征求意見稿-壓水堆核電廠海冰災害防控設計要求

3T/CEPPCXXXX—XXXX壓水堆核電廠海冰災害防控設計要求本文件規(guī)定了濱海核電廠海域冰情、災害類型與分析、防冰設計、運行期海冰管理原則和技術要求。本文件適用于我國渤海和黃海北部濱海核電廠的海冰災害防控設計要求。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。HY/T147.6—2013海洋監(jiān)測技術規(guī)程第6部分:海洋水文、氣象與海冰GB/T42254—2022渤海和黃海北部冰情等級HY/T047—2016工程海冰技術規(guī)范HAD101/09濱海核電廠廠址設計基準洪水的確定GB/T50663—2011核電廠工程水文技術規(guī)范JTS144-1—2010港口工程荷載規(guī)范GB50069—2002給水排水工程構筑物結構設計規(guī)范GB/T14914.5—2021海洋觀測規(guī)范第5部分：衛(wèi)星遙感觀測GB/T14914.2—2019海洋觀測規(guī)范第2部分：海濱觀測3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1核電廠循環(huán)水系統(tǒng)nuclearpowerplantcirclecoolingwatersystem核電廠循環(huán)水系統(tǒng)功能是以水作為冷卻劑，冷卻凝汽器的熱量，為二回路常規(guī)島凝汽器提供足夠的冷卻水源。通過取水渠給每臺機組的凝汽器和輔助冷卻水系統(tǒng)提供冷卻水,并將循環(huán)水通過虹吸井排到大海中。3.2核島重要廠用水系統(tǒng)essentailservicewatersystemfornuclearisland核島重要廠用水系統(tǒng)功能是在核電廠各種運行工況下為核島各設備冷卻水系統(tǒng)提供足夠的冷卻水源。主要作用是冷卻設備冷卻水，將冷卻設備冷卻水傳輸?shù)臒崃颗懦觯呛藣u最終熱阱直接相關的輸熱系統(tǒng)。3.3極值冰力extremeiceforce極值冰力包括靜力作用和瞬態(tài)海冰沖擊作用產(chǎn)生的極值動冰力。極值冰力的形成受極限應力準則、極限動力準則和極限力準則三個因素影響。極限應力準則，即大面積冰板作用于結構物，產(chǎn)生的最大作用力等于使冰破壞的力，即冰的最終破壞表征力的極值；極限動量準則，即孤立的浮冰塊以一定速度作用在結構上，但浮冰沒有發(fā)生整體破壞，此時浮冰傳遞給結構的作用力，近似等于由浮冰的動量轉(zhuǎn)換而來的力；極限力準則，即浮冰受到上下表面拖曳力（上表面的風力以及下表面的海流力）作用，和結構接觸并且保持相對靜力平衡，此時結構受到的最大作用力，近似等于風和海流的拖曳力。3.4交變冰力alternatingiceforce當海冰持續(xù)不斷穿過結構時，會對結構產(chǎn)生周期性的沖擊載荷，即交變冰力。交變冰力產(chǎn)生時海冰必須直接作用于結構，即破壞性冰塊可以在短時間內(nèi)被完全清除。因此交變冰力通常發(fā)生在較窄結構上，主要包括直立結構和錐體結構。在交變冰力的作用下，結構會發(fā)生不同程度的振動，即冰激振動。當交變冰力頻率與結構頻率一致時，則會因共振而引發(fā)強烈振動。4總則4T/CEPPCXXXX—XXXX4.1核電廠海域冰情通過海冰調(diào)查觀測及資料收集，統(tǒng)計分析核電廠海域冰情，冰情信息包括海冰冰型、海冰環(huán)境參數(shù)、海冰特征參數(shù)。4.2災害類型與分析根據(jù)致災模式劃分災害類型，致災模式分為海冰對取水設施的影響、海冰對格柵和濾網(wǎng)等金屬過濾設備的影響、海冰對海工結構的影響、海冰對防洪的影響。通過數(shù)值模擬方法對海冰堆積災害進行分析。4.3防冰技術要求針對取水設施、格柵濾網(wǎng)等金屬設備、海工構筑物設定不同防冰設計原則。防冰工程措施包括取水明渠導流堤布置、破冰結構設計、攔冰結構設計、熱水回流、破冰船。4.4運行期海冰管理針對核電海冰危害，參考海洋及海岸工程結構或已有核電工程的運行期海冰管理經(jīng)驗，必要時采取海冰管理手段，包括海冰監(jiān)測、危害評價、風險預警、應急措施。5核電廠海域冰情5.1海冰調(diào)查觀測收集廠址附近多年海冰數(shù)據(jù)資料，包括沿岸臺站的定點定時觀測資料、海上破冰船常規(guī)觀測和海上專項調(diào)查資料、沿岸觀察和近海定點專項實驗調(diào)查資料等。核電項目應開展一年冬季冰情實地調(diào)查、取樣并開展相關海冰物理力學性能試驗，為核電廠設計提供數(shù)據(jù)。觀測要素為冰量、冰型、冰表面特征、冰狀、最大浮冰塊水平尺度、浮冰密集度、浮冰漂流方向和速度。固定冰形成后,還應進行海冰堆積量、海冰堆積高度、沿岸冰寬度、海冰厚度、海冰溫度、海冰鹽度、海冰密度、海冰單軸抗壓強度等要素的觀測。海冰觀測數(shù)據(jù)和方法按照HY/T147.6—2013中10海冰要素監(jiān)測的規(guī)定執(zhí)行。5.2海冰冰型參考國家海洋局GB/T42254-2022中冰情劃分標準，結合工程特征和致災模式，可根據(jù)冰厚與范圍劃分工程海域冰情（輕冰年、偏輕冰年、常冰年、偏重冰年及重冰年）和冰型（浮冰和固定冰）。5.3海冰參數(shù)5.3.1海冰環(huán)境參數(shù)氣象參數(shù)包括氣溫、風。水文參數(shù)包括水深、潮位、海流、海水結冰溫度、海水鹽度等。5.3.2海冰特征參數(shù)海冰特征參數(shù)包括冰期、密度、冰厚、大小尺寸、漂移方向、漂移速度。海冰特征參數(shù)獲取方法可參考HY/T047—2016。海冰力學參數(shù)包括抗壓強度、彎曲強度、剪切強度。海冰熱力學參數(shù)包括比熱容。6災害類型與分析6.1致災模式核電廠海冰的致災模式包括海冰對取水設施的影響、海冰對格柵和濾網(wǎng)等金屬過濾設備的影響、海冰對海工結構的影響、海冰對防洪的影響。6.1.1海冰對取水設施的影響5T/CEPPCXXXX—XXXX在水流和海冰熱力增長共同作用下，海冰可在取水口直立墻前形成堆積，遮擋取水口粗格柵過水截面，影響取水口進水。在波浪和潮流的共同作用下，浮冰塊可下潛并部分通過取水口粗格柵，進入取水涵洞，堵塞細格柵。6.1.2取水金屬設備敷冰在冬季低溫環(huán)境下，懸浮于海水中的冰晶，在通過細格柵和濾網(wǎng)時，能夠快速附著或凍結于格柵和網(wǎng)孔上，從而堵塞細格柵或濾網(wǎng)，減少過水截面。6.1.3海冰對海工結構的影響6.1.3.1極值冰力參考《工程海冰災害風險評估與防范》[1]，極值冰力可能對結構的局部構件或整體結構造成破壞性損害，因此針對有海冰作用的結構，應考慮極值冰力作用下局部的結構強度與剛度失效，以及整體結構的剛度與穩(wěn)定性失效問題。6.1.3.2交變冰力參考《工程海冰災害風險評估與防范》[1]，針對可能受到交變冰力的結構，需關注交變冰力可能引起的結構關鍵節(jié)點的周期性疲勞損傷以及結構振動對上部設施正常運行的影響。6.1.3.3海冰堆積海冰堆積可能引發(fā)海冰災害模式和造成結構破損或功能失效的形式主要包括以下兩種：A.整體結構穩(wěn)定性影響海冰在結構前的爬坡、堆積會對構筑物的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。當海冰爬坡時會與結構表面產(chǎn)生較大摩擦力，影響防波堤表面結構。海冰在堤壩上產(chǎn)生堆積，造成堤壩受力增加，應考慮其對整體結構穩(wěn)定性的影響。B.迎冰構件破損對于迎冰構件受堆積冰的沖擊或凍結作用后，可能發(fā)生強度或剛度破壞及部分功能失效或危及結構整體安全。6.1.3.4凍脹力凍脹力的影響主要包括對結構局部強度和整體穩(wěn)定性的影響。A.結構局部強度應考慮當海冰熱膨脹效應顯著時，或海冰隨水位變化而浮動時，分別對結構的冰面位置構件產(chǎn)生水平方向和豎直方向的局部荷載，如果超出了結構的材料極限強度，則會發(fā)生該處構件強度失效。B.結構整體穩(wěn)定性當水位升降時，與結構凍結在一起的冰排對結構產(chǎn)生的豎向力：上拔力或下壓力，如果該豎向力超出了結構允許的豎向荷載，則可能會發(fā)生結構整體倒塌和穩(wěn)定性失效的風險。6.1.4海冰對防洪的影響應考慮冰對防洪的影響，關注存在冰堵塞、冰堆積的水域及河口河冰的影響，具體參照HAD101/09及GB/T50663—2011的規(guī)定執(zhí)行。6.2災害分析方法6.2.1取水口冰堆積數(shù)值模擬方法與堵塞風險評估（1）海冰單元模型宜構造具有不同厚度的非規(guī)則形態(tài)海冰單元，形成不同密集度的海冰初始場，建議模擬不同類型海冰的破壞過程。（2）海冰-海水耦合模型6T/CEPPCXXXX—XXXX建議采用離散元方法模擬海冰單元，采用計算流體力學模擬海水，如光滑粒子流體動力學方法，兩種方法應在流固界面進行耦合。（3）數(shù)學模型驗證計模型驗證宜包括：海冰數(shù)值驗證、流場數(shù)值驗證、流固耦合數(shù)值驗證。將數(shù)值驗證模擬結果與已有的現(xiàn)場或模型實驗數(shù)據(jù)進行驗證，給出耦合數(shù)值模型的可靠性。（4）計算內(nèi)容與成果分析計算內(nèi)容應包括下列內(nèi)容：1)取水口附近區(qū)域考慮不同取水形式、潮位、流速、流向、冰厚、浮冰密集度、海冰尺寸時的浮冰堆積過程，統(tǒng)計計算不同工況下的堆積高度。2)攔冰結構包括破冰錐和攔冰網(wǎng)等結構，計算不同流速、流向和冰厚的海冰漂移過程以及與攔冰構筑物的相互作用，分析海冰漂移、堆積、下潛過程，計算統(tǒng)計每個工況的堆積高度以及攔冰網(wǎng)的攔冰效率。成果分析應包括下列內(nèi)容：1)分析在取水口處潮位、流速、流向、冰厚、浮冰密集度、海冰尺寸的增大或減小與堆積高度的變化，分析不同影響因素對堆積高度的影響比重的大小。2)根據(jù)取水口堵塞預警指標分析取水口冰堆積風險，分析最不利工況。3)分析攔冰網(wǎng)處攔冰率在不同流向、流速和冰厚的作用下的變化規(guī)律。4)計算成果合理性分析（5）堵塞風險評估取水口堵塞風險K可根據(jù)式（1）計算：K=L取水L堆積×100%（1）其中L取水口為取水口上沿高度，L堆積為海冰堆積下沿高度，H為取水口總高度。核電廠根據(jù)取水工程條件制定風險預警等級，可參看附錄A。6.2.2海冰對結構的作用計算方法浮冰和固定冰會對取水構筑物和海工構筑物等結構產(chǎn)生冰荷載，包括冰壓力和撞擊力等，可參考JTS144-1—2010中第十二章的規(guī)定執(zhí)行。浮冰和固定冰會對取水構筑物和海工構筑物等結構產(chǎn)生作用，包括融冰壓力等，具體可參考GB50069—2002中的規(guī)定執(zhí)行。7防冰技術要求7.1設計原則7.1.1取水設施防冰對于與致災模式相關的海冰參數(shù)，宜根據(jù)多年的浮冰觀測資料，統(tǒng)計不同方向、不同尺寸的浮冰出現(xiàn)頻率，計算冰厚、漂移速度重現(xiàn)期分布，分析確定浮冰設計參數(shù)。分析進入取水明渠入口的浮冰尺寸和密集度，計算浮冰在取水口處堆積和下潛情況下的多年平整冰厚重現(xiàn)期和漂移速度重現(xiàn)期應按不低于50年一遇設計?？紤]重要廠用水系統(tǒng)在低水位疊加浮冰影響下，取水口淹沒式進水窗不受海冰堆積下潛的影響，有足夠的水深能夠保證正常取水。循環(huán)水系統(tǒng)進水窗考慮保證率99%的低水位下疊加浮冰影響。7.1.2格柵、濾網(wǎng)等金屬設備防冰在形成薄冰固定冰之前的冰針或冰絮，會粘附在金屬表面上，可能會堵塞攔污格柵或濾網(wǎng)。宜考慮熱水回流至取水口的融冰措施。7T/CEPPCXXXX—XXXX7.1.3海工構筑物防冰海工構筑物結構設計時，根據(jù)海工構筑物的功能、類型、重要性等考慮防冰標準，不低于50年一遇防護標準，具體參考JTS144-1—2010附錄K與HY/T047—2016第五章中的規(guī)定。海工構筑物冰塊尺寸冰速厚度樁基出現(xiàn)頻率最高50年一遇50年一遇斜坡式構筑物出現(xiàn)頻率最高50年一遇50年一遇港口碼頭50年一遇50年一遇50年一遇7.2工程措施防冰工程措施可包括取水明渠導流堤、破冰結構、攔冰結構、熱水回流和破冰船。7.2.1取水明渠導流堤布置分析浮冰來源，取水明渠如有導流堤，口門朝向宜背離落潮時海冰來向，通過主動導避方式減少浮冰流入取水設施。取水堤壩應該可以抵御海冰的沖擊、堆積等問題。取水口應背離落潮方向，即防止落潮時候的浮冰（多為岸冰）直接進入取水口，對內(nèi)部取水造成影響。7.2.2破冰結構設計冰情嚴重的海域可考慮破冰結構，破冰結構采用一系列等間距分布的錐體結構，可將整體冰排破碎成眾多的碎冰塊，從而達到高效消減和分散海冰漂移能量的目的。破冰錐體主要設計參數(shù)包括錐體高度、錐體角度、結構設計，平面布置需考慮冰的來向、漂移及冰攻角，可參看附錄B。7.2.3攔冰結構設計攔冰結構的作用是阻止破碎后的浮冰向廠址水域發(fā)生漂移運動，疏導浮冰遠離廠址水域。攔冰功能主要通過設置在破冰結構后側(cè)的攔冰網(wǎng)來實現(xiàn)。7.2.4熱水回流進水口位置前后一般設置粗格柵、細格柵和旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，其格柵間距、濾網(wǎng)網(wǎng)格尺寸以毫米計。為避免冰絮、冰花等附著在格柵和濾網(wǎng)上，堵塞過流斷面，可考慮將凝汽器的溫排水回流至進水口斷面，提高進水口附近水體溫度，融化其中的冰花、冰絮等。7.2.5破冰船破冰船可以主動破冰，最大限度降低海冰的影響。在有條件的情況下，或者海冰比較嚴重的年份，建議設置破冰船進行安全防護及應急處置。8運行期海冰管理8.1總體要求針對壓水堆核電廠取水的海冰災害防范，海冰管理應包括海冰監(jiān)測、危害評價、風險預警、應急方案等主要內(nèi)容。海冰監(jiān)測方案應包括海冰監(jiān)測內(nèi)容、范圍和手段。海冰監(jiān)測內(nèi)容應包括海冰要素監(jiān)測和海冰環(huán)境要素監(jiān)測。根據(jù)海冰分布的范圍及取水口由遠及近原則確定現(xiàn)場海冰監(jiān)測范圍，海冰監(jiān)測范圍建議包括：核電廠近海區(qū)域、核電廠遠海區(qū)域、攔冰壩（取水口內(nèi)）等。應根據(jù)海冰監(jiān)測內(nèi)容和范圍，采用衛(wèi)星、雷達、定點觀測、人工觀測及無人機航拍等監(jiān)測方法。8.2海冰監(jiān)測8.2.1衛(wèi)星海冰監(jiān)測8T/CEPPCXXXX—XXXX核電周邊海域范圍（20-100海里及以上）海冰監(jiān)測，應采用衛(wèi)星海冰監(jiān)測方法。衛(wèi)星遙感海冰觀測應包括海冰分布情況。在核電廠選址時可重點參考衛(wèi)星遙感海冰觀測方法。根據(jù)核電所在海域的歷年觀測到的初冰日和終冰日，應分別提前和推后半個月，在整個冰期內(nèi)開展核電周邊海域的衛(wèi)星遙感海冰觀測。衛(wèi)星遙感海冰觀測應按照GB/T14914.5—2021第9.1節(jié)的規(guī)定執(zhí)行。8.2.2雷達海冰監(jiān)測核電廠近海區(qū)域（10-20海里）范圍海冰監(jiān)測，宜采用雷達海冰監(jiān)測方法。雷達海冰監(jiān)測應包括海冰分布、海冰類型或海冰厚度、海冰漂移。核電廠遠海區(qū)域開展雷達海冰監(jiān)測過程，可輔以攝像機光學海冰觀測，用于雷達觀測海冰厚度觀測結果的校核；輔以氣象儀和海流計觀測風速與海流，用于雷達觀測海冰飄移結果的校核。8.2.3現(xiàn)場海冰監(jiān)測站核電站取水口內(nèi)海冰監(jiān)測，應采用現(xiàn)場海冰監(jiān)測站定點觀測方法。監(jiān)測站海冰觀測應包括光學視頻圖像法測量海冰厚度、速度、密集度。開展監(jiān)測站海冰觀測，應輔以氣象站測量同步風、濕度、溫度等氣象數(shù)據(jù)；輔以取水口臨近海域的水溫剖面觀測。注：光學視頻圖像的海冰參數(shù)識別方法，應采取成熟的圖像射影矯正、圖像識別與匹配等方法，以保證冰情觀測結果的準確性。海冰作用下結構力學響應實時監(jiān)測，針對具體情況可包括攔冰網(wǎng)拉力、應力、振動響應等。8.3人工觀測及無人機航拍當嚴重冰情（如遼東灣海冰警報）時，應開展人工冰情觀測，可輔以無人機冰情航拍方式。若直接觀察到或可評判分析海冰危害，應將冰情和海冰危害分析結果一并上報。人工冰情觀測應按照GB/T14914.2—2019第11章的規(guī)定執(zhí)行。8.4海冰環(huán)境監(jiān)測海冰環(huán)境監(jiān)測應包含水溫監(jiān)測。水溫監(jiān)測應包含垂直剖面的水溫信息，且同步進行各水溫測點的水深監(jiān)測，以保證數(shù)據(jù)結果的有效性。海冰監(jiān)測方案中，應對水溫監(jiān)測設備的抗水流干擾、抗腐蝕、抗沖擊等方面進行說明水溫監(jiān)測方法應按照HY/T147.6—2013中4水溫監(jiān)測的規(guī)定執(zhí)行。8.5應急方案海冰管理中，應對不同的海冰危害及風險等級，制定相應的應急方案。保證出現(xiàn)海冰危險的時候可以及時有效地進行應對。9T/CEPPCXXXX—XXXX（資料性）取水口堵塞風險預警級別風險預警等級風險顏色風險值K紅色50%≤K≤100%2級橙色30%≤K<50%黃色10%≤K<30%4級綠色0%<K<10%藍色K=0%T/CEPPCXXXX—XX