侯樹強(qiáng)，王彥龍，劉詩華

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

濱海核電廠取水泵房前池水位波動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的探討

侯樹強(qiáng)，王彥龍，劉詩華

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

主要論述泵房前池水位波動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的提出、相關(guān)規(guī)范要求以及水位波動(dòng)模擬和測定方法，結(jié)合具體的工程實(shí)例對(duì)泵房前池水位波動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)以及長周期水位波動(dòng)影響進(jìn)行初步探討。針對(duì)采用取水明渠+岸邊式泵房取水的濱海核電廠取水泵房前池水位波動(dòng)控制問題，對(duì)極端氣象條件下 （如 100 a 一遇高潮位+50 a 一遇波浪） 的短周期水位波動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)宜進(jìn)一步放寬控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位+臺(tái)風(fēng)浪作用下由于長周期波引起的泵房內(nèi)水位波動(dòng)情況需予以考慮，避免由于長周期波動(dòng)對(duì)泵房內(nèi)相關(guān)操作平臺(tái)和電氣設(shè)備，以及對(duì)廠址防洪可能構(gòu)成的威脅。

濱海核電廠；水位波動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)；整體物理模型

0 引言

目前，國內(nèi)已建和在建的濱海核電廠大多采用的是取水明渠+岸邊式泵房的取水方式，其中取水明渠防波堤（或?qū)Я鞯蹋┏袚?dān)著對(duì)泵房形成掩護(hù)、確保泵房不受波浪威脅的功能，泵房前池水位波動(dòng)控制要求是取水明渠口門朝向、取水明渠防波堤（或?qū)Я鞯蹋┢矫娌贾眉案叱淘O(shè)置的重要依據(jù)之一[1]。

1 水位波動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的提出

關(guān)于核電廠取水工程中泵房前池水位波動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，最早是在引進(jìn)法國技術(shù)的大亞灣核電站聯(lián)合泵房設(shè)計(jì)時(shí)提出的，聯(lián)合泵房承擔(dān)著為常規(guī)島發(fā)電機(jī)組提供冷卻水供應(yīng)、為核島設(shè)備提供冷卻水供應(yīng)及為核島、常規(guī)島提供消防水的三大重要功能。某核電廠取水泵房布置如圖1所示，海水由取水明渠經(jīng)過粗格柵、細(xì)格柵、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)后至循環(huán)水泵進(jìn)水口。旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)網(wǎng)板孔眼直徑僅為φ3 mm，迎水側(cè)由于海生物或其它雜物堆積可能導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)網(wǎng)板孔眼堵塞，濾網(wǎng)前后出現(xiàn)水位差，對(duì)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的穩(wěn)定性構(gòu)成影響，因此在旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后分別設(shè)置水位計(jì)監(jiān)測其水位，當(dāng)水位差達(dá)到 30 cm 時(shí)，報(bào)警信號(hào)傳導(dǎo)至主控室， 旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)自動(dòng)切換到高速運(yùn)轉(zhuǎn)模式，以提高清除雜物的能力；當(dāng)水位差達(dá)到 80 cm 時(shí)，相應(yīng)的循環(huán)水泵自動(dòng)停運(yùn)。

圖1 取水泵房布置高程圖Fig.1 Elevation of pump station layout

由于波浪引起的短周期水位波動(dòng)傳播至旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)處時(shí)，有可能導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后出現(xiàn)水位差（即波峰和波谷之間高差），當(dāng)該水位差達(dá)到 30 cm時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)自動(dòng)切換到高速運(yùn)轉(zhuǎn)模式，更大的水位差甚至可能導(dǎo)致循環(huán)水泵停運(yùn)。但是，這種短周期水位波動(dòng)屬瞬時(shí)影響，其可能造成的旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后水位差不會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的穩(wěn)定性構(gòu)成影響，也不會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)網(wǎng)板孔眼堵塞。另外，循環(huán)水泵的揚(yáng)程一般可以達(dá)到 14~20 m，極端天氣條件下由波浪引起的較小量級(jí)的短期水位波動(dòng)不會(huì)對(duì)水泵構(gòu)成難以接受的威脅，因此由于短周期波浪作用引起的旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后水位差可視為誤報(bào)警，其本身不會(huì)影響取水安全，但卻影響了運(yùn)行控制，進(jìn)而影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 規(guī)范要求

DL/T 5339—2006《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：進(jìn)水前池波浪波動(dòng)幅度一般不宜超過 0.3 m。在編的 《核電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》（報(bào)批稿）[5]規(guī)定：進(jìn)水前池水位波動(dòng)幅度：在 100 a 一遇高潮位，50 a 一遇的波浪作用下，泵房前池的有效波高 H13%不宜超過 0.5 m。

相較于 DL/T 5339—2006《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》，在編的《核電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》（報(bào)批稿）[5]中 對(duì) 水 位 波 動(dòng) 控 制 標(biāo) 準(zhǔn) 中 的 潮 位 和 波 浪 重現(xiàn)期、波高累積頻率均有明確規(guī)定，更具有可操作性，并且適當(dāng)放寬了水位波動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。

需要進(jìn)一步說明的是，典型涌浪的周期為10~25 s，長周期波指的是 0.5~5 min 的水面波動(dòng)。鑒于泵房內(nèi)波動(dòng)控制其主要關(guān)注點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后壓差方面，而長周期波屬于水位緩慢抬升/下降的過程，水位漲落周期較長，不會(huì)在旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后產(chǎn)生水位差，因此上述規(guī)范中的規(guī)定可理解為僅針對(duì)短周期水位波動(dòng)控制。

3 水位波動(dòng)的模擬和測定

在實(shí)際核電工程中，泵房前池水位波動(dòng)一般是通過波浪整體物理模型試驗(yàn)進(jìn)行模擬和測定的。以某濱海核電項(xiàng)目波浪整體物理模型試驗(yàn)為例[4]，取水明渠平面布置及水位波動(dòng)測點(diǎn)如圖2所示，三期工程的3個(gè)聯(lián)合泵房進(jìn)水口處分別布置水位波動(dòng)測定探頭（即 C1、C2、C3 測點(diǎn)），可以實(shí)時(shí)輸出給定的潮位及波浪條件下水位波動(dòng)數(shù)據(jù)。根據(jù)JTJ/T 234—2001《 波 浪 模 型 試 驗(yàn) 規(guī) 程 》相 關(guān) 規(guī) 定 ，波浪整體物理模型長度比尺不應(yīng)大于 150，實(shí)際試驗(yàn)中采用 1∶100 左右的幾何比尺進(jìn)行試驗(yàn)，在這種小比尺條件下，無法模擬泵房內(nèi)流道、格柵、濾網(wǎng)等對(duì)短周期波浪傳遞的衰減作用，無法模擬和測定旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后水位波動(dòng)，因此以泵房外側(cè)C1、C2、C3 測點(diǎn)的水位波動(dòng)情況視為旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后水位波動(dòng)。

圖2 取水明渠及測點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of intake channel and measure points

在上述取水明渠布置條件下，根據(jù)水位波動(dòng)情況對(duì)取水導(dǎo)流堤進(jìn)行優(yōu)化研究，優(yōu)化的要求是使得各期工程泵房前池內(nèi) H13%波高在 100 a 一遇高潮位疊加 50 a 一遇波浪工況下滿足小于 0.5 m的條件，從而獲得取水明渠南導(dǎo)流堤最短設(shè)置要求。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，短周期波動(dòng)可通過調(diào)整口門朝向來避開強(qiáng)浪向，通過調(diào)整防波堤長度來增大或減少短周期波的能量，達(dá)到控制短周期水位波動(dòng)的目的。

采用不規(guī)則波開展波浪整體物理模型試驗(yàn)，模型幾何比尺為 1 ∶100，模型長 52 m，寬 70 m，深 1.2 m。工程海域包括 E、ESE、SE、SSE 和 S 5 個(gè)方向波浪影響，其中 ESE 向波浪對(duì)取水明渠內(nèi)水位波動(dòng)影響最為顯著。優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果表明，在 100 a 一遇高潮位+50 a 一遇波浪共同作用下，當(dāng)水位波動(dòng)要求控制在 H13%＜ 0.3 m 時(shí)， 在 ESE向波浪作用下取水明渠導(dǎo)流堤可以縮短到優(yōu)化三縮短位置處（見圖 2），H13%最大不超過 0.24 m；當(dāng)水位波動(dòng)要求控制在 H13%＜ 0.5 m 時(shí)，在 ESE 向波浪作用下取水明渠導(dǎo)流堤能夠縮短到優(yōu)化六縮短位置處，較優(yōu)化三位置縮短距離為 400 m，H13%最大不超過 0.50 m；當(dāng)水位波動(dòng)要求控制在 H13%＜ 0.7 m 時(shí)，在 ESE 向波浪作用下取水明渠導(dǎo)流堤能夠縮短到優(yōu)化八縮短位置處，較優(yōu)化六位置縮短距離為 200 m，H13%最大不超過 0.64 m。本工程最終采用了優(yōu)化六位置方案作為推薦取水明渠布置方案。

需要進(jìn)一步說明的是，上述水位波動(dòng)測定結(jié)果僅能代表泵房外側(cè)的波動(dòng)情況，根據(jù)圖1中的取水泵房高程布置可知，泵房前池處的海水經(jīng)水面以下約 10 m（泵房進(jìn)水口頂標(biāo)高至 100 a 一遇高潮位）的進(jìn)水口進(jìn)入泵房內(nèi)部后，再經(jīng)過粗格柵（柵條間距 200 mm）、閘門、細(xì)格柵（柵條間距 50 mm）的濾波作用，到旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)處（網(wǎng)板孔眼直徑 3 mm）的水位波動(dòng)必將有所衰減。有研究結(jié)果表明[2]，在前 池 輸入 波 浪小 于 0.5 m 情 況下 ， 隨 著 前池波高的變化，泵房內(nèi)的流態(tài)并不會(huì)發(fā)生明顯變化，其原因?yàn)殚l門口、暗溝等的消波效果非常好；而當(dāng)前池內(nèi)沒有波浪作用時(shí)，水泵啟動(dòng)之后，泵房內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生波高＜0.3 m 的不規(guī)則波浪，因此認(rèn)為泵房內(nèi)的波浪幾乎為流動(dòng)引起的波浪疊加，而非前池的波浪。通過以上分析，建議選取典型的岸邊式取水泵房布置，開展波浪傳播物理模型試驗(yàn)，研究泵房外波浪傳播至泵房內(nèi)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)處的衰減情況。

基于上述分析，對(duì)極端氣象條件下 （如 100 a一遇高潮位+50 a 一遇波浪） 的水位波動(dòng)控制宜進(jìn)一步放寬控制標(biāo)準(zhǔn)，或者通過優(yōu)化旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后水位監(jiān)測手段消除短周期波動(dòng)引起的誤報(bào)警，進(jìn)而取消極端氣象條件下的水位波動(dòng)控制要求。

4 長周期波動(dòng)影響問題

在外海波浪作用下，取水明渠內(nèi)會(huì)產(chǎn)生水位的長周期波動(dòng)，根據(jù)某核電站開展的波浪整體物理模型試驗(yàn)研究[3]，在 100 a 一遇高潮位+100 a 一遇波浪共同作用下，波浪經(jīng)取水港池、內(nèi)防波堤、明渠口門及長明渠布置條件下，泵房前池處的短周期水面波動(dòng)最大不超過 0.2 m；泵房前池處長周期波動(dòng)最大波高為 1.35 m，波動(dòng)周期為 263 s；泵房內(nèi)的長周期波動(dòng)的最大波高為 2.16 m，周期約為 190 s。長周期水位波動(dòng)量值遠(yuǎn)大于短周期水位波動(dòng)。根據(jù)研究可知長周期波動(dòng)可以通過改變口門及明渠尺寸、增大防波堤或護(hù)岸的糙率、設(shè)置消浪池等消能措施來降低長周期波動(dòng)的影響，但其難度遠(yuǎn)大于短周期水位波動(dòng)的控制。

在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位+臺(tái)風(fēng)浪影響工況下長周期水位波動(dòng)可能會(huì)對(duì)廠址防洪及取水泵房內(nèi)相關(guān)操作平臺(tái)及電氣設(shè)備等構(gòu)成一定的不利影響，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，一方面可通過采取工程措施降低長周期水位波動(dòng)，另一方面可以在水位設(shè)計(jì)選取時(shí)考慮長周期水位波動(dòng)的因素，將廠址地坪標(biāo)高及泵房內(nèi)的重要物項(xiàng)設(shè)置在包括長周期水位波動(dòng)影響的水位之上，確保廠址防洪及取水泵房內(nèi)相關(guān)設(shè)施不受水淹威脅。

5 結(jié)語

通過上述水位波動(dòng)控制的初步探討，總結(jié)提出如下結(jié)論：

1） 水位波動(dòng)控制要求源于旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)迎水側(cè)由于海生物或其它雜物堆積的因素引起的旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后水位差，與外海波浪引起的短周期水位波動(dòng)屬不同范疇。

2） 對(duì)極端氣象條件下（如 100 a 一遇高潮位+ 50 a 一遇波浪）的水位波動(dòng)控制宜進(jìn)一步放寬控制標(biāo)準(zhǔn)，或者通過優(yōu)化旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后水位監(jiān)測手段消除短周期波動(dòng)引起的誤報(bào)警，進(jìn)而取消極端氣象條件下的水位波動(dòng)控制要求。

3） 可通過選取典型的岸邊式取水泵房布置，開展波浪傳播物理模型試驗(yàn)，研究泵房外波浪傳播至泵房內(nèi)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)處的衰減情況。

4） 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位+臺(tái)風(fēng)浪作用下由于長周期波引起的泵房內(nèi)水位波動(dòng)情況須予以考慮，避免由于長周期波動(dòng)帶來的水位抬升淹沒泵房內(nèi)相關(guān)操作平臺(tái)及電氣設(shè)備，以及對(duì)廠址防洪可能構(gòu)成的威脅。

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Control standards for water-level fluctuation on pump-station's distributing pool of coastal nuclear power station

HOU Shu-qiang,WANG Yan-long,LIU Shi-hua
（China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100840,China）

Water-level fluctuation control standard on pump-station's distributing pool and influence of water-level fluctuation caused by long-period wave were discussed with a specific case,as well as the topic about water-level fluctuation control standard on pump-station's distributing pool,requirements of related codes and methods of simulation and mensuration for waterlevel fluctuation were discussed.For problems of water-level fluctuation control on pump-station's distributing pool of coastal nuclear power station which adopt intake channel and pump-station on shoreline,control standards of water-level fluctuation caused by short-wave on extreme meteorologic conditions(such as the condition of 100 years recurrence high tide level with 50 years recurrence wave)should be properly extend.Further,the problems should be considered about water-level fluctuation caused by long-period wave in condition of design basic flood stage with storm wave,in order to avoid the threat of long-period fluctuation to operation platform and electric device inside pump station,even the flood protection for site.

coastal nuclear power station;control standards for water-level fluctuation;integral physical model

U652.3；P332.3

：A文獻(xiàn)標(biāo)志碼：2095-7874（2014）11-0004-04

10.7640/zggwjs201411002

2014-06-25

2014-07-17

侯樹強(qiáng) （1981 — ），男，河北唐山市人，工程師，船舶與海洋工程專業(yè)。E-mail：hsq517@163.com