應(yīng)對(duì)海生物入侵問題的核電廠冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

劉浩 楊開放 王磊

【摘要】隨著人類活動(dòng)日益頻繁及海洋環(huán)境變化，海生物入侵導(dǎo)致核電廠冷源系統(tǒng)頻發(fā)故障，威脅核電廠最終冷阱安全，給電廠的經(jīng)濟(jì)性也帶來極大的影響。本文通過分析國內(nèi)典型的海生物入侵導(dǎo)致的冷源事件，提出核電廠冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的優(yōu)化建議，通過優(yōu)化方案實(shí)施，實(shí)現(xiàn)提升核電廠冷源系統(tǒng)本質(zhì)安全和運(yùn)行安全的目的。

【關(guān)鍵詞】冷源系統(tǒng);海生物;循環(huán)冷卻水;安全廠用水

0 ?引言

近年來，國內(nèi)核電機(jī)組海生物入侵事件頻發(fā)[1]，日趨惡劣的海洋生態(tài)環(huán)境和生態(tài)災(zāi)害，已造成多起核電站冷源取水堵塞事件。根據(jù)國內(nèi)核電事件反饋統(tǒng)計(jì)，在2007-2020年14年時(shí)間內(nèi)共發(fā)生21起冷源事件，通過對(duì)導(dǎo)致冷源事件的威脅源歸類統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)海生物占55%。良好的冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)有利于降低海生物入侵事件發(fā)生的幾率并降低海生物入侵事件帶來的后果，從而降低核電站冷源事件導(dǎo)致的降負(fù)荷或停機(jī)停堆事件。

1 ?國內(nèi)外核電站冷源系統(tǒng)事件

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人類的活動(dòng)范圍不斷延伸，海洋經(jīng)濟(jì)異軍突起，人類海洋活動(dòng)日益加劇。沿海工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅猛、漁業(yè)捕撈加劇、海產(chǎn)品人工養(yǎng)殖業(yè)日益興旺，給經(jīng)濟(jì)帶來新的增長極的同時(shí)，也不同程度的引起海洋環(huán)境趨于惡化，局部海域生態(tài)出現(xiàn)失衡現(xiàn)象，優(yōu)勢(shì)物種爆發(fā)性增長。赤潮、綠潮、水母、海地瓜爆發(fā)等海洋生態(tài)災(zāi)害頻發(fā)[2-3]。與此同時(shí)，海水伴隨大量海生物進(jìn)入核電廠海水取水口，造成核電廠凝汽器、核島重要冷卻水系統(tǒng)冷卻器等堵塞，冷源系統(tǒng)設(shè)置的前置過濾器因負(fù)擔(dān)過重失效，對(duì)核電廠冷源系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來極大的威脅，產(chǎn)生冷源事件，引發(fā)核電站降負(fù)荷或停機(jī)停堆，甚至威脅核安全。

根據(jù)國內(nèi)核電事件反饋統(tǒng)計(jì)，在2007-2020年14年時(shí)間內(nèi)共發(fā)生21起冷源事件，通過對(duì)導(dǎo)致冷源事件的威脅源歸類統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)海生物占55%。

早期環(huán)境調(diào)查時(shí)，核電廠海水水質(zhì)較好，水中含沙量、漂浮物、懸浮物較少，但近年來隨著海洋環(huán)境惡化，海洋富養(yǎng)化加重趨勢(shì)，周邊居民生活垃圾排放以及蝦塘污水排放等，導(dǎo)致海水水質(zhì)惡化，水母增加，海洋中的麒麟菜、綠藻等出現(xiàn)爆發(fā)式增多，同時(shí)在極端氣象條件下也可能導(dǎo)致海水取水堵塞[4]。

2國內(nèi)核電廠冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的薄弱環(huán)節(jié)

國內(nèi)核電機(jī)組冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)雖然存在一定差異，但是工作原理基本相同，而且都是濱海廠址，面臨的主要威脅來源有相似之處。目前國內(nèi)核電廠冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的薄弱環(huán)節(jié)，主要為以下三個(gè)方面：

（1）明渠取水堤頭設(shè)計(jì)不合理

好的取水明渠的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮具有消浪和導(dǎo)污能力。既可以削減波浪對(duì)明渠內(nèi)攔污設(shè)施的沖擊，還應(yīng)對(duì)成群海生物或海洋平面漂浮物具有引導(dǎo)能力，防止其往取水明渠內(nèi)匯集。反之，不合理的取水設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致海生物巡游或惡劣天氣時(shí)大量海生物進(jìn)入取水明渠。如果取水明渠內(nèi)攔污設(shè)施攔截不力，會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)海生物或雜物進(jìn)入泵房，堵塞濾網(wǎng)，嚴(yán)重時(shí)引起停機(jī)停堆事件。

（2）取水明渠攔污設(shè)施設(shè)置不合理

目前國內(nèi)核電機(jī)組取水明渠攔污設(shè)施普遍較為簡單，存在配置過少、組合不合理、縱深防御不夠等問題，一旦出現(xiàn)大規(guī)模海生物入侵也容易引發(fā)停機(jī)停堆事件。

（3）監(jiān)控預(yù)警手段缺乏

國內(nèi)現(xiàn)有核電機(jī)組在監(jiān)控預(yù)警設(shè)施方面正處于起步階段，除少數(shù)核電站配有成套監(jiān)控預(yù)警設(shè)施外，大部分核電機(jī)組仍處于無任何監(jiān)控預(yù)警設(shè)施下運(yùn)行。

3 國內(nèi)核電廠冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

核電廠冷源系統(tǒng)是電廠運(yùn)行的冷端系統(tǒng)，與電廠負(fù)荷因子密切相關(guān)，體現(xiàn)電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，冷源系統(tǒng)也承擔(dān)著核電廠反應(yīng)堆導(dǎo)熱最終熱阱的功能，是確保核安全功能重要設(shè)施。然而，隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，特別是海洋經(jīng)濟(jì)的崛起，人類海洋活動(dòng)日益加劇，作為最終冷源的海水也是不斷發(fā)展變化，它的變化也不斷反饋到核電廠冷源系統(tǒng)，造成冷源系統(tǒng)頻繁失效，給電廠可用率和安全性帶來極大的威脅。

核電廠冷源系統(tǒng)工藝流程基本原理一致，但是系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)和設(shè)施的設(shè)計(jì)選型卻不盡相同，總體上需要根據(jù)廠址因地制宜，但還是有一些優(yōu)化的原則值得推薦借鑒的。

（1）取水明渠大堤設(shè)計(jì)優(yōu)化

一般來說，核電廠取水口應(yīng)建成大圍堰式構(gòu)筑物，環(huán)抱式布置，起到消波阻浪的作用，防止海浪直接沖擊取水明渠里面的攔污設(shè)施，對(duì)攔污設(shè)施造成損壞。特別是在臺(tái)風(fēng)頻發(fā)地區(qū)，環(huán)抱式取水大堤的設(shè)計(jì)可以有效的減輕巨大的風(fēng)浪對(duì)冷源系統(tǒng)的沖擊。除了消浪之外，大堤的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮廠址周圍洋流特征，利用洋流實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流自清潔的功能，從而提升取水口本質(zhì)安全能力。結(jié)合洋流方向，設(shè)計(jì)大堤走向，有效減少將取水口外圍的巡游的海生物吸入到取水明渠。降低取水明渠攔污設(shè)施的負(fù)擔(dān)。

（2）取水明渠攔污設(shè)施設(shè)計(jì)優(yōu)化。

應(yīng)按照“梯次設(shè)置、永臨結(jié)合、縱深防御”的原則進(jìn)行設(shè)置。在確定設(shè)計(jì)方案前，在廠址環(huán)評(píng)時(shí)應(yīng)進(jìn)行充分的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和社會(huì)調(diào)查，掌握廠址周圍海洋生物優(yōu)勢(shì)物種，對(duì)周圍漁業(yè)養(yǎng)殖情況進(jìn)行充分調(diào)研，掌握漁民和養(yǎng)殖業(yè)活動(dòng)對(duì)海水帶來的影響。如有必要，可以借助海洋研究院所開展廠址周圍海洋生物監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，獲得更為詳盡的數(shù)據(jù)。從調(diào)查或試驗(yàn)中，獲取電廠冷源系統(tǒng)初始主要威脅源，以此為輸入條件，針對(duì)性的選擇攔污設(shè)施進(jìn)行有效防范。

（3）取水明渠監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在探測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)綜合考慮水上水下全覆蓋、晴雨臺(tái)風(fēng)天氣全天候、遠(yuǎn)端近端全范圍的需要，建立全方位海生物探測(cè)和分級(jí)預(yù)警響應(yīng)聯(lián)動(dòng)一體化體系，并運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)探測(cè)分析、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)端傳輸、移動(dòng)共享和預(yù)警啟動(dòng)功能。

海生物探測(cè)系統(tǒng)布置完成后，可以利用現(xiàn)代化信息手段進(jìn)行組網(wǎng)，對(duì)探測(cè)信息收集、集中處理，依據(jù)探測(cè)物數(shù)量和種類、攔截設(shè)施的的完好程度以及氣象水文條件等來綜合形成分級(jí)預(yù)警。這些預(yù)警信息可以通過云平臺(tái)，共享到核電廠工作人員的移動(dòng)終端，隨時(shí)隨地接收和處理報(bào)警信息。根據(jù)不同的預(yù)警級(jí)別，核電廠工作人員及時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)級(jí)別的響應(yīng)干預(yù)措施。

由此可見，通過上述的探測(cè)和信息處理預(yù)警方案，可以形成提前探測(cè)、綜合分析、分級(jí)預(yù)警和及時(shí)響應(yīng)的一體化智能探測(cè)預(yù)警支持系統(tǒng)，有效應(yīng)對(duì)全天候、全范圍、全工況的海生物對(duì)核電廠冷源系統(tǒng)的突發(fā)性入侵。

4 ?結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，人類海洋活動(dòng)日新月異，一方面給人類帶來豐富的海洋資源，另一方面，也給核電廠冷源的運(yùn)行安全帶來極大的挑戰(zhàn)。近幾年，國內(nèi)外核電廠頻繁發(fā)生冷源事件，越來越讓核電行業(yè)認(rèn)識(shí)到核電廠冷源系統(tǒng)面臨的巨大威脅。通過優(yōu)化冷源系統(tǒng)取水明渠大堤、攔污設(shè)施和監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，可以有效應(yīng)對(duì)全天候、全范圍、全工況的海生物對(duì)核電廠冷源系統(tǒng)的突發(fā)性入侵。當(dāng)然各個(gè)核電廠根據(jù)具體廠址環(huán)境的差異，可能也有個(gè)性化的選擇。隨著科技的進(jìn)步以及監(jiān)管部門和營運(yùn)單位對(duì)冷源系統(tǒng)的重視，冷源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化將繼續(xù)深入開展。

參考文獻(xiàn)：

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