核電站海生物攔截體系的探索與實(shí)踐

周存露

摘要：自2014年以來，國內(nèi)核電站多次遭受海月水母、沙蜇、孔石莼等海生物爆發(fā)入侵引發(fā)機(jī)組瞬態(tài)、降負(fù)荷、停機(jī)停堆事件，給核電站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大威脅和挑戰(zhàn)。面對該問題，紅沿河核電站在現(xiàn)有取水口海工結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過對取水口周邊海域致災(zāi)海生物進(jìn)行調(diào)查、分析，識別出致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)高的海生物，并對周邊海域海流特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查分析，逐步建立起以5道攔截網(wǎng)為主體，包括攔污網(wǎng)布設(shè)、清理維護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測的海生物攔截體系，實(shí)現(xiàn)了取水口海生物攔截從無到有、從簡單到體系化運(yùn)作，通過工程實(shí)踐應(yīng)用取得了良好的效果，有效地降低了海生物大規(guī)模入侵對冷源帶來的風(fēng)險(xiǎn)，提高了核電站冷源安全的可靠性，給行業(yè)提供了有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：核電廠;冷源;海生物;攔截體系;核安全

Abstract： Since 2014， the domestic nuclear power plants have suffered from the sea jellyfish， sand jellyfish， ulva perva and other Marine organisms， which caused the unit transient， load reduction， shutdown events， have brought great threats and challenges to the safety and stable operation of the nuclear power plant. To solve the problem， on the basis of the existing intake structure， Hongyanhe nuclear power plant identified the high risk Marine organisms through the investigation and analysis of the Marine organisms around the intake， and investigated the surrounding ocean current characteristics， gradually established a Marine organisms interception system with five intercepting nets as the main body， including the layout， cleaning and maintenance of the intercepting net and status monitoring， realizing the sea inlet Marine organisms interception from scratch， from simple to systematic operation. Good results have been obtained through engineering practice， which has effectively reduced the risk of large-scale invasion of Marine organisms on cold source， improved the reliability of cold source safety of nuclear power plant， and provided valuable reference for the industry.

Key words： nuclear power plant;cold source;Marine organism;interception system;nuclear safety

0? 引言

自2014年以來，國內(nèi)核電站多次遭受海月水母、沙蜇、孔石莼等海生物爆發(fā)入侵引發(fā)停機(jī)停堆事件，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)冷源作為核電站的最終熱阱，也對核安全帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

為了減少海生物進(jìn)入取水口，保障冷源取水的安全，在取水口對進(jìn)入海生物采用物理攔截是有效可行的措施。紅沿河核電站在原有取水口海工結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，開展了取水口周邊海域致災(zāi)海生物和海域海流特點(diǎn)的研究、分析，對構(gòu)建取水口海生物攔截清污技術(shù)進(jìn)行不斷的探索和實(shí)踐，以建立一套完善、適合紅沿河廠址特征的冷源海生物攔截體系，保障核電廠冷源安全。

1? 冷源取水海工布置及周邊海域特征

1.1 冷源取水海工構(gòu)筑物布置

紅沿河核電站位于渤海遼東灣東海岸，廠址三面環(huán)海，取水口位于廠區(qū)西北側(cè)，規(guī)劃建設(shè)6臺CPR1000壓水堆核電機(jī)組，其中一期4臺機(jī)組，二期2臺機(jī)組。電站的重要廠用水和循環(huán)冷卻水均采用海水作為水源，通過取水構(gòu)筑物（CA）取水，海水流經(jīng)取水隧洞（CB）后進(jìn)入聯(lián)合泵房前池，每條隧洞對應(yīng)一臺機(jī)組，單臺機(jī)組設(shè)計(jì)取水量為50.1m3/s。

一期取水口構(gòu)筑物由導(dǎo)流堤、取水港池、取水口建筑物等組成。取水口導(dǎo)流堤總長度305m，西南向開口，對取水結(jié)構(gòu)形成半包圍的形式，是為取水口防沙、攔冰、擋浪的永久性建筑物，為允許越浪的非核安全物項(xiàng)。受導(dǎo)流堤長度限制，整個(gè)取水港池進(jìn)深較短，受西南、西北常見風(fēng)向影響較大，港池內(nèi)回波效應(yīng)明顯。紅沿河核電站一期取水口平面布置圖詳見圖1。

取水口建筑物采取隧洞水下取水，取水隧洞閘門口頂標(biāo)高-5.7m，隧洞內(nèi)徑5.5m，總長度約1000m，北高南低，隧洞入口位于電站北端，排水口位于電站南端，隧洞中間無海生物打撈、干預(yù)位置。紅沿河核電站一期取水結(jié)構(gòu)剖面圖詳見圖2。

1.2 取水口周邊海域海流特點(diǎn)

紅沿河核電站位于渤海遼東灣的東海岸，海岸線大致呈SN走向，廠址的西岸面臨開闊的海域，北岸和南岸亦被淺水灣所包圍，形成三面環(huán)海一面向陸的海洋環(huán)境，故受SSW～NNE等多個(gè)方向波浪的影響。根據(jù)溫駝子海洋站統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，電站區(qū)域波浪狀況為：風(fēng)浪為主，N～NNE向波浪較大，頻率較高，主浪向是NNE，次浪向是WSW，強(qiáng)浪向是NNE，實(shí)測H1/10最大波高為4.3m。

為確定取水口口門及港池內(nèi)部主要時(shí)段海流流向，紅沿河核電與國家海洋監(jiān)測中心開展了相關(guān)海域高潮、落急、低潮、漲急四個(gè)時(shí)段海流監(jiān)測，相關(guān)情況詳見圖3～圖6。

根據(jù)紅沿河取水口周邊海域的高潮、落急、低潮、漲急主要時(shí)段海流監(jiān)測，總結(jié)分析海域海流主要流向特征，為攔截體系的布置方式、結(jié)構(gòu)、形狀等提供了依據(jù)，根據(jù)海流特征攔截體系既要有效阻截隨潮流游動(dòng)的海生物，減少進(jìn)入取水口海生物數(shù)量，同時(shí)還要利用漲落潮的海洋動(dòng)力特征完成攔污網(wǎng)上海生物的“自清理”，降低清理維護(hù)工作量。

2? 紅沿河核電站取水周邊海域致災(zāi)海生物的識別和主要特征

2.1 致災(zāi)海生物風(fēng)險(xiǎn)識別

為了對進(jìn)入取水口的海生物和雜物進(jìn)行有效攔截，首先要了解和掌握取水口周邊海域海生物的種類、爆發(fā)規(guī)律及機(jī)理，從2015年開始，紅沿河核電站便與國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心開始了電站周邊海域的海生物監(jiān)測、普查工作，通過對周邊海域海洋生物、海域海區(qū)養(yǎng)殖及生產(chǎn)狀況調(diào)查，得出紅沿河核電站周邊海生物風(fēng)險(xiǎn)分級情況（詳見表1），通過表1可以看出，風(fēng)險(xiǎn)等級最高的致災(zāi)海生物為浮游動(dòng)植物，其次是底棲生物和附著生物，需重點(diǎn)防范，紅沿河核電站周邊海域水質(zhì)較好，泥沙問題并不突出。

此外通過對致災(zāi)海洋生物的生長特性和爆發(fā)周期的研究，結(jié)合紅沿河核電站冷源安全的防控要求和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過不斷總結(jié)分析編制了紅沿河電廠周邊海生物風(fēng)險(xiǎn)日歷表（詳見表2），從風(fēng)險(xiǎn)日歷表可知紅沿河冷源主要風(fēng)險(xiǎn)為各種藻類和大型水母，藻類主要為棕囊藻、滸苔、孔石莼等，爆發(fā)期集中在5月到9月份，水母主要是海月水母、海蜇和球形側(cè)腕水母等，爆發(fā)期集中在5月到8月份，通過風(fēng)險(xiǎn)日歷表清楚表明不同季節(jié)月份海生物的風(fēng)險(xiǎn)種類及的風(fēng)險(xiǎn)等級，核電站取水口海生物攔截體系根據(jù)海生物爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)種類和時(shí)間特征，提前部署和分類調(diào)整應(yīng)對。

2.2 主要致災(zāi)海生物特征

根據(jù)紅沿河核電站周邊海域海生物調(diào)查及運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，在紅沿河周邊海域的致災(zāi)海生物主要由海月水母、沙蟄、孔石莼等，這幾種海生物旺發(fā)期資源量巨大，曾多次涌入取水結(jié)構(gòu)，是冷源攔截體系的防護(hù)重點(diǎn)，其爆發(fā)時(shí)間、生物特征和攔截難點(diǎn)如表3。

針對致災(zāi)海生物的旺發(fā)時(shí)間和生物特性，為防御策略制定提供了有效指導(dǎo)，為制定科學(xué)的攔截體系提供了有效的依據(jù)。在冷源攔截體系中采用重點(diǎn)防御和分類施策的策略，例如在孔石莼每年的第一次集中脫落期前完成攔截網(wǎng)的布設(shè)，在海月水母和沙蟄爆發(fā)期時(shí)，使用沙蟄網(wǎng)代替海藻網(wǎng)在取水口周邊海域進(jìn)行捕撈等。

3? 紅沿河核電站海生物攔截體系實(shí)踐

3.1 紅沿河核電站取水口海生物攔污網(wǎng)布置

紅沿河核電站結(jié)合取水口海工結(jié)構(gòu)和海流特點(diǎn)、周邊海域致災(zāi)海生物特征及冷源安全防控的要求，在運(yùn)營實(shí)踐基礎(chǔ)上，通過不斷總結(jié)改進(jìn)，逐步建立了取水口周邊外海監(jiān)測、取水口港池內(nèi)攔截的綜合體系。在取水口周邊外圍海域設(shè)置投放非固定式的監(jiān)測網(wǎng)，由外海船只定時(shí)放置和清理，起到一定攔截和取樣監(jiān)測作用。在取水港池內(nèi)設(shè)置5道攔截網(wǎng)，平面網(wǎng)與網(wǎng)兜型攔截網(wǎng)結(jié)合使用。攔截網(wǎng)的整體布置引入了“梯級攔截”的設(shè)計(jì)理念，即外圍的攔截網(wǎng)孔徑較大，內(nèi)側(cè)網(wǎng)體孔徑較小，由外至內(nèi)孔徑分別為40mm、20mm（網(wǎng)兜）、20mm（網(wǎng)兜）、20mm、20mm。如此設(shè)置是根據(jù)長期經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，考慮對不同大小常見海生物均起到攔截作用。尺寸較大的沙蟄、成體海月水母等體型較大的海生物大部分在外圍網(wǎng)5（40mm孔徑）的位置得到攔截，海月水母碎片、孔石莼和三叉仙菜等尺寸較小的海生物在網(wǎng)4、網(wǎng)3（20mm孔徑）網(wǎng)兜處得到攔截，網(wǎng)2、網(wǎng)1（20mm孔徑）作為安全網(wǎng)在取水港池最內(nèi)部備用。紅沿河核電站取水口外圍及港池?cái)r污網(wǎng)設(shè)計(jì)和布置圖詳見表4和圖7。

紅沿河核電取水口攔截體系中平面網(wǎng)主要為網(wǎng)5和安全網(wǎng)（網(wǎng)1、網(wǎng)2），網(wǎng)5的位置水深較深，攔截大量的海生物后，網(wǎng)體受潮汐力影響較大，必須采取可靠方式進(jìn)行固定。網(wǎng)5網(wǎng)體采用乙綸機(jī)織單絲網(wǎng)片，主繩為鋼絲繩和丙綸尼龍繩，網(wǎng)體框架靠鐵質(zhì)浮筒與混凝土錨墩固定，單個(gè)錨墩重量160t，網(wǎng)體從海面至海底通長設(shè)置。網(wǎng)5共計(jì)14段，總長度約580m，呈半圓形將取水口整體環(huán)抱（圖8）。

網(wǎng)5作為攔截體系的第一道防線，對攔截體型較大的海生物至關(guān)重要，根據(jù)近三年的攔截統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，網(wǎng)5對體型較大海生物的攔截量占攔截體系總量的40%左右，圖9為2017年6月～10月各道攔截網(wǎng)攔截量的分布情況。

同時(shí)紅沿河核電站根據(jù)現(xiàn)場的使用情況自主設(shè)計(jì)了改進(jìn)型網(wǎng)兜，主要布置在網(wǎng)3和網(wǎng)4中。網(wǎng)3使用20mm孔徑聚乙烯網(wǎng)兜，近岸端布置耐磨性能優(yōu)良的不銹鋼絲網(wǎng)，網(wǎng)4南側(cè)兩段使用20mm孔徑聚乙烯網(wǎng)兜，中間兩段使用20mm孔徑聚乙烯平面網(wǎng)，近岸端布置不銹鋼絲網(wǎng)。網(wǎng)3各跨網(wǎng)兜和不銹鋼絲網(wǎng)通過兩個(gè)沉箱和兩側(cè)導(dǎo)流堤連接，網(wǎng)4各跨網(wǎng)兜和不銹鋼絲網(wǎng)通過四個(gè)沉箱和兩側(cè)導(dǎo)流堤連接。

為有效應(yīng)對毛蝦等微小海生物爆發(fā)入侵，在微小海生物旺發(fā)期改進(jìn)型網(wǎng)兜調(diào)整為三層攔網(wǎng)結(jié)構(gòu)，第一、二層作為攔網(wǎng)的主要支撐骨架，網(wǎng)目為粗目網(wǎng)，攔截體積較大的海洋生物;第三層為細(xì)目網(wǎng)，攔截微小海生物。同時(shí)采用無結(jié)、單絲、六邊形網(wǎng)目新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)形式避免多絲網(wǎng)海生物附著，有效提高海藻入網(wǎng)攔截，方便清理，增加透水率。應(yīng)對微小海生物的網(wǎng)體結(jié)構(gòu)詳見圖10。

改進(jìn)型網(wǎng)兜網(wǎng)兜由引導(dǎo)網(wǎng)兜和尾部收集網(wǎng)兜組成，尾部收集網(wǎng)兜可快速拆卸，能夠在20min左右完成一個(gè)網(wǎng)兜的清理，清理效率較平面網(wǎng)提高2倍以上。采用改進(jìn)型網(wǎng)兜更有利于攔截物的導(dǎo)流收集，不易在網(wǎng)體側(cè)面堆積，減少水下清理工作量、降低潛水作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)半潛式網(wǎng)型為海面船只作業(yè)創(chuàng)造作業(yè)空間、減少網(wǎng)頂陽光照射，不利于海草海菜在網(wǎng)體節(jié)點(diǎn)處附著生長，降低網(wǎng)孔堵塞率。（圖11）

在風(fēng)浪作用下，網(wǎng)體端部與兩側(cè)導(dǎo)流堤扭王字塊接觸的位置極易發(fā)生磨損，為解決這一問題，紅沿河核電站在各道網(wǎng)體端部使用了不銹鋼材質(zhì)的攔截網(wǎng)，該材質(zhì)柔韌性、耐磨性能較好，提升了攔截體系在連續(xù)惡劣天氣時(shí)的可靠性。

3.2 攔污網(wǎng)清理方式

網(wǎng)5的攔截量雖然占到攔截體系的40%，但是由于網(wǎng)5處于攔截體系最外側(cè)，受漲落潮海流影響較大，通過長期的觀察發(fā)現(xiàn)附著于網(wǎng)5的沙蟄、海月水母可以在漲落潮時(shí)隨著海流的方向變化脫離網(wǎng)體，即網(wǎng)5具備一定的“自清洗”功能，同時(shí)因?yàn)榫W(wǎng)5所處位置水深較深、流速較快，潛水清理存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，故日常不對網(wǎng)5進(jìn)行人工清理，在堵塞率較大或有破損時(shí)再進(jìn)行清理、更換。

網(wǎng)3、網(wǎng)4使用了改進(jìn)型網(wǎng)兜，改進(jìn)型網(wǎng)兜的攔截、收集能力較好，是攔截體系的主力網(wǎng)具，大部分的海生物可以在網(wǎng)兜處得到有效攔截，進(jìn)入網(wǎng)兜后的海生物在水流作用下被疏導(dǎo)進(jìn)網(wǎng)體尾部，實(shí)現(xiàn)在水面船只搜集攔截物，提升了網(wǎng)兜的清理效率。為了進(jìn)一步提升攔截物的清理效率，紅沿河核電目前正在開展水下抽吸設(shè)備的研究，在網(wǎng)兜尾部設(shè)置自動(dòng)抽吸裝置，有望實(shí)現(xiàn)網(wǎng)兜清理的自動(dòng)化。

網(wǎng)1、網(wǎng)2的網(wǎng)體形式為平面網(wǎng)，作為攔截體系最后的屏障，平面網(wǎng)必須確保在惡劣天氣來臨前清理干凈，消除鉤掛在網(wǎng)結(jié)處的海草、水母碎片，防止平面網(wǎng)上的雜物在惡劣天氣時(shí)（無法開展海面作業(yè)進(jìn)行干預(yù)）集中脫落對機(jī)組產(chǎn)生沖擊。

目前采用的清理方式為潛水員水下手持高壓水槍沖洗，在有計(jì)劃的清理過程中，脫落雜物緩慢進(jìn)入機(jī)組，對機(jī)組正常運(yùn)行無影響。網(wǎng)1、網(wǎng)2總長度144m，水深8m，清理工作量大，清理效率不高。在惡劣天氣來臨前，如果不能確保清理效果，將通過整體更換的方式消除海生物附著。通過長期的演練和工藝優(yōu)化，目前網(wǎng)1、網(wǎng)2的單網(wǎng)更換可以在4h內(nèi)完成，實(shí)現(xiàn)一天內(nèi)完成安全網(wǎng)的“空網(wǎng)”。

3.3 攔污網(wǎng)的狀態(tài)監(jiān)測

在攔截大量海生物或極端惡劣天氣下，攔污網(wǎng)主繩斷裂將會(huì)導(dǎo)致海生物集中涌入機(jī)組，或者網(wǎng)體堵塞取水隧洞，直接影響機(jī)組安全運(yùn)行，因此實(shí)時(shí)掌握攔污網(wǎng)主繩的受力狀態(tài)至關(guān)重要。

在此背景下，紅沿河核電站開發(fā)了攔污網(wǎng)主繩拉力監(jiān)測系統(tǒng)、攔污網(wǎng)圖像識別監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)。其中拉力監(jiān)測系統(tǒng)由拉力傳感器、數(shù)據(jù)發(fā)射裝置、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收和處理系統(tǒng)組成。實(shí)時(shí)搜集處理攔污網(wǎng)主繩拉力數(shù)值，當(dāng)主繩拉力值達(dá)到預(yù)設(shè)的警戒值或數(shù)值波動(dòng)超出正常范圍時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警;攔污網(wǎng)圖像識別監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測攔污網(wǎng)形態(tài)，當(dāng)形態(tài)超出正常預(yù)設(shè)范圍時(shí)，觸發(fā)報(bào)警。根據(jù)實(shí)測結(jié)果顯示，攔污網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)值雖然受潮汐、風(fēng)浪影響存在一定的偏差，但是對掌握攔污網(wǎng)受力趨勢的變化整體有效，為提前響應(yīng)和應(yīng)急處置提供了積極參考。

3.4 海生物攔截體系成效

隨著紅沿河核電站取水口攔截體系的建立和不斷完善，取水口海生物的攔截能力、清理效率逐步提高。近兩年有效應(yīng)對水母、滸苔等海生物大規(guī)模爆發(fā)數(shù)十次，以及臺風(fēng)的數(shù)次襲擊，尤其是2019年利奇馬的正面襲擊，2018年累計(jì)攔截量1872t，單日最大攔截量35.2t，清理量為285t，清理效率為15%;2019年累計(jì)攔截量1314t，單日最大攔截量80.5t，清理量為598t，清理效率為45%。近兩年攔截量、清理量對比情況詳見圖12、圖13。

自2017年紅沿河電廠布設(shè)完成5道攔截網(wǎng)至今，紅沿河未發(fā)生因海生物入侵導(dǎo)致的停機(jī)停堆事件，攔截體系起到重要的作用，取得了良好的實(shí)效。

4? 總結(jié)

紅沿河核電通過不斷的摸索、實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了取水口海生物攔截從無到有、從簡單到體系化運(yùn)作，逐步建立起由5道攔截網(wǎng)為主體的海生物攔截體系，通過工程的實(shí)踐應(yīng)用取得了良好的效果，有效地降低了海生物大規(guī)模入侵對冷源帶來的風(fēng)險(xiǎn)，提高了核電站冷源安全的可靠性，在核電廠防范海生物入侵和冷源的安全防護(hù)上做了有效的探索和實(shí)踐，給行業(yè)提供了有價(jià)值的參考，但是鑒于海洋生態(tài)環(huán)境和海生物的多樣性和復(fù)雜性，以及現(xiàn)有攔截體系在攔污清污的效率仍存在的不足，需要不斷加以完善，持續(xù)改進(jìn)。

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