核電平臺(tái)海水系統(tǒng)防海洋生物污損技術(shù)

劉毅，陳豐2，王洋，李慧子

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064；2.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

近年來(lái)，我國(guó)濱海核電廠陸續(xù)報(bào)告了多起由于海生物堵塞取水系統(tǒng)而引發(fā)的污損事件，相關(guān)異常報(bào)告的數(shù)量呈增多態(tài)勢(shì)[1]。海生物附著在平臺(tái)外板和螺旋槳表面，增加表面粗糙度，導(dǎo)致航速降低、燃料猛增；或污損聲納罩，干擾聲波傳遞，降低靈敏度；或堵塞海水冷卻系統(tǒng)取水口，導(dǎo)致機(jī)組被迫降功率或停堆停機(jī)，甚至?xí)?duì)核電平臺(tái)最終熱阱的可用性構(gòu)成威脅[2]。考慮以某濱海核電廠防海生物措施為例[3]，分析濱海核電廠主要采用的方海生物污損技術(shù)。

1 濱海核電廠防海生物污損措施

1.1 循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)

濱海核電廠設(shè)有循環(huán)水過(guò)濾措施，其功能是過(guò)濾冷卻海水中的雜質(zhì)，保障冷卻設(shè)備正常運(yùn)行。循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)由多條獨(dú)立的進(jìn)口水渠、水閘門、攔污柵、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)組成，見(jiàn)圖1。

從取水渠來(lái)的循環(huán)海水，由粗濾柵擋住大塊的漂浮物體進(jìn)入水閘門。水閘門上裝有帶噴嘴的次氯酸鈉注射管，用于向進(jìn)口循環(huán)水中注射次氯酸鈉殺死海生物。攔污柵的柵格間距為50 mm，能夠過(guò)濾大部分海生物。經(jīng)過(guò)粗濾網(wǎng)過(guò)濾的海水接著進(jìn)入鼓型旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)細(xì)過(guò)濾。海水從濾網(wǎng)外部流過(guò)(3×3)mm篩孔進(jìn)入旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)，流動(dòng)過(guò)程中進(jìn)一步過(guò)濾海生物。

1.2 取水口預(yù)攔截裝置

為降低濾網(wǎng)的過(guò)濾壓力，電廠在取水明渠上增設(shè)氣幕裝置、三道正式攔污網(wǎng)、臨時(shí)海生物攔截設(shè)施進(jìn)行預(yù)攔截，見(jiàn)圖2。

取水口最外側(cè)設(shè)有氣幕裝置[4]，其原理是通過(guò)空壓機(jī)向布置于進(jìn)水明渠入口處海底的管道內(nèi)充入壓縮空氣，壓縮空氣沿設(shè)置于管道上的噴嘴噴出后形成一道由氣泡組成的氣幕墻。

攔截網(wǎng)按網(wǎng)孔大小及結(jié)構(gòu)類型劃分，分為水母攔截網(wǎng)及攔蝦網(wǎng)，見(jiàn)表1[5]。取水口還配備有打撈船，在海生物暴發(fā)時(shí)進(jìn)行打撈作業(yè)。

表1 取水口預(yù)攔截裝置各級(jí)設(shè)施功能

1.3 海生物監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置

典型的海生物監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)由聲納探測(cè)器、紅外攝像儀、水下攝像頭組成；同時(shí)，電廠還可結(jié)合衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)赤潮/溢油等海洋災(zāi)害。

聲納系統(tǒng)采用專業(yè)數(shù)字掃描聲吶作為主探測(cè)器。該聲吶工作頻率范圍130～210 kHz，掃描周期6 s，分辨率高，適合集群水生物探測(cè)。數(shù)字掃描聲吶工作頻率合適，在最高頻率210 kHz 情況下可實(shí)現(xiàn)150 m探測(cè)距離，分辨率可達(dá)到0.1 m。數(shù)字掃描聲吶探測(cè)效果見(jiàn)圖3。

圖1 某濱海核電廠循環(huán)水系統(tǒng)組成

圖2 某濱海核電廠取水口預(yù)攔截措施示意

圖3 數(shù)字掃描聲吶探測(cè)效果

紅外攝像儀由高清白光攝像頭和熱成像儀兩種攝像頭組成(雙槍型結(jié)構(gòu))，監(jiān)控單元的此種組合是基于兼顧高清分辨率和生物探測(cè)的需要。在光線和可見(jiàn)度較好的白天主要由白光攝像頭進(jìn)行監(jiān)控，此時(shí)可充分保證監(jiān)控的精度。在陰天雨天等極端氣候條件和夜晚光線較弱的情況下主要由熱成像儀執(zhí)行監(jiān)控工作。

水下攝像頭用于成像，通過(guò)回傳圖像，對(duì)水下進(jìn)行海生物監(jiān)測(cè)，還可通過(guò)圖像處理，提取出圖像特征。水下攝像頭還配備了水下LED光源，采用PID算法進(jìn)行自適應(yīng)控制，使光源能隨環(huán)境光強(qiáng)變化不斷改變自身的亮度，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于一個(gè)亮度穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)環(huán)境中。

衛(wèi)星遙感是非接觸的、遠(yuǎn)距離的探測(cè)技術(shù)，通過(guò)遙感器獲取物體反射、輻射或散射的電磁波信息(如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁波、地震波等信息)，并進(jìn)行提取、判定、加工、處理、分析，從而實(shí)現(xiàn)赤潮/溢油等監(jiān)測(cè)預(yù)警。遙感監(jiān)測(cè)赤潮是通過(guò)建立實(shí)測(cè)葉綠素的濃度與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的模型，從而達(dá)到通過(guò)衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演葉綠素濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警的目的。

1.4 海生物爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)

海生物暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)管理主要手段如下。

1)調(diào)研電廠附近海生物種類。

2)建立海生物暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)日歷表。

3)結(jié)合生物種類及月歷表制定冷源事件應(yīng)對(duì)措施。見(jiàn)表2。由于海洋環(huán)境變化可能會(huì)造成冷源生物威脅物種和風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段發(fā)生變化，為保證冷源生物風(fēng)險(xiǎn)日歷的適用性，核電廠會(huì)定期升版風(fēng)險(xiǎn)月歷。

表2 某濱海核電廠海生物冷源風(fēng)險(xiǎn)月歷

2 水面艦艇防海生物污損技術(shù)

2.1 防污海水濾器

目前國(guó)內(nèi)外水面艦艇上防污海水濾器形式比較多樣，有利用電機(jī)帶動(dòng)刮片對(duì)濾器進(jìn)行清污，再利用排污管道排出船外的濾器；也有利用高壓海水對(duì)濾器的濾網(wǎng)進(jìn)行反沖洗進(jìn)行排污的海水濾器。一種典型的防污海水濾器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 防污海水濾器結(jié)構(gòu)示意

2.2 電解海水防污技術(shù)

電解海水防污技術(shù)的實(shí)質(zhì)是，以海水作為電解質(zhì)，利用電解池，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，制備一些能夠抑制、或者滅活海洋生物生長(zhǎng)的化學(xué)物質(zhì)，比如氯。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)明確了電解海水產(chǎn)生次氯酸鈉加藥濃度為0.1～1.0 mg/L ，同時(shí)對(duì)裝置的電解產(chǎn)氯效率、能耗以及電解電流和電壓設(shè)計(jì)提出了明確要求[6]。

水面艦艇一般在海底閥箱或海水粗濾器上安裝電解海水防污裝置，見(jiàn)圖5。

2.3 超聲波防海生物技術(shù)

超聲波防海生物技術(shù)原理是當(dāng)功率型超聲波高頻振動(dòng)作用于水中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)、溫?zé)嵝?yīng)、空化效應(yīng)、熱解和自由基效應(yīng)。超聲波在特定條件下，能明顯驅(qū)除聲場(chǎng)區(qū)域的水生物，殺滅水生物卵細(xì)胞和幼蟲；能明顯抵制藻類的生長(zhǎng)。

超聲波防污可根據(jù)對(duì)象物表面生物附著狀況來(lái)改變頻率。低頻時(shí)，利用空穴產(chǎn)生的沖擊波將附著物清除，并產(chǎn)生超聲波空化效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，可有效殺死海生物的超聲波頻率為22 kHz，超聲波強(qiáng)度為0.3～0.5 W/cm2。高頻時(shí)，通過(guò)水的振蕩沖擊來(lái)達(dá)到防污的目的[7]。

2.4 防污漆技術(shù)

涂料的表面能決定海生物在其表面的附著強(qiáng)度，涂層表面能越低，海生物附著越困難，即使有附著，附著強(qiáng)度也不大，當(dāng)涂有低表面能涂層的船舶以一定速度開動(dòng)時(shí)，附著在其表面的海生物就會(huì)自動(dòng)脫落[8]。

涂料表面能低于2.5×10-4N/m，即涂料與液體接觸角大于98°時(shí)才具有防污效果。有試驗(yàn)表明，涂層的表面能低于1.2×10-4N/m時(shí)，才能防止藤壺附著[9]。

無(wú)論哪種類型的防污漆，要達(dá)到防污效果，必須保證船舶時(shí)常處于航行狀態(tài)中，且對(duì)航速有一定的要求。核電平臺(tái)的工作模式?jīng)Q定了其長(zhǎng)期處于停航狀態(tài)，因此防污漆的使用效果比較有限。

2.5 海洋生物監(jiān)測(cè)技術(shù)

結(jié)合現(xiàn)有海洋生物監(jiān)測(cè)手段，如衛(wèi)星遙感、光學(xué)探測(cè)、聲學(xué)探測(cè)等，聲學(xué)探測(cè)是最有效、最可靠、最直接的海洋生物監(jiān)測(cè)手段。目前海洋生物監(jiān)測(cè)技術(shù)如下。

1)全向遠(yuǎn)距離觀測(cè)海洋生物群。

2)航道前視海洋生物探測(cè)。

3)船舶當(dāng)前海域海洋生物監(jiān)測(cè)、識(shí)別和緊急報(bào)警。

4)水下關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

2.6 水聲驅(qū)離技術(shù)

不同種類的魚對(duì)不同頻率和不同聲壓級(jí)的聲音的感知能力是不同的。

一般魚類對(duì)1.3 kHz以下頻率的聲音有感知，對(duì)600 Hz以下頻率的聲音感知能力最強(qiáng)，對(duì)特定頻率的140～160 dB 聲壓級(jí)突發(fā)性聲音有受驚嚇的反應(yīng)[10]。

由于海魚種類繁多，且每種魚對(duì)聲音的感知不同，利用聲學(xué)原理驅(qū)魚不能適用所有魚類，因此，該技術(shù)使用效果受限。

2.7 水下清潔機(jī)器人技術(shù)

隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，水下機(jī)器人越來(lái)越多得應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域。水下清潔機(jī)器人主要由：潛水器、高清水下攝像頭、聲吶設(shè)備、高壓水槍、機(jī)械手臂等組成，具備水下聲吶探測(cè)、視頻觀測(cè)和高壓沖洗的能力，見(jiàn)圖6。

圖6 水下清潔機(jī)器人實(shí)物

核電平臺(tái)在日常運(yùn)行期間，通海閥箱浸沒(méi)在海水中，因此無(wú)法對(duì)通海閥箱內(nèi)壁和格柵進(jìn)行清理。當(dāng)通海閥箱取水口格柵堵塞時(shí)，整個(gè)海水系統(tǒng)將無(wú)法取水。

3 結(jié)論

根據(jù)核電平臺(tái)空間緊湊、熱負(fù)荷大、用水量大、航行海域復(fù)雜、可移動(dòng)等特點(diǎn)，并結(jié)合核電平臺(tái)近海航行、系泊發(fā)電、靠港換料等工作情景，對(duì)各種防海生物污損技術(shù)進(jìn)行適用性和效用分析，將核電平臺(tái)全周期防海生物污損技術(shù)方案分為三個(gè)層級(jí)：預(yù)警、主動(dòng)干預(yù)(規(guī)避、驅(qū)防、應(yīng)急處置)和被動(dòng)干預(yù)(預(yù)攔截、消殺、過(guò)濾、臨時(shí)水源)。不同層級(jí)適用的主要技術(shù)手段見(jiàn)表3。

表3 核電平臺(tái)全周期防海生物污損技術(shù)方案