濱海核電廠取水工程方案研究

彭兆城

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063)

1 概述

隨著我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展及社會(huì)進(jìn)步，電力行業(yè)正在發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變，淘汰落后產(chǎn)能，推進(jìn)節(jié)能減排，發(fā)展清潔高效的新能源是目前的大趨勢(shì)，而核能發(fā)展是我國新能源開發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

由于核電廠運(yùn)行時(shí)需要大量的循環(huán)冷卻水，我國目前已建的核電廠均位于海邊，利用海水作為核電廠運(yùn)行時(shí)的冷卻水，并將溫排水及低放廢水就近排入大海，利用潮汐海流對(duì)溫排水進(jìn)行稀釋擴(kuò)散，減少溫排水對(duì)環(huán)境的影響。

核電廠取水工程不僅要考慮取水可靠性、泥沙淤積、溫排水影響、水文波浪等自然條件，還需要滿足相關(guān)規(guī)劃、法律法規(guī)、政策符合性等條件。合適的取水方案對(duì)項(xiàng)目投資及建設(shè)進(jìn)度有重要意義。

2 取水工程工藝設(shè)計(jì)要求

影響核電廠取水工程設(shè)計(jì)的因素很多，主要包括取水水深、泥沙、波浪、地質(zhì)條件、岸灘穩(wěn)定性、海冰以及溫排水等因素。下面將對(duì)以上影響因素進(jìn)行具體介紹。

2.1 取水水深

取水水深是取水工程設(shè)計(jì)的主要因素，無論采用何種取水方式，都要保證取水口處有足夠的取水水深，在設(shè)計(jì)低潮位時(shí)仍能取到足夠量的水，滿足核電長(zhǎng)的運(yùn)行要求。

核電廠用水系統(tǒng)通常分為兩部分，即循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和安全廠用水系統(tǒng)，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)基本不涉及核安全問題，一般設(shè)計(jì)要求99%低潮位，即出現(xiàn)百年一遇低潮位時(shí)仍能取到水；而安全廠用水系統(tǒng)則關(guān)系到核電廠安全，一旦不能保證安全廠用水系統(tǒng)，會(huì)影響核電廠運(yùn)行安全，因此安全廠用水系統(tǒng)的取水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)要求出現(xiàn)DBL水位，即設(shè)計(jì)基準(zhǔn)低水位時(shí)仍能取到足量的水。

2.2 泥沙

水深影響取水水量，泥沙則影響取水水質(zhì)，泥沙進(jìn)入取水口，不僅會(huì)影響水質(zhì)，還可能導(dǎo)致取水明渠或隧洞淤積堵塞，從而影響核電廠運(yùn)行。因此在設(shè)計(jì)取水工程時(shí)需防止大量泥沙進(jìn)入，確保取水工程能夠長(zhǎng)期正常運(yùn)行。

在選擇取水口位置時(shí)，應(yīng)選擇在水質(zhì)較好、水中漂浮物和泥沙較少的地段,不應(yīng)選在兩股泥沙流相匯的地段。若采用明渠取水，需考慮一定的備淤深度，并定期清淤；若采用隧洞取水，需保證取水流速，減少隧洞內(nèi)淤積量，并定期檢查隧洞內(nèi)情況。

2.3 波浪

取水工程設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮波浪影響，特別是采用明渠取水時(shí)，一般泵房前池的有效波高不應(yīng)超過0.5 m。若取水口門直接面向常浪向或者強(qiáng)浪向，波浪直接進(jìn)入取水明渠后，不受任何阻擋涌向泵房，波能幾乎沒有受到削減，導(dǎo)致泵房前池內(nèi)波浪波動(dòng)幅度大。因此，在取水工程設(shè)計(jì)時(shí)，取水口門設(shè)置應(yīng)避開常浪向或強(qiáng)浪向，特殊情況下還需考慮設(shè)置消浪措施。

2.4 地質(zhì)條件

地質(zhì)條件的好壞關(guān)乎到取水工程安全性，取水構(gòu)筑物應(yīng)設(shè)在地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定、承載力大的地基上，不宜設(shè)在斷層、滑坡、沖積層、風(fēng)化嚴(yán)重和巖溶發(fā)育地段，特別是包含安全廠用水系統(tǒng)的取水構(gòu)筑物，必須設(shè)置在滿足抗震Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)的地質(zhì)條件上。若現(xiàn)狀地質(zhì)條件較差，難以避開，則應(yīng)進(jìn)行換填等地基處理，以滿足地基承載力要求，但由此會(huì)增加工程費(fèi)用，延長(zhǎng)工程進(jìn)度，因此在前期選址時(shí)應(yīng)特別注意地質(zhì)條件。

2.5 岸灘穩(wěn)定性

由于取水明渠會(huì)影響附近洋流，改變附近海域沖淤平衡，因此在布置取水口與取水明渠時(shí)，要特別注意岸灘穩(wěn)定性，并應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的專題研究。取水工程應(yīng)設(shè)置在岸灘穩(wěn)定性較好的海域，若取水工程會(huì)引起淤積，在運(yùn)行過程中會(huì)帶來大量泥沙，對(duì)取水構(gòu)筑物造成淤積堵塞，進(jìn)而威脅取水安全；若取水工程會(huì)引起沖刷，在進(jìn)行明渠設(shè)計(jì)時(shí)需考慮沖刷影響，必要時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，防止沖刷造成坡腳失穩(wěn)，威脅取水安全。

2.6 海冰

在我國北方修建核電廠時(shí)，需考慮海冰影響。海冰不僅會(huì)堵塞取水口，減少過流斷面，威脅取水安全；還會(huì)在風(fēng)和潮流作用下撞擊取水構(gòu)筑物，影響取水構(gòu)筑物使用壽命。因此在布置取水口時(shí)，應(yīng)避開海冰移動(dòng)方向，必要時(shí)需設(shè)置攔冰措施，防止海冰進(jìn)入取水構(gòu)筑物，影響取水安全，并且取水口需考慮海冰厚度，預(yù)留足夠深的取水水深，特殊情況下可采用溫排水回流等措施減少海冰影響[1]。

2.7 溫排水

循環(huán)冷卻水溫度提高會(huì)影響機(jī)組的發(fā)電效率，經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取水溫度每增加1 ℃，機(jī)組的發(fā)電效率大概會(huì)降低0.3%。由于核電廠的取排水口通常位于同一片海域，溫排水在潮流作用下會(huì)擴(kuò)散至取水口附近，提高取水溫度。因此在設(shè)計(jì)取水工程時(shí)，應(yīng)盡量增大取水口與排水口之間的距離，同時(shí)取水口門方向應(yīng)避免正對(duì)排水口，防止溫排水直接進(jìn)入取水口。

3 核電廠取水工程實(shí)例

3.1 明渠取水

相比于隧洞取水，明渠具有施工及維護(hù)更方便，造價(jià)更省，施工難度小，并且取水水頭損失小，減少了取水泵房的運(yùn)行費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，因此明渠取水是目前核電廠取水工程中最常用的取水形式。

福清核電廠位于福建省福清市興化灣內(nèi)，工程規(guī)劃建設(shè)6臺(tái)百萬千瓦級(jí)壓水堆核電機(jī)組，其中1號(hào)～4號(hào)機(jī)組為二代改進(jìn)型壓水堆M310，5號(hào)、6號(hào)機(jī)組為ACP1000(即華龍一號(hào))，規(guī)劃6臺(tái)機(jī)組取水量為436 m3/s。

經(jīng)過前期調(diào)研，工程廠址選在三面臨海，水質(zhì)條件好，水體含沙量小的海域。根據(jù)廠址附近的實(shí)測(cè)波浪資料, 廠址海域主要受SW～S向波浪的影響，常浪向?yàn)镾W～S向，強(qiáng)浪向?yàn)镾SW向。

根據(jù)附近海域潮位情況，要滿足低潮位時(shí)核電廠的取水要求，取水口至少應(yīng)放在-8.5 m處。為避免溫排水進(jìn)入取水口，影響取水溫度，應(yīng)把排水口設(shè)置在取水口下游，同時(shí)考慮常浪向，把取水口門設(shè)置在W方向也是比較合理的，可以減少波浪對(duì)取水的影響。由于廠址地位于南方，設(shè)計(jì)取水工程時(shí)不考慮海冰影響，同時(shí)所處海域水質(zhì)較好，含沙量小，也可不考慮泥沙影響(見圖1)。

3.2 隧洞取水

取水隧洞施工難度大、成本高、工期長(zhǎng)、檢修困難，在大部分情況下并不會(huì)優(yōu)先考慮采用隧洞取水。但某些核電廠水深條件較差，漫灘較長(zhǎng)，水中含沙量大，若采用明渠取水，明渠設(shè)置較長(zhǎng)，用海面積大，且明渠運(yùn)行時(shí)容易淤積，此時(shí)可考慮采用隧洞取水；或是取水量較小，取水管較短時(shí)，設(shè)置明渠取水反而不經(jīng)濟(jì)，也可采用隧洞取水[2]。

秦山核電廠廠址在杭州灣海域，位于澉浦和乍浦水文站之間，杭州灣內(nèi)的海水水質(zhì)受長(zhǎng)江、曹娥江、錢塘江和甬江徑流影響較大，取水地段平均含沙量2.5 kg/m3，最大含沙量為6 kg/m3～8 kg/m3。

秦山核電廠一期工程是我國第1座壓水堆核電廠，于1994年正式投產(chǎn)，裝機(jī)容量300 MW，一期工程采用明渠取水，取水水量為22.07 m3/s，其中循環(huán)冷卻水21.6 m3/s，安全廠用水0.47 m3/s。在投產(chǎn)運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)取水口處大量淤積，嚴(yán)重影響取水，低潮位時(shí)甚至取不到水。后對(duì)取水工程進(jìn)行改造，將取水口前移，取水明渠延長(zhǎng)約70 m，才保證了取水順利運(yùn)行。

在建設(shè)三期工程時(shí)，便采用了隧洞取水的形式(見圖2)，秦山核電廠三期工程為重水堆核電廠，容量為2×720 MW，取水水量為81.28 m3/s，其中循環(huán)冷卻水72.28 m3/s，安全廠用水9 m3/s。每臺(tái)機(jī)組設(shè)2個(gè)取水頭和2根取水隧洞，單根隧洞尺寸為3.3 m×3.3 m，長(zhǎng)度為42 m～70 m。

3.3 明渠+隧洞取水

在某些漫灘太長(zhǎng)、水深較淺情況下，單純的采用取水明渠占海面積過大，只采用取水隧洞投資太大，可以考慮明渠+隧洞的形式進(jìn)行取水，設(shè)置明渠在海里導(dǎo)流引水，設(shè)置隧洞連通明渠與取水泵房。

田灣核電廠位于江蘇省連云港市連云區(qū)高公島鄉(xiāng)柳河村。廠址海域?yàn)橛倌噘|(zhì)沙灘，整體處于沖淤平衡而局部略有沖刷趨勢(shì)。

田灣核電廠一期工程為壓水堆核電機(jī)組，容量為2×1 000 MW，取水水量為102 m3/s(見圖3)。由于廠址處漫灘長(zhǎng)，水深淺，采用全明渠取水，渠內(nèi)需要挖長(zhǎng)挖深，用海面積大且運(yùn)行時(shí)容易淤積，因此在取水設(shè)計(jì)時(shí)考慮前端采用明渠引流，明渠長(zhǎng)約1 km，后端采用隧洞連接明渠與取水泵房，將水順利引至泵房。

4 當(dāng)前形勢(shì)與發(fā)展趨勢(shì)

隨著越來越多的核電廠建成運(yùn)行，暴露了很多以往設(shè)計(jì)時(shí)考慮不周的地方，并且隨著理想的核電廠址越來越少，以后的核電設(shè)計(jì)會(huì)面對(duì)越來越多的難題，同時(shí)各類政策的不斷出臺(tái)，也對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì)產(chǎn)生影響。

4.1 海生物入侵

海生物入侵明渠會(huì)導(dǎo)致取水濾網(wǎng)負(fù)荷增大，取水量下降，我國發(fā)生過多起海生物入侵取水明渠，導(dǎo)致核電廠降低負(fù)荷甚至停機(jī)的案例；而對(duì)于取水隧洞，海生物在隧洞內(nèi)壁附著生長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致洞徑減小，粗糙系數(shù)增大，從而增加了取水泵的揚(yáng)程和功率，因此如何減輕或避免海生物入侵是保證取水安全的關(guān)鍵。在早期的核電取水工程中，對(duì)海生物的影響認(rèn)識(shí)不足，缺乏應(yīng)對(duì)措施和處理方案，出現(xiàn)問題以后不得不對(duì)取水工程進(jìn)行改造。目前的取水工程設(shè)計(jì)，通常在取水明渠中加設(shè)攔污網(wǎng)進(jìn)行攔截，以及在取水隧洞中加藥等方式來防止海生物[3]。

4.2 廠址條件差

隨著核電廠數(shù)量越來越多，優(yōu)良的廠址條件越來越少，現(xiàn)在核電廠選址逐漸向陸域靠近，漫灘緩、水深淺、波浪高、泥沙多等問題越來越多的出現(xiàn)在取水工程中，導(dǎo)致取水工程不得不做長(zhǎng)、做大，工程投資與施工工期也隨之增加。

4.3 海洋生態(tài)與法律法規(guī)

《國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)濱海濕地保護(hù)嚴(yán)格管控圍填海的通知》(國發(fā)[2018]24號(hào)文)明確規(guī)定：完善圍填海總量管控，取消圍填海地方年度計(jì)劃指標(biāo)，除國家重大戰(zhàn)略項(xiàng)目外，全面停止新增圍填海項(xiàng)目審批。目前濱海核電廠都有不同程度的填海圍海，尤其是取水明渠，一般需要占用不小的海洋面積。隨著用海政策的收緊，用海面積有限，采用明渠取水受到了很大限制。

4.4 電價(jià)與成本控制

《關(guān)于完善核電上網(wǎng)電價(jià)機(jī)制有關(guān)問題的通知》(國發(fā)[2013]1130號(hào)文)中規(guī)定：對(duì)于2013年1月1日后投產(chǎn)的核電機(jī)組，核定全國核電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)為0.43元/(kW·h)。隨著電價(jià)的統(tǒng)一，加上目前核電技術(shù)的成熟，發(fā)電成本基本固定，如何減少建設(shè)投資成為了核電企業(yè)控制造價(jià)的關(guān)鍵問題，而動(dòng)輒投資數(shù)億的取水工程也成為了控制造價(jià)的重要一環(huán)。

在當(dāng)前的外部形勢(shì)下，如何在保證取水安全、符合國家政策的前提下，盡量減少工程規(guī)模和投資成為了取水工程的關(guān)鍵所在。

4.5 發(fā)展趨勢(shì)

由于我國海岸線長(zhǎng)，各地氣候及海域條件有所差異，海生物種類、生長(zhǎng)周期和爆發(fā)規(guī)律也各不相同，因此在取水工程設(shè)計(jì)中需要針對(duì)各地不同的情況做出具體的對(duì)策。在以后的取水工程中，應(yīng)該形成預(yù)測(cè)-監(jiān)測(cè)-預(yù)警-響應(yīng)的海生物防治體系，首先要提前預(yù)測(cè)可能爆發(fā)的海生物威脅，并做好應(yīng)對(duì)預(yù)案，同時(shí)采用雷達(dá)、超聲波等手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在爆發(fā)海生物威脅時(shí)提前預(yù)警，運(yùn)維單位根據(jù)預(yù)案做出響應(yīng)。

目前核電廠的冷卻系統(tǒng)基本都采用直流系統(tǒng)，需水量大，導(dǎo)致取水工程規(guī)模大、投資高。為減少取水工程投資，應(yīng)考慮采用二次循環(huán)系統(tǒng)，減小需水量，從而降低取水工程規(guī)模與投資。

隨著優(yōu)良的廠址越來越少，導(dǎo)致取水工程長(zhǎng)度越來越長(zhǎng)，為減少取水工程投資，應(yīng)考慮采用明渠+隧洞或近岸港池的形式進(jìn)行取水，從而降低取水工程投資。

5 結(jié)語

目前核電技術(shù)越來越成熟，未來會(huì)建設(shè)更多的核電廠，取水工程朝著集中布置、二次循環(huán)、管渠結(jié)合等方向發(fā)展，需要更好地平衡取水安全、海洋生態(tài)、防淤防堵、節(jié)省投資等關(guān)系，為核電廠做好服務(wù)工作。