摘要：介绍了影响核电厂取水工程设计的各个因素，包括取水水深、泥沙、波浪、地质条件、岸滩稳定性等，结合核电厂取水工程实例，以及当今的形势，对未来核电厂取水工程的发展趋势进行探讨。
关键词：核电厂;取水工程;明渠;隧洞;
Abstract：The paper introduces the factors affecting the design of the nuclear power plants including the intake water depth, sediment, waves, geological conditions, and beach shoal stability, and explores the tendency for the future intake projects of power plants by combining with the water intake projects of power plants and contemporary situation.
Keyword：nuclear power plant; water intake project; open channel; tunnel;
1 概述
随着我国的经济发展及社会进步，电力行业正在发生巨大转变，淘汰落后产能，推进节能减排，发展清洁高效的新能源是目前的大趋势，而核能发展是我国新能源开发的一个重要环节。
由于核电厂运行时需要大量的循环冷却水，我国目前已建的核电厂均位于海边，利用海水作为核电厂运行时的冷却水，并将温排水及低放废水就近排入大海，利用潮汐海流对温排水进行稀释扩散，减少温排水对环境的影响。
核电厂取水工程不仅要考虑取水可靠性、泥沙淤积、温排水影响、水文波浪等自然条件，还需要满足相关规划、法律法规、政策符合性等条件。合适的取水方案对项目投资及建设进度有重要意义。
2 取水工程工艺设计要求
影响核电厂取水工程设计的因素很多，主要包括取水水深、泥沙、波浪、地质条件、岸滩稳定性、海冰以及温排水等因素。下面将对以上影响因素进行具体介绍。
2.1 取水水深
取水水深是取水工程设计的主要因素，无论采用何种取水方式，都要保证取水口处有足够的取水水深，在设计低潮位时仍能取到足够量的水，满足核电长的运行要求。
核电厂用水系统通常分为两部分，即循环冷却水系统和安全厂用水系统，循环冷却水系统基本不涉及核安全问题，一般设计要求99%低潮位，即出现百年一遇低潮位时仍能取到水；而安全厂用水系统则关系到核电厂安全，一旦不能保证安全厂用水系统，会影响核电厂运行安全，因此安全厂用水系统的取水设计标准高于循环冷却水系统，设计要求出现DBL水位，即设计基准低水位时仍能取到足量的水。
2.2 泥沙
水深影响取水水量，泥沙则影响取水水质，泥沙进入取水口，不仅会影响水质，还可能导致取水明渠或隧洞淤积堵塞，从而影响核电厂运行。因此在设计取水工程时需防止大量泥沙进入，确保取水工程能够长期正常运行。
在选择取水口位置时，应选择在水质较好、水中漂浮物和泥沙较少的地段，不应选在两股泥沙流相汇的地段。若采用明渠取水，需考虑一定的备淤深度，并定期清淤；若采用隧洞取水，需保证取水流速，减少隧洞内淤积量，并定期检查隧洞内情况。
2.3 波浪
取水工程设计还应考虑波浪影响，特别是采用明渠取水时，一般泵房前池的有效波高不应超过0.5 m。若取水口门直接面向常浪向或者强浪向，波浪直接进入取水明渠后，不受任何阻挡涌向泵房，波能几乎没有受到削减，导致泵房前池内波浪波动幅度大。因此，在取水工程设计时，取水口门设置应避开常浪向或强浪向，特殊情况下还需考虑设置消浪措施。
2.4 地质条件
地质条件的好坏关乎到取水工程安全性，取水构筑物应设在地质构造稳定、承载力大的地基上，不宜设在断层、滑坡、冲积层、风化严重和岩溶发育地段，特别是包含安全厂用水系统的取水构筑物，必须设置在满足抗震Ⅰ类标准的地质条件上。若现状地质条件较差，难以避开，则应进行换填等地基处理，以满足地基承载力要求，但由此会增加工程费用，延长工程进度，因此在前期选址时应特别注意地质条件。
2.5 岸滩稳定性
由于取水明渠会影响附近洋流，改变附近海域冲淤平衡，因此在布置取水口与取水明渠时，要特别注意岸滩稳定性，并应进行相应的专题研究。取水工程应设置在岸滩稳定性较好的海域，若取水工程会引起淤积，在运行过程中会带来大量泥沙，对取水构筑物造成淤积堵塞，进而威胁取水安全；若取水工程会引起冲刷，在进行明渠设计时需考虑冲刷影响，必要时进行结构加固，防止冲刷造成坡脚失稳，威胁取水安全。
2.6 海冰
在我国北方修建核电厂时，需考虑海冰影响。海冰不仅会堵塞取水口，减少过流断面，威胁取水安全；还会在风和潮流作用下撞击取水构筑物，影响取水构筑物使用寿命。因此在布置取水口时，应避开海冰移动方向，必要时需设置拦冰措施，防止海冰进入取水构筑物，影响取水安全，并且取水口需考虑海冰厚度，预留足够深的取水水深，特殊情况下可采用温排水回流等措施减少海冰影响[1]。
2.7 温排水
循环冷却水温度提高会影响机组的发电效率，经过试验数据，取水温度每增加1 ℃,机组的发电效率大概会降低0.3%。由于核电厂的取排水口通常位于同一片海域，温排水在潮流作用下会扩散至取水口附近，提高取水温度。因此在设计取水工程时，应尽量增大取水口与排水口之间的距离，同时取水口门方向应避免正对排水口，防止温排水直接进入取水口。
3 核电厂取水工程实例
3.1 明渠取水
相比于隧洞取水，明渠具有施工及维护更方便，造价更省，施工难度小，并且取水水头损失小，减少了取水泵房的运行费用等优点，因此明渠取水是目前核电厂取水工程中最常用的取水形式。
福清核电厂位于福建省福清市兴化湾内，工程规划建设6台百万千瓦级压水堆核电机组，其中1号～4号机组为二代改进型压水堆M310,5号、6号机组为ACP1000(即华龙一号),规划6台机组取水量为436 m3/s。
经过前期调研，工程厂址选在三面临海，水质条件好，水体含沙量小的海域。根据厂址附近的实测波浪资料， 厂址海域主要受SW～S向波浪的影响，常浪向为SW～S向，强浪向为SSW向。
根据附近海域潮位情况，要满足低潮位时核电厂的取水要求，取水口至少应放在-8.5 m处。为避免温排水进入取水口，影响取水温度，应把排水口设置在取水口下游，同时考虑常浪向，把取水口门设置在W方向也是比较合理的，可以减少波浪对取水的影响。由于厂址地位于南方，设计取水工程时不考虑海冰影响，同时所处海域水质较好，含沙量小，也可不考虑泥沙影响(见图1)。
3.2 隧洞取水
取水隧洞施工难度大、成本高、工期长、检修困难，在大部分情况下并不会优先考虑采用隧洞取水。但某些核电厂水深条件较差，漫滩较长，水中含沙量大，若采用明渠取水，明渠设置较长，用海面积大，且明渠运行时容易淤积，此时可考虑采用隧洞取水；或是取水量较小，取水管较短时，设置明渠取水反而不经济，也可采用隧洞取水[2]。
图1 福清核电厂取排水平面图
秦山核电厂厂址在杭州湾海域，位于澉浦和乍浦水文站之间，杭州湾内的海水水质受长江、曹娥江、钱塘江和甬江径流影响较大，取水地段平均含沙量2.5 kg/m3,最大含沙量为6 kg/m3～8 kg/m3。
秦山核电厂一期工程是我国第1座压水堆核电厂，于1994年正式投产，装机容量300 MW,一期工程采用明渠取水，取水水量为22.07 m3/s, 其中循环冷却水21.6 m3/s, 安全厂用水0.47 m3/s。在投产运行一段时间后发现取水口处大量淤积，严重影响取水，低潮位时甚至取不到水。后对取水工程进行改造，将取水口前移，取水明渠延长约70 m, 才保证了取水顺利运行。
在建设三期工程时，便采用了隧洞取水的形式(见图2),秦山核电厂三期工程为重水堆核电厂，容量为2×720 MW,取水水量为81.28 m3/s, 其中循环冷却水72.28 m3/s, 安全厂用水9 m3/s。每台机组设2个取水头和2根取水隧洞，单根隧洞尺寸为3.3 m×3.3 m, 长度为42 m～70 m。
图2 秦山核电厂三期工程取水平面图
3.3 明渠+隧洞取水
在某些漫滩太长、水深较浅情况下，单纯的采用取水明渠占海面积过大，只采用取水隧洞投资太大，可以考虑明渠+隧洞的形式进行取水，设置明渠在海里导流引水，设置隧洞连通明渠与取水泵房。
田湾核电厂位于江苏省连云港市连云区高公岛乡柳河村。厂址海域为淤泥质沙滩，整体处于冲淤平衡而局部略有冲刷趋势。
田湾核电厂一期工程为压水堆核电机组，容量为2×1 000 MW,取水水量为102 m3/s(见图3)。由于厂址处漫滩长，水深浅，采用全明渠取水，渠内需要挖长挖深，用海面积大且运行时容易淤积，因此在取水设计时考虑前端采用明渠引流，明渠长约1 km, 后端采用隧洞连接明渠与取水泵房，将水顺利引至泵房。
图3 田湾核电厂取排水平面图
4 当前形势与发展趋势
随着越来越多的核电厂建成运行，暴露了很多以往设计时考虑不周的地方，并且随着理想的核电厂址越来越少，以后的核电设计会面对越来越多的难题，同时各类政策的不断出台，也对未来的发展趋势产生影响。
4.1 海生物入侵
海生物入侵明渠会导致取水滤网负荷增大，取水量下降，我国发生过多起海生物入侵取水明渠，导致核电厂降低负荷甚至停机的案例；而对于取水隧洞，海生物在隧洞内壁附着生长，会导致洞径减小，粗糙系数增大，从而增加了取水泵的扬程和功率，因此如何减轻或避免海生物入侵是保证取水安全的关键。在早期的核电取水工程中，对海生物的影响认识不足，缺乏应对措施和处理方案，出现问题以后不得不对取水工程进行改造。目前的取水工程设计，通常在取水明渠中加设拦污网进行拦截，以及在取水隧洞中加药等方式来防止海生物[3]。
4.2 厂址条件差
随着核电厂数量越来越多，优良的厂址条件越来越少，现在核电厂选址逐渐向陆域靠近，漫滩缓、水深浅、波浪高、泥沙多等问题越来越多的出现在取水工程中，导致取水工程不得不做长、做大，工程投资与施工工期也随之增加。
4.3 海洋生态与法律法规
《国务院关于加强滨海湿地保护严格管控围填海的通知》(国发[2018]24号文)明确规定：完善围填海总量管控，取消围填海地方年度计划指标，除国家重大战略项目外，全面停止新增围填海项目审批。目前滨海核电厂都有不同程度的填海围海，尤其是取水明渠，一般需要占用不小的海洋面积。随着用海政策的收紧，用海面积有限，采用明渠取水受到了很大限制。
4.4 电价与成本控制
《关于完善核电上网电价机制有关问题的通知》(国发[2013]1130号文)中规定：对于2013年1月1日后投产的核电机组，核定全国核电标杆上网电价为0.43元/(kW·h)。随着电价的统一，加上目前核电技术的成熟，发电成本基本固定，如何减少建设投资成为了核电企业控制造价的关键问题，而动辄投资数亿的取水工程也成为了控制造价的重要一环。
在当前的外部形势下，如何在保证取水安全、符合国家政策的前提下，尽量减少工程规模和投资成为了取水工程的关键所在。
4.5 发展趋势
由于我国海岸线长，各地气候及海域条件有所差异，海生物种类、生长周期和爆发规律也各不相同，因此在取水工程设计中需要针对各地不同的情况做出具体的对策。在以后的取水工程中，应该形成预测-监测-预警-响应的海生物防治体系，首先要提前预测可能爆发的海生物威胁，并做好应对预案，同时采用雷达、超声波等手段进行监测，在爆发海生物威胁时提前预警，运维单位根据预案做出响应。
目前核电厂的冷却系统基本都采用直流系统，需水量大，导致取水工程规模大、投资高。为减少取水工程投资，应考虑采用二次循环系统，减小需水量，从而降低取水工程规模与投资。
随着优良的厂址越来越少，导致取水工程长度越来越长，为减少取水工程投资，应考虑采用明渠+隧洞或近岸港池的形式进行取水，从而降低取水工程投资。
5 结语
目前核电技术越来越成熟，未来会建设更多的核电厂，取水工程朝着集中布置、二次循环、管渠结合等方向发展，需要更好地平衡取水安全、海洋生态、防淤防堵、节省投资等关系，为核电厂做好服务工作。
参考文献
[1]吴庆旺.新形势下滨海核电厂取排水方案研究[J]给水排水, 2017,53(10):68-71.
[2]张俊，夏悟民，袁立伟，等.国内滨海核电厂取排水工程设计发展趋势[J].水运工程，2019(9)-:211-217.
[3]吴彦农，王娅琦,候秦脉，等.海洋异物堵塞核电厂取水系统事件的经验反馈[J] .核安全，2017,16(1):26-32.
