針對紅沿河核電站冷源取水海冰堵塞風險的數值模擬預警設計初探

史文奇，袁帥，宋麗娜，張煜巾，許寧，劉雪琴，馬玉賢

（國家海洋環境監測中心，大連 116023）

隨著經濟的快速發展，我國能源需求不斷擴大，核電作為一種清潔能源對于滿足我國電力需求、優化能源結構、保障能源安全、促進經濟持續發展具有戰略性意義，同時，發展核電也是實現能源、經濟、環境協調發展的有效途徑。目前，已有十幾座核電站在我國沿海運行，并有十幾座正在建設中。根據“十三五”規劃，預計2030 年中國將有110 座以上的核電站投入運行，核電裝機規模將達1.2 億～1.5 億千瓦，核電發電量占比由當前的2 %提升至8%～10%。然而，日益增多的海洋垃圾以及海洋生物、泥沙、海冰等都會成為威脅核電冷源取水安全的堵塞物（顏國呈 等，2016；Alsaffar et al，2006；阮國萍，2015；陳鋒，2009）。這些堵塞物如果被大量抽入取水工程，堵塞取水構件，將嚴重威脅冷源取水正常工作，對核電站的安全運行造成巨大隱患（Shi et al，2016；劉詩華等，2015）。其中，海冰堵塞是我國核電行業面臨的新型問題。

已有研究表明，寒冷地區大型水電站，市政供水系統及抽水蓄能電站等其他取水工程在不同程度上都面臨著冰堵塞取水口的風險（Richard et al，2008， 2011； Gebre et al， 2013； Vatin et al，2015）。據調研，國外核電站發生過海冰影響冷源取水的事件。如芬蘭一核電站因大量碎冰屑進入取水口，導致兩個壓水堆反應堆安全停堆。俄羅斯一核電廠的1 號機組滿功率運行時，突然降溫造成冷卻水池內嚴重結冰，冰屑堵塞了取水口攔污格柵，降低了進入循環水泵的冷卻水流量，導致機組停機。

目前，已經有多座核電站在我國有冰海域分布（圖1）。大型核電工程分布在有冰海域已成必然。較之海冰對取水構筑物沖擊引發的結構性失效，海冰堵塞取水通道影響冷源取水效率的風險更大。冷卻水的不足可直接影響核電廠的正常運行，甚至影響核安全（Xu et al，2016）。

圖1 我國冰區核電站分布示意圖

國家海洋環境監測中心擁有國內首支針對核電冷源安全海冰風險進行深入研究的團隊（Shi et al，2016；Xu et al，2016，2017）。該團隊梳理出核電冷源安全海冰致險模式的3 種主要方式，即巨厚冰體堵塞、碎冰堆積與下潛以及冰絮驟凝。已經運行的冰區核電站，設計建設時未充分考慮海冰堵塞冷源取水路徑風險，核電冷源取水安全受到較大威脅。針對這一問題，國家海洋環境監測中心開展了核電站周邊海域的冰情觀測工作，并建立了集水面、水下、定點和動態監測為一體的海冰立體觀測方案，構建了集視頻、激光、聲學和應力感應等多手段結合的冷源安全保障觀測體系。

然而，僅僅依靠觀測和經驗判斷不足以定量指導預警工作，數值模擬是進行科學預警的必需技術手段。海冰數值模擬預警研究是較大的研究題目，數值方法的選擇是其中重要方面。不同數值方法各有優劣，已有相關研究進行專門論述（季順迎等，2011）。由于核電冷源取水海冰堵塞問題是一個較新的問題，尚無充足的實踐來證明哪種數值方法最優，故本文沒有明確數值方法。

目前尚無針對核電冷源取水海冰風險的數值模擬預警范例，本文以遼東灣東岸的紅沿河核電站為例（如無特殊說明，下文的核電站均指該核電站），從針對不同海冰致險模式的數值模擬預警的實施流程、模擬范圍選取等方面進行闡述，給出核電冷源安全海冰數值模擬預警的設計思路。通常風險預警時效多為24 h，因此本文的相關論述也是基于24 h的預警時效。事實上，預警時效的選擇對于本文的主要結論影響不大。

1 海冰致險模式簡介

核電冷源取水是重要廠用水系統（SEC）的一部分，重要廠用水系統的功能是把由設備冷卻水系統收集的熱負荷輸送到最終熱阱——海水。選取的冰區核電站一期工程有4 臺機組，每個機組都有獨立的SEC 取水系統。由圖2 可知，在水泵的作用下，海水由外海進入取水口，然后經過取水直立墻、粗格柵（孔徑為分米級）后進入取水涵洞（長約2 km）；經取水涵洞進入泵站前池，接著依次經過細格柵（孔徑為厘米級）、轉鼓濾網（孔徑為毫米級） 過濾后，向核島提供冷卻水。因此，粗格柵、細格柵、轉鼓濾網為冷源取水系統中過濾海水的三道屏障，也是容易發生海冰堵塞的脆弱構件。

圖2 核電站冷源取水的前端取水路徑示意圖

基于核電冷源取水路徑，針對其中的3 個關鍵脆弱構件，分析核電冷源安全海冰致險模式主要有3 種：（1）巨厚冰體威脅。這些冰體在潮流和風的作用下，可到達取水口，既能遮擋部分取水口過水截面，又能憑借巨大沖擊力損毀取水構筑物。（2）碎冰堆積與下潛。在水動力較弱時，取水口前的碎冰會在取水直立墻前形成穩定堆積，加之海冰熱力增長、波浪與潮流共同作用，有可能造成取水口粗格柵的堵塞。另一方面，隨著浪和流的綜合作用，浮冰塊可下潛，部分碎冰可能在巨大取水水流作用下通過取水口粗格柵，進入取水涵洞，堵塞細格柵（Xu et al，2016）。 （3） 冰晶驟凝。在冬季低溫環境下，懸浮于海水中的冰晶，在通過細格柵和轉鼓濾網時，能夠很快地附著或凍結于格柵和網眼上，從而堵塞細格柵或轉鼓濾網，減少過水截面，威脅取水安全。

由于不同海冰致險模式對應的海冰形態、致險機理截然不同，相應的數值模擬預警的流程和方法會有較大差異。下面將分別討論針對不同海冰致險模式的數值模擬預警流程。

2 核電站海域冰情

遼寧紅沿河核電站位于遼東灣東南岸，地理坐標為121毅28憶E—121毅33憶E，39毅45憶N—39毅50憶N，作業海域每年冬季均會出現海冰。近幾年渤海冰情等級變化較大，其中2017/2018 年冬季為常冰年。下面以2017/2018 年冬季為例，利用現場海冰監測結果，介紹作業海域的海冰特征。

圖3 2017/2018 年冬季作業海域冰量和密集度變化圖

2017/2018 年冬季，作業海域初冰日在2018年1 月5 日，終冰日為2018 年3 月4 日，冰期跨度3個月份，共58 d。由圖3 可知，作業海域冰量和密集度波動較大。這是由于該處的地理位置和地形等原因，形成了開闊流場，且潮流較強，使海冰難以滯留在本地。此外，與局地的風場有較大關系，尤其是離岸風作用下易導致浮冰離岸運動。其中冰量在8 成以上的日數為29 d，多在1 月中旬到2 月中旬。

海水溫度是浮冰生消的關鍵要素。紅沿河海水鹽度約為28，海水冰點約為-1.4 益。從圖4 可看出，表層海水溫度在1 月中旬才降到-1.4 益，之前表層水溫在0 益左右。這說明初冰期的浮冰都源于北部海域，非本地生成。當表層海水溫度到達冰點，海面未被浮冰覆蓋，且在氣溫持續較低情況下，易產生大量的冰晶，而增加冰晶驟凝的風險。

圖4 2017/2018 年冬季作業海域表層水溫變化圖

由于作業海域海冰多非本地生成，而是由北面漂浮而來，長距離的漂移使得海冰易發生破碎，故作業海區浮冰的冰型多為碎冰，浮冰直徑多小于2 m。由于海水溫度偏高，在無連續長時間的低于冰點溫度的情況下，較難形成穩定的浮冰蓋，無法對海浪形成顯著抑制作用。而核電站的取水口面朝北，冬季多為較強北風，為向岸風，產生海浪的攪拌作用較強，易于碎冰塊的下潛。

圖5 核電站周邊海域出現的巨厚冰體

觀測發現，作業海域初冰期的浮冰以初生冰、尼羅冰為主，并沒有浮冰生成并逐漸增厚的過渡階段，這也說明浮冰大多非本地生成。盛冰期的浮冰以灰冰、灰白冰、尼羅冰為主，冰厚一般可達20 cm左右。受潮汐和北風作用，浮冰易在近岸淺灘發生堆積重疊，堆積高度可達5 m。基本每年冬季核電周邊海域皆會觀測到高達3 m、直徑5 m 左右的大冰盤（圖5）。這些巨厚冰體是由堆積冰重新凍結而成，并可能在風和海流作用下重新入海，而對核電取水口造成威脅。

3 針對不同海冰致險模式的數值模擬預警流程

3.1 巨厚冰體威脅

對于巨厚冰體，首先應關注其運動軌跡，判斷是否會運動到取水口。其次，巨厚冰體到達取水口的形態和動能也是評估風險的必需要素。由于24 h內巨厚冰體的厚度變化較小，可不進行熱力學模擬。因此，巨厚冰體的軌跡模擬是該致險模式下海冰預警的重點，適宜使用拉格朗日計算模塊進行模擬。

海冰運動受多個動力環境因素綜合影響（季順迎等，2011），單個取水口僅為數十米寬，數值模擬準確度較難達到該精度。在現階段的技術條件下，適宜選定取水口周邊小范圍海域（直徑在百米級）作為“威脅區域”，將巨厚冰體是否會運動到“威脅區域”作為預警條件。威脅區域的選取，可考慮取水量、潮流、岸線、模型網格等因素綜合制定。

巨厚冰體的模擬預警流程中（圖6），首先對“關注區”（關注區的范圍應不小于海冰24 h 運動范圍）開展一定頻次的巨厚冰體監測，查找并標示存在的巨厚冰體。對于已經漂在海面上的可自由漂動的巨厚冰體，應立即開展軌跡模擬。對于擱淺的巨厚冰體，進行人工或跟蹤器監視，密切關注其動態，一旦發現其入海自由漂動，即開展軌跡模擬。基于數值模擬結果判斷冰塊是否將在24 h 內運動到冷源取水的“威脅區域”。如果是，判斷巨厚冰體厚度堵塞取水口程度和動能對取水構造物損害大小。如果不是，繼續判斷冰塊是否會漂離關注區；如果沒有漂離，那么繼續跟蹤模擬；如果冰塊漂離關注區，則針對該冰塊的模擬和監測終止。

圖6 巨厚冰體數值模擬預警流程簡圖

3.2 冰塊堆積和下潛

受核電冷源巨量取水（取水流速約為0.5 m/s）影響，中小冰塊在一定的水位、海況、流速等動力條件情況下，在取水直立墻前10 m 范圍內會發生下潛。在2015 年2 月9 日，發現在取水直立墻后有灰冰，而未取水的取水口直立墻后僅有冰皮存在，推斷這些灰冰由外部下潛進入（圖7）。此外，在一定的熱力條件下，冰塊可在取水口形成較厚的堆積，影響過水截面。由于目前在核電站取水口尚未發現有冰塊堆積現象，對這種風險的模擬預警暫不予討論，重點討論下潛風險的預警。

圖7 海冰下潛進入取水直立墻后的照片

核電站為了防止漂浮物進入取水通道內，將取水口布設在海面以下數米。海冰的密度小于海水，一般情況下漂浮在海面上，較難下潛到取水口。然而，如果有較強的波浪攪拌以及較低的潮位共同作用，在取水口巨大的抽水流速下，海冰可下潛進入取水口。由于核電站取水口已有一定的防冰、抗冰設計，海冰下潛多發生在超低水位和惡劣海況的極端情況下。針對冰塊下潛的風險預警模擬，不僅需要冰情的模擬，還需要水位和海浪等動力環境要素預報。此外，取水口流速也會直接影響海冰下潛的發生。事實上，取水直立墻附近的流速主要受取水影響，受潮流影響很小，該處流速可以僅通過電站取水情況得到，不需要進行模擬。目前海冰下潛機理研究還處在初期階段，具體的海冰下潛條件，還需進行更深入研究。然而，基于已有的研究成果依然可以構建可用的數值模擬預警方法。

在該數值模擬預警中（圖8），首先，通過模擬的24 h 水位及海浪，得出易發生下潛的海冰的尺度和形狀，定義為危險冰塊。接著，基于海冰模擬得到冰情預報結果，結合統計結果或經驗公式得到取水直立墻10 m 范圍內的危險冰塊量，評估冰塊下潛帶來的風險。如果該風險達到一定閾值，則發布相應級別的預警信息。由于技術的局限性及冰塊下潛過程的復雜性，現階段不適宜進行精確化的模擬預警，而更適合使用概率的思路來進行數值模擬預警。

圖8 中小冰塊下潛數值模擬預警流程圖

3.3 冰晶驟凝

冰晶的生成多見于海冰發展的初期階段，其存在時間較短，很容易變成糊狀冰絮，并進一步發展成冰皮，或凍結在已有的海冰上促成冰厚的增長。冰晶和冰絮的尺寸細小，密度與海水相近，在海水中懸浮，很容易被取水工程吸入。冰晶和冰絮具有極強的黏性，易附著在人工結構上凍結，可堵塞取水通道。目前，冰晶是不同取水工程海冰堵塞的主要問題（Daly，1994）。國外已有針對在強擾動水流下過冷卻過程中的碎冰晶凝結發展(Osterkamp，1978；Tsang et al，1985；Clark et al，2009) 及其對通道內流量影響的相關研究（Daly et al，2006；Mathieu et al，2014；McFarlane et al，2015）。有研究表明，穩定的冰層可以避免碎冰晶的演變發展（Richard et al，2008），該結論已作為取水工程選址的重要依據。

而在核電站，冰晶對于取水路徑上的多個構件都可造成威脅，尤其是孔眼細小的轉鼓濾網。為了防止冰晶的影響，該核電站設計了熱水回流系統，當冬季外海海水溫度較低時，開啟熱水回流，回流量約為排水量的25 %，回流水的溫升約為9 益。通過簡單熱力學計算可得，該熱水回流可融化的海水中冰晶含量最大質量百分比為2.7%。即當海水中冰晶含量大于2.7%時，該熱水回流系統就不能阻止冰晶在前池的累積。因此，核電設計的熱水回流對防治冰晶的作用有限。

目前，對冰晶的模擬研究尚屬空白，一般的海冰熱力學模型，將冰晶的產生處理為海冰厚度的增加，無法反映海冰的冰晶和冰絮狀態。對冰晶驟凝風險的預警，現階段是基于監測結合經驗判斷得到。對冰晶的模擬預警需要研發新的數值模型。

4 海冰模式范圍選取

在核電冷源安全海冰預警數值模擬中，模擬范圍的選取是模擬實施面臨的首要問題。模擬的范圍過大，在相同模擬效率下，模擬精度將難以滿足工程尺度的要求；模擬范圍過小，又不能完全覆蓋可能的海冰風險，且無足夠的預警時效性。合理的模擬范圍應以預警時效內海冰的運動范圍為基準。2012/2013 年、2013/2014 年兩個冬季，利用激光測距儀與羅經在核電站一期取水口進行冰速測量（Shi et al，2016），浮冰運動速度和方向分布特征見圖9。基于這些浮冰運動速度觀測結果，可簡單分析24 h 內浮冰運動范圍，來大體確認模擬范圍。

圖9 實測浮冰運動速度與方向統計圖

4.1 考慮極端情況

由于此處的潮流主要為半日往復潮流特征，主流向與岸線基本平行（Shi et al，2016）。由圖9 可知，觀測得到的浮冰運動方向主要為NE-SW，即平行岸線的宏觀走向。與已有研究指出的海冰的運動主要受潮流控制一致（季順迎等，2011）。

在平行于岸線方向上，最大浮冰運動速度大于160 cm/s，然而該樣本僅有一個，其他浮冰運動速度都小于140 cm/s。基于一般性考慮，使用150 cm/s作為極大浮冰運動速度。基于半日潮流的波動特征，潮流最長可在6 h 左右保持一個方向，因此海冰可在6 h 內保持一個運動方向。利用150 cm/s 浮冰運動速度易得，浮冰6 h 的漂移距離為33 km。在約12 h 的半日潮周期內，潮流發生一次周期變化。如果沒有風的作用，浮冰將在潮流的作用下基本回到初始位置；考慮到風的因素，浮冰將發生一定的凈位移。關于風場對于浮冰運動速度的影響，已有的研究表明風對浮冰運動的影響多小于海流的影響（季順迎等，2016）。基于統計結果，一般情況下僅由風引起的浮冰運動速度小于80 cm/s（Shi et al，2016）（流速小于20 cm/s 情況下）。已有研究表明，風和海流對浮冰運動的影響是相互耦合的，風和海流對浮冰作用力和海冰與兩者的相對速度成正比（季順迎等，2011）。兩者耦合驅動的浮冰運動速度小于兩者分別驅動的浮冰運動速度的簡單矢量和。這里為了包括更多的可能情況，可簡單認為風與海流對浮冰運動速度的影響相互獨立，得到更大的浮冰運動范圍。當風引起浮冰運動速度達到80 cm/s 時候，一個潮周期內的浮冰運動最大距離為僅風驅動的距離，即約為33 km。基于上述討論，可推斷24 h 內，該浮冰運動距離可達66 km。

在垂直岸線的方向上，浮冰運動速度較小，基本不超過50 cm/s（圖9），這里使用50 cm/s 作為估計值。由于垂直岸線方向上基本沒有潮流的分量，因此該運動基本皆為風場的作用，因此可估算垂直岸線方向的6 h 浮冰漂移距離為11 km，12 h為22 km，24 h 為44 km。因此，數值模擬的范圍應該為以核電站為中心，平行岸線方向上132 km長度范圍；垂直岸線方向上44 km 的范圍；模擬面積約為5.9 伊103km2。

表1 極端情況下浮冰最大運動距離

4.2 考慮一般情況

上述極端情況的模擬范圍偏大且可能過于保守，在米級網格下，對計算要求較高。如果考慮一般情況，可使用統計平均的浮冰運動速度計算浮冰運移范圍。計算得到的平行于岸線的浮冰運動速度均值約為43 cm/s，垂直方位上為35 cm/s。流速小于20 cm/s 情況下的浮冰運動速度均值為33 cm/s，可認為風影響的浮冰運動速度平均為33 cm/s。同上述分析可以得到浮冰運動范圍見表2。在進行預警模擬中，模擬范圍應該以核電站為中心，平行岸線方向上36 km 長度范圍；垂直岸線方向上31 km 的范圍；模擬面積約為1.1伊103km2。

表2 一般情況下浮冰最大運動距離

5 結論與展望

目前，已運行的國內外核電站發生了一些海冰風險事件，而我國尚無濱海核電站冰區運行的成熟經驗，我國冰區核電站的安全運行受到海冰的巨大威脅。應對海冰風險的防范策略和冰期安全運行體系有待建立。核電冷源安全海冰數值模擬預警是建立和完善核電冷源安全保障體系的關鍵部分。本文以遼東灣東岸的紅沿河核電站為例，介紹了巨厚冰體堵塞、冰塊堆積和下潛以及冰晶驟凝3 種不同核電冷源安全的海冰致險模式，給出了不同致險模式的數值模擬預警流程框架和可行性方案，并對數值模擬范圍選取進行重點闡述。在目前技術水平下，本文給出的核電冷源安全海冰數值模擬預警流程合理、可行、有效。分析得出的滿足24 h 預警時效的數值模擬范圍約為103km2。雖然上述分析僅是簡單近似，詳細的論證應通過數值模擬進行，然而本文給出的量級與實際情況相符。若要有效分辨工程尺度（米級）的取水口，需要網格數達109左右。高計算網格數下保證較高的計算效率，是目前海冰數值模擬面臨的突出問題。

本文內容尚在初步探討階段，僅給出了框架和思路，定性內容居多，很多具體細節需要進一步完善和定量分析。本文在核電冷源安全海冰風險的數值模擬預警設計上的初步結果，希望能為國內相關工作者提供一定參考。