王連接

(中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司,廣東 廣州 510663)

?

濱海電廠溫排水三維數(shù)值模擬研究

王連接

(中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司,廣東 廣州 510663)

針對傳統(tǒng)溫排水平面二維數(shù)學模型的不足,采用三維斜壓水流數(shù)學模型來模擬溫排水的運動,建立了某電廠溫排水工程近區(qū)和遠區(qū)耦合的數(shù)學模型,得到了計算域內(nèi)的三維潮流場與溫升場。研究結果表明MIKE3軟件能較好的模擬出實測潮流的流速場。海灣內(nèi)溫排水三維分層現(xiàn)象顯著,溫排水溫升包絡范圍以表層溫升分布為主。

直流冷卻；溫排水；三維數(shù)值模擬

濱海地區(qū)火電廠多采用直流冷卻供水系統(tǒng)。大流量、高熱量的廢水排入海灣中將引起水體溫度的增高,影響到水生物的生存環(huán)境,為此,在采用直流冷卻系統(tǒng)的濱海電廠建設的前期,需要對溫排水的影響開展詳細的計算和分析,以在滿足環(huán)境保護的前提下,優(yōu)化取、排水口的工程位置以及減少取排水工程量。

二維數(shù)學模型方面,郝瑞霞采用有限體積法求解二維N—S方程組與RNGk-ε紊流模型給出了感潮河口溫排水的溫度場[1]。嚴冰采用MIKE 21 FM模型對馬來西亞沙巴電廠沿岸往復流海岸溫排水進行了數(shù)值模擬,采用非結構化網(wǎng)格,率定了模型參數(shù),建立了水動力模型,對取排水口不同位置方案進行了數(shù)值模擬預測[2]。三維數(shù)學模型方面,何國建采用斜對角笛卡爾方法推廣應用到河口與海岸溫排水三維數(shù)值計算中,采用了EFDC模塊的σ坐標變換和平面正交曲線坐標變換,模擬了山東海陽核電廠附近的三維水流運動情況,結果與實測值擬合較好[3]。彭曉飛利用ECOMSED模式建立了大亞灣潮流三維數(shù)值模型,在此基礎上對嶺澳核電站與大亞灣核電站合排后溫排水的擴散過程進行了數(shù)值計算[4]。張繼民運用Delft 3D模型對電廠的擴建工程溫排水進行了多方案的數(shù)值模擬, 提出了合理的排水口布置方式[5]。王明才在某濱海核電廠溫排水研究的基礎上建立了溫排水三維數(shù)值模型, 利用實測水文數(shù)據(jù)進行模型驗證, 并成功應用于工程方案比選[6]。

平面二維數(shù)值模擬不能完全反映溫排水的三維水力熱力效應,溫排水三維數(shù)值模型有必要應用于工程實踐中。目前，針對MIKE3三維數(shù)值模擬驗證仍比較少,國內(nèi)尚未有一個統(tǒng)一應用的商業(yè)軟件。有鑒于此,本文利用MIKE3軟件建立了某海域水動力場和溫度場預測模型,利用實測水文數(shù)據(jù)進行模型驗證, 并將其用于檢驗工程方案設計排放效果。

1 數(shù)學模型

采用斜壓淺水方程模擬濱海地區(qū)水動力條件,采用對流擴散方程模擬溫度場。

1.1 控制方程

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2 定解條件

3個方向的流速U,V,W在自由表面和底床上的邊界條件為：

1) 在自由表面

z=η

(5)

(6)

2) 在底床

z=-d

(7)

(8)

對于溫度場計算,表面和地床的溫度邊界為：

在水表面

z=η

(9)

在底床

z=-d

(10)

1.3 湍流模型及軟件模塊

湍流采用標準k-ε模型求解,原始控制方程在空間上的離散方法采用基于單元中心的有限體積法。

本文采用MIKE 3 FM中水動力模塊,該模塊水動力模塊可計算多種外力和邊界條件驅(qū)動下的水流和溫鹽分布情況。

模型計算中可給定的模擬區(qū)域內(nèi)的溫度、鹽度初始場,求解溫度和鹽度的對流擴散方程式。如采用大氣熱交換功能,在程序中需設定氣溫℃、相對濕度%和晴空指數(shù)%。本文計算中暫不考慮降雨及蒸發(fā)、冰蓋影響。

2 工程算例

某電廠的廠址位于地理坐標為北緯21°30′45″、東經(jīng)111°33′09″(在圖1的L11測站附近)。電廠機組冷卻水取自海水,采用直流供水系統(tǒng)。

圖1 某電廠示意圖及潮位站布置示意

2.1 潮位

該廠址所在海區(qū)的潮型屬正規(guī)半日潮,即1 d兩漲兩落。廠址所在海區(qū)潮位征值如下：

根據(jù)1 a(2008年10月—2009年9月)的潮位觀測資料進行統(tǒng)計分析得到廠址福湖嶺站的潮位特征值見表1(基面為1985國家高程基準)。

表1 潮汐特征值統(tǒng)計表項目

2.2 計算域及計算網(wǎng)格

本數(shù)值模擬目標區(qū)域為以廠址為中心,順岸南、北向各6 km,離岸6 km的開邊界近岸海域。計算網(wǎng)格的尺度能反映水工構筑物及沿岸地形對所研究的細部流場和物質(zhì)輸運的影響,采用水平平面上曲線正交網(wǎng)格,最小網(wǎng)格高約100 m,垂向按σ坐標分為10層,均勻等分。

2.3 計算參數(shù)取值

海床糙率系數(shù)n,可依據(jù)專門的試驗確定,或依具體的對象在研究時根據(jù)實踐經(jīng)驗加以確定。本數(shù)值研究取為0.02～0.025。水流渦粘性系數(shù),取值1～5 m2/s。 濃度橫向擴散系數(shù),隨具體水流等環(huán)境的變化,物質(zhì)擴散系數(shù)在一個較大的范圍內(nèi)變化,本次計算中D的取值范圍為5～15 m2/s?？紤]大氣熱交換,氣溫取值25 ℃、相對濕度取88%、晴空指數(shù)取70%。本次計算中只考慮溫度引起的水密度的變化。

2.4 計算結果

2.4.1 潮位驗證

圖2為大潮和小潮時福湖嶺站的計算水位和實測水位的對比,可以看出工程區(qū)潮位站的計算水位,無論相位或振幅都與實測值有較好吻合。

圖2 福湖嶺潮位驗證

2.4.2 流速、流向驗證

選擇4個實測流速點對模型進行表層、中層、底層流速、流向驗證, 限于篇幅本文選擇L11測站說明流速驗證情況(見圖3)。結果表明：除個別時段外,各站流速、流向的計算值與實測值基本吻合。模型能反映了工程附近海域的整體流態(tài),模型參數(shù)基本合理,能較好地反映計算水域的原體潮流運動特征,模型計算流場與原體流場基本相似。

圖3 L11號測站大潮位流速值驗證

2.5 計算方案與計算條件

電廠共6臺機組,每臺機組循環(huán)水量約為66.89 m3/s,循環(huán)冷卻水排水溫升8.0 ℃。取水方案：采用明渠取水,渠首設在廠區(qū)東部海域,取水明渠沿岸線布置,渠底標高-6.00 m,渠底寬分別為60 m(2臺機)、90 m(4臺機)、120 m(6臺機)。 排水方案：溫排水利用箱涵或隧道接入排水明渠排放。排水明渠底標高-4.00 m,底寬120 m(如圖4所示)。

圖4 工程取排水方案

2.5.1 取水口溫升

取水溫升見表2。

表2 取水口前全潮平均溫升沿垂向分布(取水口斷面平均溫升為0.81 ℃)

表2可知受納水體垂向溫升分布變化顯著,溫升主要集中在表層。這是由于廠址工程水域水體相對較深,溫排水分層現(xiàn)象顯著,故數(shù)值模擬需采用三維模型進行計算。

由于排水方案采取明渠西排,把溫排水向西輸送到遠岸,在漲潮時對近岸區(qū)域的影響減小。同時采用明渠取水的方案,排水口的布置與取水口的距離3.5 km,故取水口處的取水溫升僅達0.81 ℃。故該方案利用了導流明渠極大了消減了溫排水的影響。

2.5.2 溫升場

圖5為大潮落急時的溫升場,可以看出排水口附近溫升垂向分層現(xiàn)象較為明顯,擴散范圍和流向受潮流場和排水場的影響。由于溫排水排放口位于中層,因而中層溫排水的溫升最高,超過了1.65 ℃。由于水面散熱的作用,水面表層的溫升比中層的要低,最大溫升約低0.69 ℃。

圖5 大潮全潮平均等溫升線包絡面積表層溫升場

表3表明取水口處溫升主要集中在表層,溫排水分層現(xiàn)象顯著,溫升線包絡范圍主要集中在表層,這是由于熱水排水之后密度相對冷水小,在湍浮力的作用下向表層擴散。

表3 大潮位下平均等溫升線包絡面積 km2

3 結論

本文利用DHI MIKE3軟件建立了三維斜壓水流模型對某熱電廠的溫排水擴散進行了三維數(shù)值模擬,利用實測潮位條件和海底地形資料,計算得到了大潮潮流流速場,計算結果表明海灣內(nèi)水動力場和溫排水近區(qū)三維分層現(xiàn)象明顯,與實測潮流場符合得較好,MIKE3軟件能較好的模擬出實測潮流的流速場。同時，計算了某電廠溫排水溫升場,表明溫排水分層現(xiàn)象顯著,溫排水溫升包絡范圍以表層溫升分布為主。

[1] 郝瑞霞,齊偉,李海香，等.潮汐水域流速場和溫度場的數(shù)值模擬研究[J].太原理工大學學報,2005,36(3)：235-237．

[2] 嚴冰,張娜,趙洪波，等.沿岸往復流海岸電廠平面二維溫排水數(shù)值模擬研究[J].水道港口,2011,32(4): 291-296．

[3] 何國建.潮汐影響下電廠溫排水運動的三維數(shù)值模擬[J].水力發(fā)電學報,2008,27(3)：125-131．

[4] 彭曉飛.大亞灣海域溫排水三維數(shù)值模擬研究[D].廣州：中山大學,2008．

[5] 張繼民,張新周,湯紅亮,等. Delft3D在海灣電廠溫排水數(shù)值模擬中的應用[J]. 人民長江,2009(1):59-62．

[6] 王明才,倪培桐,張曉艷. 某濱海核電廠溫排水三維數(shù)值模擬[J]. 廣東水利水電,2011(6):1-4．

(本文責任編輯 王瑞蘭)

Three-Dimensional Numerical Simulation for Thermal Discharge of Offshore Power Plant

WANG Lianjie

(Guang Dong Electric Power Design Institute Co., Ltd. of China Energy Engineering Group, Guangzhou 510663, China)

To overcome the shortcoming of the two dimensional model, a three dimensional baroclinic flow ma-thematics model is used to simulate the movement of thermal discharge. The mathematics model for thermal discharge of some thermal power plant is developed for the far field and near field. The calculation and its verification show that the calculated processes of tidal level and current fairly well coincide with field data in MIKE3. Three-dimensional layered phenomenon of the thermal discharge water is obvious, and The thermal discharge envelope scope is focused on the surface.

once-recycle； thermal discharge； three numerical simulation

2016-04-21;

2016-06-15

王連接(1988),男,碩士,工程師,從事電廠工程設計及流體動力學研究工作。

TV67

A

1008-0112(2016)06-0001-05