內陸核電廠取水構筑物防洪標準探討

郭 有，葛小玲，陳文輝，韓 剛

（國核電力規(guī)劃設計研究院，北京 100094）

0 引言

目前國內規(guī)劃和即將開工建設的內陸核電廠均采用AP1000堆型，廠址規(guī)劃容量通常為4×1250MW，常規(guī)島循環(huán)水系統(tǒng)采用帶自然通風冷卻塔的二次循環(huán)供水系統(tǒng)，廠用水系統(tǒng)采用帶機力通風冷卻塔的二次循環(huán)供水系統(tǒng)。 內陸核電廠取水水源多為大江（河）或大型水庫，傍河（或水庫）設置取水構筑物向核電廠供水，滿足常規(guī)島循環(huán)水系統(tǒng)和核島廠用水系統(tǒng)補水、化學水處理用水、生活雜用水等用水需求。

內陸核電廠是耗水大戶，據(jù)測算，其耗水量約為同容量火電廠的1.5倍左右。4臺核電機組日最大耗水量約為50×104t，相當于一座百萬人口城市的日耗水量［1］。

防洪標準的高低，與防洪保護對象的重要性、洪水災害的嚴重性及其影響直接有關。一般情況下，當實際發(fā)生的洪水不大于設計防洪標準時，通過防洪系統(tǒng)的正確運用，可保證防洪對象的防洪安全。

內陸核電廠取水構筑物雖為非核安全相關物相，但其初投資較高，一旦遭遇超標洪水導致取水構筑物不可用，將對核電廠安全、經(jīng)濟運行產生重大影響。隨著越來越多的內陸核電廠規(guī)劃、建設，科學合理地確定內陸核電廠取水構筑物的防洪標準，以確保核電廠安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，降低核電廠壽命周期成本，已變得越來越必要和迫切。

1 規(guī)程、規(guī)范中關于防洪標準的有關規(guī)定

1.1 取水構筑物防洪標準

文獻［2］規(guī)定特別重要的工業(yè)、城鎮(zhèn)供水泵站，其主要建筑物的防洪標準（重現(xiàn)期）設計為100年，校核為300年。

文獻［1］規(guī)定江河取水構筑物的防洪標準不應低于城市防洪標準，其設計洪水重現(xiàn)期不得低于100年。水庫取水構筑物的防洪標準應與水庫大壩等主要建筑物的防洪標準相同，并應采用設計和校核二級標準。

文獻［3］規(guī)定岸邊水泵房±0.00 m層標高應為頻率1% 洪水位+頻率2%浪高+超高0.5 m，且不應低于頻率1‰洪水位，否則水泵房應有防洪措施；非淹沒式取水構筑物±0.00 m層標高宜按頻率1%洪水位設計。

1.2 水利水電工程的防洪標準

我國現(xiàn)行的《防洪標準》和《水利水電工程等級劃分及防洪標準》規(guī)定，水利水電工程永久性水工建筑物的防洪標準，應按山區(qū)、丘陵區(qū)、平原區(qū)、濱海區(qū)，分別確定，如表1所示。

表1 水庫工程水工建筑物的防洪標準

水利水電工程永久性水工建筑物的級別應根據(jù)其所在工程的等別和建筑物的重要性，按表2確定。

表2 永久性水工建筑物級別

水利水電工程的等別應根據(jù)其工程規(guī)模、效益及在國民經(jīng)濟中的重要性，按表3確定。對兼有多種功能的綜合利用水利水電工程，當按各綜合利用項目的分等指標確定的等別不同時，其工程等別應按其中最高等別確定。

文獻［4］給出了城鎮(zhèn)和工礦企業(yè)分等表，見表4。

表4 城鎮(zhèn)和工礦企業(yè)分等表

2 內陸核電取水構筑物防洪標準選取時應考慮的因素

2.1 內陸核電廠特點和重要性分等

與常規(guī)火電廠相比，內陸核電廠具有以下特點：投資高，總裝機容量大；現(xiàn)階段通常擔任基荷，年運行時間長；設計使用年限長（AP1000設計使用年限60年）；機組的換料周期為18個月，減負荷乃至短時間停運并不會相應減少年燃料費用，但會降低核電機組運行的安全性和經(jīng)濟性。

內陸核電廠4臺AP1000核電機組年售電收入約130億元，資產總額約700億元，均遠高于50億元，可參照表4，確定其重要性分等為特別重要（與超大、特大城市等同）。

表3 水利水電工程分等指標

2.2 取水構筑物的設置地點

取水構筑物自上游無水庫的天然河道取水。當核電廠自上游無水庫（或不受上游水庫潰壩影響）的天然河道取水時，取水構筑物防洪標準確定主要考慮遭遇超標洪水，取水泵房水淹導致的核電廠發(fā)電損失。

取水泵房設于水庫庫區(qū)。當核電廠在水庫庫區(qū)設取水泵房取水時，取水構筑物防洪標準應根據(jù)取水河段枯水期天然徑流情況、遭遇超標洪水取水泵房水淹導致的核電廠發(fā)電損失、洪水漫壩導致的水庫不可用對核電廠取水的影響程度確定。

取水泵房設于水庫下游。當自水庫下游取水時，取水構筑物防洪標準應根據(jù)取水河段枯水期天然徑流情況、遭遇超標洪水取水泵房水淹導致的核電廠發(fā)電損失、潰壩洪水導致的泵房水淹帶來的核電廠發(fā)電損失、洪水漫壩導致的水庫不可用對核電廠取水的影響程度確定。

2.3 取水構筑物喪失取水功能導致的核電廠經(jīng)濟損失

遭遇超標洪水時，取水構筑物可能因水淹等原因，在一段時間內喪失取水功能，由此產生的核電廠經(jīng)濟損失主要體現(xiàn)在發(fā)電損失?；谙旅娴募俣l件，來評估內火電廠和核電廠取水泵房因外部水淹導致的發(fā)電損失。

假定火電廠年利用小時數(shù)為6 000 h，燃料成本0.22元/kWh，核電廠年利用小時數(shù)為7 000 h；電廠裝機容量均為5 000 MW，廠用電率均為6%，不含稅上網(wǎng)電價均為0.34元/kWh，取水構筑物修復期間機組停運時間為10天。

按上述假定數(shù)據(jù)計算出機組停運期間：

火電廠年經(jīng)濟損失=5 000×103×240×（1-6%）×（0.34-0.22）/108=1.35 億元。

核電廠年經(jīng)濟損失=5 000×103×240×（1-6%）×0.34/108=3.84億元。

也就是說同樣是由于取水構筑物喪失取水功能導致的機組停運，內陸核電廠經(jīng)濟損失遠大于同容量的火電廠。

2.4 提高防洪標準對取水構筑物造價影響

對于直接或間接自水庫取水的核電廠，取水構筑物選取較高的防洪標準，可能會導致水庫大壩等水工建筑物建造（或改造）費用的大幅增加；對于自天然河道取水的核電廠，選取較高的防洪標準也會導致取水泵房造價的增加。

3 取水構筑物防洪標準的選取

3.1 取水構筑物自上游無水庫的天然河道取水

當自上游無水庫（或不受上游水庫潰壩影響）的天然河道取水時，核電廠取水構筑物防洪標準選取，建議參考相關規(guī)范，其設計洪水重現(xiàn)期不得低于100年，校核洪水重現(xiàn)期不得低于1 000年，必要時通過利益—代價分析確定。

3.2 取水泵房設于水庫庫區(qū)

取水河段枯水期天然徑流量較大。當遭遇漫壩洪水后，水庫可能會在一段時間內喪失供水功能，恢復到天然河道狀態(tài)。若屆時取水構筑物在枯水期仍可自天然河道正常取水，且基本能夠滿足核電廠供水要求，則水庫與取水構筑物關聯(lián)度低，洪水漫壩對核電廠運行經(jīng)濟性影響有限，取水構筑物防洪標準建議采用天然河道取水的防洪標準；若屆時取水構筑物在枯水期因為設置位置和進水口標高等原因無法正常取水，這種情況下，洪水漫壩對核電廠運行經(jīng)濟性影響很大，應將水庫大壩等主要水工建筑物看作是取水構筑物的一部分，取水構筑物和水庫大壩等主要水工建筑物級別應根據(jù)其供水功能要求確定為1級，其防洪標準建議根據(jù)壩型、壩高、上下游水頭等參數(shù)，參考表1選取，必要時通過利益—代價分析確定。

取水河段枯水期天然徑流量較小。當遭遇漫壩洪水后，水庫可能會在一段時間內基本喪失蓄水、調節(jié)能力，枯水期可供核電廠的水量可能會大幅減少。若屆時取水泵房雖仍可自天然河道取水，但在枯水年難以滿足核電廠用水要求，對核電廠運行經(jīng)濟性將產生較大影響；若屆時取水泵房因為設置位置和進水口標高等原因無法正常取水，可能無法向核電廠正常供水，對核電廠運行經(jīng)濟性將產生很大影響。這種情況下，應將水庫大壩等主要水工建筑物看作是核電廠取水構筑物的一部分，取水構筑物和水庫大壩等主要水工建筑物級別應根據(jù)其供水功能要求確定為1級，其防洪標準建議參考壩型、壩高、上下游水頭等參考表1選取，必要時通過利益—代價分析確定。

3.3 取水泵房設于水庫下游

利用壩體內取水管涵取水再經(jīng)升壓泵房升壓供水。當遭遇漫壩洪水后，水庫可能會在一段時間內喪失功能，應將水庫大壩看作是核電廠取水構筑物的一部分，建議升壓泵房防洪標準采用天然河道取水的取水構筑物防洪標準；水庫大壩等主要水工建筑物級別按1級，其防洪標準建議根據(jù)水庫壩型、壩高、上下游水頭等參數(shù)，參考表1選取，必要時通過利益—代價分析確定。

水庫下游天然河道設取水泵房取水。當遭遇漫壩洪水后，水庫可能會在一段時間內喪失功能。若取水河段枯水期天然徑流量較大，且基本能夠滿足核電廠供水要求，則水庫與取水構筑物關聯(lián)度低，建議取水構筑物防洪標準采用天然河道取水的防洪標準（若上游水庫防洪標準較低，尚應考慮潰壩洪水影響）；若取水河段枯水期天然徑流量較小，無法滿足核電廠供水要求，則水庫與取水構筑物關聯(lián)度高，這種情況下，應將水庫大壩看作是取水構筑物的一部分，取水構筑物和水庫大壩等主要水工建筑物級別應根據(jù)其供水功能要求確定為1級，其防洪標準建議根據(jù)壩型、壩高、上下游水頭等等參數(shù)，考表1選取，必要時通過利益—代價分析確定。

3.4 利益一代價分析

以上分析可見，內陸核電廠取水構筑物防洪標準選取需考慮的因素很多，對核電廠壽命周期成本影響較大，目前尚無法直接引用相關規(guī)范確定防洪標準。為保證防洪標準選取的科學性和合理性，建議在參考相關規(guī)范的基礎上，根據(jù)工程具體情況，通過利益—代價分析來確定取水構筑物防洪標準。

基于某內陸核電廠相關參數(shù)和3.3節(jié)中的假定，舉例說明取水構筑物（自天然河道取水）防洪標準選取所開展的利益—代價分析方法和步驟。自水庫庫區(qū)和水庫下游取水的內陸核電廠取水構筑物防洪標準的選取，可參照開展相關工作。

核電廠運營期間，取水構筑物不可用期間的期望損失可表示為［5］：

式中：X為取水構筑物不可用時，核電機組發(fā)電損失；P（x）為核電廠運營期間每年取水構筑物不可用的概率；〔（1+i）n-1〕/〔i（1+i）n〕為年期望損失折現(xiàn)系數(shù)。

各重現(xiàn)期對應的期望損失現(xiàn)值見表5。

表5 不同重現(xiàn)期核電廠期望損失一覽表

從表5可見，對于該案例，校核洪水重現(xiàn)期采用2 000年較為合理。

4 結語

取水構筑物防洪標準是內陸核電廠重要的設計參數(shù)，對核電廠初投資和運行經(jīng)濟性影響較大，選取不當可能會大幅增加核電廠壽命周期成本。

內陸核電廠取水構筑物防洪標準選取需考慮的因素很多，對核電廠壽命周期成本影響較大，目前尚無法直接引用相關規(guī)范確定防洪標準。為保證防洪標準選取的科學性和合理性，建議在參考國內現(xiàn)行相關規(guī)范的基礎上，根據(jù)工程具體情況，通過利益—代價分析來確定取水構筑物防洪標準。