核電站海生物攔截體系的探索與實踐

周存露

摘要：自2014年以來，國內核電站多次遭受海月水母、沙蜇、孔石莼等海生物爆發入侵引發機組瞬態、降負荷、停機停堆事件，給核電站的安全、穩定運行帶來巨大威脅和挑戰。面對該問題，紅沿河核電站在現有取水口海工結構基礎上，通過對取水口周邊海域致災海生物進行調查、分析，識別出致災風險高的海生物，并對周邊海域海流特點進行調查分析，逐步建立起以5道攔截網為主體，包括攔污網布設、清理維護和狀態監測的海生物攔截體系，實現了取水口海生物攔截從無到有、從簡單到體系化運作，通過工程實踐應用取得了良好的效果，有效地降低了海生物大規模入侵對冷源帶來的風險，提高了核電站冷源安全的可靠性，給行業提供了有價值的參考。

關鍵詞：核電廠;冷源;海生物;攔截體系;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，國內核電站多次遭受海月水母、沙蜇、孔石莼等海生物爆發入侵引發停機停堆事件，嚴重影響了機組的安全、穩定運行，同時冷源作為核電站的最終熱阱，也對核安全帶來了嚴峻挑戰。

為了減少海生物進入取水口，保障冷源取水的安全，在取水口對進入海生物采用物理攔截是有效可行的措施。紅沿河核電站在原有取水口海工結構基礎上，開展了取水口周邊海域致災海生物和海域海流特點的研究、分析，對構建取水口海生物攔截清污技術進行不斷的探索和實踐，以建立一套完善、適合紅沿河廠址特征的冷源海生物攔截體系，保障核電廠冷源安全。

1? 冷源取水海工布置及周邊海域特征

1.1 冷源取水海工構筑物布置

紅沿河核電站位于渤海遼東灣東海岸，廠址三面環海，取水口位于廠區西北側，規劃建設6臺CPR1000壓水堆核電機組，其中一期4臺機組，二期2臺機組。電站的重要廠用水和循環冷卻水均采用海水作為水源，通過取水構筑物（CA）取水，海水流經取水隧洞（CB）后進入聯合泵房前池，每條隧洞對應一臺機組，單臺機組設計取水量為50.1m3/s。

一期取水口構筑物由導流堤、取水港池、取水口建筑物等組成。取水口導流堤總長度305m，西南向開口，對取水結構形成半包圍的形式，是為取水口防沙、攔冰、擋浪的永久性建筑物，為允許越浪的非核安全物項。受導流堤長度限制，整個取水港池進深較短，受西南、西北常見風向影響較大，港池內回波效應明顯。紅沿河核電站一期取水口平面布置圖詳見圖1。

取水口建筑物采取隧洞水下取水，取水隧洞閘門口頂標高-5.7m，隧洞內徑5.5m，總長度約1000m，北高南低，隧洞入口位于電站北端，排水口位于電站南端，隧洞中間無海生物打撈、干預位置。紅沿河核電站一期取水結構剖面圖詳見圖2。

1.2 取水口周邊海域海流特點

紅沿河核電站位于渤海遼東灣的東海岸，海岸線大致呈SN走向，廠址的西岸面臨開闊的海域，北岸和南岸亦被淺水灣所包圍，形成三面環海一面向陸的海洋環境，故受SSW～NNE等多個方向波浪的影響。根據溫駝子海洋站統計結果表明，電站區域波浪狀況為：風浪為主，N～NNE向波浪較大，頻率較高，主浪向是NNE，次浪向是WSW，強浪向是NNE，實測H1/10最大波高為4.3m。

為確定取水口口門及港池內部主要時段海流流向，紅沿河核電與國家海洋監測中心開展了相關海域高潮、落急、低潮、漲急四個時段海流監測，相關情況詳見圖3～圖6。

根據紅沿河取水口周邊海域的高潮、落急、低潮、漲急主要時段海流監測，總結分析海域海流主要流向特征，為攔截體系的布置方式、結構、形狀等提供了依據，根據海流特征攔截體系既要有效阻截隨潮流游動的海生物，減少進入取水口海生物數量，同時還要利用漲落潮的海洋動力特征完成攔污網上海生物的“自清理”，降低清理維護工作量。

2? 紅沿河核電站取水周邊海域致災海生物的識別和主要特征

2.1 致災海生物風險識別

為了對進入取水口的海生物和雜物進行有效攔截，首先要了解和掌握取水口周邊海域海生物的種類、爆發規律及機理，從2015年開始，紅沿河核電站便與國家海洋環境監測中心開始了電站周邊海域的海生物監測、普查工作，通過對周邊海域海洋生物、海域海區養殖及生產狀況調查，得出紅沿河核電站周邊海生物風險分級情況（詳見表1），通過表1可以看出，風險等級最高的致災海生物為浮游動植物，其次是底棲生物和附著生物，需重點防范，紅沿河核電站周邊海域水質較好，泥沙問題并不突出。

此外通過對致災海洋生物的生長特性和爆發周期的研究，結合紅沿河核電站冷源安全的防控要求和實踐經驗，通過不斷總結分析編制了紅沿河電廠周邊海生物風險日歷表（詳見表2），從風險日歷表可知紅沿河冷源主要風險為各種藻類和大型水母，藻類主要為棕囊藻、滸苔、孔石莼等，爆發期集中在5月到9月份，水母主要是海月水母、海蜇和球形側腕水母等，爆發期集中在5月到8月份，通過風險日歷表清楚表明不同季節月份海生物的風險種類及的風險等級，核電站取水口海生物攔截體系根據海生物爆發風險種類和時間特征，提前部署和分類調整應對。

2.2 主要致災海生物特征

根據紅沿河核電站周邊海域海生物調查及運營經驗，在紅沿河周邊海域的致災海生物主要由海月水母、沙蟄、孔石莼等，這幾種海生物旺發期資源量巨大，曾多次涌入取水結構，是冷源攔截體系的防護重點，其爆發時間、生物特征和攔截難點如表3。

針對致災海生物的旺發時間和生物特性，為防御策略制定提供了有效指導，為制定科學的攔截體系提供了有效的依據。在冷源攔截體系中采用重點防御和分類施策的策略，例如在孔石莼每年的第一次集中脫落期前完成攔截網的布設，在海月水母和沙蟄爆發期時，使用沙蟄網代替海藻網在取水口周邊海域進行捕撈等。

3? 紅沿河核電站海生物攔截體系實踐

3.1 紅沿河核電站取水口海生物攔污網布置

紅沿河核電站結合取水口海工結構和海流特點、周邊海域致災海生物特征及冷源安全防控的要求，在運營實踐基礎上，通過不斷總結改進，逐步建立了取水口周邊外海監測、取水口港池內攔截的綜合體系。在取水口周邊外圍海域設置投放非固定式的監測網，由外海船只定時放置和清理，起到一定攔截和取樣監測作用。在取水港池內設置5道攔截網，平面網與網兜型攔截網結合使用。攔截網的整體布置引入了“梯級攔截”的設計理念，即外圍的攔截網孔徑較大，內側網體孔徑較小，由外至內孔徑分別為40mm、20mm（網兜）、20mm（網兜）、20mm、20mm。如此設置是根據長期經驗總結，考慮對不同大小常見海生物均起到攔截作用。尺寸較大的沙蟄、成體海月水母等體型較大的海生物大部分在外圍網5（40mm孔徑）的位置得到攔截，海月水母碎片、孔石莼和三叉仙菜等尺寸較小的海生物在網4、網3（20mm孔徑）網兜處得到攔截，網2、網1（20mm孔徑）作為安全網在取水港池最內部備用。紅沿河核電站取水口外圍及港池攔污網設計和布置圖詳見表4和圖7。

紅沿河核電取水口攔截體系中平面網主要為網5和安全網（網1、網2），網5的位置水深較深，攔截大量的海生物后，網體受潮汐力影響較大，必須采取可靠方式進行固定。網5網體采用乙綸機織單絲網片，主繩為鋼絲繩和丙綸尼龍繩，網體框架靠鐵質浮筒與混凝土錨墩固定，單個錨墩重量160t，網體從海面至海底通長設置。網5共計14段，總長度約580m，呈半圓形將取水口整體環抱（圖8）。

網5作為攔截體系的第一道防線，對攔截體型較大的海生物至關重要，根據近三年的攔截統計數據，網5對體型較大海生物的攔截量占攔截體系總量的40%左右，圖9為2017年6月～10月各道攔截網攔截量的分布情況。

同時紅沿河核電站根據現場的使用情況自主設計了改進型網兜，主要布置在網3和網4中。網3使用20mm孔徑聚乙烯網兜，近岸端布置耐磨性能優良的不銹鋼絲網，網4南側兩段使用20mm孔徑聚乙烯網兜，中間兩段使用20mm孔徑聚乙烯平面網，近岸端布置不銹鋼絲網。網3各跨網兜和不銹鋼絲網通過兩個沉箱和兩側導流堤連接，網4各跨網兜和不銹鋼絲網通過四個沉箱和兩側導流堤連接。

為有效應對毛蝦等微小海生物爆發入侵，在微小海生物旺發期改進型網兜調整為三層攔網結構，第一、二層作為攔網的主要支撐骨架，網目為粗目網，攔截體積較大的海洋生物;第三層為細目網，攔截微小海生物。同時采用無結、單絲、六邊形網目新型結構設計，該結構形式避免多絲網海生物附著，有效提高海藻入網攔截，方便清理，增加透水率。應對微小海生物的網體結構詳見圖10。

改進型網兜網兜由引導網兜和尾部收集網兜組成，尾部收集網兜可快速拆卸，能夠在20min左右完成一個網兜的清理，清理效率較平面網提高2倍以上。采用改進型網兜更有利于攔截物的導流收集，不易在網體側面堆積，減少水下清理工作量、降低潛水作業安全風險。同時半潛式網型為海面船只作業創造作業空間、減少網頂陽光照射，不利于海草海菜在網體節點處附著生長，降低網孔堵塞率。（圖11）

在風浪作用下，網體端部與兩側導流堤扭王字塊接觸的位置極易發生磨損，為解決這一問題，紅沿河核電站在各道網體端部使用了不銹鋼材質的攔截網，該材質柔韌性、耐磨性能較好，提升了攔截體系在連續惡劣天氣時的可靠性。

3.2 攔污網清理方式

網5的攔截量雖然占到攔截體系的40%，但是由于網5處于攔截體系最外側，受漲落潮海流影響較大，通過長期的觀察發現附著于網5的沙蟄、海月水母可以在漲落潮時隨著海流的方向變化脫離網體，即網5具備一定的“自清洗”功能，同時因為網5所處位置水深較深、流速較快，潛水清理存在較大的安全風險，故日常不對網5進行人工清理，在堵塞率較大或有破損時再進行清理、更換。

網3、網4使用了改進型網兜，改進型網兜的攔截、收集能力較好，是攔截體系的主力網具，大部分的海生物可以在網兜處得到有效攔截，進入網兜后的海生物在水流作用下被疏導進網體尾部，實現在水面船只搜集攔截物，提升了網兜的清理效率。為了進一步提升攔截物的清理效率，紅沿河核電目前正在開展水下抽吸設備的研究，在網兜尾部設置自動抽吸裝置，有望實現網兜清理的自動化。

網1、網2的網體形式為平面網，作為攔截體系最后的屏障，平面網必須確保在惡劣天氣來臨前清理干凈，消除鉤掛在網結處的海草、水母碎片，防止平面網上的雜物在惡劣天氣時（無法開展海面作業進行干預）集中脫落對機組產生沖擊。

目前采用的清理方式為潛水員水下手持高壓水槍沖洗，在有計劃的清理過程中，脫落雜物緩慢進入機組，對機組正常運行無影響。網1、網2總長度144m，水深8m，清理工作量大，清理效率不高。在惡劣天氣來臨前，如果不能確保清理效果，將通過整體更換的方式消除海生物附著。通過長期的演練和工藝優化，目前網1、網2的單網更換可以在4h內完成，實現一天內完成安全網的“空網”。

3.3 攔污網的狀態監測

在攔截大量海生物或極端惡劣天氣下，攔污網主繩斷裂將會導致海生物集中涌入機組，或者網體堵塞取水隧洞，直接影響機組安全運行，因此實時掌握攔污網主繩的受力狀態至關重要。

在此背景下，紅沿河核電站開發了攔污網主繩拉力監測系統、攔污網圖像識別監測報警系統。其中拉力監測系統由拉力傳感器、數據發射裝置、供電系統、數據接收和處理系統組成。實時搜集處理攔污網主繩拉力數值，當主繩拉力值達到預設的警戒值或數值波動超出正常范圍時，自動觸發報警;攔污網圖像識別監測系統可以實時監測攔污網形態，當形態超出正常預設范圍時，觸發報警。根據實測結果顯示，攔污網狀態監測系統數值雖然受潮汐、風浪影響存在一定的偏差，但是對掌握攔污網受力趨勢的變化整體有效，為提前響應和應急處置提供了積極參考。

3.4 海生物攔截體系成效

隨著紅沿河核電站取水口攔截體系的建立和不斷完善，取水口海生物的攔截能力、清理效率逐步提高。近兩年有效應對水母、滸苔等海生物大規模爆發數十次，以及臺風的數次襲擊，尤其是2019年利奇馬的正面襲擊，2018年累計攔截量1872t，單日最大攔截量35.2t，清理量為285t，清理效率為15%;2019年累計攔截量1314t，單日最大攔截量80.5t，清理量為598t，清理效率為45%。近兩年攔截量、清理量對比情況詳見圖12、圖13。

自2017年紅沿河電廠布設完成5道攔截網至今，紅沿河未發生因海生物入侵導致的停機停堆事件，攔截體系起到重要的作用，取得了良好的實效。

4? 總結

紅沿河核電通過不斷的摸索、實踐，實現了取水口海生物攔截從無到有、從簡單到體系化運作，逐步建立起由5道攔截網為主體的海生物攔截體系，通過工程的實踐應用取得了良好的效果，有效地降低了海生物大規模入侵對冷源帶來的風險，提高了核電站冷源安全的可靠性，在核電廠防范海生物入侵和冷源的安全防護上做了有效的探索和實踐，給行業提供了有價值的參考，但是鑒于海洋生態環境和海生物的多樣性和復雜性，以及現有攔截體系在攔污清污的效率仍存在的不足，需要不斷加以完善，持續改進。

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