海洋异物堵塞核电厂取水系统事件的经验反馈

吴彦农，王娅琦，候秦脉，焦 峰，孙国臣

(环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082)



海洋异物堵塞核电厂取水系统事件的经验反馈

吴彦农，王娅琦，候秦脉，焦 峰，孙国臣﹡

(环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082)

核电厂冷源相关系统的功能丧失能够威胁机组安全。针对近期国内核电厂出现海洋异物堵塞取水口事件或异常，本文首先简单介绍了国内核电厂典型取水系统设计；然后对国内海洋异物堵塞影响核电厂冷源事件进行梳理，分析了国、内外典型冷源堵塞事件；最后总结了以往核电厂预防和应对此类情况时存在的问题，并针对问题给出经验反馈建议，以期提高核电厂应对冷源堵塞突发情况的能力。

核电厂经验反馈；取水系统；取水口堵塞

近期，我国核电厂陆续报告了多起由于海生物或海洋杂物堵塞取水系统而引发的运行事件，相关异常报告的数量呈增多态势。从历史数据统计看，我国目前投运的核电厂址都发生过类似异常，其他国家核电厂近十年也发布了上百起取水系统堵塞的事件。核电厂取水系统堵塞问题不但可能对机组的运行产生影响，导致机组被迫降功率或停堆停机，甚至会对核电厂最终热阱的可用性构成威胁[1，2]。为了深入分析此类事件产生的各类原因，现对我国核电厂取水系统堵塞相关的运行事件和异常进行收集，并选取了国外发生的相关典型事件进行研究，给出改进建议。

1 核电厂取水系统的设计

根据各核电厂址的特征不同，我国核电厂的取水系统设计有所差异，一般包含的相关设施有取水明渠、取水构筑物、取水隧洞、前池、海水过滤系统等。依据厂址环境条件的分析，针对可能影响取水的海生物或杂物等,在上述设施中设置了相关的拦截设备，包括拦船拦污网、围油栏、粗格栅、细格栅、加氯设备、格栅除污机、鼓形滤网及反冲洗装置等，重要厂用水系统中还设置了贝类捕集器。

对于目前投运较多的二代改进型机组的海水过滤系统，设计上通过循环水过滤系统(CFI)保证对每台机组所使用的全部海水进行过滤，即循环水系统(CRF)、重要厂用水系统(SEC)等系统的取水均为经循环水过滤系统过滤后的海水。循环水过滤系统的主要设备包括：粗格滤网、水闸门、固定式拦污格栅和垃圾耙斗、鼓形旋转滤网、鼓网低压冲洗部分和鼓网高压冲洗部分[3]。低压冲洗部分为鼓网进行清洁，高压冲洗泵可以通过阀门串入低压冲洗部分，当滤网发生严重堵塞时投入运行，为低压冲洗水增压，清洁鼓网[4]。

鼓型旋转滤网是循环水系统取水部分的主要过滤设备[5]，一般每个鼓网有三个水位差测量计，即一个超声波式水位差计，两个压感式水位差计。它们提供了耙斗和鼓网正常运行时的压差检测、自动动作及报警信号。采用两种测量计是为了防止仪表发生共模故障。

鼓网转速的控制方式有自动和手动两种。自动控制以岭澳三四号机组为例(压差触发定值根据各核电厂自身情况而定)，每个鼓网有一个超声波水位差计和两个压感式水位差计，以提供滤网两侧的压差测量，并自动控制鼓网的转速，在自动控制情况下，由水位差测量装置自动控制低速运转、中速运转或高速运转。

为了防止鼓网由于堵塞等原因造成压差不可控的升高，循环水过滤系统(CFI)设置了压差监测装置、鼓网冲洗水设备、前置的拦污设备(如垃圾耙斗)及加药设备。正常情况下，滤网的压差小于100mm水柱，当滤网严重堵塞时，为了保证滤网的形状不发生变化而损坏，导致鼓网坍塌使重要厂用水系统(SEC)失去水源，故在压差>800mm水柱时跳循环水(CRF)泵。

循环水系统由A/B两列相互独立的回路组成，如图1所示[6]，两回路分别从对应的循环水过滤系统A/B两列鼓网下游，取已过滤和加药的海水。每条管道提供正常运行和汽轮机旁路运行时机组所需冷却水量的一半，以冷却三台凝汽器的传热管束和提供辅助冷却水用水，该系统虽然不与核安全相关，但在机组降负荷汽机旁路运行时，为避免反应堆紧急停堆作出贡献[7]。

图1 二代改进型核电机组CFI及CRF系统流程示意图Fig.1 Diagram for CFI and CRF system of generation II plus PWR nuclear power plant

重要厂用水系统(SEC)具有安全功能，是核电站冷却系统的一部分，属于核安全相关系统[8]，由两条与安全相关的冗余系列组成，通过海水冷却设备冷却水系统(RRI)的RRI/SEC热交换器。SEC系统由两个系列组成，流程示意如图2所示[6]。每个系列具有两台100%容量的泵。SEC泵经由取水构筑物和CFI鼓型滤网从最终热阱吸取海水，系统运行工况及参数见表1。

CFI鼓形滤网如发生严重堵塞，压差过高报警，会令CRF泵跳泵，导致凝汽器真空下降，继而引发机组的负荷变化，并容易触发停机停堆。取水系统堵塞也可能导致SEC系统流量低等报警、SEC泵出口压力高报警、贝类捕集器压差高报警、SEC/RRI热交换器SEC侧压力高报警，影响SEC系统的功能甚至迫使一列或两列SEC系统停止运行，令核电厂丧失重要厂用水。而此时根据事故规程需进行设备反冷，但由于外界环境因素，反冷功能无法成功[9]，进而威胁机组安全运行。

图2 二代改进型核电机组SEC系统流程示意图Fig.2 Diagram for SEC system of generation II plus PWR nuclear power plant

表1 SEC系统运行工况及参数Table 1 Operating conditions and parameters of SEC system

2 取水系统堵塞典型事件分析

根据事件的代表性、对运行安全产生的实际影响以及具有良好经验反馈等因素，本文的分析中选取了我国核电厂取水系统堵塞相关的运行事件和异常，以及国外发生的相关事件，并列出了国、内外典型冷源堵塞事件。详见表3和表5。

2.1 法国CRUAS核电厂4号机组丧失冷源事件

2009年12月1日0时15分，法国CRUAS核电厂4号机组被大量水草入侵。水草堵塞泵站的过滤系统，运行人员停运一台冷凝器循环水泵，平衡了重要厂用水系统和循环水系统之间的流量，清理拦污栅，并请求临近核电厂提供额外的清理工具。此后操纵员降低机组功率20%，之后由于汽轮机润滑油温度高，手动脱扣汽轮机，汽轮机润滑油高温是由于SEN/SRI热交换器的污垢所致。此后机组热停堆1%Pn。

19时04分，丧失SEC A列。运行人员使用丧失热阱的事故规程，切换至B列，并开始修复A列。19点30分，依据规程手动停堆。19时37分丧失SEC B列，运行人员使用没有诊断丧失全部热阱的程序，安全工程师对情况进行分析。21时，安全工程师判断机组面临丧失全部热阱风险。因此机组进入中间冷停堆状态(余热排出系统没有接入，由蒸汽发生器冷却)。22时，设备冷却水A列水温达到45度。按照事故规程，操纵员停运两台主泵，退出两列重要厂用水，使用换料水箱通过安全壳喷淋系统/设备冷却水系统热交换器反向冷却作为设备冷却水的备用冷源，使机组进入安全状态。同时，运行人员成功清理取水口过滤设备和重要厂用水/设备冷却水热交换器。此后5小时，重要厂用水系统两列得到恢复，第二天7时结束事故规程。事件原因及后果详见表2。

2.2 宁德核电厂3号机组海生物入侵导致停堆运行事件

2015年8月7日14：30，由于大量海生物涌到鼓网前，鼓网前后压差高，主控触发3CFI910KA，N3CRF002PO自动跳闸，主控立即执行瞬态控制导则，进行降功率操作。8月7日14：46，3号机组降功率至660MW。现场对N3CFI鼓网及排污口进行清理、检查，发现存在大量的半透明状软体海生物，后确认为“小型海地瓜”，现场立即启动应急打捞及冲洗。8月7日14：59，第一次尝试启动3CRF002PO，主控按S程序检查，确认启动条件满足后，启动3CRF002PO，随后3CFI鼓网压差高4触发3CRF002PO跳闸。8月7日15：28，为控制轴向功率偏差ΔI，向电网申请升功率至800MW。

表2 事件原因及后果Table 2 The causes and consequences of event

表3 法国核电厂曾出现的取水口堵塞事件Table 3 Water inlet blockage events occurred at nuclear power plantin France

8月7日16：22，第二次尝试启动3CRF002PO，3分钟后3CFI-B列鼓网压差再次达到高4触发3CRF002PO跳闸，8月7日20：00，结合现场情况，运行人员临时解除两列3CFI压差高4信号，并制定3CFI压差高保护解除期间控制方案。此后经过清理海生物，8月8日00：06，第三次尝试启动3CRF002PO，因压差持续超过0.8m，主控手动停运3CRF002PO。

8月8日01:49，3CFI-A列鼓网压差快速上涨，出现压差高4信号，A列循环水泵3CRF001PO停运。由于两台CRF泵均停运，触发汽轮机停机，冷凝器真空快速变差，同时叠加P10信号，导致反应堆紧急停堆，操纵员执行SOP事故程序控制机组。事件发生期间3SEC系统流量正常，泵及电机运行正常，电机电流正常，SEC海生物捕集器压差正常，3SEC未出现堵塞情况。事件原因及后果见表4。

表4 事件原因及后果Table 4 The causes and consequences of event

核电厂制定的纠正行动：

(1)完善冷源应急响应预案并增加运行控制策略；

(2)在CB取水明渠入口处布置两道临时沉底型细目渔网用于沉底型杂物或海生物的有效拦截；

(3)优化现有取水口拦污设施，增加其对沉底型杂物或海生物的有效拦截；

(4)增加宁德取水海域水质和水文在线监测系统，以提升对取水海域水质指标和水文指标的监测能力；

(5)优化宁德CFI鼓网冲洗水排水走向，将CFI鼓网冲洗水排至排水口或CC井。

表5 我国核电厂曾出现的典型取水口堵塞事件Table 5 Water inlet blockage events occurred at nuclear power plantin China

3 经验教训总结

本文通过对收集到的海洋异物堵塞影响核电厂冷源事件的综合分析，发现在预防和应对此类问题中存在如下的缺陷和不足：

(1)没有充分考虑到取水系统堵塞事件对重要厂用水系统可用性的影响，对取水系统堵塞所存在的潜在安全影响认识不足。存在着闭锁循环水过滤系统保护信号的情况。

(2)对可能造成取水系统堵塞的堵塞物种类识别不足。包括对入侵海生物习性、出现日期、密度等研究不够; 对环境、气候变化、生态链破坏以及养殖、围垦等产生的新堵塞物没有充分的关注，如赤潮、浒苔、水葫芦、海藻、紫菜、毛虾等; 对于厂址周边可能造成取水系统堵塞的相关活动等风险防范意识不足，如收割季节漂浮麦秸秆突增、上游水库泄洪或台风天气导致海水中飘浮杂物过多等情况。同时，也存在部分核电厂实际情况超出设计基准的情况，如泥沙淤积问题。

(3)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。部分核电厂没有对海域海生物活动监测的手段，无法及时发现海生物可能的异常情况及入侵，缺少对相关海域水质和水文监测的手段、设施和巡检的制度；与当地海洋部门、地方相关部门的信息沟通渠道不健全，影响了信息通报和预警。

(4)拦污设施设置不完善，安装不及时。红沿河核电厂的取水口没有设置拦污设施，仅依靠循环水过滤系统的细格栅、清污机以及鼓形滤网过滤是不足够的，在设计上考虑不周，后续又耽误了安装工作。宁德核电厂没有对沉底形杂物或海生物进行有效拦截。岭澳核电厂冷源取水设计无法应对大量小型海生物突然涌入的工况，海生物大规模爆发时无法对其进行有效的拦截。

(5)取水设施的设计不够合理。部分核电厂鼓网冲洗水排水走向不合理，鼓网反冲洗水排污渠末端流向取水前池，鼓网及杂物耙打捞出的杂物、海生物进入到排水沟后，顺着排水沟回流到取水前池，然后顺着水流又流进鼓网。回流取水前池影响了过滤清除杂物作用，尤其是大量海生物入侵时，海生物进入鼓网过滤出来后再次回流取水前池，形成聚集作用，加剧鼓网堵塞过载；部分电厂的取水口设计不合理，容易导致漂浮物的汇集，易形成漩涡而导致漂浮物吸入等问题；部分核电机组的SEC系统贝类捕集器反冲洗能力较弱；部分电厂鼓网取水流向的设计变更可能降低了鼓网反冲洗效率，增加了鼓网堵塞风险等问题。

(6)应急设施不完善。相关核电厂的打捞力量，如打捞船只、工具和拦污栅清理设备等不足，缺乏打捞相关海生物的专用工具，人员响应及时性不够。

(7)相关取水设施的检查维修工作不到位。存在拦污栅水下部分受损，致使海水进水口形成了很大的空洞，其拦污、截污功能受到影响，同时使配套的清污机长期得不到使用，性能状况劣化严重，迫不得已予以报废拆除。也不同程度存在着格栅除污机运行效果不佳、鼓网运动部件的磨损、故障率高等问题。

(8)相关经验反馈工作不到位。对其他取水系统堵塞事件的经验反馈重视不够，没有及时收集和筛选行业经验教训，相关纠正行动落实不及时。

4 改进建议

根据目前海洋异物堵塞影响核电厂冷源事件所反映出的问题，为了防止这类事件重发，总结经验及改进建议如下:

(1)目前取水系统堵塞威胁冷源事件频发的情况应引起核电厂充分关注，对其可能产生的潜在影响应有足够的认识，保障重要厂用水系统的取水安全。

(2)进一步开展相关海域海洋生物和生态环境的调查，关注自然变化和人为活动对环境条件的影响[10，11]，积累运行数据(如淤积频率、海生物暴发规律)，定期更新核电厂关于厂址特定的环境条件信息，根据更新后的信息及时提出预防信息、改进建议和应对策略等。

(3)针对不同的堵塞物设立全面、全时的监测手段，保证及时发现可能引发取水系统堵塞的异常情况; 提高对堵塞的预防，加强厂址周边在出现易产生堵塞物的人为活动或异常天气时的监测;与当地海洋部门、海事、防汛等相关部门建立信息沟通渠道和机制，以便及早获得异常信息的预警[12，13]。

(4)完善相关拦污设施[14]。对取水口未设置拦污网或仅有临时拦污网的核电厂，须及时采取纠正措施建立永久拦污网。评估拦污网网格尺寸，以便更有效地拦截相关堵塞物。考虑不同季节堵塞物爆发的情况，在原有的拦截网的基础上适时增加相关拦截设施，采取更有针对性的拦截方案。

(5)优化鼓网冲洗水排水走向问题，避免由此对鼓网产生的再次污染。对于核电厂的取排水设计，应充分考虑减少堵塞的因素。针对重要厂用水系统贝类捕集器的阻塞风险，提升其反冲洗能力或在保证重要厂用水系统安全功能的基础上完善贝类捕集器设计[15]。

(6)定期检查取水口构筑物、设备及相关系统的状况，做好日常维护、清理、打捞、清淤等工作，对重要设备例如固定滤网、拦污栅、清污机、鼓网、反冲洗系统等进行预防性维修。此外，应定期测试保护功能，如泵和滤网的跳闸、鼓网启动电路和设备。

(7)制定有效的取水系统堵塞应对预案，准备足够的清理力量和适合的工具，补充完善堵塞物清理方案，方案需考虑对相关堵塞物的适用性以及清理工作时可能面临的不利条件等。

(8)加强外部运行经验的应用，及时收集和分析取水系统堵塞的相关事件，学习行业内的经验教训。

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Experience Feedbacks on Events of Nuclear Power Plants Cold Source Systems Blocked by Oceanic Foreign Matter

WU Yannong,WANG Yaqi,HOU Qinmai, JIAO Feng, SUN Guochen﹡

(Nuclear and Radiation Safety Center, MEP, Beijing 100082, China)

Failure of cold source systems of nuclear power plant may jeopardize the safe operation of units. Recently, events or abnormities regarding intake blocking by oceanic foreign matter occur in domestic nuclear power plants. In this paper, typical water intake system designs of domestic nuclear power plants are introduced; then, events regarding cold source systems affected by blockage of oceanic foreign matter are sorted out, with typical cases home and abroad analyzed. Based on summary of existing problems of nuclear power plants on precaution and treatment for similar events, this paper proposes some empirical advices targeting this problem, to enhance the capability of nuclear power plants in dealing with unexpected cold source system blockages.

experience feedback of nuclear power plant;intake system; intake blocking

2016- 09- 20

2016- 10- 12

国家科技重大专项，项目编号：2010ZX6002-10

吴彦农(1986—)，男，天津人，工程师/硕士，机械工程专业，现主要从事核电厂运行事件和安全重要物项修改审评工作

*通讯作者:孙国臣，E-mail:sunguochen@chinansc.cn

TL38

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1672- 5360(2017)01- 0026- 07