基于冷源安全的濱海核電廠取水攔污網(wǎng)設(shè)計

熊碧露，許波濤，鄭早華，祝奇超

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)多個濱海核電廠投入運行，在運核電機組相繼出現(xiàn)了水草、垃圾、海生物等污染物堵塞攔污網(wǎng)的事件，取水堵塞導(dǎo)致機組安全穩(wěn)定運行的外部事件時有發(fā)生，冷源安全逐漸成為了備受關(guān)注的問題[1-2]。2014年7月21日凌晨，東北地區(qū)某核電廠因大量水母涌入循環(huán)水過濾系統(tǒng)的取水口，造成過濾系統(tǒng)鼓形旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)壓差上升，循環(huán)水泵跳泵，最終導(dǎo)致2號機組和1號機組相繼停堆。2014年8月，國家能源局發(fā)出《關(guān)于加強核電廠循環(huán)水取水設(shè)施安全管理的通知》，要求從循環(huán)水取水設(shè)施的設(shè)計上考慮建設(shè)固定攔污網(wǎng)等設(shè)施，用來防范海洋生物對取水設(shè)施的影響。

取水口攔污網(wǎng)是取水安全的第一道防線，為保證核電機組的取水安全，在核電廠取水明渠增設(shè)攔污設(shè)施顯得十分必要；目前，國內(nèi)只有少數(shù)學(xué)者針對攔污網(wǎng)的設(shè)計開展了相關(guān)研究[3-5]。本文結(jié)合國內(nèi)多個濱海核電廠取水攔污網(wǎng)項目實踐以及有關(guān)科研成果，從功能需求分析、功能定位、設(shè)計原則等方面對取水攔污網(wǎng)設(shè)計進行研究、分析論述。

1 功能需求分析

濱海核電廠一般以大海作為最終熱阱，取水安全在核電廠運行安全中占據(jù)重要地位，因此相應(yīng)采取了多重措施來保障電廠取水。以某濱海核電廠為例，組成取水工程的取水構(gòu)筑物、取水隧洞和聯(lián)合泵房均為安全級、抗震Ⅰ類物項，海水通過取水工程進入SEC和CRF系統(tǒng)前，要經(jīng)過粗格柵（間距20 cm）、細格柵（間距5 cm）和鼓形濾網(wǎng)（孔徑3～5 mm）和貝類捕集器等不同規(guī)格的海水過濾設(shè)施，見圖1。

圖1 某核電廠取水工程及過濾措施Fig.1 The water intake project and its filtration measures of a nuclear power plant

實踐證明，隨著海域環(huán)境不斷變化，上述措施不足以保障取水安全，一些海洋生物、雜物可以通過粗、細格柵進入取水泵房，在鼓形濾網(wǎng)處形成堵塞。設(shè)置取水攔污網(wǎng)作為保障取水的第一道屏障，能阻擋部分或大部分異物進入核電廠取水通道，是降低冷源安全風(fēng)險的有效手段。每個電廠條件各不相同，攔污網(wǎng)設(shè)計的第一步應(yīng)結(jié)合電廠實際情況進行功能需求分析。

1）防護對象分析：對于冷源而言，不同海域的致災(zāi)源項是不同的，有底棲生物，如東部某核電廠取水海域的海地瓜；有浮游生物，如海月水母、毛蝦等；還有漂浮的雜物、垃圾等。攔污網(wǎng)設(shè)計之前，首先應(yīng)該對防護對象進行必要的調(diào)查分析，如對于浮游生物，需要調(diào)查其個體大小、游動能力、暴發(fā)密度，以及其在水體中的分布特征等。

2）運維需求分析：應(yīng)從攔污網(wǎng)使用和電廠運營兩個方面分析攔污網(wǎng)運維需求，攔污網(wǎng)使用維護方面，如提高攔污網(wǎng)的耐久性性能，盡可能減少維護頻率；電廠運營方面，如需考慮清淤船等船只通過攔污網(wǎng)進行作業(yè)，則應(yīng)結(jié)合作業(yè)頻率研究船只過網(wǎng)方式。

2 設(shè)計定位、原則及方案

2.1 功能定位

2.2 設(shè)計原則

通過項目實踐和專題研究，在冷源防護體系方面逐漸形成“縱深防御、一廠一策”的共識。作為防護體系的一環(huán)，攔污網(wǎng)也應(yīng)結(jié)合電廠海工布置進行設(shè)計，一般應(yīng)符合如下設(shè)計原則：

1）基于防護對象：在防護對象調(diào)查的基礎(chǔ)上，攔污網(wǎng)的防護范圍應(yīng)盡可能實現(xiàn)防護對象全覆蓋，不僅包括致災(zāi)海洋生物，還應(yīng)包括其它可能影響取水安全的雜物，如浮油、竹竿、船只、人工垃圾等。

2）利用潮流自潔：暴發(fā)性海洋生物、雜物等進入取水通道后利用潮流無法帶走，勢必全部成為過濾及清污設(shè)備的負荷，故應(yīng)盡可能將其擋在取水最前端，如取水明渠口門外，充分利用潮流動力沖刷堆積在攔污網(wǎng)上的成片污物，形成自潔的效果，減小人工清理的工作量，降低人工作業(yè)的風(fēng)險。

3）便于清理更換：攔污網(wǎng)應(yīng)便于清理，以減少攔網(wǎng)的堵塞，改善攔網(wǎng)受力狀態(tài)；網(wǎng)片應(yīng)易于更換，局部破損時可以快速修復(fù)；具備必要的通航條件。

2.3 “3+n”方案

基于上述設(shè)計原則，提出“3+n”的攔污網(wǎng)設(shè)計方案，見圖2。

圖2 “3+n”攔污網(wǎng)方案示意圖Fig.2 Design scheme of the"3+n"trash-intercepting net

方案中，“3”指3道固定網(wǎng)，即示意圖中的W1、W2和W3。其中W1一般設(shè)置于電廠取水口門處，一般采用八字形或半圓形布置，充分利用潮流實現(xiàn)自潔，確保部分攔污網(wǎng)不會出現(xiàn)堵塞。當條件不允許時，也可以設(shè)置在取水明渠內(nèi)，采用斜線布置，有利于雜物快速匯集，便于定點打撈和清理。網(wǎng)眼尺寸考慮50～100 mm，主要用來阻攔較大尺寸的雜物，同時可以兼作攔油柵和攔船警示設(shè)施。W2為第2道攔污網(wǎng)，設(shè)置于W1的后側(cè)合適位置，網(wǎng)眼尺寸考慮30～50 mm，與W1配合實現(xiàn)梯級預(yù)過濾；W3為第3道攔網(wǎng)，網(wǎng)眼尺寸考慮5～10 mm，主要用于攔截、收集個體尺寸較小但數(shù)量極大的海洋生物，如毛蝦和小型水母等，采用網(wǎng)兜形式，便于快速清理或更換。與第2道攔污網(wǎng)共用樁墩?！皀”指結(jié)合電廠實際情況和需求考慮的3道固定網(wǎng)后方的若干道攔污網(wǎng)的預(yù)留措施，做好固定攔污網(wǎng)必要的錨定、系留結(jié)構(gòu)，在需要時安裝攔污網(wǎng)，如在前端攔網(wǎng)出現(xiàn)破損，需修補、更換時安裝。

3 設(shè)計內(nèi)容及要點

3.1 布置設(shè)計

攔污網(wǎng)的布置包括平面布置和豎向布置2部分[6]。平面布置除了前節(jié)所述外，還應(yīng)確定攔污網(wǎng)的分段數(shù)，如設(shè)置水下錨定設(shè)施，將攔污網(wǎng)分成若干段，則攔污網(wǎng)纜繩、水下錨定的樁墩的受力條件可以得到很大的改善，同時樁墩增多，需結(jié)合水力分析和結(jié)構(gòu)力學(xué)計算合理確定分段數(shù)。

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豎向布置主要指攔污網(wǎng)網(wǎng)頂和網(wǎng)底的設(shè)計狀態(tài)，從全斷面防護的角度，網(wǎng)底一般應(yīng)達到海床面，并考慮潮位的變化而保留一定的網(wǎng)高裕度。網(wǎng)頂則應(yīng)能兼顧設(shè)計高、低水位，避免在設(shè)計高水位時網(wǎng)頂淹沒于水下。在漂浮雜物較多的海域，大量漂浮雜物可能隨波浪越過攔污網(wǎng)，進入取水通道，攔污網(wǎng)網(wǎng)頂應(yīng)高出海面，如網(wǎng)頂標高按設(shè)計高水位加50 a一遇波浪考慮。

3.2 網(wǎng)材比選

目前國內(nèi)外用于海水環(huán)境的各類網(wǎng)具主要有PE、尼龍、超高分子聚乙烯、銅合金等材料。漁業(yè)捕撈方面，幾乎全部采用尼龍網(wǎng)；漁業(yè)養(yǎng)殖方面，尼龍網(wǎng)也是使用最多，超高分子網(wǎng)次之，PE網(wǎng)也有使用，如我國海南地區(qū)養(yǎng)殖業(yè)習(xí)慣使用PE網(wǎng)。銅合金網(wǎng)由于其良好的防海洋生物附著性能，在日本等地區(qū)使用較為廣泛，但近年來由于環(huán)保要求越來越嚴格，以及高強度的超高分子材料的出現(xiàn)，使得日本、歐美和澳大利用等地區(qū)均已開始逐步淘汰含銅產(chǎn)品。實際使用時，可以根據(jù)電廠對網(wǎng)材性能要求采用加權(quán)打分法進行選用，某核電廠取水攔污網(wǎng)網(wǎng)材綜合性能分析見表1。

表1 網(wǎng)材綜合性能對比Table 1 Comparison about the general properties of net materials

需要說明的是，表1資料僅依據(jù)當時獲取樣本進行打分評定，同一類材料的性能與原材料、加工工藝、添加成分、涂層均有關(guān)系，不排除有其他新的技術(shù)和材料與此分析存在差異，故在網(wǎng)材選擇時，應(yīng)結(jié)合電廠實際情況和需求綜合比較確定。

3.3 結(jié)構(gòu)分析

將攔污網(wǎng)及其附屬設(shè)施（如浮筒、錨鏈等）和錨定結(jié)構(gòu)作為一個完整的體系，通過計算以確定攔污網(wǎng)主纜規(guī)格，并分析其錨定結(jié)構(gòu)（包括岸側(cè)錨墩及水下樁墩）的整體穩(wěn)定性。

1）網(wǎng)片力學(xué)計算

網(wǎng)片的受力主要包括水流力Q1和波浪力Q2。水流力Q1可以根據(jù)式（1）計算：

式中：Cw為水流阻力系數(shù)，可參考JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》[7]；ρ為水密度，t/m3，海水取1.025；V為水流設(shè)計流速，m/s，不同設(shè)計水位流速不同；A為網(wǎng)片與流向垂直平面上的投影面積，A=網(wǎng)眼堵塞率×單段攔污網(wǎng)投影面積。其中網(wǎng)眼堵塞率一般參考現(xiàn)場條件提出限值，例如可要求攔污網(wǎng)在使用期間堵塞率不超過50%，若超過此要求則應(yīng)及時清理。

JTS 145-2—2013《海港水文規(guī)范》[8]中波浪對各種形式建筑物的作用均有明確的計算模型，但攔污網(wǎng)網(wǎng)片為柔性材料，本身可通過變形吸收一定的波浪能量，故無法參考現(xiàn)有公式進行波浪力Q2的計算。為較準確獲得有關(guān)數(shù)據(jù)，可根據(jù)設(shè)定的網(wǎng)眼堵塞率對網(wǎng)片進行物理模型試驗，為設(shè)計提供設(shè)計輸入。

2）纜繩張力計算

初步選定纜繩規(guī)格后，可以根據(jù)纜繩的最小破斷力計算其允許承受最大拉力H0。根據(jù)式（2）懸鏈線方程計算纜繩張力H[9]。

式中：Q為纜繩承受荷載，纜繩與網(wǎng)片相連，主要為網(wǎng)片承受的水流力Q1和波浪力Q2；Ln為每段攔污網(wǎng)的軸線長度；f為纜繩作業(yè)時允許最大撓度。如計算得到的張力H小于H0，則滿足要求，否則應(yīng)調(diào)整纜繩規(guī)格。

3）錨定結(jié)構(gòu)計算

攔污網(wǎng)錨定結(jié)構(gòu)包括岸側(cè)錨塊及水下樁墩。岸側(cè)錨塊一般設(shè)計為重力式混凝土結(jié)構(gòu)，嵌入堤岸內(nèi)，承受攔污網(wǎng)纜繩的拉力和土壓力，此類錨定結(jié)構(gòu)主要進行抗滑抗傾計算，一般不進行結(jié)構(gòu)強度計算。水下樁墩承受纜繩拉力、水流力及波浪力，需根據(jù)相關(guān)規(guī)范進行結(jié)構(gòu)強度計算。

4 結(jié)語

1）暴發(fā)的海洋生物、雜物容易通過過濾設(shè)施堵塞鼓形濾網(wǎng)，給濱海核電廠的冷源安全帶來了巨大的威脅。隨著海洋環(huán)境的日益復(fù)雜化，設(shè)置取水攔污網(wǎng)十分必要，而且對攔污網(wǎng)的功能需求大幅提升，攔污網(wǎng)成為保障冷源安全的重要補充措施。

2）攔污網(wǎng)設(shè)計時應(yīng)在源項調(diào)查的基礎(chǔ)上，與核電廠溝通確定功能需求，包括主要防護對象和運維需求，再結(jié)合核電廠實際條件，從布置設(shè)計、網(wǎng)材選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面將設(shè)計方案落地。

3）攔污網(wǎng)設(shè)計還存在一些現(xiàn)實問題，如作為一種外部事件，設(shè)計基準不明確，設(shè)計輸入難以準確獲得，結(jié)構(gòu)受力分析時攔污網(wǎng)堵塞率難以確定，這些是工程設(shè)計時需要注意的難點所在。