核电平台海水系统防海洋生物污损技术

刘毅，陈丰2，王洋，李慧子

(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064；2.中广核研究院有限公司，广东 深圳 518000)

近年来，我国滨海核电厂陆续报告了多起由于海生物堵塞取水系统而引发的污损事件，相关异常报告的数量呈增多态势[1]。海生物附着在平台外板和螺旋桨表面，增加表面粗糙度，导致航速降低、燃料猛增；或污损声纳罩，干扰声波传递，降低灵敏度；或堵塞海水冷却系统取水口，导致机组被迫降功率或停堆停机，甚至会对核电平台最终热阱的可用性构成威胁[2]。考虑以某滨海核电厂防海生物措施为例[3]，分析滨海核电厂主要采用的方海生物污损技术。

1 滨海核电厂防海生物污损措施

1.1 循环水过滤系统

滨海核电厂设有循环水过滤措施，其功能是过滤冷却海水中的杂质，保障冷却设备正常运行。循环水过滤系统由多条独立的进口水渠、水闸门、拦污栅、旋转滤网组成，见图1。

从取水渠来的循环海水，由粗滤栅挡住大块的漂浮物体进入水闸门。水闸门上装有带喷嘴的次氯酸钠注射管，用于向进口循环水中注射次氯酸钠杀死海生物。拦污栅的栅格间距为50 mm，能够过滤大部分海生物。经过粗滤网过滤的海水接着进入鼓型旋转滤网细过滤。海水从滤网外部流过(3×3)mm筛孔进入旋转滤网内侧，流动过程中进一步过滤海生物。

1.2 取水口预拦截装置

为降低滤网的过滤压力，电厂在取水明渠上增设气幕装置、三道正式拦污网、临时海生物拦截设施进行预拦截，见图2。

取水口最外侧设有气幕装置[4]，其原理是通过空压机向布置于进水明渠入口处海底的管道内充入压缩空气，压缩空气沿设置于管道上的喷嘴喷出后形成一道由气泡组成的气幕墙。

拦截网按网孔大小及结构类型划分，分为水母拦截网及拦虾网，见表1[5]。取水口还配备有打捞船，在海生物暴发时进行打捞作业。

表1 取水口预拦截装置各级设施功能

1.3 海生物监测预警装置

典型的海生物监控预警系统由声纳探测器、红外摄像仪、水下摄像头组成；同时，电厂还可结合卫星遥感监测赤潮/溢油等海洋灾害。

声纳系统采用专业数字扫描声呐作为主探测器。该声呐工作频率范围130～210 kHz，扫描周期6 s，分辨率高，适合集群水生物探测。数字扫描声呐工作频率合适，在最高频率210 kHz 情况下可实现150 m探测距离，分辨率可达到0.1 m。数字扫描声呐探测效果见图3。

图1 某滨海核电厂循环水系统组成

图2 某滨海核电厂取水口预拦截措施示意

图3 数字扫描声呐探测效果

红外摄像仪由高清白光摄像头和热成像仪两种摄像头组成(双枪型结构)，监控单元的此种组合是基于兼顾高清分辨率和生物探测的需要。在光线和可见度较好的白天主要由白光摄像头进行监控，此时可充分保证监控的精度。在阴天雨天等极端气候条件和夜晚光线较弱的情况下主要由热成像仪执行监控工作。

水下摄像头用于成像，通过回传图像，对水下进行海生物监测，还可通过图像处理，提取出图像特征。水下摄像头还配备了水下LED光源，采用PID算法进行自适应控制，使光源能随环境光强变化不断改变自身的亮度，使监测系统处于一个亮度稳定的监测环境中。

卫星遥感是非接触的、远距离的探测技术，通过遥感器获取物体反射、辐射或散射的电磁波信息(如电场、磁场、电磁波、地震波等信息)，并进行提取、判定、加工、处理、分析，从而实现赤潮/溢油等监测预警。遥感监测赤潮是通过建立实测叶绿素的浓度与卫星数据的模型，从而达到通过卫星数据反演叶绿素浓度进行监测预警的目的。

1.4 海生物爆发风险管理系统

海生物暴发风险管理主要手段如下。

1)调研电厂附近海生物种类。

2)建立海生物暴发风险日历表。

3)结合生物种类及月历表制定冷源事件应对措施。见表2。由于海洋环境变化可能会造成冷源生物威胁物种和风险时段发生变化，为保证冷源生物风险日历的适用性，核电厂会定期升版风险月历。

表2 某滨海核电厂海生物冷源风险月历

2 水面舰艇防海生物污损技术

2.1 防污海水滤器

目前国内外水面舰艇上防污海水滤器形式比较多样，有利用电机带动刮片对滤器进行清污，再利用排污管道排出船外的滤器；也有利用高压海水对滤器的滤网进行反冲洗进行排污的海水滤器。一种典型的防污海水滤器结构见图4。

图4 防污海水滤器结构示意

2.2 电解海水防污技术

电解海水防污技术的实质是，以海水作为电解质，利用电解池，通过电化学反应，制备一些能够抑制、或者灭活海洋生物生长的化学物质，比如氯。国内标准明确了电解海水产生次氯酸钠加药浓度为0.1～1.0 mg/L ，同时对装置的电解产氯效率、能耗以及电解电流和电压设计提出了明确要求[6]。

水面舰艇一般在海底阀箱或海水粗滤器上安装电解海水防污装置，见图5。

2.3 超声波防海生物技术

超声波防海生物技术原理是当功率型超声波高频振动作用于水中时，会产生机械效应、温热效应、空化效应、热解和自由基效应。超声波在特定条件下，能明显驱除声场区域的水生物，杀灭水生物卵细胞和幼虫；能明显抵制藻类的生长。

超声波防污可根据对象物表面生物附着状况来改变频率。低频时，利用空穴产生的冲击波将附着物清除，并产生超声波空化效应。实验表明，可有效杀死海生物的超声波频率为22 kHz，超声波强度为0.3～0.5 W/cm2。高频时，通过水的振荡冲击来达到防污的目的[7]。

2.4 防污漆技术

涂料的表面能决定海生物在其表面的附着强度，涂层表面能越低，海生物附着越困难，即使有附着，附着强度也不大，当涂有低表面能涂层的船舶以一定速度开动时，附着在其表面的海生物就会自动脱落[8]。

涂料表面能低于2.5×10-4N/m，即涂料与液体接触角大于98°时才具有防污效果。有试验表明，涂层的表面能低于1.2×10-4N/m时，才能防止藤壶附着[9]。

无论哪种类型的防污漆，要达到防污效果，必须保证船舶时常处于航行状态中，且对航速有一定的要求。核电平台的工作模式决定了其长期处于停航状态，因此防污漆的使用效果比较有限。

2.5 海洋生物监测技术

结合现有海洋生物监测手段，如卫星遥感、光学探测、声学探测等，声学探测是最有效、最可靠、最直接的海洋生物监测手段。目前海洋生物监测技术如下。

1)全向远距离观测海洋生物群。

2)航道前视海洋生物探测。

3)船舶当前海域海洋生物监测、识别和紧急报警。

4)水下关键点实时监控系统。

2.6 水声驱离技术

不同种类的鱼对不同频率和不同声压级的声音的感知能力是不同的。

一般鱼类对1.3 kHz以下频率的声音有感知，对600 Hz以下频率的声音感知能力最强，对特定频率的140～160 dB 声压级突发性声音有受惊吓的反应[10]。

由于海鱼种类繁多，且每种鱼对声音的感知不同，利用声学原理驱鱼不能适用所有鱼类，因此，该技术使用效果受限。

2.7 水下清洁机器人技术

随着工业机器人技术的发展，水下机器人越来越多得应用于海洋工程领域。水下清洁机器人主要由：潜水器、高清水下摄像头、声呐设备、高压水枪、机械手臂等组成，具备水下声呐探测、视频观测和高压冲洗的能力，见图6。

图6 水下清洁机器人实物

核电平台在日常运行期间，通海阀箱浸没在海水中，因此无法对通海阀箱内壁和格栅进行清理。当通海阀箱取水口格栅堵塞时，整个海水系统将无法取水。

3 结论

根据核电平台空间紧凑、热负荷大、用水量大、航行海域复杂、可移动等特点，并结合核电平台近海航行、系泊发电、靠港换料等工作情景，对各种防海生物污损技术进行适用性和效用分析，将核电平台全周期防海生物污损技术方案分为三个层级：预警、主动干预(规避、驱防、应急处置)和被动干预(预拦截、消杀、过滤、临时水源)。不同层级适用的主要技术手段见表3。

表3 核电平台全周期防海生物污损技术方案