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基于冷源安全的核电厂取水拦污网设计

2023-11-01 10:30:47

摘 要:滨海核电厂一般以大海作为最终热阱,采取多重措施防止异物侵入,保障取水安全。生产实践表明,一些海洋生物和杂物可以突破这些措施威胁核电机组的安全稳定运行,设置取水拦污网是降低冷源安全风险的有效手段。结合国内多个滨海核电厂取水拦污网项目实践,从工程设计的角度出发,分析了拦污网的功能需求,研究确定了拦污网的功能定位和设计原则,提出了“3+n”的标准化设计方案,并针对相关设计要点进行了详细论述。

0 引言

  近年来,随着国内多个滨海核电厂投入运行,在运核电机组相继出现了水草、垃圾、海生物等污染物堵塞拦污网的事件,取水堵塞导致机组安全稳定运行的外部事件时有发生,冷源安全逐渐成为了备受关注的问题。2014 7 21 日凌晨,东北地区某核电厂因大量水母涌入循环水过滤系统的取水口,造成过滤系统鼓形旋转滤网压差上升,循环水泵跳泵,最终导致 2 号机组和 1号机组相继停堆。20148月,国家能源局发出《关于加强核电厂循环水取水设施安全管理的通知》,要求从循环水 取水设施的设计上考虑建设固定拦污网等设施,用来防范海洋生物对取水设施的影响。                 

        取水口拦污网是取水安全的第一道防线,为保证核电机组的取水安全,在核电厂取水明渠增设拦污设施显得十分必要;目前,国内只有少数学者针对拦污网的设计开展了相关研究。本文结合国内多个滨海核电厂取水拦污网项目实践以及有关科研成果,从功能需求分析、功能定位、设计原则等方面对取水拦污网设计进行研究、分析论述。

1 功能需求分析

滨海核电厂一般以大海作为最终热阱,取水安全在核电厂运行安全中占据重要地位,因此相应采取了多重措施来保障电厂取水。以某滨海核电厂为例,组成取水工程的取水构筑物、取水隧洞和联合泵房均为安全级、抗震Ⅰ类物项,海水通过取水工程进入SECCRF系统前,要经过粗格栅(间距20cm)、细格栅(间距5cm)和鼓形滤网(孔径3~5mm)和贝类捕集器等不同规格的海水过滤设施,见图1

                                                                    图 1 某核电厂取水工程及过滤措施

实践证明,随着海域环境不断变化,上述措施不足以保障取水安全,一些海洋生物、杂物可以通过粗、细格栅进入取水泵房,在鼓形滤网处形成堵塞。设置取水拦污网作为保障取水的第一道屏障,能阻挡部分或大部分异物进入核电厂取水通道,是降低冷源安全风险的有效手段。每个电厂条件各不相同,拦污网设计的第一步应结合电厂实际情况进行功能需求分析。

1 防护对象分析:对于冷源而言,不同海域的致灾源项是不同的,有底栖生物,如东部某核电厂取水海域的海地瓜;有浮游生物,如海月水母、毛虾等;还有漂浮的杂物、垃圾等。拦污网设计之前,首先应该对防护对象进行必要的调查分析,如对于浮游生物,需要调查其个体大小、游动能力、暴发密度,以及其在水体中的分布特征等。

2 运维需求分析:应从拦污网使用和电厂运营两个方面分析拦污网运维需求,拦污网使用维护方面,如提高拦污网的耐久性性能,尽可能减少维护频率;电厂运营方面,如需考虑清淤船等船只通过拦污网进行作业,则应结合作业频率研究船只过网方式。

2 设计定位、原则及方案

2.1 功能定位

虽然拦污网是保障电站取水安全的第一道屏障,能有效提升冷源系统的可靠性,但防止取水通道堵塞以确保冷源安全应是取水通道上全部海水过滤设备(如粗、细格栅,滤网等)共同作用的结果,拦污网的耐久性性能和物理力学特性与海水过滤设备存在很大差距,决定了拦污网只能作为缓解滤网等过滤、清污设备工作负荷的一种预过滤措施,在设计中应按易损件考虑,在恶劣气候条件时可能丧失全部功能。

2.2 设计原则

通过项目实践和专题研究,在冷源防护体系方面逐渐形成“纵深防御、一厂一策”的共识。作为防护体系的一环,拦污网也应结合电厂海工布置进行设计,一般应符合如下设计原则:

1 基于防护对象:在防护对象调查的基础上,拦污网的防护范围应尽可能实现防护对象全覆盖,不仅包括致灾海洋生物,还应包括其它可能影响取水安全的杂物,如浮油、竹竿、船只、人工垃圾等。

2 利用潮流自洁:暴发性海洋生物、杂物等进入取水通道后利用潮流无法带走,势必全部成为过滤及清污设备的负荷,故应尽可能将其挡在取水最前端,如取水明渠口门外,充分利用潮流动力冲刷堆积在拦污网上的成片污物,形成自洁的效果,减小人工清理的工作量,降低人工作业的风险。

3 便于清理更换:拦污网应便于清理,以减少拦网的堵塞,改善拦网受力状态;网片应易于更换,局部破损时可以快速修复;具备必要的通航条件。

2.3 3+n”方案

基于上述设计原则,提出“3+n”的拦污网设计方案,见图2

                                                                       图 2 3+n”拦污网方案示意图

方案中,“3”指3道固定网,即示意图中的W1W2W3。其中W1一般设置于电厂取水口门处,一般采用八字形或半圆形布置,充分利用潮流实现自洁,确保部分拦污网不会出现堵塞。当条件不允许时,也可以设置在取水明渠内,采用斜线布置,有利于杂物快速汇集,便于定点打捞和清理。网眼尺寸考虑50~100mm,主要用来阻拦较大尺寸的杂物,同时可以兼作拦油栅和拦船警示设施。W2为第2道拦污网,设置于W1的后侧合适位置,网眼尺寸考虑30~50mm,与W1配合实现梯级预过滤;W3为第3道拦网,网眼尺寸考虑5~10mm,主要用于拦截、收集个体尺寸较小但数量极大的海洋生物,如毛虾和小型水母等,采用网兜形式,便于快速清理或更换。与第2 道拦污网共用桩墩。“n”指结合电厂实际情况和需求考虑的3道固定网后方的若干道拦污网的预留措施,做好固定拦污网必要的锚定、系留结构,在需要时安装拦污网,如在前端拦网出现破损,需修补、更换时安装。

3 设计内容及要点

3.1 布置设计

拦污网的布置包括平面布置和竖向布置2部分。平面布置除了前节所述外,还应确定拦污网的分段数,如设置水下锚定设施,将拦污网分成若干段,则拦污网缆绳、水下锚定的桩墩的受力条件可以得到很大的改善,同时桩墩增多,需结合水力分析和结构力学计算合理确定分段数。

竖向布置主要指拦污网网顶和网底的设计状态,从全断面防护的角度,网底一般应达到海床面,并考虑潮位的变化而保留一定的网高裕度。网顶则应能兼顾设计高、低水位,避免在设计高水位时网顶淹没于水下。在漂浮杂物较多的海域,大量漂浮杂物可能随波浪越过拦污网,进入取水通道,拦污网网顶应高出海面,如网顶标高按设计高水位加50a一遇波浪考虑。

3.2 网材比选

目前国内外用于海水环境的各类网具主要有PE、尼龙、超高分子聚乙烯、铜合金等材料。渔业捕捞方面,几乎全部采用尼龙网;渔业养殖方面,尼龙网也是使用最多,超高分子网次之,PE网也有使用,如我国海南地区养殖业习惯使用 PE网。铜合金网由于其良好的防海洋生物附着性能,在日本等地区使用较为广泛,但近年来由于环保要求越来越严格,以及高强度的超高分子材料的出现,使得日本、欧美和澳大利用等地区均已开始逐步淘汰含铜产品。实际使用时,可以根据电厂对网材性能要求采用加权打分法进行选用,某核电厂取水拦污网网材综合性能分析见表1

                                                                                          表 1 网材综合性能对比

需要说明的是,表1资料仅依据当时获取样本进行打分评定,同一类材料的性能与原材料、加工工艺、添加成分、涂层均有关系,不排除有其他新的技术和材料与此分析存在差异,故在网材选择时,应结合电厂实际情况和需求综合比较确定。

3.3 结构分析

将拦污网及其附属设施(如浮筒、锚链等)和锚定结构作为一个完整的体系,通过计算以确定拦污网主缆规格,并分析其锚定结构(包括岸侧锚墩及水下桩墩)的整体稳定性。

1 网片力学计算

网片的受力主要包括水流力Q1和波浪力Q2。水流力Q1可以根据式(1)计算:

式中:CW为水流阻力系数,可参考JTS144-12010《港口工程荷载规范》;ρ为水密度,t/m3,海水取1.025V为水流设计流速,m/s,不同设计水位流速不同;A为网片与流向垂直平面上的投影面积,A=网眼堵塞率×单段拦污网投影面积。其中网眼堵塞率一般参考现场条件提出限值,例如可要求拦污网在使用期间堵塞率不超过50%,若超过此要求则应及时清理。

JTS145-22013《海港水文规范》中波浪对各种形式建筑物的作用均有明确的计算模型,但拦污网网片为柔性材料,本身可通过变形吸收一定的波浪能量,故无法参考现有公式进行波浪力Q2的计算。为较准确获得有关数据,可根据设定的网眼堵塞率对网片进行物理模型试验,为设计提供设计输入。

2 缆绳张力计算

初步选定缆绳规格后,可以根据缆绳的最小破断力计算其允许承受最大拉力H0。根据式(2)悬链线方程计算缆绳张力 H

式中:Q为缆绳承受荷载,缆绳与网片相连,主要为网片承受的水流力Q1和波浪力Q2Ln为每段拦污网的轴线长度;f为缆绳作业时允许最大挠度。如计算得到的张力H小于H0,则满足要求,否则应调整缆绳规格。

3 锚定结构计算

拦污网锚定结构包括岸侧锚块及水下桩墩。岸侧锚块一般设计为重力式混凝土结构,嵌入堤岸内,承受拦污网缆绳的拉力和土压力,此类锚定结构主要进行抗滑抗倾计算,一般不进行结构强度计算。水下桩墩承受缆绳拉力、水流力及波浪力,需根据相关规范进行结构强度计算。

4 结语

1 暴发的海洋生物、杂物容易通过过滤设施堵塞鼓形滤网,给滨海核电厂的冷源安全带来了巨大的威胁。随着海洋环境的日益复杂化,设置取水拦污网十分必要,而且对拦污网的功能需求大幅提升,拦污网成为保障冷源安全的重要补充措施。

2 拦污网设计时应在源项调查的基础上,与核电厂沟通确定功能需求,包括主要防护对象和运维需求,再结合核电厂实际条件,从布置设计、网材选择、结构设计等方面将设计方案落地。

3 拦污网设计还存在一些现实问题,如作为一种外部事件,设计基准不明确,设计输入难以准确获得,结构受力分析时拦污网堵塞率难以确定,这些是工程设计时需要注意的难点所在。


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