征求意见稿-压水堆核电厂海冰灾害防控设计要求

3T/CEPPCXXXX—XXXX压水堆核电厂海冰灾害防控设计要求本文件规定了滨海核电厂海域冰情、灾害类型与分析、防冰设计、运行期海冰管理原则和技术要求。本文件适用于我国渤海和黄海北部滨海核电厂的海冰灾害防控设计要求。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。HY/T147.6—2013海洋监测技术规程第6部分:海洋水文、气象与海冰GB/T42254—2022渤海和黄海北部冰情等级HY/T047—2016工程海冰技术规范HAD101/09滨海核电厂厂址设计基准洪水的确定GB/T50663—2011核电厂工程水文技术规范JTS144-1—2010港口工程荷载规范GB50069—2002给水排水工程构筑物结构设计规范GB/T14914.5—2021海洋观测规范第5部分：卫星遥感观测GB/T14914.2—2019海洋观测规范第2部分：海滨观测3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1核电厂循环水系统nuclearpowerplantcirclecoolingwatersystem核电厂循环水系统功能是以水作为冷却剂，冷却凝汽器的热量，为二回路常规岛凝汽器提供足够的冷却水源。通过取水渠给每台机组的凝汽器和辅助冷却水系统提供冷却水,并将循环水通过虹吸井排到大海中。3.2核岛重要厂用水系统essentailservicewatersystemfornuclearisland核岛重要厂用水系统功能是在核电厂各种运行工况下为核岛各设备冷却水系统提供足够的冷却水源。主要作用是冷却设备冷却水，将冷却设备冷却水传输的热量排出，是核岛最终热阱直接相关的输热系统。3.3极值冰力extremeiceforce极值冰力包括静力作用和瞬态海冰冲击作用产生的极值动冰力。极值冰力的形成受极限应力准则、极限动力准则和极限力准则三个因素影响。极限应力准则，即大面积冰板作用于结构物，产生的最大作用力等于使冰破坏的力，即冰的最终破坏表征力的极值；极限动量准则，即孤立的浮冰块以一定速度作用在结构上，但浮冰没有发生整体破坏，此时浮冰传递给结构的作用力，近似等于由浮冰的动量转换而来的力；极限力准则，即浮冰受到上下表面拖曳力（上表面的风力以及下表面的海流力）作用，和结构接触并且保持相对静力平衡，此时结构受到的最大作用力，近似等于风和海流的拖曳力。3.4交变冰力alternatingiceforce当海冰持续不断穿过结构时，会对结构产生周期性的冲击载荷，即交变冰力。交变冰力产生时海冰必须直接作用于结构，即破坏性冰块可以在短时间内被完全清除。因此交变冰力通常发生在较窄结构上，主要包括直立结构和锥体结构。在交变冰力的作用下，结构会发生不同程度的振动，即冰激振动。当交变冰力频率与结构频率一致时，则会因共振而引发强烈振动。4总则4T/CEPPCXXXX—XXXX4.1核电厂海域冰情通过海冰调查观测及资料收集，统计分析核电厂海域冰情，冰情信息包括海冰冰型、海冰环境参数、海冰特征参数。4.2灾害类型与分析根据致灾模式划分灾害类型，致灾模式分为海冰对取水设施的影响、海冰对格栅和滤网等金属过滤设备的影响、海冰对海工结构的影响、海冰对防洪的影响。通过数值模拟方法对海冰堆积灾害进行分析。4.3防冰技术要求针对取水设施、格栅滤网等金属设备、海工构筑物设定不同防冰设计原则。防冰工程措施包括取水明渠导流堤布置、破冰结构设计、拦冰结构设计、热水回流、破冰船。4.4运行期海冰管理针对核电海冰危害，参考海洋及海岸工程结构或已有核电工程的运行期海冰管理经验，必要时采取海冰管理手段，包括海冰监测、危害评价、风险预警、应急措施。5核电厂海域冰情5.1海冰调查观测收集厂址附近多年海冰数据资料，包括沿岸台站的定点定时观测资料、海上破冰船常规观测和海上专项调查资料、沿岸观察和近海定点专项实验调查资料等。核电项目应开展一年冬季冰情实地调查、取样并开展相关海冰物理力学性能试验，为核电厂设计提供数据。观测要素为冰量、冰型、冰表面特征、冰状、最大浮冰块水平尺度、浮冰密集度、浮冰漂流方向和速度。固定冰形成后,还应进行海冰堆积量、海冰堆积高度、沿岸冰宽度、海冰厚度、海冰温度、海冰盐度、海冰密度、海冰单轴抗压强度等要素的观测。海冰观测数据和方法按照HY/T147.6—2013中10海冰要素监测的规定执行。5.2海冰冰型参考国家海洋局GB/T42254-2022中冰情划分标准，结合工程特征和致灾模式，可根据冰厚与范围划分工程海域冰情（轻冰年、偏轻冰年、常冰年、偏重冰年及重冰年）和冰型（浮冰和固定冰）。5.3海冰参数5.3.1海冰环境参数气象参数包括气温、风。水文参数包括水深、潮位、海流、海水结冰温度、海水盐度等。5.3.2海冰特征参数海冰特征参数包括冰期、密度、冰厚、大小尺寸、漂移方向、漂移速度。海冰特征参数获取方法可参考HY/T047—2016。海冰力学参数包括抗压强度、弯曲强度、剪切强度。海冰热力学参数包括比热容。6灾害类型与分析6.1致灾模式核电厂海冰的致灾模式包括海冰对取水设施的影响、海冰对格栅和滤网等金属过滤设备的影响、海冰对海工结构的影响、海冰对防洪的影响。6.1.1海冰对取水设施的影响5T/CEPPCXXXX—XXXX在水流和海冰热力增长共同作用下，海冰可在取水口直立墙前形成堆积，遮挡取水口粗格栅过水截面，影响取水口进水。在波浪和潮流的共同作用下，浮冰块可下潜并部分通过取水口粗格栅，进入取水涵洞，堵塞细格栅。6.1.2取水金属设备敷冰在冬季低温环境下，悬浮于海水中的冰晶，在通过细格栅和滤网时，能够快速附着或冻结于格栅和网孔上，从而堵塞细格栅或滤网，减少过水截面。6.1.3海冰对海工结构的影响6.1.3.1极值冰力参考《工程海冰灾害风险评估与防范》[1]，极值冰力可能对结构的局部构件或整体结构造成破坏性损害，因此针对有海冰作用的结构，应考虑极值冰力作用下局部的结构强度与刚度失效，以及整体结构的刚度与稳定性失效问题。6.1.3.2交变冰力参考《工程海冰灾害风险评估与防范》[1]，针对可能受到交变冰力的结构，需关注交变冰力可能引起的结构关键节点的周期性疲劳损伤以及结构振动对上部设施正常运行的影响。6.1.3.3海冰堆积海冰堆积可能引发海冰灾害模式和造成结构破损或功能失效的形式主要包括以下两种：A.整体结构稳定性影响海冰在结构前的爬坡、堆积会对构筑物的整体稳定性产生影响。当海冰爬坡时会与结构表面产生较大摩擦力，影响防波堤表面结构。海冰在堤坝上产生堆积，造成堤坝受力增加，应考虑其对整体结构稳定性的影响。B.迎冰构件破损对于迎冰构件受堆积冰的冲击或冻结作用后，可能发生强度或刚度破坏及部分功能失效或危及结构整体安全。6.1.3.4冻胀力冻胀力的影响主要包括对结构局部强度和整体稳定性的影响。A.结构局部强度应考虑当海冰热膨胀效应显著时，或海冰随水位变化而浮动时，分别对结构的冰面位置构件产生水平方向和竖直方向的局部荷载，如果超出了结构的材料极限强度，则会发生该处构件强度失效。B.结构整体稳定性当水位升降时，与结构冻结在一起的冰排对结构产生的竖向力：上拔力或下压力，如果该竖向力超出了结构允许的竖向荷载，则可能会发生结构整体倒塌和稳定性失效的风险。6.1.4海冰对防洪的影响应考虑冰对防洪的影响，关注存在冰堵塞、冰堆积的水域及河口河冰的影响，具体参照HAD101/09及GB/T50663—2011的规定执行。6.2灾害分析方法6.2.1取水口冰堆积数值模拟方法与堵塞风险评估（1）海冰单元模型宜构造具有不同厚度的非规则形态海冰单元，形成不同密集度的海冰初始场，建议模拟不同类型海冰的破坏过程。（2）海冰-海水耦合模型6T/CEPPCXXXX—XXXX建议采用离散元方法模拟海冰单元，采用计算流体力学模拟海水，如光滑粒子流体动力学方法，两种方法应在流固界面进行耦合。（3）数学模型验证计模型验证宜包括：海冰数值验证、流场数值验证、流固耦合数值验证。将数值验证模拟结果与已有的现场或模型实验数据进行验证，给出耦合数值模型的可靠性。（4）计算内容与成果分析计算内容应包括下列内容：1)取水口附近区域考虑不同取水形式、潮位、流速、流向、冰厚、浮冰密集度、海冰尺寸时的浮冰堆积过程，统计计算不同工况下的堆积高度。2)拦冰结构包括破冰锥和拦冰网等结构，计算不同流速、流向和冰厚的海冰漂移过程以及与拦冰构筑物的相互作用，分析海冰漂移、堆积、下潜过程，计算统计每个工况的堆积高度以及拦冰网的拦冰效率。成果分析应包括下列内容：1)分析在取水口处潮位、流速、流向、冰厚、浮冰密集度、海冰尺寸的增大或减小与堆积高度的变化，分析不同影响因素对堆积高度的影响比重的大小。2)根据取水口堵塞预警指标分析取水口冰堆积风险，分析最不利工况。3)分析拦冰网处拦冰率在不同流向、流速和冰厚的作用下的变化规律。4)计算成果合理性分析（5）堵塞风险评估取水口堵塞风险K可根据式（1）计算：K=L取水L堆积×100%（1）其中L取水口为取水口上沿高度，L堆积为海冰堆积下沿高度，H为取水口总高度。核电厂根据取水工程条件制定风险预警等级，可参看附录A。6.2.2海冰对结构的作用计算方法浮冰和固定冰会对取水构筑物和海工构筑物等结构产生冰荷载，包括冰压力和撞击力等，可参考JTS144-1—2010中第十二章的规定执行。浮冰和固定冰会对取水构筑物和海工构筑物等结构产生作用，包括融冰压力等，具体可参考GB50069—2002中的规定执行。7防冰技术要求7.1设计原则7.1.1取水设施防冰对于与致灾模式相关的海冰参数，宜根据多年的浮冰观测资料，统计不同方向、不同尺寸的浮冰出现频率，计算冰厚、漂移速度重现期分布，分析确定浮冰设计参数。分析进入取水明渠入口的浮冰尺寸和密集度，计算浮冰在取水口处堆积和下潜情况下的多年平整冰厚重现期和漂移速度重现期应按不低于50年一遇设计。考虑重要厂用水系统在低水位叠加浮冰影响下，取水口淹没式进水窗不受海冰堆积下潜的影响，有足够的水深能够保证正常取水。循环水系统进水窗考虑保证率99%的低水位下叠加浮冰影响。7.1.2格栅、滤网等金属设备防冰在形成薄冰固定冰之前的冰针或冰絮，会粘附在金属表面上，可能会堵塞拦污格栅或滤网。宜考虑热水回流至取水口的融冰措施。7T/CEPPCXXXX—XXXX7.1.3海工构筑物防冰海工构筑物结构设计时，根据海工构筑物的功能、类型、重要性等考虑防冰标准，不低于50年一遇防护标准，具体参考JTS144-1—2010附录K与HY/T047—2016第五章中的规定。海工构筑物冰块尺寸冰速厚度桩基出现频率最高50年一遇50年一遇斜坡式构筑物出现频率最高50年一遇50年一遇港口码头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导流堤、破冰结构、拦冰结构、热水回流和破冰船。7.2.1取水明渠导流堤布置分析浮冰来源，取水明渠如有导流堤，口门朝向宜背离落潮时海冰来向，通过主动导避方式减少浮冰流入取水设施。取水堤坝应该可以抵御海冰的冲击、堆积等问题。取水口应背离落潮方向，即防止落潮时候的浮冰（多为岸冰）直接进入取水口，对内部取水造成影响。7.2.2破冰结构设计冰情严重的海域可考虑破冰结构，破冰结构采用一系列等间距分布的锥体结构，可将整体冰排破碎成众多的碎冰块，从而达到高效消减和分散海冰漂移能量的目的。破冰锥体主要设计参数包括锥体高度、锥体角度、结构设计，平面布置需考虑冰的来向、漂移及冰攻角，可参看附录B。7.2.3拦冰结构设计拦冰结构的作用是阻止破碎后的浮冰向厂址水域发生漂移运动，疏导浮冰远离厂址水域。拦冰功能主要通过设置在破冰结构后侧的拦冰网来实现。7.2.4热水回流进水口位置前后一般设置粗格栅、细格栅和旋转滤网，其格栅间距、滤网网格尺寸以毫米计。为避免冰絮、冰花等附着在格栅和滤网上，堵塞过流断面，可考虑将凝汽器的温排水回流至进水口断面，提高进水口附近水体温度，融化其中的冰花、冰絮等。7.2.5破冰船破冰船可以主动破冰，最大限度降低海冰的影响。在有条件的情况下，或者海冰比较严重的年份，建议设置破冰船进行安全防护及应急处置。8运行期海冰管理8.1总体要求针对压水堆核电厂取水的海冰灾害防范，海冰管理应包括海冰监测、危害评价、风险预警、应急方案等主要内容。海冰监测方案应包括海冰监测内容、范围和手段。海冰监测内容应包括海冰要素监测和海冰环境要素监测。根据海冰分布的范围及取水口由远及近原则确定现场海冰监测范围，海冰监测范围建议包括：核电厂近海区域、核电厂远海区域、拦冰坝（取水口内）等。应根据海冰监测内容和范围，采用卫星、雷达、定点观测、人工观测及无人机航拍等监测方法。8.2海冰监测8.2.1卫星海冰监测8T/CEPPCXXXX—XXXX核电周边海域范围（20-100海里及以上）海冰监测，应采用卫星海冰监测方法。卫星遥感海冰观测应包括海冰分布情况。在核电厂选址时可重点参考卫星遥感海冰观测方法。根据核电所在海域的历年观测到的初冰日和终冰日，应分别提前和推后半个月，在整个冰期内开展核电周边海域的卫星遥感海冰观测。卫星遥感海冰观测应按照GB/T14914.5—2021第9.1节的规定执行。8.2.2雷达海冰监测核电厂近海区域（10-20海里）范围海冰监测，宜采用雷达海冰监测方法。雷达海冰监测应包括海冰分布、海冰类型或海冰厚度、海冰漂移。核电厂远海区域开展雷达海冰监测过程，可辅以摄像机光学海冰观测，用于雷达观测海冰厚度观测结果的校核；辅以气象仪和海流计观测风速与海流，用于雷达观测海冰飘移结果的校核。8.2.3现场海冰监测站核电站取水口内海冰监测，应采用现场海冰监测站定点观测方法。监测站海冰观测应包括光学视频图像法测量海冰厚度、速度、密集度。开展监测站海冰观测，应辅以气象站测量同步风、湿度、温度等气象数据；辅以取水口临近海域的水温剖面观测。注：光学视频图像的海冰参数识别方法，应采取成熟的图像射影矫正、图像识别与匹配等方法，以保证冰情观测结果的准确性。海冰作用下结构力学响应实时监测，针对具体情况可包括拦冰网拉力、应力、振动响应等。8.3人工观测及无人机航拍当严重冰情（如辽东湾海冰警报）时，应开展人工冰情观测，可辅以无人机冰情航拍方式。若直接观察到或可评判分析海冰危害，应将冰情和海冰危害分析结果一并上报。人工冰情观测应按照GB/T14914.2—2019第11章的规定执行。8.4海冰环境监测海冰环境监测应包含水温监测。水温监测应包含垂直剖面的水温信息，且同步进行各水温测点的水深监测，以保证数据结果的有效性。海冰监测方案中，应对水温监测设备的抗水流干扰、抗腐蚀、抗冲击等方面进行说明水温监测方法应按照HY/T147.6—2013中4水温监测的规定执行。8.5应急方案海冰管理中，应对不同的海冰危害及风险等级，制定相应的应急方案。保证出现海冰危险的时候可以及时有效地进行应对。9T/CEPPCXXXX—XXXX（资料性）取水口堵塞风险预警级别风险预警等级风险颜色风险值K红色50%≤K≤100%2级橙色30%≤K<50%黄色10%≤K<30%4级绿色0%<K<10%蓝色K=0%T/CEPPCXXXX—XX