劉毅，陳豐2，王洋，李慧子

(1.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064；2.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

近年來，我國濱海核電廠陸續(xù)報告了多起由于海生物堵塞取水系統(tǒng)而引發(fā)的污損事件，相關(guān)異常報告的數(shù)量呈增多態(tài)勢[1]。海生物附著在平臺外板和螺旋槳表面，增加表面粗糙度，導(dǎo)致航速降低、燃料猛增；或污損聲納罩，干擾聲波傳遞，降低靈敏度；或堵塞海水冷卻系統(tǒng)取水口，導(dǎo)致機組被迫降功率或停堆停機，甚至?xí)穗娖脚_最終熱阱的可用性構(gòu)成威脅[2]?？紤]以某濱海核電廠防海生物措施為例[3]，分析濱海核電廠主要采用的方海生物污損技術(shù)。

1 濱海核電廠防海生物污損措施

1.1 循環(huán)水過濾系統(tǒng)

濱海核電廠設(shè)有循環(huán)水過濾措施，其功能是過濾冷卻海水中的雜質(zhì)，保障冷卻設(shè)備正常運行。循環(huán)水過濾系統(tǒng)由多條獨立的進口水渠、水閘門、攔污柵、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)組成，見圖1。

從取水渠來的循環(huán)海水，由粗濾柵擋住大塊的漂浮物體進入水閘門。水閘門上裝有帶噴嘴的次氯酸鈉注射管，用于向進口循環(huán)水中注射次氯酸鈉殺死海生物。攔污柵的柵格間距為50 mm，能夠過濾大部分海生物。經(jīng)過粗濾網(wǎng)過濾的海水接著進入鼓型旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)細(xì)過濾。海水從濾網(wǎng)外部流過(3×3)mm篩孔進入旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)，流動過程中進一步過濾海生物。

1.2 取水口預(yù)攔截裝置

為降低濾網(wǎng)的過濾壓力，電廠在取水明渠上增設(shè)氣幕裝置、三道正式攔污網(wǎng)、臨時海生物攔截設(shè)施進行預(yù)攔截，見圖2。

取水口最外側(cè)設(shè)有氣幕裝置[4]，其原理是通過空壓機向布置于進水明渠入口處海底的管道內(nèi)充入壓縮空氣，壓縮空氣沿設(shè)置于管道上的噴嘴噴出后形成一道由氣泡組成的氣幕墻。

攔截網(wǎng)按網(wǎng)孔大小及結(jié)構(gòu)類型劃分，分為水母攔截網(wǎng)及攔蝦網(wǎng)，見表1[5]。取水口還配備有打撈船，在海生物暴發(fā)時進行打撈作業(yè)。

表1 取水口預(yù)攔截裝置各級設(shè)施功能

1.3 海生物監(jiān)測預(yù)警裝置

典型的海生物監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)由聲納探測器、紅外攝像儀、水下攝像頭組成；同時，電廠還可結(jié)合衛(wèi)星遙感監(jiān)測赤潮/溢油等海洋災(zāi)害。

聲納系統(tǒng)采用專業(yè)數(shù)字掃描聲吶作為主探測器。該聲吶工作頻率范圍130～210 kHz，掃描周期6 s，分辨率高，適合集群水生物探測。數(shù)字掃描聲吶工作頻率合適，在最高頻率210 kHz 情況下可實現(xiàn)150 m探測距離，分辨率可達到0.1 m。數(shù)字掃描聲吶探測效果見圖3。

圖1 某濱海核電廠循環(huán)水系統(tǒng)組成

圖2 某濱海核電廠取水口預(yù)攔截措施示意

圖3 數(shù)字掃描聲吶探測效果

紅外攝像儀由高清白光攝像頭和熱成像儀兩種攝像頭組成(雙槍型結(jié)構(gòu))，監(jiān)控單元的此種組合是基于兼顧高清分辨率和生物探測的需要。在光線和可見度較好的白天主要由白光攝像頭進行監(jiān)控，此時可充分保證監(jiān)控的精度。在陰天雨天等極端氣候條件和夜晚光線較弱的情況下主要由熱成像儀執(zhí)行監(jiān)控工作。

水下攝像頭用于成像，通過回傳圖像，對水下進行海生物監(jiān)測，還可通過圖像處理，提取出圖像特征。水下攝像頭還配備了水下LED光源，采用PID算法進行自適應(yīng)控制，使光源能隨環(huán)境光強變化不斷改變自身的亮度，使監(jiān)測系統(tǒng)處于一個亮度穩(wěn)定的監(jiān)測環(huán)境中。

衛(wèi)星遙感是非接觸的、遠(yuǎn)距離的探測技術(shù)，通過遙感器獲取物體反射、輻射或散射的電磁波信息(如電場、磁場、電磁波、地震波等信息)，并進行提取、判定、加工、處理、分析，從而實現(xiàn)赤潮/溢油等監(jiān)測預(yù)警。遙感監(jiān)測赤潮是通過建立實測葉綠素的濃度與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的模型，從而達到通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演葉綠素濃度進行監(jiān)測預(yù)警的目的。

1.4 海生物爆發(fā)風(fēng)險管理系統(tǒng)

海生物暴發(fā)風(fēng)險管理主要手段如下。

1)調(diào)研電廠附近海生物種類。

2)建立海生物暴發(fā)風(fēng)險日歷表。

3)結(jié)合生物種類及月歷表制定冷源事件應(yīng)對措施。見表2。由于海洋環(huán)境變化可能會造成冷源生物威脅物種和風(fēng)險時段發(fā)生變化，為保證冷源生物風(fēng)險日歷的適用性，核電廠會定期升版風(fēng)險月歷。

表2 某濱海核電廠海生物冷源風(fēng)險月歷

2 水面艦艇防海生物污損技術(shù)

2.1 防污海水濾器

目前國內(nèi)外水面艦艇上防污海水濾器形式比較多樣，有利用電機帶動刮片對濾器進行清污，再利用排污管道排出船外的濾器；也有利用高壓海水對濾器的濾網(wǎng)進行反沖洗進行排污的海水濾器。一種典型的防污海水濾器結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 防污海水濾器結(jié)構(gòu)示意

2.2 電解海水防污技術(shù)

電解海水防污技術(shù)的實質(zhì)是，以海水作為電解質(zhì)，利用電解池，通過電化學(xué)反應(yīng)，制備一些能夠抑制、或者滅活海洋生物生長的化學(xué)物質(zhì)，比如氯。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)明確了電解海水產(chǎn)生次氯酸鈉加藥濃度為0.1～1.0 mg/L ，同時對裝置的電解產(chǎn)氯效率、能耗以及電解電流和電壓設(shè)計提出了明確要求[6]。

水面艦艇一般在海底閥箱或海水粗濾器上安裝電解海水防污裝置，見圖5。

2.3 超聲波防海生物技術(shù)

超聲波防海生物技術(shù)原理是當(dāng)功率型超聲波高頻振動作用于水中時，會產(chǎn)生機械效應(yīng)、溫?zé)嵝?yīng)、空化效應(yīng)、熱解和自由基效應(yīng)。超聲波在特定條件下，能明顯驅(qū)除聲場區(qū)域的水生物，殺滅水生物卵細(xì)胞和幼蟲；能明顯抵制藻類的生長。

超聲波防污可根據(jù)對象物表面生物附著狀況來改變頻率。低頻時，利用空穴產(chǎn)生的沖擊波將附著物清除，并產(chǎn)生超聲波空化效應(yīng)。實驗表明，可有效殺死海生物的超聲波頻率為22 kHz，超聲波強度為0.3～0.5 W/cm2。高頻時，通過水的振蕩沖擊來達到防污的目的[7]。

2.4 防污漆技術(shù)

涂料的表面能決定海生物在其表面的附著強度，涂層表面能越低，海生物附著越困難，即使有附著，附著強度也不大，當(dāng)涂有低表面能涂層的船舶以一定速度開動時，附著在其表面的海生物就會自動脫落[8]。

涂料表面能低于2.5×10-4N/m，即涂料與液體接觸角大于98°時才具有防污效果。有試驗表明，涂層的表面能低于1.2×10-4N/m時，才能防止藤壺附著[9]。

無論哪種類型的防污漆，要達到防污效果，必須保證船舶時常處于航行狀態(tài)中，且對航速有一定的要求。核電平臺的工作模式?jīng)Q定了其長期處于停航狀態(tài)，因此防污漆的使用效果比較有限。

2.5 海洋生物監(jiān)測技術(shù)

結(jié)合現(xiàn)有海洋生物監(jiān)測手段，如衛(wèi)星遙感、光學(xué)探測、聲學(xué)探測等，聲學(xué)探測是最有效、最可靠、最直接的海洋生物監(jiān)測手段。目前海洋生物監(jiān)測技術(shù)如下。

1)全向遠(yuǎn)距離觀測海洋生物群。

2)航道前視海洋生物探測。

3)船舶當(dāng)前海域海洋生物監(jiān)測、識別和緊急報警。

4)水下關(guān)鍵點實時監(jiān)控系統(tǒng)。

2.6 水聲驅(qū)離技術(shù)

不同種類的魚對不同頻率和不同聲壓級的聲音的感知能力是不同的。

一般魚類對1.3 kHz以下頻率的聲音有感知，對600 Hz以下頻率的聲音感知能力最強，對特定頻率的140～160 dB 聲壓級突發(fā)性聲音有受驚嚇的反應(yīng)[10]。

由于海魚種類繁多，且每種魚對聲音的感知不同，利用聲學(xué)原理驅(qū)魚不能適用所有魚類，因此，該技術(shù)使用效果受限。

2.7 水下清潔機器人技術(shù)

隨著工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展，水下機器人越來越多得應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域。水下清潔機器人主要由：潛水器、高清水下攝像頭、聲吶設(shè)備、高壓水槍、機械手臂等組成，具備水下聲吶探測、視頻觀測和高壓沖洗的能力，見圖6。

圖6 水下清潔機器人實物

核電平臺在日常運行期間，通海閥箱浸沒在海水中，因此無法對通海閥箱內(nèi)壁和格柵進行清理。當(dāng)通海閥箱取水口格柵堵塞時，整個海水系統(tǒng)將無法取水。

3 結(jié)論

根據(jù)核電平臺空間緊湊、熱負(fù)荷大、用水量大、航行海域復(fù)雜、可移動等特點，并結(jié)合核電平臺近海航行、系泊發(fā)電、靠港換料等工作情景，對各種防海生物污損技術(shù)進行適用性和效用分析，將核電平臺全周期防海生物污損技術(shù)方案分為三個層級：預(yù)警、主動干預(yù)(規(guī)避、驅(qū)防、應(yīng)急處置)和被動干預(yù)(預(yù)攔截、消殺、過濾、臨時水源)。不同層級適用的主要技術(shù)手段見表3。

表3 核電平臺全周期防海生物污損技術(shù)方案