水下機(jī)器人在我國(guó)核電行業(yè)應(yīng)用的廣闊前景

本文結(jié)合水下機(jī)器人（ROV）在陽(yáng)江核電廠取水口海生物監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例，介紹了ROV的原理、系統(tǒng)組成、主要功能、作業(yè)流程，總結(jié)出國(guó)產(chǎn)水下機(jī)器人（ ROV）用于核電廠冷源取水口海生物監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)展望水下機(jī)器人在我國(guó)核電行業(yè)應(yīng)用的廣闊前景。

0 引言

陽(yáng)江核電廠位于廣東省陽(yáng)江市，核準(zhǔn)建設(shè)六臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電機(jī)組。該機(jī)組是國(guó)家“十一五”規(guī)劃重點(diǎn)能源建設(shè)項(xiàng)目，采用我國(guó)自主品牌的CPR1000及其改進(jìn)型技術(shù)，主要由壓水反應(yīng)堆、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱一回路）、蒸汽和動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱二回路）、循環(huán)水系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱三回路）、發(fā)電機(jī)和輸配電系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)組成。其中，循環(huán)水系統(tǒng)主要用來(lái)為冷凝器提供冷卻水，即三回路為二回路提供冷源。

陽(yáng)江核電廠冷源配置主要包括進(jìn)水明渠（6臺(tái)機(jī)組共用）、進(jìn)水明渠攔污設(shè)施、循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)（CFI）、重要廠用水系統(tǒng)（SEC）、循環(huán)水系統(tǒng)（CRF）、輔助冷卻水系統(tǒng)（SEN）、循環(huán)水處理系統(tǒng)（CTE）以及海水水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中，循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)（CFI）入水口是核電廠核島、常規(guī)島冷源的取水口，每臺(tái)機(jī)組的CFI系統(tǒng)從進(jìn)水明渠取水，向下游安全級(jí)系統(tǒng)SEC和非安全級(jí)系統(tǒng)CRF/ CTE提供冷卻水。CFI系統(tǒng)入口處設(shè)有粗格柵、細(xì)格柵和鼓型旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，確保常規(guī)島的循環(huán)水系統(tǒng)及重要廠用水系統(tǒng)的過(guò)濾功能，并阻止海生物和污物經(jīng)由海水夾帶進(jìn)入聯(lián)合泵站和各冷卻系統(tǒng)；同時(shí)，將次氯酸鈉通過(guò)安裝在粗格柵和細(xì)格柵之間的加氯框加入海水流道中，以防止細(xì)小的海生物進(jìn)人系統(tǒng)后生長(zhǎng)繁殖。由于CFI細(xì)格柵柵條間距為50mm，對(duì)于海水中小于50mm的細(xì)小海生物（如毛蝦、棕囊藻、夜光藻等）幾乎無(wú)過(guò)濾作用，這些細(xì)小海生物將直接進(jìn)入鼓網(wǎng)，而CFI鼓網(wǎng)的過(guò)濾精度是3mm，如CFI系統(tǒng)有大量3～50mm海生物入侵時(shí)，特別是一些不明軟體海生物大量聚集時(shí)，可能會(huì)堵塞鼓網(wǎng)致使鼓網(wǎng)壓差高和CRF泵跳閘，凝汽器將失去大量冷卻水。電廠冷源一旦喪失，將直接導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)停堆。

2014年以來(lái)，中廣核集團(tuán)內(nèi)各核電基地相繼發(fā)生了多起較為嚴(yán)重的海生物侵襲電廠冷源取水口事件，如紅沿河核電廠水母入侵、嶺澳核電廠海蝦入侵、寧德核電廠海地瓜入侵、防城港核電廠棕囊藻入侵等；在國(guó)外此類冷源事件也時(shí)常發(fā)生，比如Torness /St.Lucie /Diablo /Canyon核電廠水母入侵、Ulchin電廠蝦群入侵等，以上冷源事件均已經(jīng)嚴(yán)重威脅到機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)前，核電廠在面對(duì)不明海生物入侵時(shí)，除了增設(shè)攔截網(wǎng)和采取人工打撈等方式，并未尋找到更好的解決應(yīng)對(duì)辦法，形勢(shì)十分嚴(yán)峻。鑒于此情況，為確保陽(yáng)江核電廠循環(huán)水取水安全，最大限度地減少或避免海生物入侵導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)損失，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研首次采用了一款國(guó)產(chǎn)水下機(jī)器人（ROV）對(duì)進(jìn)水明渠內(nèi)海生物情況進(jìn)行不定期監(jiān)測(cè)，并成功參與到冷源應(yīng)急行動(dòng)，在取水口海生物入侵預(yù)警監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。

1 水下機(jī)器人（ ROV）簡(jiǎn)介

水下機(jī)器人分為有纜水下機(jī)器人和無(wú)纜水下機(jī)器人，其中有纜水下機(jī)器人全稱為水下遙控運(yùn)載器（Remotely Operated Vehicles，簡(jiǎn)稱ROV），是一種具有智能功能的水下潛器，目前廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、油氣勘探與開采、海洋考察、海洋搜救、海底探測(cè)和水庫(kù)堤壩檢修等方面。

ROV基本組件是水下潛器、臍帶纜和控制器以及相應(yīng)的外圍傳感器等組成，水下潛器可搭載多種傳感器，由水上控制單元通過(guò)臍帶纜向水下潛器提供動(dòng)力和控制信號(hào)，同時(shí)水下潛器也通過(guò)其向控制單元發(fā)回各種訊息，并將各種傳感器采集到的水下信息、圖像等在控制臺(tái)顯示。

ROV是一種技術(shù)密集性高、系統(tǒng)性強(qiáng)的設(shè)備，涉及到的專業(yè)學(xué)科多達(dá)幾十種，主要包括仿真、智能控制、水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、水下導(dǎo)航（定位）、通信、能源系統(tǒng)等六大技術(shù)。ROV按照其作業(yè)能力或規(guī)?？煞譃橛^察型ROV和作業(yè)型ROV。我們本次引進(jìn)的水下機(jī)器人主要是用于取水口海生物監(jiān)測(cè)，屬于觀察型ROV。

2 水下機(jī)器人主要性能指標(biāo)

根據(jù)前期調(diào)研情況及進(jìn)水明渠結(jié)構(gòu)，本文引進(jìn)的水下機(jī)器人為L(zhǎng)BF-150型微型開架式水下機(jī)器人，體積約為450mm×290mm×220mm，包括潛器、臍帶纜、控制箱等3大組成部分（圖1）。ROV前后各配備有廣角攝像頭和四個(gè)大功率無(wú)刷推進(jìn)器，前進(jìn)速度3節(jié)以上，運(yùn)動(dòng)靈活，可潛至水下150m。

圖1LBF-150型水下機(jī)器人（ROV）

圖1.1LBF-150型水下機(jī)器人下水照片

2.1潛器

2.2臍帶纜

2.3控制箱

3 水下機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用

陽(yáng)江核電廠取水口處的前池明渠寬度為130m，渠口底標(biāo)高為-9.00m，斷面為復(fù)式倒梯形，進(jìn)水明渠的取水流速約為0.4m/s。當(dāng)接到電廠應(yīng)急指揮部執(zhí)行海生物監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí)，水下機(jī)器人通過(guò)水上控制設(shè)備在2號(hào)機(jī)組取水口的前池明渠內(nèi)航行，通過(guò)攜帶的彩色攝像機(jī)對(duì)前池海生物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)水面操控人員對(duì)監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行判斷和記錄。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的海生物狀況，如有大量海生物時(shí)，及時(shí)匯報(bào)冷源小組和主控室，為冷源應(yīng)急行動(dòng)提供決策依據(jù)。本文以2015-2016年陽(yáng)江核電廠取水口兩次蝦群入侵事件為例，對(duì)水下機(jī)器人應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

3.1事件背景

2015年11月26日和2016年1月9日，陽(yáng)江核電廠先后發(fā)生了兩次蝦群入侵取水口事件，造成了Y2CFI031/ 032TF多次切換至中速運(yùn)行模式，持續(xù)時(shí)間均達(dá)半個(gè)月以上，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了不良影響。這兩次海生物入侵取水口物種均為中國(guó)毛蝦（見圖2），體長(zhǎng)1～4cm，是一種生長(zhǎng)迅速、生命周期短、繁殖力強(qiáng)、世代更新快、游泳能力弱的小型蝦類，在生態(tài)習(xí)性上屬于浮游動(dòng)物類群，隨潮流推移而游動(dòng)于沿岸。該類毛蝦體形小，游泳能力弱，極易進(jìn)入核電廠取水口堵塞鼓型濾網(wǎng)。

圖2中國(guó)毛蝦

3.2ROV監(jiān)測(cè)準(zhǔn)備過(guò)程

1）設(shè)備進(jìn)場(chǎng)前準(zhǔn)備。首先連接系統(tǒng)，系統(tǒng)連接之前應(yīng)當(dāng)保持關(guān)機(jī)狀態(tài)，并檢查各個(gè)連接頭是否完好。連接順序?yàn)橄冗B接下位機(jī)（潛器）連接頭，然后連上U型扣，最后跟控制箱相連。完成連接后開機(jī)檢查設(shè)備是否有合適電量，當(dāng)電量低于20%時(shí)推薦進(jìn)行充電，當(dāng)電量低于10%時(shí)必須充電；如電池電量不足時(shí)，可以使用220V車載電源直接充電，充電過(guò)程中不影響現(xiàn)場(chǎng)使用。同時(shí)，考慮現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)電源、設(shè)備擺放空間、環(huán)境監(jiān)測(cè)車布置方式等作業(yè)配套具體細(xì)節(jié)，前期主要工作包括清理作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)（在建GIL大橋）阻礙環(huán)境監(jiān)測(cè)車通行的鋼筋、鋼板和木板等，并為水下設(shè)備的擺放騰出空地。

2）ROV設(shè)備下水作業(yè)。ROV準(zhǔn)備就緒后，要進(jìn)行ROV設(shè)備水上測(cè)試，再次檢查水下機(jī)器人運(yùn)行狀況。先將ROV、臍帶纜、主控制系統(tǒng)、工作電源等線路連接好，其中ROV控制箱布置在環(huán)境監(jiān)測(cè)車內(nèi)，然后開機(jī)檢查各項(xiàng)參數(shù)是否運(yùn)行正常，確認(rèn)無(wú)誤后方可下水作業(yè)。下水時(shí)可直接通過(guò)人工拽住臍帶纜將ROV垂直下放至水面上（無(wú)需吊車裝吊下水），經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單測(cè)試后，可開始下潛進(jìn)行水下探測(cè)工作。

圖3ROV監(jiān)測(cè)蝦群畫面

3.3ROV監(jiān)測(cè)實(shí)施過(guò)程

為監(jiān)測(cè)掌握取水口前池海生物的整體情況，水下機(jī)器人先從水流中部下水，潛至底部后，然后分別向左、右行駛，航行過(guò)程中控制箱自動(dòng)全程錄像。通過(guò)實(shí)時(shí)視頻或截取錄制視頻，可以清晰觀察到水下海生物情況，見圖3。ROV監(jiān)測(cè)屏幕顯示，2016年1月11日23：14，取水口前池未見蝦群，而到2016年1月11日23：55，取水口前池有大量蝦群入侵。此時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)人員立即通報(bào)主控室和冷源小組關(guān)于取水口前池蝦群情況，主控室啟動(dòng)CFI鼓網(wǎng)手動(dòng)切換至中速運(yùn)行并保持雙反沖洗泵沖洗，盡力確保毛蝦不附著在鼓網(wǎng)上面，使鼓網(wǎng)壓差維持在合理水平；同時(shí)，冷源小組應(yīng)急值班人員安排增加漁船，加大人工打撈力度，以降低取水口蝦群數(shù)量，確保機(jī)組安全運(yùn)行。

在上述行動(dòng)中，當(dāng)取水口前池ROV監(jiān)測(cè)到蝦群較多時(shí)，如果等待機(jī)組判斷執(zhí)行啟動(dòng)CFI鼓網(wǎng)手動(dòng)切換至中速運(yùn)行模式操作遲緩，則自動(dòng)啟動(dòng)CFI中速電機(jī)（CFI中速電機(jī)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)條件是：壓差升高至0.1m），這表明大量蝦群已經(jīng)入侵并堆積取水口。這種情況很有可能在短短幾分鐘內(nèi)致使鼓網(wǎng)壓差迅速升高和CRF泵全部跳閘，凝汽器將失去大量冷卻水，導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)停堆，將會(huì)造成不可挽回的巨大經(jīng)濟(jì)損失。所以，采用ROV對(duì)核電廠取水口海生物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，特別是蝦群入侵期間進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，對(duì)保障機(jī)組安全運(yùn)行是十分必要的。

3.4ROV監(jiān)測(cè)海生物應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

核電廠首次使用水下機(jī)器人進(jìn)行取水口海生物監(jiān)測(cè)，為冷源應(yīng)急行動(dòng)提供了可靠依據(jù)；特別是在近期兩次大規(guī)模蝦群入侵核電廠取水口事件中，ROV發(fā)揮了巨大作用，為企業(yè)挽回了潛在的巨額經(jīng)濟(jì)損失，功不可沒。

總結(jié)水下機(jī)器人優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：

1）ROV設(shè)備自帶能源，搭載大容量電池，不用交流電可工作4小時(shí)左右，改變了大部分野外均無(wú)法提供交流電使用的局面，大大方便了現(xiàn)場(chǎng)使用。

2）ROV可在現(xiàn)場(chǎng)水流條件下進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)還可以檢查進(jìn)水明渠攔污網(wǎng)破損情況，徹底改變了潛水員必須下水檢查的局面，大大降低了工作風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了人力成本。

3）ROV在監(jiān)測(cè)海生物時(shí)，控制界面中文顯示，操作方便，視頻清晰度優(yōu)勢(shì)明顯，可以很直觀地看清水下海生物情況，同時(shí)還可以視頻錄像，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)需求。

4）通過(guò)ROV對(duì)蝦群入侵跟蹤監(jiān)測(cè)，工作人員很好地掌握了蝦群入侵時(shí)間規(guī)律，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，ROV在改進(jìn)進(jìn)水明渠細(xì)目網(wǎng)布設(shè)方式、評(píng)估攔蝦效果等方面也發(fā)揮了積極作用。

5）相比國(guó)外設(shè)備，目前使用的此款水下機(jī)器人小巧易攜帶、性價(jià)比高，免去進(jìn)口設(shè)備維修返廠手續(xù)繁雜，維修周期長(zhǎng)等問(wèn)題，不會(huì)影響使用。同時(shí)，國(guó)內(nèi)廠家承諾設(shè)備故障2小時(shí)內(nèi)響應(yīng)，24小時(shí)發(fā)出備用機(jī)，3天提出解決方案，在售后服務(wù)方面有較好保障。

4 結(jié)論

水下機(jī)器人（ROV）作為一種纜控水下探測(cè)工具，集結(jié)構(gòu)緊湊、便于操作、小巧易攜帶、安全度高、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)于一體，在陽(yáng)江核電廠冷源取水口海生物監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了積極作用，為我國(guó)濱海核電廠海生物入侵預(yù)警監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)全新的解決方案與思路。未來(lái)，相信水下機(jī)器人一定會(huì)在類似（核）電廠充分發(fā)揮其巨大優(yōu)勢(shì)，為機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供更好的技術(shù)服務(wù)。