福清核電站冷源海生物控制問題分析

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

濱海核電站設計上一般采用海水作為循環冷卻水，海水中的海生物在循環水系統中附著生長，會造成系統堵塞。近年來，國內核電站冷源因海生物堵塞導致非計劃停堆停機的事件不斷發生，不僅影響電力生產安全，還給核安全帶來巨大挑戰。冷源可靠性成為制約核電發展的一重要瓶頸[1]。基于提升核電站冷源安全性考慮，結合福清核電站對冷源的海生物控制情況，通過分析原因與總結經驗，從而不斷提高冷源的可靠性。

1 福清核電站循環水系統設計

與眾多的濱海核電站相似，福清核電站機組冷源采用直流循環冷卻設計，取水系統包括：取水明渠，循環水過濾系統(以下簡稱CFI)。取水系統可攔截海水中的大型浮游海生物、雜物，攔截設備有：攔污網、粗格柵、細格柵、格柵除污機和旋轉鼓網、反沖洗裝置等。

按照設計，取水系統配置了循環水處理系統(以下簡稱CTE)，CTE系統管線布置到CFI系統粗格柵上，通過CTE系統電解制氯、重力加藥，從而控制海水過濾系統中海水的有效氯濃度，抑制或殺死海生物的幼蟲或孢子[2]。

福清核電站1～4機組冷源的主要用戶有循環水系統(以下簡稱CRF)、輔助冷卻水系統(以下簡稱SEN)和重要廠用水系統(以下簡稱SEC)。其中CRF系統通過CFI系統取水，經循環水泵加壓后由循環水進水廊道(以下簡稱GD管溝)供給凝汽器和SEN系統，凝汽器鈦管入口設置有二次濾網，實現對海水的二道過濾。整體流程見圖1。

圖1 福清核電站M310機組CFI、CRF以及SEN系統流程簡圖Fig.1 The flow chart of CFI,CRF and SENsystem for M310 unit of Fuqing NPP

SEC系統通過板式熱交換器(簡稱板換)冷卻設備冷卻水系統(以下簡稱RRI)，SEC系統分A/B兩個系列，設計上定期切換運行；同時在SEC海水泵入口通過CTE系統對運行列進行二次加氯，從而提高SEC系統海水有效氯濃度；每列的海水泵后出水管上，進入板換前，設置有貝類捕集器(簡稱貝捕)，從而降低海水中貝類等海生物堵塞板換的風險，整體流程見圖2。

圖2 福清核電M310機組SEC系統流程簡圖Fig.2 The flow chart of SEC systemfor M310 unit of Fuqing NPP

2 海生物控制問題

近年來，國內同行電站發生多起因水母、魚蝦襲擊，堵塞取水口、CFI系統導致機組非計劃停堆的事件[3]，雖然目前為止福清核電站未發生類似的問題，但CFI系統以及下游用戶的海生物控制問題也越顯突出。

2.1 海生物污染問題

2015年，福清核電站1號機組首次大修，CFI系統粗格柵吊起后檢查發現，格柵上附著大量的貝類海生物，見圖3。

圖3 101大修CFI系統2號粗格柵上海生物Fig.3 Marine organisms on the coarse grid 2 of CFIsystem during the No.101 overhaul of Fuqing NPP

2017年，福清核電站1、2號機組103、202大修，鼓網泵房間以及鼓網下腔室內海生物滋生嚴重，且GD管溝、SEN系統以及CRF系統凝汽器入口均有不同程度的海生物污染，見圖4。

圖4 202大修CFI系統鼓網腔室以及SEN系統熱交換器海生物Fig.4 Marine organisms in the drum net chamber ofCFI system and heat exchanger of SEN systemduring the No.202 overhaul of Fuqing NPP

CFI系統受污染設備區域的海生物種類統計見表1。

表1 CFI系統海生物附著種類統計

2015年起，福清核電站1、2號機組RRI/SEC板換在機組正常運行期間，頻繁因兩端壓差高而閃發報警，機械人員對板換解體檢查，發現引起壓差高的原因是板換中碎貝殼、沙石堵塞流道，且通過對板換進行人工清理未能根本解決壓差高的問題。

2.2 海水加氯管道污堵問題

2014—2015年，福清核電站1、2號機組CTE系統多次出現加氯管道污堵，加氯流量計無示數。檢修人員檢查發現，堵塞的加氯管道中有大量的沉淀，見圖5。部分管道中因沉淀殘留時間長而硬化結垢，通過人工清理也很難疏通。

圖5 CTE-CFI/SEC系統加氯管線中的堵塞物Fig.5 Blockage in the chlorinationpipeline of the CTE-CFI/SEC system

而經過加氯管道內異物清理，CTE-SEC系統的加氯管線堵塞的問題仍然會頻繁發生。

3 海生物控制問題原因分析

以上問題不僅增加了運行、維修的工作量，而且嚴重威脅到機組的安全運行，2017年專項組對冷源出現的問題進行了歸納、總結和分析原因。

3.1 海生物污染問題原因分析

3.1.1 加氯失效

控制海生物生長的最有效手段之一是化學加氯控制[4]，而加氯的失效將導致海生物滋生。

福清核電站機組取水明渠未設前池，CFI系統前加氯通過粗格柵上的加氯框添加到鼓網泵房吸入口，而加氯框在設計上安裝在粗格柵靠近鼓網泵房側，隨著CRF泵運行，大量海水通過粗格柵的同時，次氯酸鈉也隨著海水進入鼓網泵房，粗格柵迎水側有效氯作用時間短，因此貝類等海生物容易在此位置滋生。

2017年2月，福清核電站9CTE系統完成變更改造，參考同行電站采用間斷沖擊加藥的運行方式，但加藥量的控制未充分考慮到不同電站間海域的海水差異以及海生物生長的特性，間斷沖擊加藥頻率從剛開始的3次/周調整到1次/天，實質上未明顯增加加氯時長或加氯濃度，加氯量不足導致各海水系統中海生物幼蟲、孢子生長，特別在2017年3—7月份綠貝、牡蠣、藤壺等生長和繁殖較快[5]。因此針對2017年福清核電站1、2號機組大修期間，海水系統中貝類海生物控制不佳的問題，對比了福清核電站3、4號機組控制情況，判斷與海水系統加氯失效有關。

3.1.2 設備缺陷

針對福清核電站1、2號機組RRI/SEC板換頻繁觸發壓差高的報警問題，從設備上分析，其中貝類捕集器未能有效地起到過濾作用。2016年9月對1號機組RRI/SEC-A列檢查發現貝類捕集器濾芯與盲板連接處縫隙約20 mm，見圖6，碎貝殼較容易地通過該間隙進入板換中，圖7為板式熱交換器中收集到的貝殼。

圖6 1號機組SEC系統A列貝捕濾芯與盲板縫隙Fig.6 The gap between the filter element row Aand the blind plate in the SEC system

圖7 1號機組RRI001RF板換清理下來的貝殼Fig.7 Shells cleaned from RRI001RF plate

另外，福清核電站1、2號機組SEC的貝類捕集器濾孔為3 mm×15 mm的矩形設計，如圖6所示，而板式熱交換器中板片間的間隙4 mm，較大的碎貝殼通過貝類捕集器后容易卡在板換中，如圖8所示，導致海水流道污堵，兩端壓差升高。

圖8 1號機組RRI系統A列板式熱交換器中污堵情況Fig.8 Fouling in the row A plateheat exchanger of the RRI system

3.2 海水加氯問題原因分析

CTE系統電解海水制氯，電解產生的次氯酸鈉與海水中少量的鈣、鎂等離子發生副反應，如：Mg2++2ClO-+2H2O→Mg (OH)2↓+2HClO產生氫氧化鎂沉淀；Ca2++2ClO-+2H2O→Ca(OH)2+2HClO，Ca(OH)2與二氧化碳反應，產生碳酸鈣等沉淀。

而容易發生以上副反應的設備位置有次氯酸鈉儲罐，以及下游的加氯管線，如SEC系統定期切換備用列運行，未運行的一列停止加氯后，CTE-SEC的加藥管線中殘留的次氯酸鈉溶液容易發生堿化和碳酸化產生沉淀。另外，CTE-SEC加藥流量計前后管道變徑后為DN25，加上管道襯膠后通流直徑更小，相對于CTE加氯母管或CFI加氯管更容易發生堵塞。

2016年1月，對CTE系統檢查時發現，CTE次氯酸鈉儲罐投運至今未定期執行排污。運行人員打開次氯酸鈉儲罐底部排污閥，有大量的沉淀物瀉出，如圖9所示。因此，運行過程未定期排污，儲罐中大量的沉淀物隨加氯溶液進入下游管道，也是誘發加氯管線容易堵塞的原因之一。

圖9 1號機組CTE系統次氯酸鈉儲罐底部排污情況Fig.9 Bottom discharge of sodium hypochloritestorage tank in the CTE system

4 海生物控制改進措施和討論

總結國內外良好的海生物控制經驗，物理過濾與化學控制手段缺一不可，同時提高核電站冷源應急響應水平，建立多道、可靠安全屏障，持續維護冷源的安全狀態。

4.1 海生物攔截與過濾

攔截海生物第一道屏障在取水明渠，因此在攔網的選用上需充分調查和掌握攔網所需要防治的海生物種類和特征，結合電站取水工程的特點以及攔網設置區域海流等情況選用合適的攔網[6]。福清核電站前期攔網經常因浮筒傾斜導致攔截失效，針對該問題進行了變更，增加數道攔網，通過永久+臨時的模式，確保攔網的有效性。

第二道屏障是粗格柵，針對福清核電站粗格柵海生物附著問題，對設備上的防污漆進行了選型優化。選用雙組分有機硅不黏性防污漆，較好地抑制海生物的附著，該效果也在后續大修中得到驗證。

旋轉鼓網作為循環水系統的又一道屏障，為提高鼓網攔截能力和減少其兩端壓差，福清核電站在鼓網反沖洗系統擬增加高壓泵沖洗回路，計劃在2019年進行變更改造。

SEC系統作為核島廠房的最終冷源，針對其出現的問題，福清核電站對SEC系統貝類捕集器進行優化，通過橡膠材料修補了貝類捕集器的連接縫，從而縮小間隙，同時對貝類捕集器3 mm×15 mm的濾網進行變更，改造為3 mm×3 mm方型濾網。

4.2 化學加藥控制

海水過濾系統的過濾手段是無法攔截海生物細小的幼蟲、孢子，通過循環水處理系統加藥，抑制海生物在下游各用戶上滋生和堵塞。

福清核電站調研國內各電站的加藥運行方式發現，南北各電站海域的海水和海生物生長等均有較大差別，如大唐呂四港電站[7]、秦山核電站等采用沖擊式加氯的運行方式，而江浙以南的核電站均采用CTE系統電解海水連續加氯的運行模式，因此福清核電站保留CTE系統電解制氯功能設計，同時為提高設備加氯的可靠性，擬在次氯酸鈉儲罐后增設沖洗管線和加藥泵，系統將具備添加外購成品次氯酸鈉、非氧化性殺貝劑的功能。

另外，福清核電站總結2017年間斷沖擊加氯的運行經驗，建議應結合東南沿海海洋環境因素特征，進行必要的海生物控制的研究性實驗，在原控制的經驗上適當提高加氯量和加氯時間，可選方案列于表2。

表2 福清核電站循環水系統加藥控制方案

4.3 其他措施

通過系統運行優化，減少循環水系統缺陷數量，如定期對CTE系統儲罐進行排污、SEC系統的加藥方式由停泵停藥改為停泵不停藥或先停藥再停泵的運行方式，從而防止次氯酸鈉溶液沉淀堵塞加氯系統。在海水用戶系統海生物滋生嚴重的情況下，通過臨時調整SEN系統濾水器、CRF系統二次濾網以及SEC系統貝類捕集器反沖洗頻率等，降低貝殼異物堵塞冷源的風險。

與此同時，吸取各電站的經驗教訓，建立完整的運行文件，不斷優化冷源各類應急預案，定期組織運行規程培訓，加強檢修策略和工作控制，提高響應能力。

5 結束語

電站冷源安全關系到核電站安全運行，是不容忽視的系統，不斷提升冷源安全性能，是核電工作者努力的方向之一。本文對福清核電站M310機組運行過程中冷源海生物控制經驗進行了分析與討論，希望能給同行一些參考。