田灣核電電纜敷設設計改進

杜宗陽

(江蘇核電有限公司,江蘇 連云港 222000)

核電廠電纜敷設設計工作是一項龐大的綜合性工作，設計人員需要根據(jù)設計院相關專業(yè)、外部設計院、設備廠家等多方提交的大量電纜輸入數(shù)據(jù)進行電纜路徑設計，同時需要根據(jù)電纜的電壓等級、執(zhí)行功能、電纜數(shù)量等因素對電纜橋架的布置和空間分配情況進行反復的調(diào)整。如果電纜敷設設計不合理，將會制約電纜采購工作、現(xiàn)場電纜敷設工作，甚至會影響工程的整體進度。

參考核電廠田灣核電1、2號機組電纜敷設設計工作由俄羅斯圣彼得堡設計院負責，由于電纜橋架布置方案不合理、電纜敷設軟件中電纜橋架模型與現(xiàn)場電纜橋架實際布置情況存在偏差、設計院對電纜橋架空間分配不合理、電纜輸入數(shù)據(jù)提交進度與電纜敷設設計進度不匹配等諸多因素影響，導致設計院前期已完成的設計文件中存在大量電纜路徑不通暢、大量電纜橋架超容等問題，從而導致設計文件大量、頻繁的升版，對現(xiàn)場電纜橋架安裝、電纜采購、電纜敷設等工作造成較大負面影響。在田灣核電3、4號機組中，由于設計分工的變化，核島仍由圣彼得堡設計院設計，而常規(guī)島、BOP分別由東北電纜設計院、中國核電工程有限公司(CNPE)設計，導致出現(xiàn)了跨島電纜(電纜起、終端分別位于核島、常規(guī)島或BOP的電纜)的敷設設計問題、常規(guī)島及BOP電纜敷設設計軟件使用問題等新的問題。

1 電纜敷設設計面臨的問題

在田灣核電1、2號機組工程中，電纜敷設設計文件的質(zhì)量問題曾一度是制約現(xiàn)場施工的主要問題之一，電纜敷設設計文件主要存在以下問題：

1.1 電纜橋架布置方案不合理

在VVER核電機組中，對應工藝系統(tǒng)功能劃分情況，電纜劃分為2個正常序列和4個應急序列；按照VVER核電機組電纜敷設設計原則，為了保證電纜散熱、電磁兼容，根據(jù)電壓等級、執(zhí)行功能等因素，將電纜分為13個組。由于電纜序列多、電纜分組多，不同序列的電纜不能敷設在一起，不同分組的電纜的敷設要求存在差異，一般情況下，電纜橋架的布置方案需要在電纜敷設設計完成后才能最終確定，只有這樣才能保證電纜橋架的分配情況與電纜的最終布置方案一致。在田灣核電1、2號機組工程中，由于受外部電纜輸入數(shù)據(jù)提交滯后以及電纜布置相比參考核電廠存在較大變化等因素的影響，存在很多處電纜橋架設計不合理，例如電纜橋架走向與實際需求不符、設計層數(shù)偏少，嚴重制約電纜施工工作。

1.2 電纜敷設軟件模型中選取的電纜橋架采樣點偏少

在田灣核電1、2號機組電纜敷設設計期間，設計院在電纜敷設軟件模型中選取的電纜橋架采樣點偏少，不能準確反映實際電纜橋架的布置情況，從而影響了電纜路徑設計的準確性。現(xiàn)場電纜施工時曾一度出現(xiàn)在敷設電纜前先穿繩子來檢查電纜路徑是否通暢的情況，嚴重影響現(xiàn)場電纜施工進度。

1.3 電纜橋架的標識文件頻繁變化

電纜橋架標識文件(詳細解釋見2.3節(jié))用于體現(xiàn)電纜橋架中各個組電纜的空間分配及隔離情況，只有在主要電纜敷設設計工作結束后才可以確定。在田灣核電1、2號機組工程中，由于外部電纜輸入數(shù)據(jù)提交進度與電纜敷設設計進度不匹配、設計人員對各組電纜預留的空間不準確等原因，造成了電纜橋架標識文件頻繁升版、變更，嚴重制約現(xiàn)場刷涂電纜橋架標識、電纜施工工作的開展。

1.4 由于設計分工變化而產(chǎn)生的新問題

田灣核電1、2號機組核島、常規(guī)島由圣彼得堡設計院設計，BOP由CNPE設計。由于設計分工的變化，田灣核電3、4號機組常規(guī)島改為由東北電力設計院設計，導致出現(xiàn)了跨島電纜如何設計、常規(guī)島及BOP電纜敷設設計使用哪種軟件的兩個問題。這兩個問題會直接影響3、4號機組跨島電纜、常規(guī)島及BOP電纜的設計質(zhì)量。

2 問題分析及解決方案

為了避免田灣核電1、2號機組中曾出現(xiàn)的問題在田灣核電3、4號機組中再次出現(xiàn)，并解決由于設計分工變化而產(chǎn)生的新問題，在田灣核電3、4號機組采取了以下改進措施：

2.1 優(yōu)化電纜橋架布置方案

對田灣核電1、2號機組最終電纜敷設設計數(shù)據(jù)進行分析，按廠房、標高對各類電纜進行清理，逐個關鍵路徑進行分解，明確各類電纜的數(shù)量、整體走向以及對電纜橋架尺寸、層數(shù)的需求。

以田灣核電1號機組控制廠房第4序列KKS編碼為11UCB044S01的電纜路徑為例，經(jīng)過此電纜路徑的共涉及5個組的電纜，具體信息如下：

第0組電纜(中子通量測量電纜)21根，電纜橫截面之和13 218 mm2；

第1組電纜(<60 V控制電纜)308根，電纜橫截面之和60 329 mm2；

第5組電纜(>60 V控制電纜)29根，電纜橫截面之和6123 mm2；

第6組電纜(<1 kV動力電纜，負荷<15 kW)66根，電纜直徑之和993 mm；

第7組電纜(<1 kV動力電纜，負荷>15 kW)10根，電纜直徑之和364 mm。

按照VVER核電機組電纜敷設分組及隔離原則：第0組電纜應與其他組的電纜進行實體隔離，可多層敷設；第1組、第5組電纜可敷設在同一層橋架，但需要安裝電纜橋架分隔板，可多層敷設；第6組電纜應單層敷設；第7組電纜應單層敷設,電纜的間距應大于電纜直徑；槽式橋架填充率按照70%選擇。根據(jù)電纜分組及隔離原則，此電纜路徑對電纜橋架類型、數(shù)量的需求見表1。根據(jù)分析，在田灣核電3、4號機組電纜橋架設計時，對應1號機組電纜路徑11UCB044S01的位置至少應設計7層電纜橋架(槽式橋架3層、梯式橋架4層,見表1)。

表1 電纜路徑11UCB044S01涉及電纜對橋架的需求分析Table 1 Cable path 11UCB044S01 involves the demand analysis of cable for bridge tray

通過對田灣核電1、2號機組電纜敷設設計數(shù)據(jù)以及關鍵電纜路徑上電纜數(shù)據(jù)的分析，基本明確了田灣核電3、4號機組各類電纜的數(shù)量級、整體走向趨勢以及對電纜橋架的大致需求。根據(jù)分析結果，協(xié)調(diào)設計院對3、4號機組電纜橋架設計方案進行了大范圍的優(yōu)化，例如在控制廠房調(diào)整了+4 m、+23 m、+27 m電纜夾層中電纜橋架的整體走向并增加了電纜橋架層數(shù)，增加了電纜豎井中電纜橋架的層數(shù)，增加了大量電纜預埋套管等。在電纜敷設設計階段，發(fā)現(xiàn)電纜敷設軟件中出現(xiàn)電纜橋架空間不足的情況時，協(xié)調(diào)設計院及時發(fā)布設計變更增加電纜橋架層數(shù)或修改電纜路徑，從設計源頭避免電纜橋架大量超容問題的出現(xiàn)。

2.2 增加電纜敷設軟件中電纜橋架采樣密度

在田灣核電1、2號機組電纜敷設設計階段，電纜敷設模型中電纜橋架采樣點偏少是造成電纜路徑不通暢的一個重要原因。在3、4號機組電纜敷設設計前期，組織設計院在軟件中搭建電纜橋架模型時增加電纜橋架的采樣密度，在所有電纜橋架走向發(fā)生改變的地方必須增加采樣點，最大限度保證電纜敷設軟件中電纜橋架模型與現(xiàn)場電纜橋架實體的一致性。

田灣核電1、3號機組部分廠房電纜橋架采樣數(shù)量對比情況見表2。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，3號機組主要廠房電纜橋架采樣數(shù)量明顯超過1號機組主要廠房電纜橋架采樣點數(shù)量。通過在電纜敷設軟件模型中增加電纜橋架采樣點的數(shù)量，更加逼真的模擬出電纜橋架的實際情況，對提高電纜路徑設計的準確性、完整性起到關鍵作用。

表2 1、3號機組部分廠房電纜橋架采樣數(shù)量對比Table 2 Comparison of sampling quantity forcable trays of Units 1 and 3

2.3 固化電纜橋架標識文件

按照VVER核電機組電纜敷設設計原則，為了保證電纜散熱、電磁兼容，不同分組的電纜之間一般需要相互隔離(分層布置，或者同層橋架中間加裝分隔板)。在VVER核電機組電纜敷設設計文件中，有一類文件對不同組的電纜在每一段、每一層電纜橋架上的具體布置位置進行說明，這類文件稱為電纜橋架標識文件。按照VVER核電機組電纜敷設設計模式及經(jīng)驗，必須在電纜敷設軟件中敷設完90%以上的電纜之后，才能固化電纜橋架標識文件，其難點在于電纜輸入數(shù)據(jù)的收集和及時在軟件中完成電纜路徑的設計。

2.3.1 優(yōu)化主儀控電纜數(shù)據(jù)提交流程

參考田灣核電1、2號機組的電纜設計情況，每臺機組電纜總數(shù)量約為4萬根，其中主儀控電纜約1.9萬根，主儀控電纜數(shù)據(jù)對電纜橋架標識文件的固化至關重要。然而，根據(jù)工程進度，田灣核電3、4號機組部分電纜敷設設計文件發(fā)布進度早于主儀控電纜輸入數(shù)據(jù)提交進度，不符合電纜敷設正常設計模式，設計院無法按期完成電纜橋架標識文件。鑒于這種情況，必須采取必要措施降低主儀控電纜數(shù)據(jù)對電纜敷設設計工作的影響。

通過分析田灣核電1、2號機組主儀控電纜數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)主儀控電纜中從儀控端子箱至主控室、備控室儀控機柜的電纜(簡稱“主干電纜”)雖然數(shù)量偏少，但電纜截面大、經(jīng)過電纜橋架多，對固化電纜橋架標識文件的影響較大。如果能提前獲取“主干電纜”信息，將會極大的降低對電纜敷設設計工作的影響。在田灣核電3、4號機組工程中組織主儀控供貨商結合已有輸入數(shù)據(jù)及1、2號機組主儀控電纜設計情況，提前向設計院提供主儀控“主干電纜”數(shù)據(jù)，使設計院明確對電纜敷設設計影響較大的主儀控電纜的數(shù)量及走向，降低了主儀控電纜輸入數(shù)據(jù)提交進度與電纜敷設設計進度不匹配對電纜橋架標識文件固化的影響。優(yōu)化后的主儀控電纜數(shù)據(jù)提交流程見圖1。

圖1 主儀控電纜數(shù)據(jù)提交流程Fig.1 Data submission process of main I&C cables

2.3.2 協(xié)調(diào)設計院及時完成電纜路徑設計

電纜敷設設計的工作量特別大，為了保證設計院按時完成電纜敷設設計任務，按期發(fā)布電纜清冊、電纜橋架標識圖等設計文件，在田灣核電3、4號機組電纜敷設設計階段，通過多種渠道協(xié)調(diào)、引導設計院給予足夠的重視，例如協(xié)調(diào)圣彼得堡設計院在電纜敷設設計初期就成立了電纜敷設專項組，調(diào)配人員專門負責3、4號機組核島電纜數(shù)據(jù)收集及電纜敷設設計工作。通過引導設計院的關注，再加上對設計過程、進度進行跟蹤協(xié)調(diào)，督促設計院及時在軟件中完成電路徑的設計，對推動電纜橋架標識文件的固化起到了重要作用。

2.4 改進“跨島電纜”設計流程

對于跨島電纜，國內(nèi)其他核電工程一般由一家設計單位完成整根電纜的電纜路徑設計，而在田灣核電3、4號機組中，由于設計分工的改變，大量跨島電纜的設計流程變得不明確。出于網(wǎng)絡安全及保密方面的要求，圣彼得堡設計院不同意與中方設計院共用電纜敷設數(shù)據(jù)庫進行跨島電纜聯(lián)合設計，在這種情況下，一方負責電纜敷設設計的設計人員無法了解對方設計院的電纜橋架設計情況，由一家設計院進行整根跨島電纜的路徑設計的方式無法在3、4號機組實現(xiàn)。為了解決跨島電纜的設計問題，采取了如下措施：

2.4.1 優(yōu)化設備布置方案，減少跨島電纜數(shù)量

跨島電纜的路徑設計是電纜敷設工作中的一個難點，為了盡可能減少跨島電纜的數(shù)量，在田灣核電3、4號機組工程中組織設計院對電氣設備的布置方案進行優(yōu)化，減少核島與常規(guī)島之間不必要的交叉供電和信號傳輸，從而降低跨島電纜的數(shù)量。例如：1、2號機組發(fā)變組保護設備布置在核島，而被保護的發(fā)電機、變壓器等電氣設備布置在常規(guī)島，導致核島與常規(guī)島之間存在大量的交叉供電和信號傳輸電纜；而在3、4號機組工程中，協(xié)調(diào)圣彼得堡設計院、東北電力設計院將發(fā)變組保護設備調(diào)整到常規(guī)島汽輪機發(fā)電廠房布置，避免了大量的跨島控制電纜的出現(xiàn)。

2.4.2 優(yōu)化NI-CI(-BOP)類跨島電纜敷設設計流程

在田灣核電3、4號機組工程中，跨島電纜主要分為NI-CI(-BOP)、NI-CI-NI兩類。起、終端分別位于核島、常規(guī)島或BOP的電纜屬于NI-CI(-BOP)類跨島電纜，為了盡可能減少數(shù)據(jù)交換，保證電纜路徑設計質(zhì)量，對于此類跨島電纜采取電纜路徑分段設計的方法，即在核島部分的電纜路徑由圣彼得堡設計院設計，在常規(guī)島及BOP部分的電纜路徑由中方設計院設計，由中方設計院對整根電纜的長度、電纜路徑進行統(tǒng)計匯總，然后用于指導電纜采購、現(xiàn)場電纜敷設工作。優(yōu)化后的NI-CI(-BOP)跨島電纜的設計流程見圖2。

圖2 NI-CI(-BOP)類電纜敷設設計流程Fig.2 The cable laying design process of NI-CI (-BOP) cables

2.4.3 優(yōu)化NI-CI-NI類跨島電纜敷設設計流程

按照VVER核電機組的電纜廊道設計情況，存在一部分起、終端設備均在核島內(nèi)部的電纜需要借助常規(guī)島汽輪機發(fā)電廠房內(nèi)的電纜廊道進行敷設，這部分跨島電纜屬于NI-CI-NI類跨島電纜。由于設計分工的改變，在田灣核電3、4號機組中圣彼得堡設計院負責這部分NI-CI-NI類跨島電纜需要借助中方設計院負責的常規(guī)島電纜廊道進行敷設。在3、4號機組工程中，為了盡可能降低設計接口數(shù)據(jù)的交換數(shù)量，降低對電纜采購工作的影響，對于NI-CI-NI類的跨島電纜，組織圣彼得堡設計院直接完成電纜總長度的設計、核島范圍內(nèi)的電纜路徑設計，發(fā)布設計文件可以直接用于電纜采購。在核島電纜路徑設計完成后，再由中方設計院對常規(guī)島范圍內(nèi)的電纜路徑、敷設層數(shù)進行細化，然后發(fā)布電纜清冊用于指導現(xiàn)場電纜敷設。優(yōu)化后的NI-CI-NI類跨島電纜的設計流程見圖3。

圖3 NI-CI-NI類電纜敷設設計流程Fig.3 The cable laying design process of NI-CI-NI cables

在3、4號機組工程中，每臺機組NI-CI(-BOP)、NI-CI-NI電纜約1500根，通過對跨島電纜敷設設計流程的改進，減少了設計院之間的設計資料交換，提高了電纜路徑的設計質(zhì)量，節(jié)約了電纜敷設的設計周期，同時使跨島電纜的采購原則更加明晰，對電纜采購、電纜施工創(chuàng)造了有利條件。

2.5 統(tǒng)一電纜敷設軟件，保證電纜敷設設計的質(zhì)量

關于田灣核電3、4號機組常規(guī)島及BOP使用什么軟件來進行電纜敷設設計的問題，也是電纜敷設工作中的一個重要問題。由于VVER核電機組中電纜分組較多，不同組的電纜之間存在嚴格的隔離要求，國內(nèi)常規(guī)電纜敷設軟件難以實現(xiàn)VVER核電機組電纜敷設的部分要求，采用中方設計院自己的設計軟件存在較大的風險。在3、4號機組工程中，協(xié)調(diào)圣彼得堡設計院授權中方設計院在常規(guī)島、BOP范圍內(nèi)使用其開發(fā)的電纜敷設設計軟件ATOMBDW進行電纜敷設設計并提供必要的技術支持，保證了跨島電纜、常規(guī)島及BOP電纜敷設設計的質(zhì)量。

2.6 實施電纜設計、采購、施工一體化管理

電纜設計、采購、施工環(huán)節(jié)工作關系緊密，需要密切配合，為了降低各環(huán)節(jié)工作的相互影響，在田灣核電3、4號機組工程中，除了針對參考核電廠經(jīng)驗教訓和設計分工導致的問題采取措施外，同時實施了電纜設計、采購、施工一體化管理，主要采取了如下措施：

1)定期將電纜設計數(shù)據(jù)反饋至設備廠家，協(xié)調(diào)設備廠家按照電纜規(guī)格型號、彎曲半徑等數(shù)據(jù)設計、制造設備接線盒、進線格蘭等，從而減少電纜端接問題的出現(xiàn)；

2)協(xié)調(diào)設計院每兩周發(fā)布一次設計變更，第一時間將電纜變化情況反饋給電纜采購、施工部門執(zhí)行，避免設計變更發(fā)布不及時對電纜采購、施工造成影響；

3)每周將電纜施工數(shù)據(jù)反饋給設計院并錄入電纜敷設數(shù)據(jù)庫，協(xié)調(diào)設計人員盡可能不對已施工的電纜進行變更，避免電纜浪費及重復施工；

4)在電纜設計文件發(fā)布后，按照設計量進行電纜采購，避免因提前采購造成的電纜浪費；對于由于設計錯誤、設計余量、采購余量等因素導致多出的部分電纜，在工程后期通過以高代替的方式進行電纜替代，盡可能利用多出的電纜進行施工，減少工程后期的電纜采購，避免已采購電纜的浪費；

5)對于現(xiàn)場少量出現(xiàn)的槽式電纜橋架超容問題，在電纜橋架承載能力滿足要求的前提下，以增加電纜橋架幫高的方式來解決，必要時對電纜橋架進行加固；

6)累計將約十萬頁的電纜設計文件轉(zhuǎn)化為電子數(shù)據(jù)進行管理，并根據(jù)設計變更情況實時進行更新，向采購、施工管理部門提供最新的電纜設計量統(tǒng)計、電纜設計數(shù)據(jù)查詢服務，提高了電纜一體化管理效率，避免因使用作廢設計文件進行采購、施工造成的電纜浪費和重復施工。

3 電纜敷設設計改進及優(yōu)化的效果

田灣核電3、4號機組電纜設計量約為8.7萬根，設計總長度約6000 km，截至2018年底兩臺機組全部投入商業(yè)運行，現(xiàn)場電纜施工期間未出現(xiàn)1、2號機組電纜敷設階段出現(xiàn)的各類嚴重制約現(xiàn)場電纜敷設工作的設計問題，跨島電纜的設計問題也得到順利解決。工程實踐證明，通過3、4號機組電纜敷設設計的改進和優(yōu)化，提高了電纜橋架布置及分組的合理性，保證了電纜路徑的完整性、準確性，減少了設計院之間設計數(shù)據(jù)的交換，保證了電纜敷設設計進度和設計文件質(zhì)量，從源頭上降低了對電纜采購、電纜敷設工作的影響，同時也節(jié)約了各相關方在文件管理、電纜采購、現(xiàn)場施工等環(huán)節(jié)投入的成本。

至到2020年4月底，田灣核電3、4號機組經(jīng)過超過三堆年的運行，未出現(xiàn)由于電纜散熱、電磁兼容等方面原因?qū)е碌漠惓Ｇ闆r，也間接說明電纜敷設設計的效果良好。

4 結束語

通過總結參考核電廠田灣核電1、2號機組的工程經(jīng)驗，在田灣核電3、4號機組電纜敷設設計階段，采取一些有效的改進及優(yōu)化措施，避免了在1、2號機組電纜敷設階段曾出現(xiàn)的電纜路徑不通暢、電纜橋架空間分配不合理、標識文件頻繁變化等嚴重制約現(xiàn)場電纜敷設工作的設計問題。對于由于設計分工變化而出現(xiàn)的跨島電纜敷設設計的問題、電纜敷設設計軟件在常規(guī)島的使用問題，以及電纜設計、采購、施工一體化管理，通過實施一些簡便、可行的方法，有效的解決了潛在的問題。以上這些工作方法、思路以及成果，對后續(xù)VVER核電建設工程的電纜敷設設計工作有一定的參考意義。