滨海核电厂取水泵房前池水位波动控制标准的探讨

侯树强，王彦龙，刘诗华

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

滨海核电厂取水泵房前池水位波动控制标准的探讨

侯树强，王彦龙，刘诗华

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

主要论述泵房前池水位波动控制标准的提出、相关规范要求以及水位波动模拟和测定方法，结合具体的工程实例对泵房前池水位波动控制标准以及长周期水位波动影响进行初步探讨。针对采用取水明渠+岸边式泵房取水的滨海核电厂取水泵房前池水位波动控制问题，对极端气象条件下 （如 100 a 一遇高潮位+50 a 一遇波浪） 的短周期水位波动控制标准宜进一步放宽控制标准，对设计基准洪水位+台风浪作用下由于长周期波引起的泵房内水位波动情况需予以考虑，避免由于长周期波动对泵房内相关操作平台和电气设备，以及对厂址防洪可能构成的威胁。

滨海核电厂；水位波动控制标准；整体物理模型

0 引言

目前，国内已建和在建的滨海核电厂大多采用的是取水明渠+岸边式泵房的取水方式，其中取水明渠防波堤（或导流堤）承担着对泵房形成掩护、确保泵房不受波浪威胁的功能，泵房前池水位波动控制要求是取水明渠口门朝向、取水明渠防波堤（或导流堤）平面布置及高程设置的重要依据之一[1]。

1 水位波动控制标准的提出

关于核电厂取水工程中泵房前池水位波动控制标准，最早是在引进法国技术的大亚湾核电站联合泵房设计时提出的，联合泵房承担着为常规岛发电机组提供冷却水供应、为核岛设备提供冷却水供应及为核岛、常规岛提供消防水的三大重要功能。某核电厂取水泵房布置如图1所示，海水由取水明渠经过粗格栅、细格栅、旋转滤网后至循环水泵进水口。旋转滤网网板孔眼直径仅为φ3 mm，迎水侧由于海生物或其它杂物堆积可能导致旋转滤网网板孔眼堵塞，滤网前后出现水位差，对旋转滤网的稳定性构成影响，因此在旋转滤网前后分别设置水位计监测其水位，当水位差达到 30 cm 时，报警信号传导至主控室， 旋转滤网自动切换到高速运转模式，以提高清除杂物的能力；当水位差达到 80 cm 时，相应的循环水泵自动停运。

图1 取水泵房布置高程图Fig.1 Elevation of pump station layout

由于波浪引起的短周期水位波动传播至旋转滤网处时，有可能导致旋转滤网前后出现水位差（即波峰和波谷之间高差），当该水位差达到 30 cm时，可能会导致旋转滤网自动切换到高速运转模式，更大的水位差甚至可能导致循环水泵停运。但是，这种短周期水位波动属瞬时影响，其可能造成的旋转滤网前后水位差不会对旋转滤网的稳定性构成影响，也不会导致旋转滤网网板孔眼堵塞。另外，循环水泵的扬程一般可以达到 14~20 m，极端天气条件下由波浪引起的较小量级的短期水位波动不会对水泵构成难以接受的威胁，因此由于短周期波浪作用引起的旋转滤网前后水位差可视为误报警，其本身不会影响取水安全，但却影响了运行控制，进而影响机组的稳定运行。

2 规范要求

DL/T 5339—2006《火力发电厂水工设计规范》规定：进水前池波浪波动幅度一般不宜超过 0.3 m。在编的 《核电厂水工设计规范》（报批稿）[5]规定：进水前池水位波动幅度：在 100 a 一遇高潮位，50 a 一遇的波浪作用下，泵房前池的有效波高 H13%不宜超过 0.5 m。

相较于 DL/T 5339—2006《火力发电厂水工设计规范》，在编的《核电厂水工设计规范》（报批稿）[5]中 对 水 位 波 动 控 制 标 准 中 的 潮 位 和 波 浪 重现期、波高累积频率均有明确规定，更具有可操作性，并且适当放宽了水位波动控制标准的要求。

需要进一步说明的是，典型涌浪的周期为10~25 s，长周期波指的是 0.5~5 min 的水面波动。鉴于泵房内波动控制其主要关注点在旋转滤网前后压差方面，而长周期波属于水位缓慢抬升/下降的过程，水位涨落周期较长，不会在旋转滤网前后产生水位差，因此上述规范中的规定可理解为仅针对短周期水位波动控制。

3 水位波动的模拟和测定

在实际核电工程中，泵房前池水位波动一般是通过波浪整体物理模型试验进行模拟和测定的。以某滨海核电项目波浪整体物理模型试验为例[4]，取水明渠平面布置及水位波动测点如图2所示，三期工程的3个联合泵房进水口处分别布置水位波动测定探头（即 C1、C2、C3 测点），可以实时输出给定的潮位及波浪条件下水位波动数据。根据JTJ/T 234—2001《 波 浪 模 型 试 验 规 程 》相 关 规 定 ，波浪整体物理模型长度比尺不应大于 150，实际试验中采用 1∶100 左右的几何比尺进行试验，在这种小比尺条件下，无法模拟泵房内流道、格栅、滤网等对短周期波浪传递的衰减作用，无法模拟和测定旋转滤网前后水位波动，因此以泵房外侧C1、C2、C3 测点的水位波动情况视为旋转滤网前后水位波动。

图2 取水明渠及测点布置图Fig.2 Layout of intake channel and measure points

在上述取水明渠布置条件下，根据水位波动情况对取水导流堤进行优化研究，优化的要求是使得各期工程泵房前池内 H13%波高在 100 a 一遇高潮位叠加 50 a 一遇波浪工况下满足小于 0.5 m的条件，从而获得取水明渠南导流堤最短设置要求。根据类似工程经验，短周期波动可通过调整口门朝向来避开强浪向，通过调整防波堤长度来增大或减少短周期波的能量，达到控制短周期水位波动的目的。

采用不规则波开展波浪整体物理模型试验，模型几何比尺为 1 ∶100，模型长 52 m，宽 70 m，深 1.2 m。工程海域包括 E、ESE、SE、SSE 和 S 5 个方向波浪影响，其中 ESE 向波浪对取水明渠内水位波动影响最为显著。优化试验结果表明，在 100 a 一遇高潮位+50 a 一遇波浪共同作用下，当水位波动要求控制在 H13%＜ 0.3 m 时， 在 ESE向波浪作用下取水明渠导流堤可以缩短到优化三缩短位置处（见图 2），H13%最大不超过 0.24 m；当水位波动要求控制在 H13%＜ 0.5 m 时，在 ESE 向波浪作用下取水明渠导流堤能够缩短到优化六缩短位置处，较优化三位置缩短距离为 400 m，H13%最大不超过 0.50 m；当水位波动要求控制在 H13%＜ 0.7 m 时，在 ESE 向波浪作用下取水明渠导流堤能够缩短到优化八缩短位置处，较优化六位置缩短距离为 200 m，H13%最大不超过 0.64 m。本工程最终采用了优化六位置方案作为推荐取水明渠布置方案。

需要进一步说明的是，上述水位波动测定结果仅能代表泵房外侧的波动情况，根据图1中的取水泵房高程布置可知，泵房前池处的海水经水面以下约 10 m（泵房进水口顶标高至 100 a 一遇高潮位）的进水口进入泵房内部后，再经过粗格栅（栅条间距 200 mm）、闸门、细格栅（栅条间距 50 mm）的滤波作用，到旋转滤网处（网板孔眼直径 3 mm）的水位波动必将有所衰减。有研究结果表明[2]，在前 池 输入 波 浪小 于 0.5 m 情 况下 ， 随 着 前池波高的变化，泵房内的流态并不会发生明显变化，其原因为闸门口、暗沟等的消波效果非常好；而当前池内没有波浪作用时，水泵启动之后，泵房内也会产生波高＜0.3 m 的不规则波浪，因此认为泵房内的波浪几乎为流动引起的波浪叠加，而非前池的波浪。通过以上分析，建议选取典型的岸边式取水泵房布置，开展波浪传播物理模型试验，研究泵房外波浪传播至泵房内旋转滤网处的衰减情况。

基于上述分析，对极端气象条件下 （如 100 a一遇高潮位+50 a 一遇波浪） 的水位波动控制宜进一步放宽控制标准，或者通过优化旋转滤网前后水位监测手段消除短周期波动引起的误报警，进而取消极端气象条件下的水位波动控制要求。

4 长周期波动影响问题

在外海波浪作用下，取水明渠内会产生水位的长周期波动，根据某核电站开展的波浪整体物理模型试验研究[3]，在 100 a 一遇高潮位+100 a 一遇波浪共同作用下，波浪经取水港池、内防波堤、明渠口门及长明渠布置条件下，泵房前池处的短周期水面波动最大不超过 0.2 m；泵房前池处长周期波动最大波高为 1.35 m，波动周期为 263 s；泵房内的长周期波动的最大波高为 2.16 m，周期约为 190 s。长周期水位波动量值远大于短周期水位波动。根据研究可知长周期波动可以通过改变口门及明渠尺寸、增大防波堤或护岸的糙率、设置消浪池等消能措施来降低长周期波动的影响，但其难度远大于短周期水位波动的控制。

在设计基准洪水位+台风浪影响工况下长周期水位波动可能会对厂址防洪及取水泵房内相关操作平台及电气设备等构成一定的不利影响，在实际工程设计中，一方面可通过采取工程措施降低长周期水位波动，另一方面可以在水位设计选取时考虑长周期水位波动的因素，将厂址地坪标高及泵房内的重要物项设置在包括长周期水位波动影响的水位之上，确保厂址防洪及取水泵房内相关设施不受水淹威胁。

5 结语

通过上述水位波动控制的初步探讨，总结提出如下结论：

1） 水位波动控制要求源于旋转滤网迎水侧由于海生物或其它杂物堆积的因素引起的旋转滤网前后水位差，与外海波浪引起的短周期水位波动属不同范畴。

2） 对极端气象条件下（如 100 a 一遇高潮位+ 50 a 一遇波浪）的水位波动控制宜进一步放宽控制标准，或者通过优化旋转滤网前后水位监测手段消除短周期波动引起的误报警，进而取消极端气象条件下的水位波动控制要求。

3） 可通过选取典型的岸边式取水泵房布置，开展波浪传播物理模型试验，研究泵房外波浪传播至泵房内旋转滤网处的衰减情况。

4） 设计基准洪水位+台风浪作用下由于长周期波引起的泵房内水位波动情况须予以考虑，避免由于长周期波动带来的水位抬升淹没泵房内相关操作平台及电气设备，以及对厂址防洪可能构成的威胁。

[1] 季则舟，杨永.田湾核电站取水头部总体布置中考虑的几个问题[J].中国港湾建设，2005（2）：17-20. JI Ze-zhou,YANG Yong.Issues considered in general layout of water intake structure for Tianwan Nuclear Power Station[J].China Harbour Engineering,2005(2):17-20.

[2] 刘小波，曾琳，张文江.印尼巴齐丹燃煤电站波浪对泵房流道流态影响的试验研究[J].黑龙江水专学报，2008，35（4）：30-32. LIU Xiao-bo,ZENG Lin,ZHANG Wen-jiang.Experimental study on the influence caused by waves on the flow pattern in the channel of the pump house in Pacitan Thermal Power Plant in Indonesia[J].Journal of Heilongjiang Hydraulic Engineering,2008, 35(4):30-32.

[3] 史力生，潘军宁.滨海核电站取水渠长周期波动现象及其消减[J].水利学报，2009，40（2）：201-207. SHI Li-sheng,PAN Jun-ning.Long period wave occurred to cooling water intake channel of nuclear power stations[J].Journal of Hydraulic Engineering,2009,40(2):201-207.

[4] 潘军宁，琚烈红.辽宁大堡核电厂工程海域波浪整体物理模型试验报告[R].南京：南京水利科学研究院，2011. PAN Jun-ning,JU Lie-hong.Wave physical model test report in sea area of Dabao Nuclear Power Station project in Liaoning[R]. Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2011.

[5] 王伟民，李武全.核电厂水工设计规范（报批稿）[R].长春：中国电力工程顾问集团东北电力设计院，2012. WANG Wei-min,LI Wu-quan.Hydraulic design standards of nuclear power plant:draft standard for approval[R].Changchun: Northeast Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group,2012.

Control standards for water-level fluctuation on pump-station's distributing pool of coastal nuclear power station

HOU Shu-qiang,WANG Yan-long,LIU Shi-hua
（China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100840,China）

Water-level fluctuation control standard on pump-station's distributing pool and influence of water-level fluctuation caused by long-period wave were discussed with a specific case,as well as the topic about water-level fluctuation control standard on pump-station's distributing pool,requirements of related codes and methods of simulation and mensuration for waterlevel fluctuation were discussed.For problems of water-level fluctuation control on pump-station's distributing pool of coastal nuclear power station which adopt intake channel and pump-station on shoreline,control standards of water-level fluctuation caused by short-wave on extreme meteorologic conditions(such as the condition of 100 years recurrence high tide level with 50 years recurrence wave)should be properly extend.Further,the problems should be considered about water-level fluctuation caused by long-period wave in condition of design basic flood stage with storm wave,in order to avoid the threat of long-period fluctuation to operation platform and electric device inside pump station,even the flood protection for site.

coastal nuclear power station;control standards for water-level fluctuation;integral physical model

U652.3；P332.3

：A文献标志码：2095-7874（2014）11-0004-04

10.7640/zggwjs201411002

2014-06-25

2014-07-17

侯树强 （1981 — ），男，河北唐山市人，工程师，船舶与海洋工程专业。E-mail：hsq517@163.com