基于現實環境的模擬運輸方法在DEL制冷機組更換應用

張文君 黃 星

0 概述

核電站設備是實現核電系統正常運行及執行安全功能的關鍵部件，隨著核電設備設計壽命臨近，大量安全級系統的機械電氣設備頻繁出現故障、老化、報廢等現象，通過傳統維修手段無法解決該問題，而故障、老化、報廢的機械電氣設備將嚴重影響核電站的安全穩定運行。核電站壽命末期的設備通過一次性運輸更換可有效地消除該安全隱患，是保證核電站安全級系統設備穩定運行的最佳方法。

核電站廠房空間復雜，同時環境內部有高溫、高壓、輻射等風險，因此如何在該環境下一次性運輸更換不符合運行標準的設備已成為保障核電安全穩定運行的技術性難題，而計算機模擬[1]驗證正是解決該難題的重要技術手段。因此本文主要對大亞灣核電站DEL制冷機組的運輸設備、運輸通道、運輸方案、運輸風險、模擬方法等進行分析，同時針對其中的運輸風險、模擬方法提出綜合性的解決方案。

1 運輸方案制訂

大亞灣核電站DEL制冷機組使用壽命已有20余年，接近制冷機組使用壽期平均水平，為保障核電站安全穩定運行，需對W501房間的DEL制冷機組進行整體更換，DEL制冷機組整體更換前需分析運輸設備、運輸通道、運輸方案等內容，以制訂可行的運輸方案，如圖1所示。

1.1 運輸設備分析

運輸設備為DEL制冷機組，如圖2所示，其整體長×寬×高尺寸為4050×1580×2050mm，其主要由冷凝器、蒸發器、壓縮機等組件組裝而成，組件參數如表1所示。

表1 DEL制冷機組組件參數

1.2 運輸通道分析

DEL制冷機組安裝位置是核輔助廠房W501房間，經前期初步分析，該房間一共有2個運輸通道。1號運輸通道（如圖2所示）是從W501房間出發依次通過L527房間、L530房間、L504房間，直至到達L501房間內的貨運電梯，最后通過+11.5 m層貨運電梯到達+0.0 m層后運輸至外部廠房，其中貨運電梯長×寬×高為3 000×2 100×2 800 mm，是1號運輸通道的關鍵路徑[2]。

2號運輸通道（如圖2所示）是從W501房間出發，通過W501房間的隔音門后到達W507房間，其中W507房間標高為+11.5 m，到達W507房間后開始往上吊裝通過W604房間、W703房間，直至到達標高為+25.0 m吊裝孔，最后通過該吊裝孔運輸至外廠區，其中W501房間的隔音門寬×高為1 400×1650 mm，W703房間的吊裝孔寬×高為1 500×1 450 mm，是2號運輸通道的關鍵路徑。

圖2 1號及2號運輸通道及關鍵路徑

1.3 運輸方案分析

DEL制冷機組的運輸設備和運輸通道確認后，將根據關鍵空間尺寸信息制訂可行的運輸方案，同時制訂的運輸方案應優先考慮整體運輸方式，如無法整體運輸再考慮拆分運輸方式，運輸可行性的判斷標準為運輸通道關鍵路徑的可容納空間是否大于運輸對象的外形尺寸。

1.3.1 整體運輸方案

DEL制冷機組整體運輸時，分析1號運輸通道和2號運輸通道的關鍵路徑，主要包括“貨運電梯”、“W501隔音門”和“W703吊裝口”，1號和2號運輸通道的關鍵路徑可容納空間均小于DEL制冷機組整體外形尺寸；因此判斷DEL制冷機組整體運輸時1號和2號運輸通道均無法實現DEL制冷機組的整體運輸，整體運輸方案不具備可行性。

1.3.2 拆分運輸方案

DEL制冷機組拆分運輸時，是將DEL制冷機組拆分成冷凝器、蒸發器、壓縮機三大組件進行運輸，1號運輸通道關鍵路徑“貨運電梯”可容納空間長度為3 000 mm，遠小于冷凝器、蒸發器組件的長度尺寸，無法實現DEL制冷機組拆分運輸要求，1號運輸通道不具備可行性；2號運輸通道關鍵路徑“W501隔音門”和“W703房間吊裝口”空間尺寸參數大于冷凝器、蒸發器、壓縮機的外形尺寸，同時其長度尺寸為設備通道，尺寸遠大于組件長度；因此2號運輸通道能滿足DEL制冷機組組件的拆分運輸要求。

綜上所述，將DEL制冷機組拆分為冷凝器、蒸發器、壓縮機等組件，同時以2號運輸通道為運輸路徑，是最佳的運輸方案。

2 運輸風險分析

大亞灣核電站W501房間的DEL制冷機組運輸方案制訂后，需根據W501房間的現實環境分析運輸方案的可能產生的風險，其產生的風險主要包括系統停運、方案執行、現場施工等風險。

2.1 系統停運風險

DEL制冷機組為核電站的DEL系統[3]提供制冷服務，當該設備停運會影響DVC主控室通風、DVL電氣廠房主通風、DVE電纜層通風等系統的冷卻水供給，直接影響核電站安全運行狀態；其次DEL制冷機組的運輸更換需在大修期間完成，運輸更換過程中需保持24小時不停機[3]，以保證DEL制冷機組A列或B列能夠有一列能正常運行[3]，所以DEL制冷機組在更換過程中不能觸碰正常運行的系統設備，如發生碰撞有可能引發DEL系統停運風險。

2.2 方案執行風險

DEL制冷機組的運輸房間為W501、W507、W604、W703等房間，涉及+11.5 m、+15.5 m、+25.0 m標高層，同時DEL制冷機組運輸過程中DEL系統備用列保持正常運行，因此該DEL制冷機組的運輸環境會有高溫、高壓、觸電等風險，同時由于W501房間空間狹小，在DEL制冷機組運輸過程中可能會與其他系統設備產生碰撞或干涉，因此可能發生設備運輸方案無法執行的風險。

2.3 現場施工風險

DEL制冷機組運輸更換前需先施工拆除停運的閥門、管道、支架、儀表、電氣等系統設備，由于DEL系統的A列和B列仍有一列保持正常運行，同時兩列系統設備是交錯布置，運輸前的現場施工及拆除作業易發生偏差，任何施工偏差均會引發高溫、高壓、觸電等風險，直接影響DEL系統及核電機組的安全穩定運行。

3 模擬運輸驗證方法分析

大亞灣核電站W501房間的DEL制冷機組運輸方案具有系統停運、方案執行、現場施工等風險，因此該設備的運輸方案的執行風險高，有必要針對該運輸方案進行模擬，驗證方案的可行性。目前國內外常用的運輸方案模擬驗證方法主要有兩種，一種是實物框體模擬運輸方法，另一種是三維模型模擬運輸方法[4]。

3.1 實物框體模擬運輸方法

實物框體模擬運輸方法是將運輸設備制作成實物大小一致的結構框體，然后以實物框體代替設備本體，通過人工、吊運等方式在現場環境中進行運輸設備框體，驗證設備的路徑及碰撞位置。該模擬運輸方法具有成本低、操作簡單的優點，但是技術缺點明顯，如無法記錄運輸路徑、碰撞位置、需要制作框體、框體不可重復利用、只能在特定時間和空間才可進行、需要人員協助模擬等。

3.2 三維模型模擬運輸方法

三維模擬運輸方法是目前國外比較常見的模擬驗證技術，該方法是基于設計數據、圖紙等建立設備及環境的三維模型，將運輸設備、運輸路線、運輸時間導入至三維模型環境中，在計算機中實現設備在三維模型環境的模擬驗證。該模擬方法具有運輸路徑記錄、碰撞位置顯示、模擬范圍廣等技術優點，但是也有一定技術缺陷，如工業廠房的設計數據及圖紙有缺失、遺漏、偏差等情況時，將無法保證三維模型環境數據的準確性，驗證結果會產生偏差，同時該方法需要建立設備及環境模型，驗證成本高、周期長。

4 基于現實環境模擬運輸方法應用

綜合以上分析，傳統的實物框體模擬運輸和三維模型模擬運輸方法具有諸多技術弊端，對于DEL制冷機組運輸方案模擬驗證無法適用，針對該難題，需要創建一種新型的模擬運輸方法，既能解決DEL制冷機組模擬運輸驗證難題，同時還能融合實物框體及三維模型模擬的技術優點，一種基于現實環境的模擬運輸方法[5]可以解決以上技術問題。

4.1 基于現實環境的模擬運輸方法

基于現實環境的模擬運輸方法主要通過三維激光掃描[6]、逆向工程[7]、三維模擬等技術實現。首先工程人員通過三維激光掃描儀對運輸的現場環境進行三維掃描，收集高精度的環境數據（如圖3所示），這種數據以點云形式[6]體現；其次工程人員將這種環境數據導入至計算機中，同時在該環境數據中輸入運輸設備、運輸方案等參數；最后工程人員在計算機環境中進行參數的模擬驗證，驗證完成后進行模擬驗證結果反饋，反饋信息的包括運輸軌跡、運輸碰撞等信息，工程人員基于反饋信息修正運輸設備、運輸方案等輸入參數，如此反復，直至最終確認可行的運輸方案。

圖3一種基于現實環境的模擬運輸方法

4.2 基于現實環境的模擬運輸方法應用

針對大亞灣核電站DEL制冷機組的運輸過程進行分析，應用基于現實環境的模擬運輸方法進行驗證，驗證主要流程包括現場數據收集、運輸參數輸入、模擬運輸驗證、模擬運輸實施等。

4.2.1現場數據收集

針對大亞灣核電站核輔助廠房W501和W507房間進行現場三維激光掃描工作，收集完整的現場環境數據，其中收集環境數據精度要求小于≤5 mm，從而保證真實再現現場環境，W501房間現場與環境三維數據的效果對比如圖4所示。

圖4 W501現場實際環境與環境三維數據的效果對比

4.2.2 運輸參數輸入

大亞灣核電站DEL制冷機組運輸參數輸入包括運輸設備和運輸方案，輸入的信息如下描述。

（1）運輸設備輸入為DEL制冷機組的三維模型，由于此次采用組件拆分運輸方案，因此將DEL制冷機組模型拆分為冷凝器、蒸發器、壓縮機三個組件作為運輸設備輸入模型。

（2）運輸方案輸入是2號運輸通道的路徑，基于2號運輸通道預先制訂一條包含三維坐標（X、Y、Z）的運輸路徑，該運輸路徑由運輸起點、運輸節點、運輸方向組成，每個節點都有自己的坐標和方向，其中運輸路徑的運輸起點為設備的重心位置，同時也是節點的坐標原點。

4.2.3 模擬運輸驗證

圖5模擬運輸驗證前

圖6模擬運輸驗證后

現場數據收集完成后，將W501和W507房間的環境三維數據導入至計算機中，然后在該環境三維數據中輸入運輸設備、路徑等信息；輸入完成后的效果如圖5所示，其中輸入的運輸設備為冷凝器，運輸路徑為冷凝器運輸路徑；現場數據和運輸參數導入計算機后，即可開展基于現實環境的模擬運輸驗證，詳細效果如圖6所示，模擬運輸驗證后的環境三維數據會輸出運輸軌跡、運輸碰撞兩種信息數據，兩種信息數據均以紅色標記進行識別。

4.2.4 模擬運輸實施結果

大亞灣核電站W501房間制冷機組的冷凝器、蒸發器、壓縮機按照以上流程完成模擬運輸驗證工作，并在大亞灣核電站大修期間完成了DEL制冷機組的運輸及更換工作；其中模擬運輸驗證結果與現場實施范圍完全一致，經現場實測基于現實環境的模擬運輸驗證精度≤5 mm，可真實反映設備在實際環境的運輸過程，現場的實施效果良好。

5 結論

大亞灣核電站在D117/D217大修期間順利完成了4臺DEL制冷機組的更換改造工作，以現場工程實施經驗表明，基于現實環境的模擬運輸方法可有效解決設備運輸路徑不清晰、風險分析不全面、運輸方案無法驗證等技術難題；同時這種新型的模擬運輸方法提高了設備運輸方案執行的可行性，幫助設計及施工人員理解整個運輸過程及注意事項，減少發生工業安全事故的風險，提升設備更換改造過程中的安全性和經濟性。

大亞灣核電站DEL制冷機組更換改造實施工作的順利完成，為其他電廠涉及的設備更換、延壽、替代等提供了良好的借鑒經驗，同時該技術也可直接用于其他工業領域，應用前景廣闊。