针对红沿河核电站冷源取水海冰堵塞风险的数值模拟预警设计初探

史文奇，袁帅，宋丽娜，张煜巾，许宁，刘雪琴，马玉贤

（国家海洋环境监测中心，大连 116023）

随着经济的快速发展，我国能源需求不断扩大，核电作为一种清洁能源对于满足我国电力需求、优化能源结构、保障能源安全、促进经济持续发展具有战略性意义，同时，发展核电也是实现能源、经济、环境协调发展的有效途径。目前，已有十几座核电站在我国沿海运行，并有十几座正在建设中。根据“十三五”规划，预计2030 年中国将有110 座以上的核电站投入运行，核电装机规模将达1.2 亿～1.5 亿千瓦，核电发电量占比由当前的2 %提升至8%～10%。然而，日益增多的海洋垃圾以及海洋生物、泥沙、海冰等都会成为威胁核电冷源取水安全的堵塞物（颜国呈 等，2016；Alsaffar et al，2006；阮国萍，2015；陈锋，2009）。这些堵塞物如果被大量抽入取水工程，堵塞取水构件，将严重威胁冷源取水正常工作，对核电站的安全运行造成巨大隐患（Shi et al，2016；刘诗华等，2015）。其中，海冰堵塞是我国核电行业面临的新型问题。

已有研究表明，寒冷地区大型水电站，市政供水系统及抽水蓄能电站等其他取水工程在不同程度上都面临着冰堵塞取水口的风险（Richard et al，2008， 2011； Gebre et al， 2013； Vatin et al，2015）。据调研，国外核电站发生过海冰影响冷源取水的事件。如芬兰一核电站因大量碎冰屑进入取水口，导致两个压水堆反应堆安全停堆。俄罗斯一核电厂的1 号机组满功率运行时，突然降温造成冷却水池内严重结冰，冰屑堵塞了取水口拦污格栅，降低了进入循环水泵的冷却水流量，导致机组停机。

目前，已经有多座核电站在我国有冰海域分布（图1）。大型核电工程分布在有冰海域已成必然。较之海冰对取水构筑物冲击引发的结构性失效，海冰堵塞取水通道影响冷源取水效率的风险更大。冷却水的不足可直接影响核电厂的正常运行，甚至影响核安全（Xu et al，2016）。

图1 我国冰区核电站分布示意图

国家海洋环境监测中心拥有国内首支针对核电冷源安全海冰风险进行深入研究的团队（Shi et al，2016；Xu et al，2016，2017）。该团队梳理出核电冷源安全海冰致险模式的3 种主要方式，即巨厚冰体堵塞、碎冰堆积与下潜以及冰絮骤凝。已经运行的冰区核电站，设计建设时未充分考虑海冰堵塞冷源取水路径风险，核电冷源取水安全受到较大威胁。针对这一问题，国家海洋环境监测中心开展了核电站周边海域的冰情观测工作，并建立了集水面、水下、定点和动态监测为一体的海冰立体观测方案，构建了集视频、激光、声学和应力感应等多手段结合的冷源安全保障观测体系。

然而，仅仅依靠观测和经验判断不足以定量指导预警工作，数值模拟是进行科学预警的必需技术手段。海冰数值模拟预警研究是较大的研究题目，数值方法的选择是其中重要方面。不同数值方法各有优劣，已有相关研究进行专门论述（季顺迎等，2011）。由于核电冷源取水海冰堵塞问题是一个较新的问题，尚无充足的实践来证明哪种数值方法最优，故本文没有明确数值方法。

目前尚无针对核电冷源取水海冰风险的数值模拟预警范例，本文以辽东湾东岸的红沿河核电站为例（如无特殊说明，下文的核电站均指该核电站），从针对不同海冰致险模式的数值模拟预警的实施流程、模拟范围选取等方面进行阐述，给出核电冷源安全海冰数值模拟预警的设计思路。通常风险预警时效多为24 h，因此本文的相关论述也是基于24 h的预警时效。事实上，预警时效的选择对于本文的主要结论影响不大。

1 海冰致险模式简介

核电冷源取水是重要厂用水系统（SEC）的一部分，重要厂用水系统的功能是把由设备冷却水系统收集的热负荷输送到最终热阱——海水。选取的冰区核电站一期工程有4 台机组，每个机组都有独立的SEC 取水系统。由图2 可知，在水泵的作用下，海水由外海进入取水口，然后经过取水直立墙、粗格栅（孔径为分米级）后进入取水涵洞（长约2 km）；经取水涵洞进入泵站前池，接着依次经过细格栅（孔径为厘米级）、转鼓滤网（孔径为毫米级） 过滤后，向核岛提供冷却水。因此，粗格栅、细格栅、转鼓滤网为冷源取水系统中过滤海水的三道屏障，也是容易发生海冰堵塞的脆弱构件。

图2 核电站冷源取水的前端取水路径示意图

基于核电冷源取水路径，针对其中的3 个关键脆弱构件，分析核电冷源安全海冰致险模式主要有3 种：（1）巨厚冰体威胁。这些冰体在潮流和风的作用下，可到达取水口，既能遮挡部分取水口过水截面，又能凭借巨大冲击力损毁取水构筑物。（2）碎冰堆积与下潜。在水动力较弱时，取水口前的碎冰会在取水直立墙前形成稳定堆积，加之海冰热力增长、波浪与潮流共同作用，有可能造成取水口粗格栅的堵塞。另一方面，随着浪和流的综合作用，浮冰块可下潜，部分碎冰可能在巨大取水水流作用下通过取水口粗格栅，进入取水涵洞，堵塞细格栅（Xu et al，2016）。 （3） 冰晶骤凝。在冬季低温环境下，悬浮于海水中的冰晶，在通过细格栅和转鼓滤网时，能够很快地附着或冻结于格栅和网眼上，从而堵塞细格栅或转鼓滤网，减少过水截面，威胁取水安全。

由于不同海冰致险模式对应的海冰形态、致险机理截然不同，相应的数值模拟预警的流程和方法会有较大差异。下面将分别讨论针对不同海冰致险模式的数值模拟预警流程。

2 核电站海域冰情

辽宁红沿河核电站位于辽东湾东南岸，地理坐标为121毅28忆E—121毅33忆E，39毅45忆N—39毅50忆N，作业海域每年冬季均会出现海冰。近几年渤海冰情等级变化较大，其中2017/2018 年冬季为常冰年。下面以2017/2018 年冬季为例，利用现场海冰监测结果，介绍作业海域的海冰特征。

图3 2017/2018 年冬季作业海域冰量和密集度变化图

2017/2018 年冬季，作业海域初冰日在2018年1 月5 日，终冰日为2018 年3 月4 日，冰期跨度3个月份，共58 d。由图3 可知，作业海域冰量和密集度波动较大。这是由于该处的地理位置和地形等原因，形成了开阔流场，且潮流较强，使海冰难以滞留在本地。此外，与局地的风场有较大关系，尤其是离岸风作用下易导致浮冰离岸运动。其中冰量在8 成以上的日数为29 d，多在1 月中旬到2 月中旬。

海水温度是浮冰生消的关键要素。红沿河海水盐度约为28，海水冰点约为-1.4 益。从图4 可看出，表层海水温度在1 月中旬才降到-1.4 益，之前表层水温在0 益左右。这说明初冰期的浮冰都源于北部海域，非本地生成。当表层海水温度到达冰点，海面未被浮冰覆盖，且在气温持续较低情况下，易产生大量的冰晶，而增加冰晶骤凝的风险。

图4 2017/2018 年冬季作业海域表层水温变化图

由于作业海域海冰多非本地生成，而是由北面漂浮而来，长距离的漂移使得海冰易发生破碎，故作业海区浮冰的冰型多为碎冰，浮冰直径多小于2 m。由于海水温度偏高，在无连续长时间的低于冰点温度的情况下，较难形成稳定的浮冰盖，无法对海浪形成显著抑制作用。而核电站的取水口面朝北，冬季多为较强北风，为向岸风，产生海浪的搅拌作用较强，易于碎冰块的下潜。

图5 核电站周边海域出现的巨厚冰体

观测发现，作业海域初冰期的浮冰以初生冰、尼罗冰为主，并没有浮冰生成并逐渐增厚的过渡阶段，这也说明浮冰大多非本地生成。盛冰期的浮冰以灰冰、灰白冰、尼罗冰为主，冰厚一般可达20 cm左右。受潮汐和北风作用，浮冰易在近岸浅滩发生堆积重叠，堆积高度可达5 m。基本每年冬季核电周边海域皆会观测到高达3 m、直径5 m 左右的大冰盘（图5）。这些巨厚冰体是由堆积冰重新冻结而成，并可能在风和海流作用下重新入海，而对核电取水口造成威胁。

3 针对不同海冰致险模式的数值模拟预警流程

3.1 巨厚冰体威胁

对于巨厚冰体，首先应关注其运动轨迹，判断是否会运动到取水口。其次，巨厚冰体到达取水口的形态和动能也是评估风险的必需要素。由于24 h内巨厚冰体的厚度变化较小，可不进行热力学模拟。因此，巨厚冰体的轨迹模拟是该致险模式下海冰预警的重点，适宜使用拉格朗日计算模块进行模拟。

海冰运动受多个动力环境因素综合影响（季顺迎等，2011），单个取水口仅为数十米宽，数值模拟准确度较难达到该精度。在现阶段的技术条件下，适宜选定取水口周边小范围海域（直径在百米级）作为“威胁区域”，将巨厚冰体是否会运动到“威胁区域”作为预警条件。威胁区域的选取，可考虑取水量、潮流、岸线、模型网格等因素综合制定。

巨厚冰体的模拟预警流程中（图6），首先对“关注区”（关注区的范围应不小于海冰24 h 运动范围）开展一定频次的巨厚冰体监测，查找并标示存在的巨厚冰体。对于已经漂在海面上的可自由漂动的巨厚冰体，应立即开展轨迹模拟。对于搁浅的巨厚冰体，进行人工或跟踪器监视，密切关注其动态，一旦发现其入海自由漂动，即开展轨迹模拟。基于数值模拟结果判断冰块是否将在24 h 内运动到冷源取水的“威胁区域”。如果是，判断巨厚冰体厚度堵塞取水口程度和动能对取水构造物损害大小。如果不是，继续判断冰块是否会漂离关注区；如果没有漂离，那么继续跟踪模拟；如果冰块漂离关注区，则针对该冰块的模拟和监测终止。

图6 巨厚冰体数值模拟预警流程简图

3.2 冰块堆积和下潜

受核电冷源巨量取水（取水流速约为0.5 m/s）影响，中小冰块在一定的水位、海况、流速等动力条件情况下，在取水直立墙前10 m 范围内会发生下潜。在2015 年2 月9 日，发现在取水直立墙后有灰冰，而未取水的取水口直立墙后仅有冰皮存在，推断这些灰冰由外部下潜进入（图7）。此外，在一定的热力条件下，冰块可在取水口形成较厚的堆积，影响过水截面。由于目前在核电站取水口尚未发现有冰块堆积现象，对这种风险的模拟预警暂不予讨论，重点讨论下潜风险的预警。

图7 海冰下潜进入取水直立墙后的照片

核电站为了防止漂浮物进入取水通道内，将取水口布设在海面以下数米。海冰的密度小于海水，一般情况下漂浮在海面上，较难下潜到取水口。然而，如果有较强的波浪搅拌以及较低的潮位共同作用，在取水口巨大的抽水流速下，海冰可下潜进入取水口。由于核电站取水口已有一定的防冰、抗冰设计，海冰下潜多发生在超低水位和恶劣海况的极端情况下。针对冰块下潜的风险预警模拟，不仅需要冰情的模拟，还需要水位和海浪等动力环境要素预报。此外，取水口流速也会直接影响海冰下潜的发生。事实上，取水直立墙附近的流速主要受取水影响，受潮流影响很小，该处流速可以仅通过电站取水情况得到，不需要进行模拟。目前海冰下潜机理研究还处在初期阶段，具体的海冰下潜条件，还需进行更深入研究。然而，基于已有的研究成果依然可以构建可用的数值模拟预警方法。

在该数值模拟预警中（图8），首先，通过模拟的24 h 水位及海浪，得出易发生下潜的海冰的尺度和形状，定义为危险冰块。接着，基于海冰模拟得到冰情预报结果，结合统计结果或经验公式得到取水直立墙10 m 范围内的危险冰块量，评估冰块下潜带来的风险。如果该风险达到一定阈值，则发布相应级别的预警信息。由于技术的局限性及冰块下潜过程的复杂性，现阶段不适宜进行精确化的模拟预警，而更适合使用概率的思路来进行数值模拟预警。

图8 中小冰块下潜数值模拟预警流程图

3.3 冰晶骤凝

冰晶的生成多见于海冰发展的初期阶段，其存在时间较短，很容易变成糊状冰絮，并进一步发展成冰皮，或冻结在已有的海冰上促成冰厚的增长。冰晶和冰絮的尺寸细小，密度与海水相近，在海水中悬浮，很容易被取水工程吸入。冰晶和冰絮具有极强的黏性，易附着在人工结构上冻结，可堵塞取水通道。目前，冰晶是不同取水工程海冰堵塞的主要问题（Daly，1994）。国外已有针对在强扰动水流下过冷却过程中的碎冰晶凝结发展(Osterkamp，1978；Tsang et al，1985；Clark et al，2009) 及其对通道内流量影响的相关研究（Daly et al，2006；Mathieu et al，2014；McFarlane et al，2015）。有研究表明，稳定的冰层可以避免碎冰晶的演变发展（Richard et al，2008），该结论已作为取水工程选址的重要依据。

而在核电站，冰晶对于取水路径上的多个构件都可造成威胁，尤其是孔眼细小的转鼓滤网。为了防止冰晶的影响，该核电站设计了热水回流系统，当冬季外海海水温度较低时，开启热水回流，回流量约为排水量的25 %，回流水的温升约为9 益。通过简单热力学计算可得，该热水回流可融化的海水中冰晶含量最大质量百分比为2.7%。即当海水中冰晶含量大于2.7%时，该热水回流系统就不能阻止冰晶在前池的累积。因此，核电设计的热水回流对防治冰晶的作用有限。

目前，对冰晶的模拟研究尚属空白，一般的海冰热力学模型，将冰晶的产生处理为海冰厚度的增加，无法反映海冰的冰晶和冰絮状态。对冰晶骤凝风险的预警，现阶段是基于监测结合经验判断得到。对冰晶的模拟预警需要研发新的数值模型。

4 海冰模式范围选取

在核电冷源安全海冰预警数值模拟中，模拟范围的选取是模拟实施面临的首要问题。模拟的范围过大，在相同模拟效率下，模拟精度将难以满足工程尺度的要求；模拟范围过小，又不能完全覆盖可能的海冰风险，且无足够的预警时效性。合理的模拟范围应以预警时效内海冰的运动范围为基准。2012/2013 年、2013/2014 年两个冬季，利用激光测距仪与罗经在核电站一期取水口进行冰速测量（Shi et al，2016），浮冰运动速度和方向分布特征见图9。基于这些浮冰运动速度观测结果，可简单分析24 h 内浮冰运动范围，来大体确认模拟范围。

图9 实测浮冰运动速度与方向统计图

4.1 考虑极端情况

由于此处的潮流主要为半日往复潮流特征，主流向与岸线基本平行（Shi et al，2016）。由图9 可知，观测得到的浮冰运动方向主要为NE-SW，即平行岸线的宏观走向。与已有研究指出的海冰的运动主要受潮流控制一致（季顺迎等，2011）。

在平行于岸线方向上，最大浮冰运动速度大于160 cm/s，然而该样本仅有一个，其他浮冰运动速度都小于140 cm/s。基于一般性考虑，使用150 cm/s作为极大浮冰运动速度。基于半日潮流的波动特征，潮流最长可在6 h 左右保持一个方向，因此海冰可在6 h 内保持一个运动方向。利用150 cm/s 浮冰运动速度易得，浮冰6 h 的漂移距离为33 km。在约12 h 的半日潮周期内，潮流发生一次周期变化。如果没有风的作用，浮冰将在潮流的作用下基本回到初始位置；考虑到风的因素，浮冰将发生一定的净位移。关于风场对于浮冰运动速度的影响，已有的研究表明风对浮冰运动的影响多小于海流的影响（季顺迎等，2016）。基于统计结果，一般情况下仅由风引起的浮冰运动速度小于80 cm/s（Shi et al，2016）（流速小于20 cm/s 情况下）。已有研究表明，风和海流对浮冰运动的影响是相互耦合的，风和海流对浮冰作用力和海冰与两者的相对速度成正比（季顺迎等，2011）。两者耦合驱动的浮冰运动速度小于两者分别驱动的浮冰运动速度的简单矢量和。这里为了包括更多的可能情况，可简单认为风与海流对浮冰运动速度的影响相互独立，得到更大的浮冰运动范围。当风引起浮冰运动速度达到80 cm/s 时候，一个潮周期内的浮冰运动最大距离为仅风驱动的距离，即约为33 km。基于上述讨论，可推断24 h 内，该浮冰运动距离可达66 km。

在垂直岸线的方向上，浮冰运动速度较小，基本不超过50 cm/s（图9），这里使用50 cm/s 作为估计值。由于垂直岸线方向上基本没有潮流的分量，因此该运动基本皆为风场的作用，因此可估算垂直岸线方向的6 h 浮冰漂移距离为11 km，12 h为22 km，24 h 为44 km。因此，数值模拟的范围应该为以核电站为中心，平行岸线方向上132 km长度范围；垂直岸线方向上44 km 的范围；模拟面积约为5.9 伊103km2。

表1 极端情况下浮冰最大运动距离

4.2 考虑一般情况

上述极端情况的模拟范围偏大且可能过于保守，在米级网格下，对计算要求较高。如果考虑一般情况，可使用统计平均的浮冰运动速度计算浮冰运移范围。计算得到的平行于岸线的浮冰运动速度均值约为43 cm/s，垂直方位上为35 cm/s。流速小于20 cm/s 情况下的浮冰运动速度均值为33 cm/s，可认为风影响的浮冰运动速度平均为33 cm/s。同上述分析可以得到浮冰运动范围见表2。在进行预警模拟中，模拟范围应该以核电站为中心，平行岸线方向上36 km 长度范围；垂直岸线方向上31 km 的范围；模拟面积约为1.1伊103km2。

表2 一般情况下浮冰最大运动距离

5 结论与展望

目前，已运行的国内外核电站发生了一些海冰风险事件，而我国尚无滨海核电站冰区运行的成熟经验，我国冰区核电站的安全运行受到海冰的巨大威胁。应对海冰风险的防范策略和冰期安全运行体系有待建立。核电冷源安全海冰数值模拟预警是建立和完善核电冷源安全保障体系的关键部分。本文以辽东湾东岸的红沿河核电站为例，介绍了巨厚冰体堵塞、冰块堆积和下潜以及冰晶骤凝3 种不同核电冷源安全的海冰致险模式，给出了不同致险模式的数值模拟预警流程框架和可行性方案，并对数值模拟范围选取进行重点阐述。在目前技术水平下，本文给出的核电冷源安全海冰数值模拟预警流程合理、可行、有效。分析得出的满足24 h 预警时效的数值模拟范围约为103km2。虽然上述分析仅是简单近似，详细的论证应通过数值模拟进行，然而本文给出的量级与实际情况相符。若要有效分辨工程尺度（米级）的取水口，需要网格数达109左右。高计算网格数下保证较高的计算效率，是目前海冰数值模拟面临的突出问题。

本文内容尚在初步探讨阶段，仅给出了框架和思路，定性内容居多，很多具体细节需要进一步完善和定量分析。本文在核电冷源安全海冰风险的数值模拟预警设计上的初步结果，希望能为国内相关工作者提供一定参考。