核电站海生物拦截体系的探索与实践

周存露

摘要：自2014年以来，国内核电站多次遭受海月水母、沙蜇、孔石莼等海生物爆发入侵引发机组瞬态、降负荷、停机停堆事件，给核电站的安全、稳定运行带来巨大威胁和挑战。面对该问题，红沿河核电站在现有取水口海工结构基础上，通过对取水口周边海域致灾海生物进行调查、分析，识别出致灾风险高的海生物，并对周边海域海流特点进行调查分析，逐步建立起以5道拦截网为主体，包括拦污网布设、清理维护和状态监测的海生物拦截体系，实现了取水口海生物拦截从无到有、从简单到体系化运作，通过工程实践应用取得了良好的效果，有效地降低了海生物大规模入侵对冷源带来的风险，提高了核电站冷源安全的可靠性，给行业提供了有价值的参考。

关键词：核电厂;冷源;海生物;拦截体系;核安全

Abstract： Since 2014， the domestic nuclear power plants have suffered from the sea jellyfish， sand jellyfish， ulva perva and other Marine organisms， which caused the unit transient， load reduction， shutdown events， have brought great threats and challenges to the safety and stable operation of the nuclear power plant. To solve the problem， on the basis of the existing intake structure， Hongyanhe nuclear power plant identified the high risk Marine organisms through the investigation and analysis of the Marine organisms around the intake， and investigated the surrounding ocean current characteristics， gradually established a Marine organisms interception system with five intercepting nets as the main body， including the layout， cleaning and maintenance of the intercepting net and status monitoring， realizing the sea inlet Marine organisms interception from scratch， from simple to systematic operation. Good results have been obtained through engineering practice， which has effectively reduced the risk of large-scale invasion of Marine organisms on cold source， improved the reliability of cold source safety of nuclear power plant， and provided valuable reference for the industry.

Key words： nuclear power plant;cold source;Marine organism;interception system;nuclear safety

0  引言

自2014年以來，国内核电站多次遭受海月水母、沙蜇、孔石莼等海生物爆发入侵引发停机停堆事件，严重影响了机组的安全、稳定运行，同时冷源作为核电站的最终热阱，也对核安全带来了严峻挑战。

为了减少海生物进入取水口，保障冷源取水的安全，在取水口对进入海生物采用物理拦截是有效可行的措施。红沿河核电站在原有取水口海工结构基础上，开展了取水口周边海域致灾海生物和海域海流特点的研究、分析，对构建取水口海生物拦截清污技术进行不断的探索和实践，以建立一套完善、适合红沿河厂址特征的冷源海生物拦截体系，保障核电厂冷源安全。

1  冷源取水海工布置及周边海域特征

1.1 冷源取水海工构筑物布置

红沿河核电站位于渤海辽东湾东海岸，厂址三面环海，取水口位于厂区西北侧，规划建设6台CPR1000压水堆核电机组，其中一期4台机组，二期2台机组。电站的重要厂用水和循环冷却水均采用海水作为水源，通过取水构筑物（CA）取水，海水流经取水隧洞（CB）后进入联合泵房前池，每条隧洞对应一台机组，单台机组设计取水量为50.1m3/s。

一期取水口构筑物由导流堤、取水港池、取水口建筑物等组成。取水口导流堤总长度305m，西南向开口，对取水结构形成半包围的形式，是为取水口防沙、拦冰、挡浪的永久性建筑物，为允许越浪的非核安全物项。受导流堤长度限制，整个取水港池进深较短，受西南、西北常见风向影响较大，港池内回波效应明显。红沿河核电站一期取水口平面布置图详见图1。

取水口建筑物采取隧洞水下取水，取水隧洞闸门口顶标高-5.7m，隧洞内径5.5m，总长度约1000m，北高南低，隧洞入口位于电站北端，排水口位于电站南端，隧洞中间无海生物打捞、干预位置。红沿河核电站一期取水结构剖面图详见图2。

1.2 取水口周边海域海流特点

红沿河核电站位于渤海辽东湾的东海岸，海岸线大致呈SN走向，厂址的西岸面临开阔的海域，北岸和南岸亦被浅水湾所包围，形成三面环海一面向陆的海洋环境，故受SSW～NNE等多个方向波浪的影响。根据温驼子海洋站统计结果表明，电站区域波浪状况为：风浪为主，N～NNE向波浪较大，频率较高，主浪向是NNE，次浪向是WSW，强浪向是NNE，实测H1/10最大波高为4.3m。

为确定取水口口门及港池内部主要时段海流流向，红沿河核电与国家海洋监测中心开展了相关海域高潮、落急、低潮、涨急四个时段海流监测，相关情况详见图3～图6。

根据红沿河取水口周边海域的高潮、落急、低潮、涨急主要时段海流监测，总结分析海域海流主要流向特征，为拦截体系的布置方式、结构、形状等提供了依据，根据海流特征拦截体系既要有效阻截随潮流游动的海生物，减少进入取水口海生物数量，同时还要利用涨落潮的海洋动力特征完成拦污网上海生物的“自清理”，降低清理维护工作量。

2  红沿河核电站取水周边海域致灾海生物的识别和主要特征

2.1 致灾海生物风险识别

为了对进入取水口的海生物和杂物进行有效拦截，首先要了解和掌握取水口周边海域海生物的种类、爆发规律及机理，从2015年开始，红沿河核电站便与国家海洋环境监测中心开始了电站周边海域的海生物监测、普查工作，通过对周边海域海洋生物、海域海区养殖及生产状况调查，得出红沿河核电站周边海生物风险分级情况（详见表1），通过表1可以看出，风险等级最高的致灾海生物为浮游动植物，其次是底栖生物和附着生物，需重点防范，红沿河核电站周边海域水质较好，泥沙问题并不突出。

此外通过对致灾海洋生物的生长特性和爆发周期的研究，结合红沿河核电站冷源安全的防控要求和实践经验，通过不断总结分析编制了红沿河电厂周边海生物风险日历表（详见表2），从风险日历表可知红沿河冷源主要风险为各种藻类和大型水母，藻类主要为棕囊藻、浒苔、孔石莼等，爆发期集中在5月到9月份，水母主要是海月水母、海蜇和球形侧腕水母等，爆发期集中在5月到8月份，通过风险日历表清楚表明不同季节月份海生物的风险种类及的风险等级，核电站取水口海生物拦截体系根据海生物爆发风险种类和时间特征，提前部署和分类调整应对。

2.2 主要致灾海生物特征

根据红沿河核电站周边海域海生物调查及运营经验，在红沿河周边海域的致灾海生物主要由海月水母、沙蛰、孔石莼等，这几种海生物旺发期资源量巨大，曾多次涌入取水结构，是冷源拦截体系的防护重点，其爆发时间、生物特征和拦截难点如表3。

针对致灾海生物的旺发时间和生物特性，为防御策略制定提供了有效指导，为制定科学的拦截体系提供了有效的依据。在冷源拦截体系中采用重点防御和分类施策的策略，例如在孔石莼每年的第一次集中脱落期前完成拦截网的布设，在海月水母和沙蛰爆发期时，使用沙蛰网代替海藻网在取水口周边海域进行捕捞等。

3  红沿河核电站海生物拦截体系实践

3.1 红沿河核电站取水口海生物拦污网布置

红沿河核电站结合取水口海工结构和海流特点、周边海域致灾海生物特征及冷源安全防控的要求，在运营实践基础上，通过不断总结改进，逐步建立了取水口周边外海监测、取水口港池内拦截的综合体系。在取水口周边外围海域设置投放非固定式的监测网，由外海船只定时放置和清理，起到一定拦截和取样监测作用。在取水港池内设置5道拦截网，平面网与网兜型拦截网结合使用。拦截网的整体布置引入了“梯级拦截”的设计理念，即外围的拦截网孔径较大，内侧网体孔径较小，由外至内孔径分别为40mm、20mm（网兜）、20mm（网兜）、20mm、20mm。如此设置是根据长期经验总结，考虑对不同大小常见海生物均起到拦截作用。尺寸较大的沙蛰、成体海月水母等体型较大的海生物大部分在外围网5（40mm孔径）的位置得到拦截，海月水母碎片、孔石莼和三叉仙菜等尺寸较小的海生物在网4、网3（20mm孔径）网兜处得到拦截，网2、网1（20mm孔径）作为安全网在取水港池最内部备用。红沿河核电站取水口外围及港池拦污网设计和布置图详见表4和图7。

紅沿河核电取水口拦截体系中平面网主要为网5和安全网（网1、网2），网5的位置水深较深，拦截大量的海生物后，网体受潮汐力影响较大，必须采取可靠方式进行固定。网5网体采用乙纶机织单丝网片，主绳为钢丝绳和丙纶尼龙绳，网体框架靠铁质浮筒与混凝土锚墩固定，单个锚墩重量160t，网体从海面至海底通长设置。网5共计14段，总长度约580m，呈半圆形将取水口整体环抱（图8）。

网5作为拦截体系的第一道防线，对拦截体型较大的海生物至关重要，根据近三年的拦截统计数据，网5对体型较大海生物的拦截量占拦截体系总量的40%左右，图9为2017年6月～10月各道拦截网拦截量的分布情况。

同时红沿河核电站根据现场的使用情况自主设计了改进型网兜，主要布置在网3和网4中。网3使用20mm孔径聚乙烯网兜，近岸端布置耐磨性能优良的不锈钢丝网，网4南侧两段使用20mm孔径聚乙烯网兜，中间两段使用20mm孔径聚乙烯平面网，近岸端布置不锈钢丝网。网3各跨网兜和不锈钢丝网通过两个沉箱和两侧导流堤连接，网4各跨网兜和不锈钢丝网通过四个沉箱和两侧导流堤连接。

为有效应对毛虾等微小海生物爆发入侵，在微小海生物旺发期改进型网兜调整为三层拦网结构，第一、二层作为拦网的主要支撑骨架，网目为粗目网，拦截体积较大的海洋生物;第三层为细目网，拦截微小海生物。同时采用无结、单丝、六边形网目新型结构设计，该结构形式避免多丝网海生物附着，有效提高海藻入网拦截，方便清理，增加透水率。应对微小海生物的网体结构详见图10。

改进型网兜网兜由引导网兜和尾部收集网兜组成，尾部收集网兜可快速拆卸，能够在20min左右完成一个网兜的清理，清理效率较平面网提高2倍以上。采用改进型网兜更有利于拦截物的导流收集，不易在网体侧面堆积，减少水下清理工作量、降低潜水作业安全风险。同时半潜式网型为海面船只作业创造作业空间、减少网顶阳光照射，不利于海草海菜在网体节点处附着生长，降低网孔堵塞率。（图11）

在风浪作用下，网体端部与两侧导流堤扭王字块接触的位置极易发生磨损，为解决这一问题，红沿河核电站在各道网体端部使用了不锈钢材质的拦截网，该材质柔韧性、耐磨性能较好，提升了拦截体系在连续恶劣天气时的可靠性。

3.2 拦污网清理方式

网5的拦截量虽然占到拦截体系的40%，但是由于网5处于拦截体系最外侧，受涨落潮海流影响较大，通过长期的观察发现附着于网5的沙蛰、海月水母可以在涨落潮时随着海流的方向变化脱离网体，即网5具备一定的“自清洗”功能，同时因为网5所处位置水深较深、流速较快，潜水清理存在较大的安全风险，故日常不对网5进行人工清理，在堵塞率较大或有破损时再进行清理、更换。

网3、网4使用了改进型网兜，改进型网兜的拦截、收集能力较好，是拦截体系的主力网具，大部分的海生物可以在网兜处得到有效拦截，进入网兜后的海生物在水流作用下被疏导进网体尾部，实现在水面船只搜集拦截物，提升了网兜的清理效率。为了进一步提升拦截物的清理效率，红沿河核电目前正在开展水下抽吸设备的研究，在网兜尾部设置自动抽吸装置，有望实现网兜清理的自动化。

网1、网2的网体形式为平面网，作为拦截体系最后的屏障，平面网必须确保在恶劣天气来临前清理干净，消除钩挂在网结处的海草、水母碎片，防止平面网上的杂物在恶劣天气时（无法开展海面作业进行干预）集中脱落对机组产生冲击。

目前采用的清理方式为潜水员水下手持高压水枪冲洗，在有计划的清理过程中，脱落杂物缓慢进入机组，对机组正常运行无影响。网1、网2总长度144m，水深8m，清理工作量大，清理效率不高。在恶劣天气来临前，如果不能确保清理效果，将通过整体更换的方式消除海生物附着。通过长期的演练和工艺优化，目前网1、网2的单网更换可以在4h内完成，实现一天内完成安全网的“空网”。

3.3 拦污网的状态监测

在拦截大量海生物或极端恶劣天气下，拦污网主绳断裂将会导致海生物集中涌入机组，或者网体堵塞取水隧洞，直接影响机组安全运行，因此实时掌握拦污网主绳的受力状态至关重要。

在此背景下，红沿河核电站开发了拦污网主绳拉力监测系统、拦污网图像识别监测报警系统。其中拉力监测系统由拉力传感器、数据发射装置、供电系统、数据接收和处理系统组成。实时搜集处理拦污网主绳拉力数值，当主绳拉力值达到预设的警戒值或数值波动超出正常范围时，自动触发报警;拦污网图像识别监测系统可以實时监测拦污网形态，当形态超出正常预设范围时，触发报警。根据实测结果显示，拦污网状态监测系统数值虽然受潮汐、风浪影响存在一定的偏差，但是对掌握拦污网受力趋势的变化整体有效，为提前响应和应急处置提供了积极参考。

3.4 海生物拦截体系成效

随着红沿河核电站取水口拦截体系的建立和不断完善，取水口海生物的拦截能力、清理效率逐步提高。近两年有效应对水母、浒苔等海生物大规模爆发数十次，以及台风的数次袭击，尤其是2019年利奇马的正面袭击，2018年累计拦截量1872t，单日最大拦截量35.2t，清理量为285t，清理效率为15%;2019年累计拦截量1314t，单日最大拦截量80.5t，清理量为598t，清理效率为45%。近两年拦截量、清理量对比情况详见图12、图13。

自2017年红沿河电厂布设完成5道拦截网至今，红沿河未发生因海生物入侵导致的停机停堆事件，拦截体系起到重要的作用，取得了良好的实效。

4  总结

红沿河核电通过不断的摸索、实践，实现了取水口海生物拦截从无到有、从简单到体系化运作，逐步建立起由5道拦截网为主体的海生物拦截体系，通过工程的实践应用取得了良好的效果，有效地降低了海生物大规模入侵对冷源带来的风险，提高了核电站冷源安全的可靠性，在核电厂防范海生物入侵和冷源的安全防护上做了有效的探索和实践，给行业提供了有价值的参考，但是鉴于海洋生态环境和海生物的多样性和复杂性，以及现有拦截体系在拦污清污的效率仍存在的不足，需要不断加以完善，持续改进。

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