水下機器人在我國核電行業(yè)應(yīng)用的廣闊前景

本文結(jié)合水下機器人（ROV）在陽江核電廠取水口海生物監(jiān)測中的應(yīng)用實例，介紹了ROV的原理、系統(tǒng)組成、主要功能、作業(yè)流程，總結(jié)出國產(chǎn)水下機器人（ ROV）用于核電廠冷源取水口海生物監(jiān)測的優(yōu)勢，同時展望水下機器人在我國核電行業(yè)應(yīng)用的廣闊前景。

0 引言

陽江核電廠位于廣東省陽江市，核準(zhǔn)建設(shè)六臺百萬千瓦級壓水堆核電機組。該機組是國家“十一五”規(guī)劃重點能源建設(shè)項目，采用我國自主品牌的CPR1000及其改進型技術(shù)，主要由壓水反應(yīng)堆、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（簡稱一回路）、蒸汽和動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（簡稱二回路）、循環(huán)水系統(tǒng)（簡稱三回路）、發(fā)電機和輸配電系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)組成。其中，循環(huán)水系統(tǒng)主要用來為冷凝器提供冷卻水，即三回路為二回路提供冷源。

陽江核電廠冷源配置主要包括進水明渠（6臺機組共用）、進水明渠攔污設(shè)施、循環(huán)水過濾系統(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)測系統(tǒng)。其中，循環(huán)水過濾系統(tǒng)（CFI）入水口是核電廠核島、常規(guī)島冷源的取水口，每臺機組的CFI系統(tǒng)從進水明渠取水，向下游安全級系統(tǒng)SEC和非安全級系統(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)的過濾功能，并阻止海生物和污物經(jīng)由海水夾帶進入聯(lián)合泵站和各冷卻系統(tǒng)；同時，將次氯酸鈉通過安裝在粗格柵和細(xì)格柵之間的加氯框加入海水流道中，以防止細(xì)小的海生物進人系統(tǒng)后生長繁殖。由于CFI細(xì)格柵柵條間距為50mm，對于海水中小于50mm的細(xì)小海生物（如毛蝦、棕囊藻、夜光藻等）幾乎無過濾作用，這些細(xì)小海生物將直接進入鼓網(wǎng)，而CFI鼓網(wǎng)的過濾精度是3mm，如CFI系統(tǒng)有大量3～50mm海生物入侵時，特別是一些不明軟體海生物大量聚集時，可能會堵塞鼓網(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)致機組非計劃停機停堆。

2014年以來，中廣核集團內(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；在國外此類冷源事件也時常發(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)重威脅到機組安全穩(wěn)定運行。當(dāng)前，核電廠在面對不明海生物入侵時，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)對辦法，形勢十分嚴(yán)峻。鑒于此情況，為確保陽江核電廠循環(huán)水取水安全，最大限度地減少或避免海生物入侵導(dǎo)致機組停運帶來的巨大經(jīng)濟損失，通過市場調(diào)研首次采用了一款國產(chǎn)水下機器人（ROV）對進水明渠內(nèi)海生物情況進行不定期監(jiān)測，并成功參與到冷源應(yīng)急行動，在取水口海生物入侵預(yù)警監(jiān)測中發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。

1 水下機器人（ ROV）簡介

水下機器人分為有纜水下機器人和無纜水下機器人，其中有纜水下機器人全稱為水下遙控運載器（Remotely Operated Vehicles，簡稱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、油氣勘探與開采、海洋考察、海洋搜救、海底探測和水庫堤壩檢修等方面。

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臍帶纜向水下潛器提供動力和控制信號，同時水下潛器也通過其向控制單元發(fā)回各種訊息，并將各種傳感器采集到的水下信息、圖像等在控制臺顯示。

ROV是一種技術(shù)密集性高、系統(tǒng)性強的設(shè)備，涉及到的專業(yè)學(xué)科多達幾十種，主要包括仿真、智能控制、水下目標(biāo)探測與識別、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。我們本次引進的水下機器人主要是用于取水口海生物監(jiān)測，屬于觀察型ROV。

2 水下機器人主要性能指標(biāo)

根據(jù)前期調(diào)研情況及進水明渠結(jié)構(gòu)，本文引進的水下機器人為LBF-150型微型開架式水下機器人，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大功率無刷推進器，前進速度3節(jié)以上，運動靈活，可潛至水下150m。

圖1LBF-150型水下機器人（ROV）

圖1.1LBF-150型水下機器人下水照片

2.1潛器

2.2臍帶纜

2.3控制箱

3 水下機器人實際應(yīng)用

陽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)測任務(wù)時，水下機器人通過水上控制設(shè)備在2號機組取水口的前池明渠內(nèi)航行，通過攜帶的彩色攝像機對前池海生物進行監(jiān)測，同時水面操控人員對監(jiān)測情況進行判斷和記錄。根據(jù)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的海生物狀況，如有大量海生物時，及時匯報冷源小組和主控室，為冷源應(yīng)急行動提供決策依據(jù)。本文以2015-2016年陽江核電廠取水口兩次蝦群入侵事件為例，對水下機器人應(yīng)用情況進行詳細(xì)說明。

3.1事件背景

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

圖2中國毛蝦

3.2ROV監(jiān)測準(zhǔn)備過程

1）設(shè)備進場前準(zhǔn)備。首先連接系統(tǒng)，系統(tǒng)連接之前應(yīng)當(dāng)保持關(guān)機狀態(tài)，并檢查各個連接頭是否完好。連接順序為先連接下位機（潛器）連接頭，然后連上U型扣，最后跟控制箱相連。完成連接后開機檢查設(shè)備是否有合適電量，當(dāng)電量低于20%時推薦進行充電，當(dāng)電量低于10%時必須充電；如電池電量不足時，可以使用220V車載電源直接充電，充電過程中不影響現(xiàn)場使用。同時，考慮現(xiàn)場作業(yè)電源、設(shè)備擺放空間、環(huán)境監(jiān)測車布置方式等作業(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（在建GIL大橋）阻礙環(huán)境監(jiān)測車通行的鋼筋、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，要進行ROV設(shè)備水上測試，再次檢查水下機器人運行狀況。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)測車內(nèi)，然后開機檢查各項參數(shù)是否運行正常，確認(rèn)無誤后方可下水作業(yè)。下水時可直接通過人工拽住臍帶纜將ROV垂直下放至水面上（無需吊車裝吊下水），經(jīng)過簡單測試后，可開始下潛進行水下探測工作。

圖3ROV監(jiān)測蝦群畫面

3.3ROV監(jiān)測實施過程

為監(jiān)測掌握取水口前池海生物的整體情況，水下機器人先從水流中部下水，潛至底部后，然后分別向左、右行駛，航行過程中控制箱自動全程錄像。通過實時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。此時環(huán)境監(jiān)測人員立即通報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CFI鼓網(wǎng)手動切換至中速運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，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，確保機組安全運行。

在上述行動中，當(dāng)取水口前池ROV監(jiān)測到蝦群較多時，如果等待機組判斷執(zhí)行啟動CFI鼓網(wǎng)手動切換至中速運行模式操作遲緩，則自動啟動CFI中速電機（CFI中速電機會自動啟動條件是：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)致機組停機停堆，將會造成不可挽回的巨大經(jīng)濟損失。所以，采用ROV對核電廠取水口海生物進行實時監(jiān)測，特別是蝦群入侵期間進行跟蹤監(jiān)測，對保障機組安全運行是十分必要的。

3.4ROV監(jiān)測海生物應(yīng)用優(yōu)點

核電廠首次使用水下機器人進行取水口海生物監(jiān)測，為冷源應(yīng)急行動提供了可靠依據(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)濟損失，功不可沒。

總結(jié)水下機器人優(yōu)勢主要體現(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小時左右，改變了大部分野外均無法提供交流電使用的局面，大大方便了現(xiàn)場使用。

2）ROV可在現(xiàn)場水流條件下進行全方位實時監(jiān)測，同時還可以檢查進水明渠攔污網(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，節(jié)約了人力成本。

3）ROV在監(jiān)測海生物時，控制界面中文顯示，操作方便，視頻清晰度優(yōu)勢明顯，可以很直觀地看清水下海生物情況，同時還可以視頻錄像，完全滿足現(xiàn)場監(jiān)測需求。

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

5）相比國外設(shè)備，目前使用的此款水下機器人小巧易攜帶、性價比高，免去進口設(shè)備維修返廠手續(xù)繁雜，維修周期長等問題，不會影響使用。同時，國內(nèi)廠家承諾設(shè)備故障2小時內(nèi)響應(yīng)，24小時發(fā)出備用機，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

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