濱海核電冷源取水口海生物攔截體系的改進設(shè)計

李漢光，徐萬平，付建明，王 濤，閆 俊

（1.大連鴻澤泵業(yè)有限公司，遼寧 大連 116036；2.遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116001；3.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024）

近10年來，海洋生物出現(xiàn)了大爆發(fā)跡象，國內(nèi)外多個核電站頻繁發(fā)生海生物和漂浮物入侵事件，造成核電廠冷源系統(tǒng)堵塞，甚至引起核電機組自動停堆、降功率運行等事故[1-3]。不同種類海洋生物的不尋常爆發(fā)，導(dǎo)致核電廠冷源系統(tǒng)正常運行出現(xiàn)問題，對核電廠的經(jīng)濟性、可靠性及安全性造成影響，目前尚無完全有效的解決措施。

核電站每個反應(yīng)堆冷卻需要大量海水進行冷卻，冷源的安全對核電廠至關(guān)重要。目前，通常采用“網(wǎng)兜攔截+人工海上漁船駁運清理”的方式來防護冷源系統(tǒng)，需要大量的人工和費用，而且這種方式受天氣影響嚴重，疊加海生物爆發(fā)期，造成漁船人工駁運清理無法實施，直接影響核電站的安全運行，而且人工海上漁船駁運清理作業(yè)費用高，需要大量人力物力資源。

紅沿河核電站運行以來，陸續(xù)發(fā)生了多起因海洋生物進入濾水系統(tǒng)導(dǎo)致的核反應(yīng)堆停堆事件，造成了機組降功率運行甚至停機停堆的嚴重后果[4-5]。綜合內(nèi)外部經(jīng)驗和反饋，如何在現(xiàn)有防御體系內(nèi)新增或改建，可攔截并連續(xù)清理海洋生物的防御設(shè)施設(shè)備，是提高冷源供水可靠性、增加緊急情況下的應(yīng)急處理能力、保障機組安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 國內(nèi)外海生物清理現(xiàn)狀

目前，通常使用以下方法預(yù)防和處理海洋生物爆發(fā)對核電站濾水系統(tǒng)產(chǎn)生的影響：①海水水質(zhì)在線監(jiān)測浮標。實時監(jiān)測海水的物理參數(shù)，如pH值、水溫、濁度等，同時通過GPRS（General Packet Radio Service）將濕度、氣溫、風向、氣壓等參數(shù)傳輸?shù)江h(huán)境實驗室以進行自動、連續(xù)的實時監(jiān)測。對核電廠建立進出口的海水質(zhì)量數(shù)據(jù)庫和監(jiān)測預(yù)警海洋赤潮有很大幫助。②水下機器人實時觀測。使用機器人監(jiān)控核電廠的進水明渠，避免因水生物入侵導(dǎo)致機組無法正常運轉(zhuǎn)。對海洋生物的發(fā)展狀況進行監(jiān)測和評估，同時提出相應(yīng)的應(yīng)對計劃和警戒機制。③其他工程防范措施。避免核電廠港灣池形成天然養(yǎng)殖場，如消殺和驅(qū)離、增設(shè)攔污網(wǎng)、改進濾水系統(tǒng)布置、管道材質(zhì)及涂料的選擇等。

消殺和驅(qū)離是最基本的工程防范手段，實際可用的措施包括：電脈沖攔網(wǎng)針對魚蝦等游泳生物，水下聲波針對魚類、水母、藻類，氣泡幕墻針對魚蝦等游泳生物，光學手段針對魚類、水母、藻類，化學和機械消殺等。攔污網(wǎng)、格柵、濾網(wǎng)等可以避免海生物大規(guī)模入侵，常用措施包括設(shè)置多層攔截體系，沿取水明渠布設(shè)多道攔污網(wǎng)；攔污網(wǎng)設(shè)置為全過流斷面攔截；網(wǎng)格尺寸不小于30 mm×30 mm（目前也布設(shè)細目網(wǎng)）；建立海生物監(jiān)測及預(yù)警機制，及時清理攔污網(wǎng)附著物；必要時進行人工打撈作業(yè)。

合理布置進水口口門，使進口流速小于等于海域天然流速，減輕因卷吸效應(yīng)導(dǎo)致的海生物進入取水流道，避免水生物的聚集生長。選取符合實際情況的管道材質(zhì)及涂料。取水流道使用海洋生物不易附著，同時使用可殺蟲性和低表面能2種特性的涂料進一步預(yù)防海生物附著。

常用的攔截清理設(shè)備包括抓斗式清污機和鼓形濾網(wǎng)設(shè)備等。抓斗式清污機適用于清理以粗大、大量集聚型漂浮物為主的水體垃圾，如樹枝、稻草、麥秸、泡沫板等。鼓形濾網(wǎng)設(shè)備相對于常規(guī)電廠普遍使用的板框式旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)具有過水容量大、密封性能好、濾水凈化程度高等特點，且后續(xù)的維護和保養(yǎng)相對板框式旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)具備優(yōu)勢。攔截清理設(shè)備通常使用清污機，主要有耙斗式和回轉(zhuǎn)齒耙式2種。

但是，針對紅沿河特定取水口海域都存在諸如安裝位置受限、需要在海中筑壩、設(shè)備龐大等問題，最關(guān)鍵的缺點是不能把半漂浮海生物提升到海上，大大影響了清理海生物的效能。采取這些應(yīng)對措施后，可以解決一部分海生物異常爆發(fā)對核電站冷源系統(tǒng)的影響，但不能根本解決此問題。因此，需要研究一種新手段來徹底解決海生物異常爆發(fā)對核電站冷源系統(tǒng)的影響。

2 攔截體系現(xiàn)狀

2.1 主要致災(zāi)海生物分析

根據(jù)國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心完成的《紅沿河海域海洋生物調(diào)查報告》[6]，主要風險生物類型如表1所示，主要海生物源項的分布尺寸如表2所示。

由表1、表2可知，緩解冷源問題（避免攔截網(wǎng)兜超壓）攔截對象主要分為2部分，即尺寸大于30 mm的海生物和尺寸為3～30 mm之間的海生物。

表1 主要風險生物類型

表2 主要海生物源項的分布尺寸

2.2 攔截布置

紅沿河核電站當前取水口現(xiàn)場圖和取水流程簡圖分別如圖1、圖2所示，共設(shè)置了6道攔截網(wǎng)，攔截方式采用了平面網(wǎng)與網(wǎng)兜結(jié)合使用。海生物進入前端攔截體系，主要在網(wǎng)3和網(wǎng)4進行收集，當攔截達到一定量后，將安排人員進入海上作業(yè)清理。根據(jù)核電站運行技術(shù)要求，一旦海生物突破防御設(shè)施，異常進入取水通道的后端系統(tǒng)，將根據(jù)情況采取停運相應(yīng)取水通道的循環(huán)冷卻水泵來保障重要供水系統(tǒng)用水，這時機組將降功率運行，嚴重時機組將停機停堆。

圖1 取水口攔截網(wǎng)布置

圖2 取水口攔截海生物流程

同時需考慮極端天氣影響，紅沿河核電站取水口屬于敞口布置，由于沒有相應(yīng)的圍堰阻攔，強風和海浪可直接沖擊取水口構(gòu)筑物。在大風氣象條件下，由于強風對取水口的沖擊，取水口攔截軟網(wǎng)可靠性不足，無法保證全斷面攔截，一旦攔截網(wǎng)斷裂海生物將進入取水口，將給泵站正常工作帶來巨大風險。

3 攔截體系改進設(shè)計

3.1 設(shè)計關(guān)鍵目標

設(shè)計、制造一種網(wǎng)兜海生物抽吸裝置，工作時安裝在紅沿河核電站取水口攔截網(wǎng)兜位置，用于分離提取網(wǎng)兜底部攔截的海生物，將被攔截入網(wǎng)兜的海生物和漂浮物提升到海面并運送至指定地點，代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工海上漁船駁運清理冷源取水口攔截網(wǎng)兜中海生物的作業(yè)方式，實現(xiàn)無間斷、高效率網(wǎng)兜清理作業(yè)，解決人工海上漁船駁運清理帶來的安全隱患。

網(wǎng)兜抽吸裝置具有岸上操作、用機械方式從海水中攔截網(wǎng)兜內(nèi)將海生物提升至海面濾網(wǎng)內(nèi)、濾網(wǎng)過濾濃縮的優(yōu)勢，以便于移動濾網(wǎng)并運送到岸上傾倒，或通過輸送泵直接排到50 m距離內(nèi)岸邊設(shè)定位置，且能夠在惡劣氣候條件下使網(wǎng)兜與抽吸裝置分離，保證網(wǎng)兜安全?？偟年P(guān)鍵目標為：海生物破碎傳送、海生物抽吸傳送、攔污網(wǎng)安全保障、設(shè)備安裝穩(wěn)定性、海洋環(huán)境適用性、設(shè)備總體可靠性。

3.2 基本原理

所設(shè)計的取水口攔污網(wǎng)網(wǎng)兜抽吸裝置系統(tǒng)，集成了海生物破碎、提升、濃縮和泵送功能，主要包括電機、泵體、葉輪、泵軸、旋轉(zhuǎn)切刀和固定切刀及配套系統(tǒng)?？刹捎没栋惭b的方式提前安裝在工作臺，徹底解決受天氣影響，尤其在海域大風天氣多發(fā)，造成漁船人工駁運清理無法實施的問題，使海生物清理作業(yè)更加安全、可靠。

取水口攔污網(wǎng)網(wǎng)兜抽吸裝置系統(tǒng)固定安裝在如圖1所示的兩道攔污網(wǎng)中間，二次過濾濃縮網(wǎng)箱放置在工作臺上，將過濾出的海水和小顆粒海生物一起排入海中，濃縮網(wǎng)箱內(nèi)海生物達到一定量時轉(zhuǎn)移到駁船上運走。清潔系統(tǒng)入口與網(wǎng)兜尾部連接，集聚在網(wǎng)兜的海生物在海浪或涌的作用下被推入清潔系統(tǒng)入口，在清潔泵的吸力下進入螺旋切削機構(gòu)，海生物在提升過程中被切削成可以排出的碎塊，過量的海水在提升過程中被濾出，濃縮后的海生物進入泵入口從出口沿輸出管排到二次過濾濃縮網(wǎng)箱內(nèi)，如圖3所示。

圖3 取水口攔污網(wǎng)網(wǎng)兜抽吸裝置系統(tǒng)示意圖

3.3 總體設(shè)計

3.3.1 網(wǎng)兜與系統(tǒng)固定設(shè)計

網(wǎng)兜穿套在籠式固定裝置上，并被扎牢；網(wǎng)兜固定裝置配有安裝法蘭，安裝法蘭上設(shè)計有操作桿鎖定孔及升降繩卡環(huán)，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)兜與系統(tǒng)固定

3.3.2 固定提升機構(gòu)設(shè)計

操作桿及升降繩一端與固定裝置法蘭連接后，另一端與工作平臺固定架連接。更換或清理網(wǎng)兜，提升至工作平臺后移至到岸邊操作，使工作過程簡便安全。裝配好的網(wǎng)兜固定裝置沿提升裝置側(cè)面，下滑至梯形槽內(nèi)自動定位自鎖，固定提升機構(gòu)如圖5所示。

圖5 固定提升機構(gòu)

3.3.3 鉸刀設(shè)計

鉸刀設(shè)計除切削海生物外，同時具有濃縮海生物和提升功能，被切削破碎的海生物經(jīng)清潔泵系統(tǒng)入口并被提升至岸上，在提升過程和二次過濾濃縮網(wǎng)箱內(nèi)進一步濃縮，切削刀結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 切削刀結(jié)構(gòu)

3.3.4 提升裝置入口與網(wǎng)兜固定連接設(shè)計

網(wǎng)兜尾部設(shè)計網(wǎng)兜支撐裝置，安裝在網(wǎng)兜尾網(wǎng)內(nèi)側(cè)。提升裝置入口與網(wǎng)兜支撐裝置通過耦合裝置連接，耦合裝置是提升機入口與網(wǎng)兜連接的過渡裝置，為便于在海面工作臺上操作而設(shè)計。其一端與海生物攔截網(wǎng)兜尾部牢固連接，另一端能可靠卡裝在提升裝置入口處，中間設(shè)計有攔截網(wǎng)兜尾部自封堵和特殊情況脫網(wǎng)功能，如圖7所示。

圖7 網(wǎng)兜與耦合裝置結(jié)構(gòu)

本設(shè)計具有以下特點：①確保海生物攔截網(wǎng)兜尾部與耦合過渡裝置牢固連接，且可拆卸更換；連接操作在海面工作臺上進行，人員不需要潛入海水中；網(wǎng)兜通過耦合裝置與提升機入口連接后，在極端情況下，可岸基操作，自動封堵后脫網(wǎng)，防止網(wǎng)兜撕裂，保障取水口冷源安全。②網(wǎng)兜支撐裝置采用收縮斷面設(shè)計，利用取水能量進行海生物粗濃縮，增加抽吸過程中海生物濃度，提高抽吸效率。③通過遠程/本地操作，耦合裝置（連帶網(wǎng)兜一起）能提出水面，并從水面放入海水中的提升裝置入口卡槽內(nèi)，且不能在非人工操作下從卡槽脫落，耦合裝置具有自清潔功能，避免海生物附著。④耦合裝置能夠在惡劣海況條件下實現(xiàn)尾網(wǎng)自動脫離和封堵。

3.3.5 提升裝置設(shè)計

提升裝置是在電機驅(qū)動下能將進入入口的海生物與海水一起提升輸送到出口的設(shè)備，如圖8所示。需滿足的要求如下：①該裝置固定安裝在海上工作臺上，驅(qū)動電機在海上工作臺上；②入口垂直方向兩側(cè)外展呈喇叭狀，外口卡槽與耦合裝置配合；③外口處設(shè)計耦合裝置升降導(dǎo)向與固定鎖緊機構(gòu)；④出口沒于水下，并與輸送泵入口管連接；⑤提升裝置出口尺寸根據(jù)輸送泵入口尺寸匹配設(shè)計；⑥提升裝置切削性能滿足輸送泵最大輸送固體物質(zhì)的要求；⑦提升裝置需安裝切刀，切刀安裝在提升裝置入口開口外徑上部和旋轉(zhuǎn)方向側(cè)面，使其具有切割較大海生物功能，且旋轉(zhuǎn)切刀切削破碎后的尺寸，滿足泵輸送要求。

圖8 提升裝置

3.3.6 輸送泵設(shè)計

輸送泵系統(tǒng)安裝在工作臺上，能夠使被輸送的海生物進入工作臺上過濾箱網(wǎng)兜內(nèi)或輸送至岸上指定地點，需滿足提升機切削后的海生物顆粒輸送要求、入口與提升裝置出口匹配設(shè)計，如圖9所示。

圖9 輸送泵結(jié)構(gòu)

3.3.7 系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計

岸上設(shè)有取水口攔污網(wǎng)網(wǎng)兜抽吸裝置系統(tǒng)操作室。在操作室內(nèi)安裝提升裝置和輸送泵控制柜；配備視頻監(jiān)控顯示器等，提升裝置和輸送泵電源用防水電纜連接到控制柜上。取水口攔污網(wǎng)網(wǎng)兜抽吸裝置系統(tǒng)在提升裝置入口上部和輸送泵前端裝有可視水下監(jiān)控器，視頻信號傳輸?shù)桨渡喜僮魇?。操作人員可在視頻畫面顯示器上監(jiān)控、判斷攔截網(wǎng)兜內(nèi)海生物聚集情況，決定清潔泵系統(tǒng)的啟動和停止；決定更換濃縮網(wǎng)兜的時間。

3.3.8 系統(tǒng)安全防護

由于抽吸裝置的設(shè)備長期在海面和海水中運行，所以必須耐海水腐蝕，并能夠滿足海面特殊自然條件下系統(tǒng)自身安全、可靠。泵送系統(tǒng)裸露和接觸海水部分采用耐蝕不銹鋼制作，驅(qū)動電機外面采用耐蝕不銹鋼外套防護；電纜通過不銹鋼鋼纜與浮閥上電機連接。

4 效益和推廣意義

研發(fā)了取水口攔污網(wǎng)網(wǎng)兜抽吸裝置系統(tǒng)，分別進行了裝置原理性試驗、抽吸泵試驗、裝置功能性試驗、裝置鑒定試驗，總體效果良好。同時此項技術(shù)經(jīng)過對標分析、現(xiàn)場試驗等驗證，其總體具備了合理的經(jīng)濟性、先進的技術(shù)性和完善的功能性，具有工程推廣價值?，F(xiàn)結(jié)合紅沿河電廠的相關(guān)歷史數(shù)據(jù)和實際情況分析該技術(shù)的經(jīng)濟效益和社會效益。

4.1 經(jīng)濟效益

目前該設(shè)備具備高效的抽吸清理網(wǎng)兜能力，預(yù)期經(jīng)過安裝形式改造等適應(yīng)性優(yōu)化后，將可實現(xiàn)全天候網(wǎng)兜清理作業(yè)，進而取得以下經(jīng)濟效益。

直接經(jīng)濟效益：紅沿河核電廠采用“網(wǎng)兜攔截+人工海上漁船駁運清理”的方式來保障冷源安全，維護作業(yè)資源投入較大。該設(shè)備針對網(wǎng)兜海生物清理作業(yè)效率高，完全適應(yīng)性投產(chǎn)后預(yù)計可節(jié)約當前維護作業(yè)人力和船只投入的1/3以上。

間接經(jīng)濟效益：根據(jù)核電廠運行技術(shù)規(guī)范，一旦進入取水通道的海生物突破攔截疏導(dǎo)系統(tǒng)，電廠將采取停運相應(yīng)取水通道的循環(huán)冷卻水泵的方式保護電網(wǎng)安全和重要供水系統(tǒng)用水量，這時機組將降功率運行，嚴重時機組將停機停堆。按照紅沿河核電廠2013—2021年因冷源停機、停堆事故頻發(fā)的數(shù)據(jù)計算，平均每年發(fā)生0.57臺次停機停堆及0.42次降功率事件。按照1次停機停堆損失2 000萬，1次降功率損失500萬計算，紅沿河核電廠4臺機組每年損失約1 356萬元，6臺機組每年損失2 034萬元。中國在役運行核電站為51臺機組，隨著核電機組逐年增加，效益會更加明顯。

4.2 社會意義

保證冷源安全。當前驗證可見，該系統(tǒng)功能先進、工作高效。同時預(yù)期經(jīng)過進一步適應(yīng)性優(yōu)化投用后，可實現(xiàn)全天候、不間斷取水口海生物的清理工作，提升作業(yè)效率，降低安全風險，保障冷源安全。

減小人員勞動強度，提高人員安全?？蓪崿F(xiàn)采用機械作業(yè)方式代替人工清理網(wǎng)兜，提高清理效率，減少人工海上和潛水作業(yè)量，避免工作人員在危險的環(huán)境中工作，減小勞動強度，降低安全風險，提高人身、全性。

解決行業(yè)難點，突破技術(shù)瓶頸。解決了當前冷源保障中的難點，突破了冷源安全技術(shù)的“堵+疏”的技術(shù)瓶頸，提高了該領(lǐng)域技術(shù)和產(chǎn)品的創(chuàng)新能力。

5 結(jié)論

研發(fā)的新型取水口攔污網(wǎng)網(wǎng)兜抽吸裝置系統(tǒng)，可安裝在冷源取水口攔截網(wǎng)兜尾部位置，用于收集、破碎、提取網(wǎng)兜尾部攔截的海生物；也適用于類似條件下水源入口清淤和可切削雜物分離、提??；尤其適用于海生物大量侵入情況，將為冷源安全提供長遠保障。采用機械方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工海上漁船駁運清理入水口攔截網(wǎng)兜中的大量海生物的作業(yè)方式，可實現(xiàn)無間斷、高效網(wǎng)兜清理作業(yè)，解決人工海上漁船駁運清理網(wǎng)兜帶來的安全隱患，提高經(jīng)濟和社會效益。