简要信息

【获奖类型】应用二等奖

【任务来源】福建福清核电有限公司委托

【课题编号】水0205322009

【课题起止时间】2008年8月～2009年5月

【完成单位】中国水利水电科学研究院

【主要完成人】秦  晓、梁洪华、孙淑卿、乾爱国、熊麒麟、贺益英、陆  洋

立项背景

福建福清核电厂位于福清市三山镇西南前薛村的岐尾山前沿，地理坐标为东经119°26ˊ21.64〞，北纬25°26ˊ25.20〞。厂址地处突入兴化湾的岐尾山中，东、南、西三面环海，东北与前薛村陆地连接。厂址距省会福州市71km，距长乐市58km，距福清市32km，距最近的村庄——前薛东林自然村1.8km（均为直线距离），电厂采用直流供水系统，以海水作为冷却水源，电厂规划总装机容量为六台百万千瓦级压水堆核电机组，采用连续建设方式，一期工程建设两台一百万千瓦核电机组。福清核电厂址所在兴化湾海域有密集的海水养殖区，对环境水体温升影响要求较高，如何充分利用工程海域海流特点，探寻可兼顾电厂安全取水（满足取水水温要求）与保护水环境（尽量降低温排水和低放射性核素对海洋环境的影响程度）的取排水口结构型式与工程布置方案成为本项研究的核心目标。为此，业主方—福建福清核电有限公司委托委托中国水科院水力学所对上述问题采用数模计算与物理模型试验相结合的技术手段进行模拟研究，期望最终提出对海洋环境影响较小且经济可行的解决方案。

详细科学技术内容

本项属现阶段代表性较强的电厂取排水问题研究课题，研究工作涉及到工程规划设计、环境保护、后期运行管理等多方面，具体问题如下：

一、电厂取排水安全问题

核电厂处于兴化湾北部，沿岸为发育宽阔而低缓的大片潮间浅滩。工程区及毗邻海域位于养殖密度较大的海域。这一大片海域属于兴化湾北部的围垦养殖区、滩涂养殖区和浅海养殖区。依据工程海域的地形条件，结合附近的气象、温、盐分布等特定条件，如何保证电厂取排水安全且减少温排水对取水温升的影响成为本工程的首要问题。

二、水环境保护问题

随着国家对环境污染问题重视程度的不断提高，环境保护已在电厂水工规划设计中处于“一票否决”的地位，如何解决好电厂排水的水环境污染问题已成为直流供水电厂必须解决的问题。

电厂温排水、液体放射性流出物在核电厂所在水域的扩散范围及分布特性直接决定着对周围环境水域的影响程度。如何在满足电厂安全取水的基础上，合理布置取、排水方案，尽量降低温排水及低放射性核素对海洋环境的污染程度同样成为本项目需解决的另一重要问题。

依据上述问题的分析，本项研究最终采用数模计算与物模试验相结合、整体模型与局部模型相结合的技术路线。研究工作分四个子课题，采用循序渐进的原则进行，主要研究内容、方法如下：

（1）子课题1：福建福清核电厂温排水物模试验研究

    模型平面比尺为L_r=350；H_r=100 模型变态率为3.5。该模型范围基本可以完整反映温排水主影响区地水力、热力特性，满足模型最小水深以及真体水流运动相似地要求。本试验研究主要内容为：

1）针对电厂所在海域地现状海岸线，对实测大、中、小潮进行潮流流场地模拟。从整体上了解该海域潮流运动规律，以此作为继后取排水工程布置优化研究地基础；

2）模拟研究电厂取排水对环境水域流场、温度场影响，给出不同工况（不同取排水方案、潮流条件、取排水流量等）下厂区水域温升分布及取水温升的随潮变化过程；

3）研究降低电厂取水温升、减小温升影响范围的取排水工程布置方案及其所需采取的必要的辅助工程措施。

（2）子课题2：福建福清核电厂液体放射性流出物物模试验研究

考虑到液体放射性流出物伴随温排水排入海域，温水及液体放射性流出物在水域中随潮输移、扩散、稀释地水动力特性基本一致。本模型不考虑核素地自衰减过程，采用子课题1的模型进行试验研究。试验中，除流出物的示踪剂浓度外，其他水力、热力参数同温排水试验采用钠盐作为示踪剂，能够较好模拟液体放射性流出物在环境水体中的输移过程。本试验研究主要内容为：

1）研究不同工况下液体放射性流出物在取排水口附近海域中的运动特点以及浓度场的分布情况。

2）反映不同设计工况下取水相对浓度特征值的随潮变化过程。在满足核电厂环保要求的前提下，对子课题1中提出的优化工程布置方案作进一步的改进。

（3）子课题3：福建福清核电厂大范围海域潮流场、温排水输移二维数值模拟计算研究

大范围海域潮流场、温排水输移数值模拟计算，采用MIKE21模型。主要内容为：

1）利用垂向平均二维数学模型对工程海域大范围流场特性进行模拟研究，以便为取排水工程布置提供参考，同时可为近区物理模型试验提供必要的开边界水力条件和其他有关资料。

2）通过大范围模拟计算研究温排水在环境水域中的输移扩散规律及其对环境水域温升的影响，为环保评价提供依据。

3）对取排水整体工程布置方案进行初步优选。

4）对物理模型水力开边界进行回流热量分析，未物模试验开边界附近温度场修正提供依据。

（4）子课题4：福建福清核电厂工程海域液体放射性流出物二维数值模拟计算研究

计算模型与大范围温排水数模计算基本相同，主要计算内容：

1）预报不同工况下液体放射性流出物在取排水口近区水域的迁移、扩散运动及稀释情况，以及低放物质浓度场的发展规律。同时，预报因自身衰变对相对浓度分布的影响。

2）对物模水力开边界进行液体放射性流出物回流浓度分析，为物模试验液体放射性流出物开边界附近相对浓度场的修正提供依据。

3）从液体放射性流出物污染海域角度进一步优化取排水口布置。

发明及创新点

结合本项工程所处海域复杂的地形地势、较强的潮流、温、盐分布等的特定条件以及取排水工程设计等方面要求，采用温排水及液体放射性流出物二维数模计算、温排水及液体放射性流出物物模试验相结合的手段以及总体综合分析和研究的技术路线，通过大量深入细致的研究工作，提出了可满足电厂安全取排水以及环保等方面要求的较为经济、可行的取排水方案。与一般工程相比，本项研究成果的创新之处在于： 

（1）根据核电厂附近沿岸为发育宽阔而低缓的大片潮间浅滩，并分布着密集的海水养殖区的特点，改变传统的工程本身至上或将工程优化与环境保护完全对立起来的观念，全面综合研究电厂取排水所涉及的取水防热以及水环境保护（包括热污染、低放射性核素污染、余氯污染等）等方面问题，最终提出的取排水方案较好地兼顾了电厂取排水与环境保护等多方面要求。

（2）本项目液体放射性流出物浓度场模拟检测采用了本所自行研制的新型的多点高精度浓度采集系统。该仪器具有响应时间短（128个测点巡检时间不超过2s）、可靠性强、性能稳定、精度高等特点。大幅度提高了放射性废水试验研究成果质量。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

本项研究采用大范围二维数值模拟、小范围三维物理模型试验相结合的技术路线，研究工作所采用的模型及模拟技术手段先进，其中所采用的最新单元式构架、流量控制边界潮控系统以及高精度浓度检测系统均属国内首创，其水准达到国际先进、国内领先水平。本项研究依托先进的技术手段以及科学求实的精神，从核电安全取排水、水环境保护以及电厂运行的经济性等几个方面对本项工程取排水方案进行了深入细致的研究、探索，所提出的取排水工程布置方案兼顾了工程设计、环境保护等多方面要求，研究成果受评审专家以及业主方的一致赞扬，与国内同类研究工作相比，其研究成果在国内属领先水平，所反映出的工程设计与环境保护相互融和的理念更加具有开创性。

成果应用情况及社会经济效益

研究成果已被业主方及工程设计单位采用，推荐工程方案兼顾了安全取水与水环境保护两个方面，具有良好的经济效益与社会效益。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

本项目属横向课题研究，其宗旨是为委托方服务，解决工程中存在的实际问题。针对潮间带较多，潮差较大的海湾水域电厂的取排水工程仍需更加深入的探索研究。