨專業綜合性問題，技術決策的效率和質量往往會成為工程項目能否順利推進的制約因素。為了提高決策效率和決策質量，“華龍一號”采用了項目總師決策制度，形成了所級、院級和公司三級決策體系，項目總師團隊解決了絕大多數技術問題，有力推進了各項設計工作。

“華龍一號”示范工程設計過程中，全面采用了數字化設計手段，設計信息管理系統徹底實現了無紙化設計，三維設計實現了北京、成都、河北、鄭州、上海多地協同可視化設計，土建及布置設計變更量下降40%，設計效率提高30%以上。

盡管“華龍一號”示范工程也出現了大量設計變更，但由于建立了高效的技術協調與決策體系，以及采用了如設計風險管理、敏捷團隊(專項組)、設計沙盤推演、設計變更管理協調機制、以及“開口項”管理、EPCS“一體化進度”、信息化設計管理和三維協同設計等創新方式，最大程度減少了對工程的影響，設計方案固化帶來的進度風險得到了較好的控制。

2 設計對采購、施工和調試的支持

2.1 設計優化為采購提供便捷

設備供貨延誤是造成核電工程拖期的主要風險，“華龍一號”示范工程有各類設備超過6萬臺套，設備國產化率不低于85%。三代標準要求的提升也給設備設計和制造帶來了前所未有的壓力，許多關鍵設備要進行研制。由于采用了大量“三新設備”，給設備按期交貨帶來了挑戰，因此，“華龍一號”在設計之初就重點關注了與采購的結合，將采購納入設計流程，為設備采購提供技術保障。此外，在設備采購與制造過程中也不斷創新管理方式，有效保證制造質量與進度，取得了許多寶貴經驗。

設計工作首先要保證為設備采購與制造創造條件，為此設計單位做出了巨大努力。例如在主設備采購與制造中，設計輸入受上游和外部廠家接口制約，影響設備制造和采購周期，設計單位勇于擔當，以“調研+論證+討論”螺旋式推進設計，提前為制造廠進行長周期原材料的準備提供輸入，最終設計輸入確定后，重新進行復核計算，確認前期計算分析的有效性。將設計與制造的串行邏輯調整為合理交叉的并行邏輯，既保證了設計質量，也為設備制造贏得了時間，充分發揮出自主研發和設計的優勢。

又如在儀控就地箱設計中，充分考慮滿足采購和施工的不同需求進行優化設計，不僅提高了設備可靠性，可維護性，節約工程投資，同時大幅減少安裝工作量，將采購周期從三到八個月縮短至一個月，緩解了供貨周期長的矛盾。為了簡化設備類型，方便采購，電氣設計對閥門配電裝置進行設計優化，在保證安全功能同時為設備采購帶來了便利。工程設計中對大宗材料采用一物一碼、三維預估用量、定期更新材料量、升版規格書、核對現場需求量等環節確保輸入的準確和及時性，有效降低了采購裕量，避免出現漏采、重復采購的情況。通過設計優化減少儀表管閥件、電纜規格、合并采購量較少的規格，減輕了采購壓力，以“高代低”方式充分利用現場余料，有效節省了采購費用。

為加強設計與采購的協調，成立了多個設計加采購聯合專項組，聚焦上游設計輸入和下游施工調試需求，有力保障了設備按時交付。以DCS供貨為例，福清核電站5號機組DCS在4年間，召開EP專項協調會127次、處理文函16 078件、出席質量見證點2 448個，最終設備提前計劃2天交付現場，走出“首堆項目DCS供貨必延期”的桎梏。

2.2 設計與施工深度融合

“華龍一號”設計過程中，充分考慮將可施工性融入設計，以實現施工便捷性、安全性。設計上采用三維技術進行施工可視化模擬，施工單位在正式施工前通過三維模型進行模擬施工，比較施工方案，全面了解整個施工過程及環境、具體施工操作流程，進行施工準備，提高了施工效率。此外，EPC總包建設模式調動了設計優化積極性，在示范工程建設中，建立了設計經驗反饋機制，使建設經驗實時得到反饋，在5號機組施工中存在的困難和問題，在6號機組施工前就及時采取措施加以解決。經驗反饋的有效實施，確保了6號機組設計變更數量比5號機組同期數量大大減少，CR/FCR同期減少69.3%，設計變更同期減少53.3%。

例如PCS水箱的施工，存在高空懸挑跨度大、施工荷載大、與周邊廠房交叉作業等不利于施工及安全的難題。根據5號機組經驗反饋，設計與施工單位密切配合，經分析研究后采用了永久式鋼平臺的方案，解決了施工困難和安全風險大的難題，加快了施工進度。又如反應堆廠房外層安全殼穹頂施工，5號機組設計外穹頂施工方案是在內層安全殼頂部支設腳手架作為混凝土模板支撐，影響內殼預應力張拉工作的開展和施工周期；由于內外殼之間空間較小，施工作業不太方便，且高空作業存在危險性。為此，設計開展了大量分析計算工作，重新修改設計方案，6號機組采用了外穹頂整體施工模板，在滿足安全功能要求的同時，提高了施工安全性，降低了施工難度，有效縮短了建設總工期。

及時處理施工過程中發生的問題，是保證工程進度的重要環節。與國際上其他“三代核電”首堆一樣，“華龍一號”建設過程中，由施工單位提出的問題澄清單(CR)和現場修改通知單(FCR)數量遠超此前成熟二代核電項目。為此，設計院與項目部共同制定了一系列管理程序，優化問題處理流程，完善現場設計授權，在管理機制與技術力量上給予充分的保障。統計數據表明，“華龍一號”現場問題周回復率達到95%以上，平均回復時間僅1.5天，按期答復率接近100%，遠高于此前所有核電工程項目，與引進技術建設的“三代”核電項目現場問題回復效率低的情況形成巨大的反差。除了上述因素外，自主掌握核心技術，有能力處理施工中各種問題是決定性因素。這有效的避免了因問題得不到及時處理，帶來對工程進度的影響，有力保障了項目建設的順利進行。

2.3 設計與調試一體化

“華龍一號”貫徹創新性、規范性的設計理念。在設計過程中，針對具有新概念設計和新設計特性的物項，開展了調試首堆試驗專題研究、試驗項目選取、試驗方案制定及相關技術審評。其中研究工作從項目實施前便已開展，持續了約6年時間；方案制定隨著工程的進展在不斷完善，期間綜合性技術審評會召開了7次，相關會議40余次。按照標準化、規范化的設計方法建立了完善系統的壓水堆核電廠調試上游文件體系，形成了施工圖階段的設計文件350余份，在最大程度上保證了“華龍一號”的設計功能在調試期間得以全面驗證，確保調試工作安全、有序、高效開展。

在調試準備階段，由調試部門主導，設計人員會同調試人員開展具體試驗方案的研究，分析可能存在的風險，共同制定切實有效的應對措施。在調試實施階段，工程由EP(設計采購)協調為主，切換到以現場調試為核心的EPCS(設計采購建安調試)協調機制為主，業務板塊間的分級協調機制發揮了對各項工作的高效推動作用。調試期間設計代表與調試人員同地辦公，直接參與現場調試工作，工作過程充分體現將業務服務于工程項目的理念，設計單位建立了由現場設計代表—院內各專業團隊—公司總師總工決策組的“三級梯隊”快速響應機制，有效地保障了調試問題能夠得到及時解決和各項試驗的順利進行。如在冷試過程中，針對系統流量不足的問題，設計人員第一時間趕往現場了解實情，召集多專業聯合討論，及時優化設計，調整布置方案，加班加點進行符合性分析計算。另外，采購與施工單位迅速聯動，保證上下游工作無縫連接，以這種方式高效的解決了一個個調試中出現的問題。

3 結束語

對示范工程而言，自主技術與EPC總包管理模式是保證“華龍一號”工程建設順利推進的兩個最重要的基礎，設計是實施工程項目成功的基石，因為設計不受制于人，EPC項目才能在中核工程公司的謀篇布局中從圖紙順利走向現實；而EPC總承包建設模式，又使自主設計的技術優勢得到最大程度的發揮，有力地保證了“華龍一號”示范工程建設的質量與進度。

“華龍一號”示范工程從開工建設以來，在中核集團的強有力的領導下，各參建單位高效協調，不斷提升業務管理水平，開展了大量的技術、管理創新，實踐中有大量寶貴的經驗值得認真總結，而本文僅從發揮自主設計的“龍頭作用”方面談些粗淺認識。示范工程建設正在努力打破“首堆必拖”的行業魔咒，重大工程節點均按時或提前實現，得益于全體建設者的共同努力，是各種積極因素共同作用和各方力量共同推動的結果。對于即將迎來的5號機組熱試、裝料等重大里程碑節點，和6號機組安裝施工高峰爬坡的重大挑戰，設計單位將與所有參建單位一道，繼續秉承“兩彈一星”精神和“四個一切”核工業精神，繼續保持勇往直前的沖勁，振奮精神，決勝華龍！