应对海生物入侵问题的核电厂冷源系统设计优化

刘浩 杨开放 王磊

【摘要】随着人类活动日益频繁及海洋环境变化，海生物入侵导致核电厂冷源系统频发故障，威胁核电厂最终冷阱安全，给电厂的经济性也带来极大的影响。本文通过分析国内典型的海生物入侵导致的冷源事件，提出核电厂冷源系统设计方面的优化建议，通过优化方案实施，实现提升核电厂冷源系统本质安全和运行安全的目的。

【关键词】冷源系统;海生物;循环冷却水;安全厂用水

0  引言

近年来，国内核电机组海生物入侵事件频发[1]，日趋恶劣的海洋生态环境和生态灾害，已造成多起核电站冷源取水堵塞事件。根据国内核电事件反馈统计，在2007-2020年14年时间内共发生21起冷源事件，通过对导致冷源事件的威胁源归类统计，发现海生物占55%。良好的冷源系统设计有利于降低海生物入侵事件发生的几率并降低海生物入侵事件带来的后果，从而降低核电站冷源事件导致的降负荷或停机停堆事件。

1  国内外核电站冷源系统事件

随着经济高速发展，人类的活动范围不断延伸，海洋经济异军突起，人类海洋活动日益加剧。沿海工农业发展迅猛、渔业捕捞加剧、海产品人工养殖业日益兴旺，给经济带来新的增长极的同时，也不同程度的引起海洋环境趋于恶化，局部海域生态出现失衡现象，优势物种爆发性增长。赤潮、绿潮、水母、海地瓜爆发等海洋生态灾害频发[2-3]。与此同时，海水伴随大量海生物进入核电厂海水取水口，造成核電厂凝汽器、核岛重要冷却水系统冷却器等堵塞，冷源系统设置的前置过滤器因负担过重失效，对核电厂冷源系统的稳定性带来极大的威胁，产生冷源事件，引发核电站降负荷或停机停堆，甚至威胁核安全。

根据国内核电事件反馈统计，在2007-2020年14年时间内共发生21起冷源事件，通过对导致冷源事件的威胁源归类统计，发现海生物占55%。

早期环境调查时，核电厂海水水质较好，水中含沙量、漂浮物、悬浮物较少，但近年来随着海洋环境恶化，海洋富养化加重趋势，周边居民生活垃圾排放以及虾塘污水排放等，导致海水水质恶化，水母增加，海洋中的麒麟菜、绿藻等出现爆发式增多，同时在极端气象条件下也可能导致海水取水堵塞[4]。

2国内核电厂冷源系统设计存在的薄弱环节

国内核电机组冷源系统设计虽然存在一定差异，但是工作原理基本相同，而且都是滨海厂址，面临的主要威胁来源有相似之处。目前国内核电厂冷源系统设计存在的薄弱环节，主要为以下三个方面：

（1）明渠取水堤头设计不合理

好的取水明渠的设计应考虑具有消浪和导污能力。既可以削减波浪对明渠内拦污设施的冲击，还应对成群海生物或海洋平面漂浮物具有引导能力，防止其往取水明渠内汇集。反之，不合理的取水设计会导致海生物巡游或恶劣天气时大量海生物进入取水明渠。如果取水明渠内拦污设施拦截不力，会导致相应海生物或杂物进入泵房，堵塞滤网，严重时引起停机停堆事件。

（2）取水明渠拦污设施设置不合理

目前国内核电机组取水明渠拦污设施普遍较为简单，存在配置过少、组合不合理、纵深防御不够等问题，一旦出现大规模海生物入侵也容易引发停机停堆事件。

（3）监控预警手段缺乏

国内现有核电机组在监控预警设施方面正处于起步阶段，除少数核电站配有成套监控预警设施外，大部分核电机组仍处于无任何监控预警设施下运行。

3 国内核电厂冷源系统设计优化

核电厂冷源系统是电厂运行的冷端系统，与电厂负荷因子密切相关，体现电厂运行的经济性。同时，冷源系统也承担着核电厂反应堆导热最终热阱的功能，是确保核安全功能重要设施。然而，随着全球经济的高速发展，特别是海洋经济的崛起，人类海洋活动日益加剧，作为最终冷源的海水也是不断发展变化，它的变化也不断反馈到核电厂冷源系统，造成冷源系统频繁失效，给电厂可用率和安全性带来极大的威胁。

核电厂冷源系统工艺流程基本原理一致，但是系统内各个子系统和设施的设计选型却不尽相同，总体上需要根据厂址因地制宜，但还是有一些优化的原则值得推荐借鉴的。

（1）取水明渠大堤设计优化

一般来说，核电厂取水口应建成大围堰式构筑物，环抱式布置，起到消波阻浪的作用，防止海浪直接冲击取水明渠里面的拦污设施，对拦污设施造成损坏。特别是在台风频发地区，环抱式取水大堤的设计可以有效的减轻巨大的风浪对冷源系统的冲击。除了消浪之外，大堤的设计还应考虑厂址周围洋流特征，利用洋流实现导流自清洁的功能，从而提升取水口本质安全能力。结合洋流方向，设计大堤走向，有效减少将取水口外围的巡游的海生物吸入到取水明渠。降低取水明渠拦污设施的负担。

（2）取水明渠拦污设施设计优化。

应按照“梯次设置、永临结合、纵深防御”的原则进行设置。在确定设计方案前，在厂址环评时应进行充分的现场调查和社会调查，掌握厂址周围海洋生物优势物种，对周围渔业养殖情况进行充分调研，掌握渔民和养殖业活动对海水带来的影响。如有必要，可以借助海洋研究院所开展厂址周围海洋生物监测试验，获得更为详尽的数据。从调查或试验中，获取电厂冷源系统初始主要威胁源，以此为输入条件，针对性的选择拦污设施进行有效防范。

（3）取水明渠监控预警系统设计

在探测预警系统设计选型时，应综合考虑水上水下全覆盖、晴雨台风天气全天候、远端近端全范围的需要，建立全方位海生物探测和分级预警响应联动一体化体系，并运用物联网、云平台和大数据等现代信息技术手段实现探测分析、数据处理、远端传输、移动共享和预警启动功能。

海生物探测系统布置完成后，可以利用现代化信息手段进行组网，对探测信息收集、集中处理，依据探测物数量和种类、拦截设施的的完好程度以及气象水文条件等来综合形成分级预警。这些预警信息可以通过云平台，共享到核电厂工作人员的移动终端，随时随地接收和处理报警信息。根据不同的预警级别，核电厂工作人员及时启动相应级别的响应干预措施。

由此可见，通过上述的探测和信息处理预警方案，可以形成提前探测、综合分析、分级预警和及时响应的一体化智能探测预警支持系统，有效应对全天候、全范围、全工况的海生物对核电厂冷源系统的突发性入侵。

4  结论

随着经济社会的高速发展，人类海洋活动日新月异，一方面给人类带来丰富的海洋资源，另一方面，也给核电厂冷源的运行安全带来极大的挑战。近几年，国内外核电厂频繁发生冷源事件，越来越让核电行业认识到核电厂冷源系统面临的巨大威胁。通过优化冷源系统取水明渠大堤、拦污设施和监控预警系统，可以有效应对全天候、全范围、全工况的海生物对核电厂冷源系统的突发性入侵。当然各个核电厂根据具体厂址环境的差异，可能也有个性化的选择。随着科技的进步以及监管部门和营运单位对冷源系统的重视，冷源系统的设计优化将继续深入开展。

参考文献：

[1] Maes J . Tidal and diel periodicity in the cooling-water intake catches of fish and crustaceans at the nuclear power plant Doel[J]. 2000.

[2] 何小奇， 罗丽娟. 基于核电厂取水工程移动式一体化水生物自动清捞处理装置的可行性研究[J]. 给水排水， 2018， 54（447）：61-65.

[3] 吴庆旺. 新形势下滨海核电厂取排水方案研究[J]. 给水排水动态， 2017， 43（10）：68-71.

[4] 魏智刚. 核电厂循环水过滤系统隐患分析及维护策略[J]. 产业与科技论坛，2019， 18（21）：62-63.