王瑞鋒,李志永,陳 剛

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問(wèn)題的提出

海水直流冷卻是指抽取海水后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的格柵過(guò)濾就進(jìn)入凝汽器或其它熱交換設(shè)備,冷卻其它介質(zhì)之后直接排放[1].。目前濱海電廠循環(huán)冷卻水大多數(shù)采用直流冷卻方式,通過(guò)水循環(huán)熱交換對(duì)熱機(jī)進(jìn)行冷卻后,循環(huán)水溫度一般升高8～12℃[2-3].。受熱力學(xué)第二定律制約,一般由冷卻水帶走的能量為發(fā)電量的1.4～2.5倍[3].,因此,取、排水口布置時(shí)應(yīng)盡量避免熱量在水體中積蓄,還應(yīng)減小溫水團(tuán)隨潮運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)取水溫度的影響。

嘉興電廠一、二、三期工程,總裝機(jī)容量6 000MW,夏季循環(huán)水流量208m3/s,排水口設(shè)計(jì)溫升9℃,取、排水口位置見(jiàn)圖1。2005年以來(lái)每年夏季,一期取水溫度逐年抬升,機(jī)組被迫降負(fù)荷運(yùn)行,甚至停機(jī),安全性和經(jīng)濟(jì)性受到較大影響。為保證機(jī)組的正常運(yùn)行,進(jìn)行改造是必要的。針對(duì)取排水工程,改造的方法包括:取排水口遷移、取排水口頭部結(jié)構(gòu)改造、布置方式 (差位式、分列式、重疊式)及冷卻方式(直流、冷卻池、冷卻塔)的調(diào)整等[3-7].。

圖1 取、排水口位置示意圖

考慮到嘉興電廠取、排水口的特殊布置形式,為簡(jiǎn)化改造工程,以排水口附近流場(chǎng)的整治為基礎(chǔ),構(gòu)造溫排水導(dǎo)流堤進(jìn)行人工導(dǎo)流,研究排水導(dǎo)堤改造方案的實(shí)施對(duì)取水溫升的改善效果,并對(duì)不同堤頂高程的方案進(jìn)行比選。根據(jù)堤頂高程的不同,人工導(dǎo)流堤初步分為3.0,0.3,-1.2m的高、中、低潮位方案。

2 工程海域自然條件特征

2.1 潮 汐

工程水域多年平均漲潮歷時(shí)5.45 h,平均落潮歷時(shí)約6.98 h,多年平均高、低潮位分別為2.59,-2.11m,平均潮差4.69m,屬淺海半日潮。

2.2 潮 流

據(jù)實(shí)測(cè)資料,工程海域潮強(qiáng)流急,潮流的運(yùn)動(dòng)形式主要表現(xiàn)為往復(fù)流,最大流速出現(xiàn)在中潮位附近,其漲、落急垂線平均流速分別為0.99～1.63,0.67～0.94m/s,具有明顯的駐波特性。

2.3 水溫氣象

杭州灣位于北亞熱帶季風(fēng)盛行區(qū),夏季主要受太平洋暖氣團(tuán)控制。工程海域夏季歷年月平均水溫28.6℃[8].,夏季頻率10%的日平均水溫為30.3℃[9].。

3 溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型

本模型采用丹麥水力學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的平面二維數(shù)值模型MIKE21研究潮流和溫排放對(duì)流擴(kuò)散過(guò)程[9].。

3.1 控制方程

數(shù)學(xué)模型基本方程為:

式中:ζ為潮位(m);p、q分別為x、y方向的垂線平均流量分量(m3/s);u、v分別為x、y方向的垂線平均流速分量(m/s);h為水深(m);f為柯氏力參數(shù);Cz為謝才系數(shù);E為渦動(dòng)黏性系數(shù);C為垂線平均溫升(℃);Dx、Dy分別為x、y方向的熱擴(kuò)散系數(shù);Cp為水的比熱J/(kg?℃);ρ為水的密度(kg/m3);Qs為取排水流量(m3/s);Cs為排水溫升(℃);As為取排水口位置的流體微團(tuán)面積(m2);U為排水口出口流速(m/s);θ為排水口出流角度(°);K為水面綜合散熱系數(shù)。

MIKE21模型采用ADI差分法求解二維淺水潮波方程,方程矩陣采用雙消除法(Double Sweep)求解,該格式具有二階精度。對(duì)流擴(kuò)散方程采用QUICKEST法進(jìn)行離散,其差分格式為時(shí)間前差,空間中心差。

3.2 網(wǎng)格及邊界條件

模型計(jì)算范圍及邊界見(jiàn)圖2,大范圍流場(chǎng)采用水位邊界條件,并采用矩形網(wǎng)格,其中大范圍為300 m網(wǎng)格,工程近區(qū)采用步長(zhǎng)由180m逐步加密至20m的3層嵌套網(wǎng)格。

大范圍溫度場(chǎng)水邊界條件的處理,分為出流和入流2種情況:出流時(shí),采用擴(kuò)散為零的條件;入流時(shí),由于邊界上基本不受溫排放影響,入流溫升邊界條件取值為零。小范圍計(jì)算域由大范圍溫度場(chǎng)提供溫升邊界條件。

圖2 模型計(jì)算范圍圖

3.3 計(jì)算條件

乍浦潮位站每年夏季潮差累積頻率10%,50%,90%的潮差分別為6.46,5.22,3.55m。從實(shí)測(cè)潮位過(guò)程系列中選擇與上述潮差相近的潮分別作為典型大、中、小潮。

導(dǎo)堤內(nèi)側(cè)水域由于存在較大的排水流量,流速較大,會(huì)有一定的沖刷下切,根據(jù)沖淤計(jì)算,導(dǎo)堤內(nèi)側(cè)排水通道沖刷至-2.1m左右[9].,模型對(duì)各方案進(jìn)行該反饋地形的溫排水計(jì)算。

模型以連續(xù)半月潮作為溫排水計(jì)算潮型,并對(duì)典型大、中、小潮進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.4 溫升驗(yàn)證

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M取水溫升的可靠性,搜集了一、二期取水口1個(gè)月的逐時(shí)溫度資料。基于半月潮計(jì)算的取水溫升(下稱(chēng) “計(jì)算”)與實(shí)測(cè)資料中分離的取水溫升 (下稱(chēng)“分析”)可進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

由于缺少自然水溫點(diǎn),僅有實(shí)測(cè)取水溫度及同步潮過(guò)程,溫升值采取溫度過(guò)程減去每個(gè)潮對(duì)應(yīng)的最低溫度進(jìn)行分離。取、排水口距離較近,最低點(diǎn)溫度可能已受溫排水影響,而且自然水溫理論上為一變化過(guò)程,因此基于該方法提取的溫升值可能稍偏小[10].。

取水溫升與潮動(dòng)力關(guān)系比較密切,而潮差是水動(dòng)力強(qiáng)弱的直接反映,因此,采用與溫度資料同步的實(shí)測(cè)潮系列與計(jì)算半月潮系列進(jìn)行潮差匹配,從中選出匹配較好的潮型,分別進(jìn)行溫升統(tǒng)計(jì)。匹配后篩選出的取水溫升統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表1,其中平均溫升為篩選出的全部溫升樣本系列的平均值,最大溫升為該系列中每個(gè)潮對(duì)應(yīng)的最大溫升的平均值。數(shù)據(jù)表明,平均溫升計(jì)算值與分析值基本相當(dāng),最大溫升計(jì)算值比分析值高1℃左右,由于峰值持續(xù)時(shí)間一般很短,所以模型通過(guò)半月潮計(jì)算基本能反映真實(shí)的取水溫升。

表1 溫升分析值與計(jì)算值對(duì)比表 ℃

3.5 方案比選

現(xiàn)狀條件下,取水溫升平均值、最大值均表現(xiàn)為小潮＞中潮＞大潮,這與小潮流速小,熱量摻混能力差有關(guān),所以小潮為不利潮型。下面重點(diǎn)對(duì)典型小潮條件下的取水溫升影響進(jìn)行分析,各方案溫升統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 方案實(shí)施前后取水溫升統(tǒng)計(jì)表

對(duì)于取水溫升的改善作用,各導(dǎo)堤方案均有明顯效果,分析如下:

3.5.1 方案綜述

3.0 m方案,溫排水基本全部導(dǎo)往下游;0.3m方案,落急后流向一期取水口的溫排水被導(dǎo)向下游;-1.2m方案,由于導(dǎo)堤不高,排水流量較大,低潮位時(shí)仍有部分溫排水越過(guò)導(dǎo)堤向一期取水口區(qū)域擴(kuò)散。

3.5.2 3.0m與0.3m方案比較

3.0 m方案對(duì)一期取水口的改善優(yōu)勢(shì)主要集中在高平潮附近,而此時(shí)的計(jì)算溫升呈尖瘦型,歷時(shí)很短,水位較高,加上溫度垂向分布影響,所以3.0m方案與0.3m方案相比改善效果并不明顯。

3.5.3 -1.2m與0.3m方案比較

-1.2m方案和0.3m方案相比,平均取水溫升前者比后者高0.7℃以?xún)?nèi),各級(jí)溫升歷時(shí)也基本相當(dāng),因此就取水溫升比較來(lái)看,0.3m方案略?xún)?yōu)于-1.2m方案。

3.5.4 敏感分析

對(duì)于-1.2m方案,考慮到溫排水漫頂流量與導(dǎo)堤內(nèi)側(cè)排水通道過(guò)水面積有直接關(guān)系,以及本方案一期取水口附近溫升梯度較大,所以對(duì)一期取水口附近區(qū)域進(jìn)行溫升敏感分析。向岸邊方向距離一期取水口約20m處取一分析點(diǎn)進(jìn)行溫升統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn),無(wú)論大、中、小潮的平均溫升還是最大溫升該分析點(diǎn)均有較大幅度的抬升,其中最大溫升達(dá)8.44℃,比一期取水口升高約1.6℃。因此,碼頭內(nèi)側(cè)地形變化導(dǎo)致的流場(chǎng)改變或由于排水通道面積變化導(dǎo)致溫排水漫頂流量的增大,都可能進(jìn)一步抬升一期取水口的溫升,影響機(jī)組效率。

表3 -1.2m方案溫升敏感分析表 ℃

綜合考慮取水溫升、水動(dòng)力影響及對(duì)地形和導(dǎo)流堤內(nèi)側(cè)排水面積的敏感程度等因素,高程為中潮位附近的0.3m導(dǎo)堤方案較優(yōu)。

3.6 0.3m方案改善效果

0.3 m方案實(shí)施后,一期取水溫升過(guò)程見(jiàn)圖3,取水溫升及改善效果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

圖3 0.3m方案實(shí)施前后一期取水溫升圖

由圖3和表4可見(jiàn),0.3m方案實(shí)施后,落急后溫排水被導(dǎo)向下游,一期取水口,低潮位附近的溫升峰值被明顯削弱,高潮位附近的次峰變化不大,高溫升歷時(shí)有明顯縮短;二、三期取水溫升也有所改善。

0.3 m方案實(shí)施后,平均取水溫升,一期取水口平均降低約2.1℃,二、三期平均降低0.15℃;最大溫升,一期取水口平均降低約2.6℃,二、三期取水口平均降低約2.0℃;3℃以上溫升歷時(shí),一期取水口平均減少約3.6h,二、三期取水口平均減少約0.45h。

表4 0.3 m方案實(shí)施后取水溫升及改善幅度統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 論

(1)各導(dǎo)流堤方案對(duì)取水溫升的改善均有明顯效果,綜合考慮取水溫升、水動(dòng)力影響及取水溫升對(duì)電廠近區(qū)地形和堤內(nèi)側(cè)排水?dāng)嗝娴拿舾谐潭鹊纫蛩?高程為中潮位附近的0.3m導(dǎo)堤方案較優(yōu)。

(2)0.3m方案實(shí)施后,一期取水口平均取水溫升降低約2.1℃;最大溫升降低約2.6℃,3℃以上溫升歷時(shí),減少約3.6 h,基本能滿足機(jī)組的運(yùn)行要求。

(3)導(dǎo)堤方案的弊端:現(xiàn)狀條件下,溫排水對(duì)一期取水口的淤積起到了減緩的積極作用。而導(dǎo)堤的實(shí)施將一定程度上導(dǎo)致工程水域潮流外推,使益山的磯頭效應(yīng)有所削弱。因此,導(dǎo)堤的實(shí)施對(duì)各取水口潛在的淤積影響不容忽視。導(dǎo)堤內(nèi)側(cè)的沖刷及過(guò)水情況也需特別關(guān)注。

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