核电站淡水用水特征综合分析研究

　　摘要：基于我国首个核电站淡水水量平衡测试的成果，通过解读核电站用水工艺流程，分析了核电站在正常运行期及大修期各用水项（包括总用水、核岛及常规岛用水、厂内生活用水、澄清池轴封用水、循泵轴封用水与冲洗用水等）的用水特征及规律，挖掘各用水项与生产工艺之间的内在联系及特点，推算各用水项与电厂发电量、装机容量等参数之间的关系。分析结果表明，两台二代百万千瓦核电机组年淡水实际用量不及设计值的 1/3；核电用水环节中常规岛用水量最大，约占总用水量的 30%；核电用水量与发电量并无明显的相关性，其单位发电量取水量及装机容量取水量值较小，不及火力发电行业限值的 30%。该成果可为核电站的用水设计提供参考，并为今后核电项目的水资源论证管理及取水定额的制定提供依据。

　　关键词：核电站；用水定额；水平衡测试；核岛；常规岛；大修期；重复利用率中图分类号：TV211 文献标识码：A1 研究背景随着最严格水资源管理制度的推行，总量控制及定额管理成为水资源管理的重要手段，建设项目水资源论证及取水许可审批管理制度将逐步细化和规范化，并对建设项目取用水工艺及水平提出新的要求。核电作为优化能源结构、保障能源安全的重要行业，是我国积极发展的能源战略之一［1-2］。当前我国有现役核电机组 15 台，总装机容量 12 584MW；在建核电机组近 30 台，总装机容量，所有在建项目首台机组将在“十二五”期间投产运行［3-4］。核电项目建设已进入快速发展时期。

　　当前，我国核电行业尚无用水定额标准，核电站设计用水均参照已建核电站设计值，从现有资料看，其设计值远远大于实际用水量［5］，这一方面影响了区域的水资源总量控制和配置，加大了核电项目水资源保障的难度，同时也给核电行业取水许可审批带来困难。为准确掌握核电站用水工艺流程，确定核电站用水量及用水特征，指导编制核电行业用水定额，为核电行业用水设计、建设项目水资源论证及取水许可审批提供依据，以岭澳核电站一期工程为测试对象，开展了我国首个核电站水量平衡测试。本文基于测试成果，分析核电用水规律，解析核电用水特征，挖掘核电用水潜力，初荐核电用水指标。

　　2 水平衡测试概况及成果2.1 测试概况 岭澳核电站一期工程（LNPS，以下简称“岭澳一期”）位于深圳市广核集团大亚湾核电基地，反应堆采用的是在法国标准三环式压水堆基础上，经本土化并融合了自主技术的 CPR1000 机型，属改进型第二代核电技术，装机容量 2×990MW，2003 年投入商业运行，核电用淡水取自大亚湾核电基地专用水库——大坑水库及岭澳水库，冷却水取自大亚湾海水。

　　目前我国现役核电主流机型均属于二代核电技术，岭澳一期所采用的 CPR1000 二代核电技术方案，在自主化水平、安全可靠性、成熟性与经济性等各方面综合比较为最佳方案［6］，其用水量特征在二代核电机组中具有一定代表性，也可为我国积极推进的三代核电技术用水设计的评价提供参考。

　　另外，大亚湾核电运营管理水平较高，水平衡测试条件便利。综合考虑，选择岭澳一期为本次测试对象。

　　2.2 用水工艺流程 核电用水工艺流程较为复杂，经概化后岭澳一期核电用水工艺见图 1。由图可见，淡水经过过滤澄清进入清水箱后，主要供给 4 个用水单元，分别是生活用水、循泵轴封用水、核岛用水及常规岛用水。其中生活用水尚需经过活性碳过滤及加氯处理，并由 OP 水箱进行日间调节；核岛及常规岛用水还需经除盐处理。此外，供水流程中还含有消防水备用、澄清池轴封回用、沙滤池冲洗、离子交换器冲洗回用等低量用水单元。

　　图 1 岭澳一期核电用水工艺流程核电站在每一个燃料周期末期将停堆更换核燃料，利用停堆换料时间，进行机组大修，以确保机组运行安全［7-8］。根据记录，岭澳一期单台机组大修约为一年一次，两台机组不同时大修［9］。因两台机组共用同一供水系统，大修期间实际上为单机停堆单机运行工况，该期间除上述正常运行机组用水项外，还包括了大修机组的大修试验及末期管道冲洗用水等。

　　2.3 测试方法及结果 测试方法参照《企业水平衡测试通则》（GB/T12452-2008），并结合本次水平衡测试的主要目的进行。为不影响工程正常运行，选用了无需停工破管的外夹式超声波流量计，根据供水流程图并经现场安装条件复核，最终确定安装 27 台流量计，分别加装于各重要供水节点，进行长达 5 个月的连续不间断同步测量。选取记录中连续稳定数据作为分析数据，其中正常运行期选取数据时段长为 1 个月，大修期则依据大修具体时段安排选择分析数据。测试正常运行期机组平均负荷为 1 900MW，大修期机组平均负荷为 950MW，均为运行机组装机容量的 96%，高于《火力发电厂水平衡导则》（DL/T 606.5-1996）中要求测试期发电负荷占总装机容量的 80%以上的标准。

　　根据测试结果，正常运行期总取水量平均为·d-1，大修期总取水量平均为·d-1（为单台机组大修并单台机组运行工况下的取水量），各单元日用水见。需要说明的是，“其它水量”

　　是指在测试过程中未考虑的生水过滤站用水（测试条件限制）、澄清池轴封耗水推算误差、供水管网漏失水量与仪器计量误差等的综合反映值。

　　正常运行期比例/%大修期比例/%总取水量生活用水33322.536123.4澄清池轴封耗水18212.3523.4核岛825.51016.5常规岛38225.848231.2循泵轴封25817.425116.3沙滤池冲洗755.1915.9离子交换器冲洗60.4171.1其它水量16110.918812.2表 1 正常运行期和大修期测试结果 （单位：m3·d-1）

　　3 用水特征综合分析3.1 总取水量 正常运行期和大修期总取水过程见图 2。由图可见，无论正常运行期还是大修期总取水过程不平稳，测试期总取水量介于·d-1之间，变幅较大。核电供水流程中布设数个大容量储水罐，如常规岛储水罐为，核岛储水罐，清水箱亦有的容量，可见水箱日调节能力强，故取水量日间变幅较大。另由可见，大修后期有一个用水小高峰，日用水量达，此时为大修末期常规岛二回路冲洗工况，用水量很大。

　　3.2 生活用水 生活供水的流程为清水箱→供水泵→活性碳过滤（加氯）→各用水户（38 个用水车间或单元、OP 调节水箱、澄清池搅拌机轴封水等），流程示意见图 3。由图可见，除澄清池搅拌机轴封用水（简称“澄清池轴封水”）外，其它各车间（单元）用水由供水环路提供，环路水量则由高位 OP 水箱（储量）及供水泵保障，供水泵的启闭由 OP 水箱水位控制。需要说明的是：核电站习惯将该部分供水称为 SEP 水（饮用水系统），其实其用途并非完全为饮用水，尚有部分工业用水，如澄清池轴封水，即便是供水环路的各用水车间，除了常规的饮用、盥洗及餐饮等用水外，亦有部分诸如试验、制氯制氢轴封冲洗等工业用水。考虑到环路供水管网非常复杂，计量条件较差，本次测试并未对环路各车间用水进行计量，仅对清水箱下游及澄清池轴封用水进行测试。为方便分析，定义进入供水环路水量为生活用水，将澄清池轴封水作为单独用水项统计。另需说明，澄清池轴封操作规程是：下游制水则轴封水回用，否则排出，由制水时间推算其回用水量为轴封用水的 1/2。

　　各期总取水过程生活供水示意供水泵时供水过程各期生活用水及澄清池轴封水过程。可见，生活用水方面，测试期间正常运行期和大修期平均用水量分别为 329 和·d-1，相差不大。各期用水量日变幅较大，最大日生活用水量近·d-1，因生活用水定义为当日进入环路的水量，受 OP 水箱调节作用，日供水量可能存在小于零的情况。对澄清池轴封用水，各期平均水量分别为 369 和·d-1，表现为连续平稳的用水过程。

　　需指出，厂方根据正常运行期测试结果调整澄清池轴封用水工艺，从而使得该部分用水量有 71.5%的降幅，在总量上为电厂节约用水 17.9%。

　　另外供水泵的启闭由供水环路中 OP 水箱的水位来确定，水位降低到一定程度供水泵开启，高于某一水位供水泵关闭。绘制了正常运行期供水泵某时段的时供水流量过程。可见供水泵基本各期生活用水及澄清池轴封用水过程在每日工作时刻（8∶00—17∶00）开启，其余时刻关闭。可知，工作时生活用水量较非工作时段大，这与厂内生活用水状况是一致的。

　　3.3 除盐水 除盐水主要用于核岛和常规岛用水［10］。其制供水规程是：根据核岛和常规岛储水罐水位，手动控制除盐水的制水和输供。各期除盐水制水、核岛及常规岛用水过程分别见图 6 和图 7。可见，除盐水制水为间断过程，正常运行期最大日制水量为，大修期则因末期二回路冲洗需大量用水，其制水过程线尾端有一个明显的高峰，最大日制水量达。对于常规岛，正常运行期用水过程平稳，平均用水量为·d-1，大修期常规岛用水过程呈中期和末期波动较大，其余时段平稳的特征，特别是末期，如前所述因冲洗而致用水高峰出现；对核岛，用水较为平稳，各期测试平均用水量为 82 和·d-1，大修期略高。

　　 除盐水、核岛及常规岛用水过程（正常运行期 除盐水、核岛及常规岛用水过程（大修期）

　　3.4 循泵轴封及冲洗用水 循泵轴封用水主要用于核电站循环冷却水泵的轴封［11-12］；常态冲洗用水包括两个主要部分，即沙滤池冲洗和离子交换器冲洗用水。各环节用水见。可见，各期循泵轴封平均用水量为 251 和·d-1，用水过程非常稳定，各期用水量基本无变化。冲洗用水则为一个间断的过程，其冲洗规程是按一定周期手动操作，沙滤池两天冲洗一次，离子交换器一周冲洗一次。从水量上看，正常运行期沙滤池冲洗平均用水为·d-1，大修期有小幅增加，为·d-1；离子交换器正常运行期和大修期平均用水分别为 6 和·d-1，大修期增幅较大。

　　 循泵轴封及冲洗用水过程（正常运行期） 循泵轴封及冲洗用水过程（大修期）

　　正常运行期与大修期比较 正常运行期和大修期各环节用水比较。可见，大修期与正常运行期比，在总用水量上多出 4.3%，在用水大户常规岛用水上多出 26.1%。

　　需言明，大修期澄清池轴封用水有 71.5%的较大降幅，此并非因大修工况引起的水量下降，而是用水工艺调整导致的，且这种工艺调整是永久的，在以后的正常运行和大修期将一直沿用该种工艺。根据厂方经验，若不改变工艺，澄清池轴封用水大修期与正常运行期相差不大。若不考虑工艺改变导致的水量变化，大修期相比正常运行期用水量增加 15.0%左右。

　　另外，本文所言大修期工况是指单台机组大修并单台机组运行工况。若单台机组正常运行用水按正常运行期用水一半计，单台机组大修用水按大修期总用水与单台机组正常运行用水之差计，亦图 10 正常运行期与大修期用水比较不考虑工艺改变导致的水量变化，可推算就单台机组而言，大修期用水较正常运行用水多 30.0%左右。

　　3.6 年用水量特征分析 在统计核电站年总用水量之前，根据核电运行时间、大修频次等工况，作如下规定：（1）一年按运行 365d 计算，其中含大修期60d（单台机组 30d）；（2）正常运行期澄清池轴封用水按工艺调整后计。根据测试成果按上述规定统计核电站年用水特征见图 11。可知，受测核电站（两台百万千瓦二代核电机组）年淡水用量 50.4 万 m3，其中常规岛用水量最大，达 14.5 万 m3，占总用水量 28.9%；常规岛、核岛、生活及循泵轴封用水占核电总用水量近80%。岭澳一期核电设计值用水量为（/ s·GW），折算其年设计用水量近158.6万m3·a-1，超过实测用水量的 3 倍。

　　就目前我国现役核电机组而言，除早期的秦山核电站为单台机组外，其余均为 2 台机组。采用的是 2 台机组共同设计、建造、管理及运营，并共用大部分供水设备，其大修均为单台机组运行单台大修模式，大修频次亦固定在 12~18 个月一次，因此依上述方法统计核电年用水量是比较符合实际的，其结果亦具有一定代表性。

　　4 节水潜力及用水指标分析4.1 节水潜力 根据岭澳一期核电用水工艺流程，电站淡水重复利用量为澄清池轴封用水回用水量，其它环节均未有回用（出于安全及条件限制，未对核岛及常规岛用水中一回路和二回路循环补水量进行测量）。根据上述成果，澄清池轴封回用水量为 1.89 万 m3/a，推算电站淡水重复利用率仅为，重复利用率较低。

　　根据核电用水工艺情况，其澄清池耗水量、沙滤池冲洗水量及离子交换器冲洗水量全部直接排出，三项用水量占总用水量的 10.0%左右，大修期二回路冲洗用水直接排出，以上水量可通过适当措施加以回用。另大修期间，仅一台机组正常运行，循泵轴封用水（占总用水量的 18.5%）未有变化，应有一定的节水空间。

　　4.2 用水指标分析 为探析核电站装机容量、发电量与用水量的相关性，绘制了正常运行期逐日发电量与总用水量、核岛用水量、常规岛用水量过程曲线，可见，测试期间核电逐日平均发电量为，发电量过程稳定，测试期间日发电量离散系数为 0.006；总用水量波动较大，数据离散系数达 0.38；核岛和常规岛用水较为平稳，数据离散系数小于 0.15。为进一步分析用水量与发电量的内在联系，对各环节用水量与发电量进行相关性分析，结果表明，其相关系数均小于 0.1。

　　可见，在数值上发电量与各环节用水量无明显相关性。

　　为直观描述核电站用水的合理限制量值，参照火力发电取水定额的规定，取单位发电量取水量表 2 核电取水指标指标测试期指标年统计指标火力发电厂相应定额指标平均值范围平均值范围单位发电量取水量（/ m3（/ MW·h））

　　装机容量取水量（/ m3（/ s·GW））

　　核电站年用水特征图 12 发电量、总用水量、常规岛及核岛用水过程及装机取水量两个指标作为核电取水指标。对测试期指标，单位发电量取水量由测试时段正常运行期逐日发电量与逐日用水量计算，装机取水量则由装机容量和测试推算的年用水量进行计算。另，收集了岭澳一期自运行以来的各年发电量及用水量纪录，以此可计算各年取水指标值。各指标计算结果见表 2。可见，（1）相对于火力发电厂定额指标［13］，核电站实际取水指标值要小的多。按测试期指标计，单位发电量取水量核电仅为火力发电限额的 4.3%，即便按 2002—2010 年统计指标最大值来计算，核电也不足火电限值的 30.0%；装机容量取水量核电最大值也不足火电限值的 15.0%。（2）从年统计指标结果看，核电运行初期指标偏大，一段时间后（3~5年）指标较平稳，测试期（接近2011年的用水指标）用水指标介于各年统计指标值范围内，平均单位发电量取水量为（/ MW·h），装机容量取水量为（/ s·GW）。

　　需要说明的是，所列指标值是基于岭澳一期核电站堆型为 CPR1000 的滨海核电机组实际运行及测试值，具有一定的适用范围，其它堆型如加拿大坎杜 6 重水堆、俄罗斯 AES-91 型压水堆及等，其用水工艺流程及特征与 CPR1000 堆型有所差别；另外，内陆核电与滨海核电用水特征亦有不同［13］。因此在制定核电取水定额标准时，应在收集和分析各类型核电站用水数据的基础上，对不同类型核电站分别进行限定。另外，考虑到核电运行初期与稳定运行期用水量有较大差异，建议制定取水定额标准时能分不同运行时段分别限定。

　　5 结论及建议（1）在最严格水资源管理制度实施及核电行业快速发展的大背景下，开展核电站的水量平衡测试工作，解读核电取用水工艺流程，分析核电用水特征，为核电行业取水定额的制定提供参考依据，从而进一步完善核电行业水资源论证的技术体系，工作的开展是必要和有现实意义的。根据测试结果厂方减少了澄清池轴封用水量，从而为电厂节约了 17.9%的淡水用量，经济效益显著。（2）水量平衡测试及分析成果显示：受测核电站 2 台 CPR1000 机组淡水年用水量 50.4 万 m3，其中常规岛用水量最大，达14.5万 m3，占总用水量 28.9%；其次是生活用水，达 12.3万 m3，占 24.5%；循泵轴封用水 9.4万 m3，占；核岛用水为 3.1 万 m3，占 6.2%；另外还有部分冲洗和轴封用水。大修期相比正常运行期用水量有 15.0%左右的增幅。总用水量不到设计用水量的 1/3。（3）根据用水工艺流程及测试成果，推算岭澳一期淡水重复利用率仅为 3.75%，尚有一定的节水潜力。如澄清池、沙滤池及大修期间二回路冲洗用水均可通过适当的措施加以回用；大修期间循泵轴封用水亦可有所降低。（4）数据分析表明，发电量与用水量之间并无明显的相关性。测试成果及相关资料的推算结果显示，受测岭澳一期单位发电量取水量介于（/ MW·h）之间；装机容量取水量介于（/ s·GW），最大值均不及火力发电厂限值的 30%。（5）核电站用水与电站类型息息相关，所处不同位置（滨海核电或内陆核电）、不同机型（AP1000 机组或 CPR1000 机组等），不同运行阶段（施工期、调试期、运行期和大修期）其用水工艺及用水量等均有所差别，很难由单一核电站的水量平衡测试得到核电站全行业的用水定额指标，因此，建议开展其它类型电站不同工况的水平衡测试工作，为全面了解各类核电站的用水量及用水工艺流程提供支撑。

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