水下机器人在我国核电行业应用的广阔前景

本文结合水下机器人（ROV）在阳江核电厂取水口海生物监测中的应用实例，介绍了ROV的原理、系统组成、主要功能、作业流程，总结出国产水下机器人（ ROV）用于核电厂冷源取水口海生物监测的优势，同时展望水下机器人在我国核电行业应用的广阔前景。

0　 引言

阳江核电厂位于广东省阳江市，核准建设六台百万千瓦级压水堆核电机组。该机组是国家“十一五”规划重点能源建设项目，采用我国自主品牌的CPR1000及其改进型技术，主要由压水反应堆、反应堆冷却剂系统（简称一回路）、蒸汽和动力转换系统（简称二回路）、循环水系统（简称三回路）、发电机和输配电系统及其辅助系统组成。其中，循环水系统主要用来为冷凝器提供冷却水，即三回路为二回路提供冷源。

阳江核电厂冷源配置主要包括进水明渠（6台机组共用）、进水明渠拦污设施、循环水过滤系统（CFI）、重要厂用水系统（SEC）、循环水系统（CRF）、辅助冷却水系统（SEN）、循环水处理系统（CTE）以及海水水质监测系统。其中，循环水过滤系统（CFI）入水口是核电厂核岛、常规岛冷源的取水口，每台机组的CFI系统从进水明渠取水，向下游安全级系统SEC和非安全级系统CRF/ CTE提供冷却水。CFI系统入口处设有粗格栅、细格栅和鼓型旋转滤网，确保常规岛的循环水系统及重要厂用水系统的过滤功能，并阻止海生物和污物经由海水夹带进入联合泵站和各冷却系统；同时，将次氯酸钠通过安装在粗格栅和细格栅之间的加氯框加入海水流道中，以防止细小的海生物进人系统后生长繁殖。由于CFI细格栅栅条间距为50mm，对于海水中小于50mm的细小海生物（如毛虾、棕囊藻、夜光藻等）几乎无过滤作用，这些细小海生物将直接进入鼓网，而CFI鼓网的过滤精度是3mm，如CFI系统有大量3～50mm海生物入侵时，特别是一些不明软体海生物大量聚集时，可能会堵塞鼓网致使鼓网压差高和CRF泵跳闸，凝汽器将失去大量冷却水。电厂冷源一旦丧失，将直接导致机组非计划停机停堆。

2014年以来，中广核集团内各核电基地相继发生了多起较为严重的海生物侵袭电厂冷源取水口事件，如红沿河核电厂水母入侵、岭澳核电厂海虾入侵、宁德核电厂海地瓜入侵、防城港核电厂棕囊藻入侵等；在国外此类冷源事件也时常发生，比如Torness /St.Lucie /Diablo /Canyon核电厂水母入侵、Ulchin电厂虾群入侵等，以上冷源事件均已经严重威胁到机组安全稳定运行。当前，核电厂在面对不明海生物入侵时，除了增设拦截网和采取人工打捞等方式，并未寻找到更好的解决应对办法，形势十分严峻。鉴于此情况，为确保阳江核电厂循环水取水安全，最大限度地减少或避免海生物入侵导致机组停运带来的巨大经济损失，通过市场调研首次采用了一款国产水下机器人（ROV）对进水明渠内海生物情况进行不定期监测，并成功参与到冷源应急行动，在取水口海生物入侵预警监测中发挥了关键性作用。

1　 水下机器人（ ROV）简介

水下机器人分为有缆水下机器人和无缆水下机器人，其中有缆水下机器人全称为水下遥控运载器（Remotely Operated Vehicles，简称ROV），是一种具有智能功能的水下潜器，目前广泛应用于海洋环境监测、油气勘探与开采、海洋考察、海洋搜救、海底探测和水库堤坝检修等方面。

ROV基本组件是水下潜器、脐带缆和控制器以及相应的外围传感器等组成，水下潜器可搭载多种传感器，由水上控制单元通过脐带缆向水下潜器提供动力和控制信号，同时水下潜器也通过其向控制单元发回各种讯息，并将各种传感器采集到的水下信息、图像等在控制台显示。

ROV是一种技术密集性高、系统性强的设备，涉及到的专业学科多达几十种，主要包括仿真、智能控制、水下目标探测与识别、水下导航（定位）、通信、能源系统等六大技术。ROV按照其作业能力或规模可分为观察型ROV和作业型ROV。我们本次引进的水下机器人主要是用于取水口海生物监测，属于观察型ROV。

2　 水下机器人主要性能指标

根据前期调研情况及进水明渠结构，本文引进的水下机器人为LBF-150型微型开架式水下机器人，体积约为450mm×290mm×220mm，包括潜器、脐带缆、控制箱等3大组成部分（图1）。ROV前后各配备有广角摄像头和四个大功率无刷推进器，前进速度3节以上，运动灵活，可潜至水下150m。

图1　LBF-150型水下机器人（ROV）

图1.1　LBF-150型水下机器人下水照片

2.1　潜器

潜 器
使用环境	海水及淡水中均可使用
耐 压	150米水深
重量	9.5KG
尺寸	长×宽×高：450mm×290mm×220mm
航 速	静水速度3节
外壳材料	强化 PVC-U 及阳极氧化铝
保护框架	高强度压缩聚丙烯
摄像机	共两个，1 个前置摄像机和1 个后置摄像机
	1080P高清数字摄像机； 彩色0.1Lux、黑白0.05Lux，彩色黑白双模式。 成像元件 Sony 1/2.8”CMOS 2.8mm焦距
云 台	前置摄像机安装在云台上，运动水平90度、垂直90度
照 明	2个LED灯，≦1000Lux，照明角度120°
推进器	共4个，水平2个，  垂直2个， 前推力3kgf，垂直推力3kgf
传感器	温度传感器，高精度±0.2°，用于实时监测水温
	压力（深度）传感器，误差±2%F.S.
	温湿度传感器，实时监测潜器内部温湿度状况
	漏水检测传感设备， 实时检测舱内密封情况
罗盘	内置姿态罗盘航向传感器，航向精度±3°，实时监测艏向及水下姿态。
自动功能	自动定深、自动定向功能
电 池	自带锂电池可供电3小时
包装箱	派力肯防水箱（长×宽×高：795mm×518 mm×310 mm）；防水等级IP67

2.2　脐带缆

绞车电缆
线 缆	标准150米零浮力电缆（最大可加长200米）
直 径	7mm
重 量	4.2KG/150米
抗拉强度	100KG,内有凯夫拉丝加强
专用绞车	高强度压缩聚丙烯，≤150m线缆专用。
绞车重量	5KG（不带缆）
绞车尺寸	长×宽×高：450mmx330mmx370mm

2.3　控制箱

控制箱
系 统	PC操作系统
重 量	12KG
尺 寸	长×宽×高：502mm×400mm×171mm
防水等级	IP54
显示屏	15.6寸液晶显示屏
处理器	Intel i5 处理器、4G 内存、100G 硬盘，Windows操作系统，预安装系统控制软件和驱动程序
控制器	2.4G 无线连接，4米有效距离，工业级手柄控制器，控制潜器水下运动等
状态显示	显示视频、日期、时间、水深、艏向、温湿度，当前运行模式等等
电 池	自带电池可供电 3小时
外接电源	220VAC(50Hz)交流电，功率≥550W
预留接口	USB接口；RJ45网口，可实现远程遥控和数据物联

3　 水下机器人实际应用

阳江核电厂取水口处的前池明渠宽度为130m，渠口底标高为-9.00m，断面为复式倒梯形，进水明渠的取水流速约为0.4m/s。当接到电厂应急指挥部执行海生物监测任务时，水下机器人通过水上控制设备在2号机组取水口的前池明渠内航行，通过携带的彩色摄像机对前池海生物进行监测，同时水面操控人员对监测情况进行判断和记录。根据现场发现的海生物状况，如有大量海生物时，及时汇报冷源小组和主控室，为冷源应急行动提供决策依据。本文以2015-2016年阳江核电厂取水口两次虾群入侵事件为例，对水下机器人应用情况进行详细说明。

3.1　事件背景

2015年11月26日和2016年1月9日，阳江核电厂先后发生了两次虾群入侵取水口事件，造成了Y2CFI031/ 032TF多次切换至中速运行模式，持续时间均达半个月以上，对机组安全稳定运行产生了不良影响。这两次海生物入侵取水口物种均为中国毛虾（见图2），体长1～4cm，是一种生长迅速、生命周期短、繁殖力强、世代更新快、游泳能力弱的小型虾类，在生态习性上属于浮游动物类群，随潮流推移而游动于沿岸。该类毛虾体形小，游泳能力弱，极易进入核电厂取水口堵塞鼓型滤网。

图2　中国毛虾

3.2　ROV监测准备过程

1）设备进场前准备。首先连接系统，系统连接之前应当保持关机状态，并检查各个连接头是否完好。连接顺序为先连接下位机（潜器）连接头，然后连上U型扣，最后跟控制箱相连。完成连接后开机检查设备是否有合适电量，当电量低于20%时推荐进行充电，当电量低于10%时必须充电；如电池电量不足时，可以使用220V车载电源直接充电，充电过程中不影响现场使用。同时，考虑现场作业电源、设备摆放空间、环境监测车布置方式等作业配套具体细节，前期主要工作包括清理作业现场（在建GIL大桥）阻碍环境监测车通行的钢筋、钢板和木板等，并为水下设备的摆放腾出空地。

2）ROV设备下水作业。ROV准备就绪后，要进行ROV设备水上测试，再次检查水下机器人运行状况。先将ROV、脐带缆、主控制系统、工作电源等线路连接好，其中ROV控制箱布置在环境监测车内，然后开机检查各项参数是否运行正常，确认无误后方可下水作业。下水时可直接通过人工拽住脐带缆将ROV垂直下放至水面上（无需吊车装吊下水），经过简单测试后，可开始下潜进行水下探测工作。

图3　ROV监测虾群画面

3.3　ROV监测实施过程

为监测掌握取水口前池海生物的整体情况，水下机器人先从水流中部下水，潜至底部后，然后分别向左、右行驶，航行过程中控制箱自动全程录像。通过实时视频或截取录制视频，可以清晰观察到水下海生物情况，见图3。ROV监测屏幕显示，2016年1月11日23：14，取水口前池未见虾群，而到2016年1月11日23：55，取水口前池有大量虾群入侵。此时环境监测人员立即通报主控室和冷源小组关于取水口前池虾群情况，主控室启动CFI鼓网手动切换至中速运行并保持双反冲洗泵冲洗，尽力确保毛虾不附着在鼓网上面，使鼓网压差维持在合理水平；同时，冷源小组应急值班人员安排增加渔船，加大人工打捞力度，以降低取水口虾群数量，确保机组安全运行。

在上述行动中，当取水口前池ROV监测到虾群较多时，如果等待机组判断执行启动CFI鼓网手动切换至中速运行模式操作迟缓，则自动启动CFI中速电机（CFI中速电机会自动启动条件是：压差升高至0.1m），这表明大量虾群已经入侵并堆积取水口。这种情况很有可能在短短几分钟内致使鼓网压差迅速升高和CRF泵全部跳闸，凝汽器将失去大量冷却水，导致机组停机停堆，将会造成不可挽回的巨大经济损失。所以，采用ROV对核电厂取水口海生物进行实时监测，特别是虾群入侵期间进行跟踪监测，对保障机组安全运行是十分必要的。

3.4　ROV监测海生物应用优点

核电厂首次使用水下机器人进行取水口海生物监测，为冷源应急行动提供了可靠依据；特别是在近期两次大规模虾群入侵核电厂取水口事件中，ROV发挥了巨大作用，为企业挽回了潜在的巨额经济损失，功不可没。

总结水下机器人优势主要体现在：

1）ROV设备自带能源，搭载大容量电池，不用交流电可工作4小时左右，改变了大部分野外均无法提供交流电使用的局面，大大方便了现场使用。

2）ROV可在现场水流条件下进行全方位实时监测，同时还可以检查进水明渠拦污网破损情况，彻底改变了潜水员必须下水检查的局面，大大降低了工作风险，节约了人力成本。

3）ROV在监测海生物时，控制界面中文显示，操作方便，视频清晰度优势明显，可以很直观地看清水下海生物情况，同时还可以视频录像，完全满足现场监测需求。

4）通过ROV对虾群入侵跟踪监测，工作人员很好地掌握了虾群入侵时间规律，积累了丰富经验。同时，ROV在改进进水明渠细目网布设方式、评估拦虾效果等方面也发挥了积极作用。

5）相比国外设备，目前使用的此款水下机器人小巧易携带、性价比高，免去进口设备维修返厂手续繁杂，维修周期长等问题，不会影响使用。同时，国内厂家承诺设备故障2小时内响应，24小时发出备用机，3天提出解决方案，在售后服务方面有较好保障。

4　 结论

水下机器人（ROV）作为一种缆控水下探测工具，集结构紧凑、便于操作、小巧易携带、安全度高、经济性强等优势于一体，在阳江核电厂冷源取水口海生物监测中发挥了积极作用，为我国滨海核电厂海生物入侵预警监测提供了一个全新的解决方案与思路。未来，相信水下机器人一定会在类似（核）电厂充分发挥其巨大优势，为机组安全稳定运行提供更好的技术服务。