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国内滨海核电厂取排水工程设计发展趋势

来源:华佗小知识
第9期 总第560期

2019年9月

Port&WaterwayEngineering

水运工程

No􀆰9 SerialNo􀆰560

Sep􀆰2019

国内滨海核电厂取排水工程设计发展趋势

张 俊ꎬ夏悟民ꎬ袁立伟ꎬ王秉昌ꎬ何文钦

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司ꎬ广东广州510230)

摘要:基于滨海核电厂取排水工程设计实践ꎬ分析了工艺要求、阐述了设计逻辑并明确关键技术ꎮ取排水工程关键技术包括温排水扩散试验研究、波浪对构筑物的作用、泥沙冲淤试验研究、结构形式与地基的适应性、海洋生物或异物防治等方面ꎮ归纳总结了明渠、管涵、明渠管涵组合等3种取水形式和明渠、管涵两种排水形式的应用ꎬ介绍核电厂关于泥沙淤积和取水口堵塞的运营反馈ꎬ分析核电厂取排水工程面临的新形势ꎬ展望设计优化创新的方向ꎮ

关键词:核电厂ꎻ取排水工程ꎻ设计逻辑ꎻ关键技术中图分类号:U61

文献标志码:A

文章编号:1002 ̄4972(2019)09 ̄0211 ̄07

Developmenttrendofwaterintakeanddrainageengineeringdesign

forcoastalnuclearpowerplantinChina

ZHANGJun XIAWu ̄min YUANLi ̄wei WANGBing ̄chang HEWen ̄qin

CCCC ̄FHDIEngineeringCo. Ltd. Guangzhou510230 China

powerplant thetechnicalrequirementsareanalyzed thedesignlogicisexpoundedandthekeytechnologiesaredefined.Thekeytechnologiesofwaterintakeanddrainageengineeringincludethediffusiontestofcoolingwater thewaveactiononmaritimestructures sedimenterosionandsiltationtest theadaptabilityofstructuresandfoundation

Abstract Basedondesignpracticeofwaterintakeanddrainageengineeringofdomesticcoastalnuclear

andthepreventionandcontrolofmarineorganismsandforeignbodies etc.Theapplicationofthreetypesofwaterintake includingchannel culvertandcombinationofchannel&culvert andtwotypesofdrainage includingnuclearpowerplantsisanalyzed.Finally thedirectionofdesignoptimizationandinnovationareprospected.channelandculvert aresummarized.Theoperationfeedbackofnuclearpowerplantaboutsiltdepositionandwaterintakeblockageareintroducedaswell.Thenewsituationconfrontedbywaterintakeanddrainageengineeringof

Keywords nuclearpowerplant waterintakeanddrainageengineering designlogic keytechnology

  截至2019年3月国内已有19个滨海核电厂处于运行、在建和筹备状态ꎬ投入商业运行机组共计45台ꎬ装机容量4590万kWꎬ在建和筹备中机组共计26台ꎬ装机容量2878万kWꎮ根据«中国核电中长期发展规划»ꎬ到2020年ꎬ全国在运核电规划装机容量达到5800万kWꎬ在建3000万kWꎮ目前的装机容量离2020年的规划目标还差1332万kWꎬ意味着在2019—2020年开工建设13台单机装机容量为100万kW的核电机组ꎬ相

收稿日期:2019 ̄04 ̄16

当于新开3~6个一期工程为2~4台机组的核电厂ꎮ

滨海核电厂取排水工程包括取水工程和排水工程ꎬ其中取水工程的功能是取循环冷却水或补给水ꎬ排水工程的功能是排放循环冷却水和液态流出物ꎮ滨海核电厂的取排水工程方案与厂址适应性密切相关ꎬ工程费用在几亿至三十亿元不等ꎮ设计过程中考虑温排水扩散、波浪对构筑物的作用、泥沙冲淤、取排水构筑物结构形式与地基的

作者简介:张俊(1984—)ꎬ男ꎬ硕士ꎬ高级工程师ꎬ从事港口与航道工程总平面专业设计ꎮ

􀅰212􀅰

水运工程2019年 

适应性以及海洋生物或异物防治等关键技术ꎮ

本文对滨海核电厂取排水工程设计情况和运行反馈进行总结ꎬ剖析核电厂面临的标杆上网电价、厂址条件变差、海洋生态文明的新形势ꎬ并展望其发展趋势ꎮ1 取排水工程工艺要求

排水水深ꎮ明渠排水满足平均低水位下不漫滩排放ꎻ管涵排水满足平均低水位淹没出流ꎮ1􀆰3 水头损失

滨海核电厂由海域至泵房前池通常采用重力流引水ꎬ取水水头损失为取水构筑物处发生的局部和沿程水头损失ꎬ水头损失相对较小ꎻ从虹吸井至海域通常采用重力有压流排水ꎬ排水水头损滨海核电厂取排水工艺见图1ꎮ

图1 滨海核电厂取排水工艺

1􀆰1 温升

排水温升限值ꎮ已运行单台100万kW机组的冷却水流量为50~65m3

10∕sꎬ取排水温差为8~

流量约为℃ꎻAP100082􀆰5m机型单台3∕sꎬ取排水温差约125万kW机组的冷却水7℃ 1 核电厂所在海域的海水水质分类、近岸海域环境ꎮ根据功能区划以及周边的环境敏感点对海水温升的要求ꎬ开展核电厂温排水对受纳海域的环境影响的评价ꎮ

取水温升限值ꎮ为满足核电厂机组正常出力的要求ꎬ工程设计通常控制取水口处的取水温升限值为全潮最大不超过2℃、平均不超过1℃ꎮ1􀆰2 取排水水深

取水水深ꎮ滨海核电厂冷却水系统水源为海水ꎬ通常采取直流冷却方式ꎬ设计低水位采用设计基准低水位(取补给水构筑物按保证率为99%的低水位设计)ꎮ取水构筑物进水口上沿高程应低于设计低水位0􀆰5~1􀆰0mꎬ同时考虑取水口周围海域的原有地形、地质条件、泥沙含量、海洋生物、漂浮物等情况ꎬ综合分析后确定取水口处水深要求ꎮ失为排水构筑物处发生的局部和沿程水头损失ꎬ水头损失相对略大ꎮ2 理论研究基础2􀆰1 设计逻辑

滨海核电厂取排水工程方案研究涉及大量的方案比选和众多的专题试验研究ꎬ各专题试验存在互为输入、相互迭代、相互影响的关系ꎮ通常数值模拟针对几个至几十个方案开展ꎬ物理模型试验针对1~2个方案开展ꎻ单个数值模型试验的研究周期为2~3个月ꎻ单个物理模型试验研究周期为4~6个月ꎬ取排水方案的整体研究周期通常为2aꎮ如涉及海洋水文数据复核或者机型变化ꎬ研究周期会更长ꎮ因此必须统筹好各项模型试验的先后关系ꎬ做好研究策划ꎬ确保各专题逻辑合理、流程顺畅、研究周期整体可控、研究方案成果可实施ꎮ结合现有取排水方案研究的实践经验ꎬ取排水工程研究设计整体逻辑见图2 2 ꎮ

图2 滨海核电厂取排水方案研究设计逻辑

 第9期张俊ꎬ等:国内滨海核电厂取排水工程设计发展趋势􀅰213􀅰

2􀆰2 关键技术

2􀆰2􀆰1 温排水扩散试验研究

为满足核电厂取水温升限值要求和减少排水温水对环境水体温升范围的影响ꎬ原则上将取水口布置在深水区ꎬ排水口布置在水动力条件弱的位置 3 ꎬ同时控制取水口和排水口的空间距离ꎬ并采用数值模拟计算和物理模型试验2􀆰2􀆰4 结构形式与地基的适应性

取排水构筑物涉及到明渠(防波导流堤、护岸)和管涵(暗涵、沉管、暗管、隧洞、渡槽)等结构形式ꎬ各种结构形式对不同地基条件有不同的适应性ꎬ在实施难度、安全性、经济性和环境影响方面各有差别ꎬ通常进行综合比选确定ꎮ现行的水运工程设计规范和海洋工程实践的指导性较为充分ꎮ相结合的方式进行温排水物理影响的模拟和预测 4 模型进ꎮ可行性研行模拟ꎬ究设阶计段阶一段般开采展用物平理面模二型维试数验学ꎮ

数学模型和物理模型都存在着一定的局限性和不确定性ꎬ对排水口近区温排水的影响范围(一般情况下ꎬ温升高于2℃的区域)通常采用物理模型试验的结果ꎬ而排水口远区的影响往往采用数值模拟计算结果ꎮ

大亚湾和秦山核电基地运行期间的温排水影响监测结果显示ꎬ模型预测结果相对实际影响要保守ꎮ考虑到模型试验中统计的是全潮最大温升的影响范围ꎬ实际监测结果所给出的是某个时刻的瞬态温升等值线范围ꎬ故温排水模型预测结果包络实际监测结果是合理的ꎮ现行温排水扩散试验研究方法和手段可以指导取排水工程设计工作ꎬ但需要进一步改进和完善温排水物理影响模拟方法ꎬ提高预测的准确性和科学性ꎮ2􀆰2􀆰2 波浪对构筑物的作用

波浪对取排水构筑物的作用涉及到构筑物的安全性ꎮ参考«核电厂水工设计规范»和«核电厂海工构筑物设计规范» 5 制定设计标准ꎬ依据水运工程相关规范开展设计ꎮ目前在运营的核电厂均经历过多次台风的考验ꎬ未有事故反馈ꎬ说明设计中波浪对构筑物作用的考虑是可靠的ꎮ2􀆰2􀆰3 泥沙冲淤试验研究

分析、预测取排水工程建设前后取水口的泥沙淤积情况和邻近岸滩的稳定性情况是评估取水安全和建设项目对环境影响的重要输入ꎮ设计阶段通常开展潮流泥沙及岸滩稳定性数值模拟试验和物理模型试验ꎬ验证取水口的泥沙淤积情况和邻近岸滩的冲淤情况ꎮ

2􀆰2􀆰5 海洋生物或异物防治

海生物在取水口处附着或者集中出现ꎬ漂浮物在取水口处大量堆积ꎬ可能引发冷源丧失ꎮ须详细调研厂址处的海生物情况ꎬ吸取类似事件的经验反馈ꎬ研究选用针对性的拦污网设计方案防止海生物或异物ꎮ该问题的处理仍须深入探索ꎬ尚未有成熟有效的策略ꎮ3 取排水工程概况3􀆰1 取水工程设计情况

取水明渠1)明渠取水ꎬ取水泵房岸边布置ꎮ利用导流堤和取水内护岸形成

ꎮ取水导流堤综合承担导流、防浪、拦沙和隔热作用ꎮ采用明渠取水的电厂有徐大堡、海阳等11座核电厂ꎬ约占核电厂总数的60%ꎮ典型的采用明渠取水的核电厂布置见图3ꎮ明渠取水具有消纳大量石方、建设难度小、维护性方便的特点ꎮ

域建设管涵2)明渠管涵结合取水、厂区设置取水泵房ꎮ在海域建设明渠ꎮ取水明渠主要、陆承担导流和拦沙作用ꎬ管涵承担引流功能ꎮ采用明渠管涵结合取水的核电厂有红沿河、田湾等5座电厂ꎬ约占总数的25%ꎮ典型的采用明渠管涵结合取水的核电厂布置见图4ꎮ

􀅰214􀅰

水运工程2019年 

区设置取水泵房ꎬ管涵承担引流功能ꎮ采用管涵取水的核电厂有秦山等3座厂ꎬ约占总数的15%ꎮ典型的采用管涵取水的核电厂布置见图5

3)管涵取水ꎮ在海域和陆域均建设管涵ꎬ在厂

ꎮ管涵取水具有

图3 明渠取水工程平面布置

图4 明渠管涵结合取水工程平面布置

石方用量少、建设难度大、维护性难度大的特点ꎮ

图5 管涵取水取水工程平面布置

3􀆰2 排水工程设计情况

国内滨海核电厂排水工程有明渠排水和管涵排水两种形式ꎮ明渠排水是指虹吸井的排水通过暗涵排入明渠ꎬ排水明渠两侧导流堤或护岸导流ꎬ一定程度上能起到阻隔温水扩散作用ꎬ温水由表层扩散ꎮ管涵排水是指虹吸井的排水通过管涵直接排入海域排水点ꎬ温水在底层掺混扩散ꎮ

核电厂中有9座采用管涵排水(其中红沿河等核电厂采用短暗涵近岸排放ꎻ昌江核电厂一期工程采用长约2􀆰2km沉管排水ꎻ方家山、陆丰一期工程和太平岭一期工程分别采用1􀆰1、3􀆰5、2×明渠排水可消纳石方3􀆰5km盾构隧洞排水)ꎬ、建设难度小其余10座采用明渠排水ꎻ管涵排水节ꎮ

省石方、建设难度相对较大ꎮ典型的采用管涵方

式排水的核电厂排水工程平面布置见图6ꎮ

 第9期张俊ꎬ等:国内滨海核电厂取排水工程设计发展趋势􀅰215􀅰

工作不到位等 7 ꎮ

水口在岸边缓流区并采用明渠取水ꎮ投产运行1~

2)取水口泥沙淤积ꎮ秦山核电厂一期工程取

2个月后ꎬ取水口有大量泥沙淤积导致低潮位时无法进水ꎬ将原取水口进水管渠向海域延长70m后图6 管涵方式排水的核电厂排水工程平面布置

3􀆰3 取排水工程运行反馈

20161)年核安全局通报了海洋生物或异5物起海洋生物或异物影响涌入、堵塞取水口ꎮ

核电取水的安全事件ꎬ有学者分析该事件ꎬ认为存在以下问题:对可能造成取水系统堵塞的堵塞物种类识别不足ꎻ监测技术和预警手段没有提供充分的早期报警来处理冷却水取水口堵塞事件ꎻ拦污设施设置不完善ꎬ安装不及时ꎻ取水设施的设计不够合理ꎻ应急设施不完善ꎻ相关经验反馈

保证了取水ꎮ

田湾核电厂一期工程取水明渠建设完成后ꎬ邻近的连云港区防波堤东扩工程和远期徐圩港区建设改变了取水条件ꎮ取水明渠向海域延伸2􀆰后满足远期6km(北、8南导流堤分别外延台机组取水安全需要0􀆰5 8 kmꎮ

和2􀆰6km)宁德核电厂一期取水明渠受周围岸滩抬高的影

响ꎬ取水明渠实际淤积量超出模型试验预测值ꎬ运营期间增加了维护性疏浚的频次以保证取水安全ꎮ

三门核电厂开展了周边宁海县双盘涂、三山涂两处围涂对一期立管式取水口设计高程富裕度评估工作 9 ꎬ结论显示在预测的围涂引起的原始海床抬高0􀆰9m的地形下ꎬ取水口的富裕高程仍然超过1􀆰0mꎬ基于以上反馈周边围涂不会威胁取水口的正常取水ꎬ在电厂的设计和实际管理中ꎮ

应对周边大面积围填海项目做充分的调研和预测ꎬ并预留足够的取水口设计高程裕度ꎬ保证取水安全ꎮ4 取排水工程面临的新形势

4􀆰1 标杆上网电价下优化投资的需求

国家发展改革委 2013 1130号文«关于完善核电上网电价机制有关问题的通知»中要求对于2013年1月1日后投产的核电机组实行标杆上网电价的ꎬ核定全国核电标杆上网电价为0􀆰发布的43元«∕(kW关于三代核电首批项目试行上网电价的通􀅰h)ꎮ国家发展改革委 2019 535号文知»中明确从项目投产之日起至2021年底止ꎬ台山一期、三门一期、海阳一期核电项目试行价格分别按照0􀆰435、0􀆰4203、0􀆰4151元∕(kW􀅰h)执行ꎮ实际上目前刚投入运营和在建三代机组发电成本在0􀆰5元∕(kW􀅰h)以上ꎮ核电厂的核岛、常

􀅰216􀅰

水运工程2019年 

规岛的建设已经迈入标准化建造阶段ꎬ造价挖潜的水平有限ꎬ而与厂址适应性密切相关的取排水工程造价通常几个亿至三十亿ꎬ优化取排水工程费用成为控制电厂投资适应标杆上网电价的焦点之一ꎮ4􀆰2 厂址条件变差、工程费用增加

随着沿海核电厂址的深入开发ꎬ取排水条件优良的厂址逐渐开发殆尽ꎬ新开发的核电厂址遇良比例达到70%左右ꎮ依据该红线制度ꎬ核电厂选址须避让砂质岸线ꎻ不能批准自然岸线占用长度不满足保有率管控目标和要求的项目ꎻ用海范围和温排水影响范围须避让禁止开发区(自然保护区、海洋保护区)和开发区(特殊保护海岛、重要渔业区)ꎮ

从核电厂取排水工程海域使用审批执行到淤泥软土地基厚、水深大、波浪高、外购石方量大、距离环境敏感点近等问题ꎬ导致取排水构筑物尺度大、规模大ꎬ工程费用随之增加ꎮ

如漳州和霞浦核电厂软土地基厚度达到17m和40mꎻ陆丰和霞浦核电厂取水堤护面块体分别达到62t和42tꎻ红沿河和昌江取水优化工程石方基本全部靠外购ꎻ防城港核电厂排水明渠单条导流堤长达6􀆰2kmꎻ太平岭核电厂单条排水隧洞长3􀆰浦核电厂海工工程5kmꎮ漳州一期、(包括取排水陆丰一期、、太平岭一期和霞护岸和大件码头)费用达到了20亿元左右ꎮ4􀆰3 海洋生态文明建设的要求4􀆰3􀆰1 海域使用

海的通知«关于加强滨海湿地保护严格管控围填

»(国发 2018 24号文)明确:取消围填海地方年度计划指标ꎬ除国家重大战略项目外ꎬ全面停止新增围填海项目审批ꎻ国家重大战略项目涉及围填海的ꎬ报审批ꎮ目前在建和在运营核电厂的作为明渠一部分的护岸工程均涉及填海ꎬ可以预期除非核电厂项目明确纳入国家重点战略项目范畴ꎬ明渠相关的护岸必须布置在陆域方可获得用海预审意见ꎻ如被纳入国家重点项目ꎬ尚须开展围填海项目生态保护修复方案编制工作方可填海用海ꎮ

制度的意见«国家海洋局关于全面建立实施海洋生态红线

»提出海洋生态红线区面积占沿海各省(区、市)管理海域总面积的比例不低于30%ꎬ全国自然岸线保有率不低于35%ꎬ全国海岛保持现有砂质岸线长度ꎬ到2020年近岸海域水质优

情况来看ꎬ近期开工的漳州和太平岭核电厂一期海域取水工程涉及到明渠相关护岸的填海ꎬ在国发 2018 24号文之前分阶段申请办理了用海预审意见ꎬ但漳州核电厂是在补充论证了长距离暗管排水方案进行比选论证的基础上ꎬ方同意采用明渠排水方案ꎬ太平岭核电厂选用了对环境影响小的长距离盾构隧洞方案ꎻ昌江和红沿河取水优化工程涉及到非透水构筑物用海ꎬ仍在积极争取海洋局的支持ꎻ开展前期工作的苍南和白龙核电厂在研究优化方案中涉及填海、沙滩保护和海洋生态红线事宜ꎮ

4􀆰3􀆰2 海洋环境影响评价

环境保护部发布的«环境影响评价技术导则核电厂环境报告书的格式和内容»(HJ808—2016)要求核电厂在选址及建造阶段ꎬ开展直流系统与二次循环系统的比选ꎮ

国家海洋局发布的«区域建设用海规划环境影响评价技术规范(征求意见稿)»(2018年8月)明确:生态(生物资源)承载力专题研究报告和环境容量专题研究报告是规划环境影响报告书的重要组成部分ꎮ当规划实施对重要渔场、水产种质资源和“三场一通道”有较大影响时ꎬ应提供渔业资源承载力研究报告阐明其可行性ꎮ规划区和后续建设项目的达标尾水确需排海的应提高处理标准并实行管道离岸深水排放入海方式ꎮ5 取排水工程发展方向展望

管控围填海的要求1)核电厂厂区布置向陆域侧发展ꎮ厂区护岸退让海岸线ꎬ适应严格

ꎬ厂区

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全部布置在陆域可不发生围填海ꎮ优点是利用自然岸坡作为护岸的一部分ꎬ护岸的规模减小ꎬ可节省护岸工程费用ꎬ带来的压力是开山的富裕土石方难以就**衡ꎬ须要抬高厂址高程或另外规划弃土场地ꎮ

2)核电厂厂区、取水工程和排水工程集中布

电厂的取排水要求ꎻ取水工程有明渠取水、明渠管涵组合取水和管涵取水3种形式ꎬ以明渠取水居多ꎻ排水工程有明渠排水和管涵排水两种形式ꎬ两者占比相当ꎮ

2)在运营电厂的经验反馈和核电厂面临的新

形势提出了严控填海、节省岸线、与环境相协调、优化工程费用、解决泥沙淤积和防治海生物或异置ꎬ以节省岸线ꎮ增加2台机组1座泵房与1台机组1座泵房的比选ꎬ减少取水明渠长度ꎻ或者取水泵房区集中成“L”和“U”布置与“一字型”布置方案的比选ꎬ实现港池取水ꎬ同时节省防波堤和护岸的长度ꎻ增加2台机组1座虹吸井与1台机组1座虹吸井的比选ꎬ减少排水明渠长度ꎮ

案比选3)ꎬ采用短明渠管涵组合取水与长明渠取水方

选择更经济的控制泵房前池水位波动幅度的取水方案ꎻ增加2台机组共用1条大洞径排水隧洞与1台机组1条一般洞径排水隧洞方案比选ꎮ

管涵离岸深水排放与明渠的比选4)增加二次循环系统与直流系统的比选以及

ꎬ适应海洋生态和环保要求ꎮ

取水口5)ꎬ为减轻和消除海洋生物或异物涌入须详细调研厂址处的海生物情况、ꎬ堵塞

吸取类似事件的经验反馈ꎬ研究选用针对性的拦污网设计方案防止海生物或异物ꎬ完善监测技术和预警手段以及应急预案ꎮ该问题的处理仍须深入探索ꎬ尚未有成熟有效的策略ꎮ

面积填海项目做充分的调研和预测6)在电厂的设计和实际管理中ꎬꎬ并预留足够应对周边大

的取水口设计高程裕度ꎬ保证取水安全ꎮ6 结语

宜、1)构筑物形式多样现有的核电厂取排水工程总体布置因地制

、建造技术成熟ꎬ满足了核

物等新的要求ꎮ

进行了展望3)为适应新的要求ꎬ如厂区布置向陆域侧发展ꎬ对取排水工程发展方向

、取排水工程集中布置、二次循环系统、明渠管涵组合取水、管涵离岸深水排水、两台机组共用一条大洞径隧洞排水等ꎮ

参考文献:

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(本文编辑 武亚庆)

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