何 軍， 趙 驥

(廣東省建筑設計研究院，廣州 510010)

圖1 項目鳥瞰圖

獲獎介紹

獲獎等級：一等獎

獲獎單位：廣東省建筑設計研究院

獲獎人員：陳建飚；何軍；趙驥；莊孫毅；龔仕偉；鐘世權；周一鋒；高健

獲獎專家評語：經(jīng)專家組評審，認為該工程所采用的主要技術有突出的創(chuàng)新性和經(jīng)濟性，社會和環(huán)境效益非常顯著，項目具有如下技術特點。

(1)設置110kV/10kV總變電站，確保供電高可靠性。

(2)采用了有效的防輻射屏蔽處理措施，所有電氣管道采用防輻射預埋件，在混凝土墻中采用“迷宮”敷設，防輻射密閉封堵。吸氣式火災報警系統(tǒng)通過專用排氣管將采樣氣體排放回原有涉放采集區(qū)域，設置迷宮避免射線穿越管道。

(3)采用優(yōu)化控制策略，實現(xiàn)工藝多種運行模式，滿足裝置工藝對環(huán)境的高精度要求。

(4)電氣設計采用BIM技術，實現(xiàn)了在狹小隧道內(nèi)大量電纜橋架、管線的敷設。

該項目獲得了省勘察設計協(xié)會電氣專項一等獎，各項主要指標達到建筑電氣設計行業(yè)的國際先進水平。

項目指標

項目名稱：中國散裂中子源項目一期工程(主裝置區(qū)及附屬設備區(qū))

項目地點：東莞市大朗鎮(zhèn)

占地面積：26.76ha

總建筑面積：約6.7萬m2

建筑高度：約27m

建筑功能：國家重大科學實驗裝置

建設單位：中國科學院高能物理研究所

竣工時間：2017年04月28日

圖2 項目室內(nèi)照片(RCS設備樓環(huán)隧道)

1 項目總體介紹

中國散裂中子源項目(CSNS)是我國“十一五”期間重點建設的大科學裝置，列入國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃。建成后將成為發(fā)展中國家擁有的第一臺散裂中子源實驗裝置，并使中國進入世界四大擁有散裂中子源行列的國家，成為世界四大主要脈沖散裂中子源科學中心之一，將為國內(nèi)外科學家提供世界一流的中子科學綜合實驗基地。中子源主裝置建設包括1臺強流質(zhì)子直線加速器、1臺快循環(huán)同步加速器、1個靶站、5臺中子譜儀等設施和科學實驗測試系統(tǒng)。為與這些主要裝置配套，還需建設裝置建筑物、供水電、空調(diào)、安全防護設施等。

中子源項目選址于廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)，規(guī)劃工程用地面積26.76ha，建筑面積約6.7萬m2，規(guī)劃分為主裝置區(qū)、輔助設備區(qū)和實驗配套區(qū)3個區(qū)。其中，主裝置區(qū)包括直線設備樓(面積4 696m2)、RCS設備樓(面積11 165m2)、LRBT設備樓(面積933m2)、RTBT設備樓(面積779m2)、靶站設備樓(面積12 634m2)、排風中心(面積684m2)，以及貫穿所有地面設備樓建筑的超長地下隧道層(面積 2 286m2)； 輔助設備區(qū)包括兩個測試實驗樓、維修站及倉庫、冷凍站、輻射防護實驗室等；實驗配套區(qū)包括綜合實驗樓和綜合服務樓。

2 電氣設計系統(tǒng)

系統(tǒng)名稱建設內(nèi)容技術特點及指標供配電系統(tǒng)(1)園區(qū)內(nèi)設置一座110/10kV總變電站,總變電站3路110kV進線,要求至少來自2個不同高壓電網(wǎng)(總變電站不屬于本工程范圍)(2)園區(qū)分別在直線設備樓、RCS設備樓、靶站設備樓、冷凍站、測試實驗樓1、測試實驗樓2、綜合實驗樓、綜合測試樓設置10/0.38kV變配電所(3)直線設備樓、靶站設備樓:各設兩路10kV進線電源,分別引自園區(qū)110kV總變電站的兩個10kV母線段。低壓主用電源由本樓變電所供給,另各設一路低壓備用電源由RCS變配電所低壓系統(tǒng)提供(4)RCS設備樓:設四路10kV主用進線電源,分別引自園區(qū)110kV總變電站的兩個10kV母線段。另設一路10kV備用進線電源,由園區(qū)第三電源提供,備用電源(第三電源)僅在園區(qū)兩路主電源均停電后,維持園區(qū)的非工藝一級負荷及其他日常負荷用電。低壓電源由本樓變電所供給,同時向直線樓、靶站、排風中心、冷凍站提供低壓備用電源(5)LRBT設備樓:低壓電源由RCS變電所供給(6)RTBT設備樓:低壓電源由靶站變電所供給(7)排風中心:主用低壓電源由冷凍站變電所供給,工藝排風設備的備用電源由RCS變電所供給(8)測試實驗樓1/2:各設一路10kV進線電源,分別引自110kV總變電站的兩段10kV母線段,兩個實驗樓之間設一路10kV聯(lián)絡開關。低壓主用電源由本樓變電所供給(1)項目總計算負荷為3.96萬kW,變壓器及高壓直接供電設備安裝總?cè)萘繛?8 620kVA(2)主裝置區(qū)各建筑、冷凍站的工藝實驗設備、水冷系統(tǒng)、與實驗相關的空調(diào)通風系統(tǒng)、輻射防護系統(tǒng)、消防設備、應急照明系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)等用電為一級負荷;其余為三級負荷(3)各變電所均采用單母線分段運行方式,二路10kV高壓同時工作、互為備用。在實驗設備運行期間,如需要進行進線電源切換,在得到供電部門許可,滿足并列運行條件情況下,10kV母聯(lián)開關允許先手動合閘,系統(tǒng)短時并列運行,之后再及時斷開其中一路進線開關,由另一路電源供所有負荷配變電所(1)直線設備樓變電所變壓器安裝容量為5 000kVA(2×2 500kVA)(2)RCS變電所變壓器安裝容量為15 000kVA(6×2 500kVA)。RCS電源廳工藝變壓器安裝容量為9 000kVA(5×1 000kVA+8×500kVA)(3)靶站變電所變壓器安裝容量為10 000kVA(4×2 000kVA+2×1 000kVA)(4)測試樓1及測試樓2變電所變壓器安裝容量均為1 000kVA(1×1 000kVA)(5)冷凍站變電所變壓器安裝容量為7 500kVA(3×2 500kVA)(1)不同的設備樓分別設置變電所,變電所的設置在不影響實驗工藝流程的前提下,盡可能靠近負荷中心,減少供電距離,方便管理及使用(2)受項目面積所限,在保證規(guī)范要求及安全距離的條件下,主裝置區(qū)變配電所采取緊湊布置,變壓器、高低壓柜設置在同一變電所房間內(nèi)自備應急電源不設發(fā)電機組,重要負荷采用EPS、UPS供電

續(xù)表

圖3 冷凍站變配電房

3 電氣技術主要創(chuàng)新點

3.1 提高用電可靠性，提升電能質(zhì)量，實現(xiàn)高質(zhì)量的電力監(jiān)控

本項目作為國家重大科研實驗裝置，為國內(nèi)外科學家提供世界一流的科學綜合實驗基地，用電負荷高，一年中除了特定檢修時間外，全部設備均幾乎不停機運行。運行期間一旦由于停電造成意外停機事故，將使科研實驗停止，影響實驗數(shù)據(jù)收集?；謴凸╇姾?，設備重新開機還需長時間的設備聯(lián)調(diào)和預熱，會造成重大的能耗及經(jīng)濟損失。因此，項目對供電可靠性要求非常高，要求供電保障能確保全年無故障運行；即使電源端需要有計劃地進行電源切換，也需保證不斷電無縫切換。

項目主裝置區(qū)各變電所均采用單母線分段運行方式，兩路10kV電源供電，兩路電源同時工作，互為備用。同時，為保證在運行期間對進線電源線路進行不斷電切換，系統(tǒng)允許在滿足并列運行條件的情況下，10kV母聯(lián)開關允許先手動合閘，系統(tǒng)短時間并列運行，之后再及時斷開其中一路進線開關，由另一路電源供所有負荷。

另一方面，本項目是進行微分子級的科學實驗，為工藝設備供電電源的電能質(zhì)量也就成為影響實驗數(shù)據(jù)結(jié)果的因素之一。在供配電系統(tǒng)的設計方面，盡量在設備末端處根據(jù)工藝要求設置有源或無源濾波器，減少諧波對設備運行的影響，提高電能質(zhì)量。同時，為加強電能質(zhì)量管理，提高管理水平，使用戶的用電系統(tǒng)更安全、更節(jié)能、更潔凈，項目設置了一套全面的高質(zhì)量電力監(jiān)控系統(tǒng)，重點對供電系統(tǒng)的諧波分析、波形捕捉、擾動和波動進行監(jiān)測。在各變電所10kV電源進線端，特別設置一個高級的多功能監(jiān)測儀表，對電源每個周波進行1 024 點采樣，對電源電壓驟升/驟降監(jiān)測、電壓波動及閃變分析，用于日后實驗結(jié)果數(shù)據(jù)結(jié)合電力監(jiān)控數(shù)據(jù)的綜合分析。該電力監(jiān)控系統(tǒng)還包括：電力系統(tǒng)的運行監(jiān)視、遠程控制、報警和事件管理、歷史數(shù)據(jù)及報表管理、用戶管理等功能。

3.2 優(yōu)化電氣管線路由，采用BIM技術進行管線綜合設計

中子源的主裝置區(qū)隧道、靶心等區(qū)域帶有一定的放射性，為控制放射區(qū)域內(nèi)放射性物質(zhì)外泄，對電纜的敷設提出了很高要求。所有進出涉放區(qū)域的電氣管道必須采用防輻射預埋件或在混凝土墻中采用“迷宮”敷設，并進行防火及防輻射密閉封堵處理(射線在反射和折射后衰減很大，采用“Z”字型埋管能有效減少輻射泄露)。

由于電氣、工藝及控制線纜數(shù)量眾多，功能類型多樣、電壓等級也有很大差別。在設計時，各設備樓、隧道等區(qū)域均設計了多層橋架，按用途、電壓等級對電纜進行分類敷設，并反復核算電纜及橋架的重量、拐彎半徑，同時用切割剖面并運用BIM技術對橋架及其他設備管線進行管線綜合設計。本項目是我國較早使用BIM技術進行管線綜合設計及各專業(yè)設計校核的一個項目。在管線的安裝敷設處理上，對于需要敷設多層橋架及其他設備管線的位置，統(tǒng)一在墻柱面上預置U型槽支架，便于日后管線安裝敷設及擴展。

3.3 根據(jù)空間及場所性質(zhì)，合理選用火災探測器，保證檢測效果

中子源項目火災自動報警系統(tǒng)采取“集中控制、分區(qū)管理”的監(jiān)控模式，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，運用多種探測技術進行火災探測報警。對于一般非涉放場所，采用傳統(tǒng)煙溫感探測器，電氣橋架處敷設感溫電纜；對于高大空間的非涉放區(qū)域，采用線型光束感煙探測器或吸氣式火災報警系統(tǒng)。對于有放射性物質(zhì)產(chǎn)生的“涉放”隧道區(qū)域，由于常規(guī)的火災探測設備(如煙溫感、線型光束探測器等)在使用一定時間后受到輻射影響，其電子設備容易損壞失效或產(chǎn)生誤報。本項目涉放區(qū)域采用吸氣式火災報警系統(tǒng)(空氣采樣)，并在該區(qū)域內(nèi)容易發(fā)生火災危險的電纜橋架內(nèi)設置感溫電纜。兩種探測設備的主機均安裝于非涉放區(qū)內(nèi)，僅把采樣管和感溫電纜設置在涉放區(qū)內(nèi)，避免主機設備受到輻射損壞。吸氣式火災探測裝置的吸、排氣還堅持在涉放區(qū)就地取排原則，探測后的采樣空氣通過專用排氣管排放回原有涉放采集區(qū)域，進排放管穿越涉放區(qū)域時還需采用“迷宮”設計。這種設計大大降低了火災探測設備受輻射的影響，方便設備維護，并滿足了輻射防護屏蔽要求。

3.4 精確可靠的自控設計，保證通風要求

中子源工藝隧道總長約2km，根據(jù)工藝輻射防護及暖通專業(yè)要求，涉放隧道通風根據(jù)輻射劑量大小分區(qū)域設置不同的負壓等級，并形成精確的負壓梯度，輻射劑量大的區(qū)域空氣不得流入劑量小的區(qū)域。同時，隧道等區(qū)域的新排風系統(tǒng)根據(jù)工藝運行模式又分為多種運行狀態(tài)。這對通風系統(tǒng)的自動控制提出了更高要求。電氣專業(yè)結(jié)合暖通專業(yè)的要求確定了控制原理，采用硬線聯(lián)鎖結(jié)合PLC控制技術，較好地完成了設計，保證系統(tǒng)可靠運行，基本實現(xiàn)了負壓梯度的精確控制。

4 電氣節(jié)能措施

4.1 變電所深入負荷中心

中子源項目用電負荷大而且集中，受項目建筑面積所限，在不影響實驗工藝流程的前提下，將變電所設置在主裝置區(qū)的設備樓內(nèi)，盡可能靠近負荷中心，減少供電距離，方便管線敷設。在保證規(guī)范要求及安全距離的條件下，變電所采取緊湊布置，變壓器、高低壓柜設置在同一變電所房間內(nèi)，盡量減少占用主工藝建筑面積。

4.2 設置備用電源

考慮到園區(qū)實驗裝置停機檢修期間，主裝置區(qū)用電負荷較小，僅有少量的檢修維護用電，變壓器負荷率極低，損耗較大。因此，在主裝置區(qū)各變電所的非工藝用電低壓母排上，設置了低壓備用進線開關。在檢修維護低負荷運行模式時，停止各設備樓主變壓器供電，由主裝置區(qū)靠中心位置的RCS設備樓變電所的變壓器統(tǒng)一提供各設備樓的維護用電，降低變壓器損耗。

5 項目自我評價

中國散裂中子源項目是現(xiàn)今我國最大的科學裝置，與正在運行的美國、日本與英國散裂中子源一起，構(gòu)成世界四大脈沖散裂中子源。項目具有國家歷史重要性及其專業(yè)性質(zhì)的特殊性。