梁賢金，田娟娟

(1.武漢凱迪電力工程有限公司，湖北武漢 430023；2.武漢天華嘉易建筑設(shè)計有限公司，湖北武漢 430070)

某濱海電站溫排水?dāng)?shù)值模擬研究

梁賢金1，田娟娟2

(1.武漢凱迪電力工程有限公司，湖北武漢 430023；2.武漢天華嘉易建筑設(shè)計有限公司，湖北武漢 430070)

濱海直流循環(huán)電站溫排水水量大，對鄰近海域的生態(tài)環(huán)境有重要影響。正確預(yù)測評估溫排水對鄰近海域的影響范圍，對于直流循環(huán)電站工程設(shè)計有重要意義。數(shù)值模擬是開展溫排水研究工作的重要手段。針對菲律賓某濱海電站循環(huán)水取排水工程的實際特點，建立水流數(shù)學(xué)模型和溫升場數(shù)學(xué)模型，對其溫排水?dāng)U散過程進行數(shù)值模擬研究。對其河口海岸的復(fù)雜不規(guī)則邊界，離散方法采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。模擬了某濱海電站循環(huán)水取排水工程初步設(shè)計方案的溫排水?dāng)U散過程，模擬結(jié)果表明：設(shè)計方案下，向海中排放的溫排水不會對所在海域環(huán)境造成明顯影響，符合當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門3℃溫升范圍要求。

濱海電站；溫排水；一次循環(huán)；數(shù)值模擬

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的深入實施，中資企業(yè)采用資本輸出的方式在沿線國家建設(shè)了許多大型濱海火電站。濱海電站運行需要以冷卻水為載體將廢熱釋放到海洋中，大量的溫排水一方面影響了排水口區(qū)域的流場，另一方面會造成排水口區(qū)域水溫上升，對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響。目前我國對溫排水的認識還存在分歧，對某些法律法規(guī)和標準中的有關(guān)條款的認識也存在差異，還沒有專門的冷卻水排放標準，僅在一些水環(huán)境質(zhì)量標準中對水體的溫升提出了明確的規(guī)定，而一些海洋國家的標準中，已對溫排水有明確的要求。在此領(lǐng)域，國外一些學(xué)者采用CORMIX3模型[1]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[2]等對此有深入研究；國內(nèi)在這方面也有較多研究，應(yīng)用的模型有深度平均的二維淺水潮波模型[3]、平面二維溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型等[4]，而大多研究都面向電站規(guī)劃選址階段，對電站運行后溫排水溫升影響的數(shù)值研究相對較少[5]。

對于沿岸淺海水域，特別是半封閉海灣，其基本運動是由外來潮波引起的潮汐運動，即協(xié)振潮。表述潮波運動的參考坐標系不考慮地球曲率的影響，顯然適用于水平范圍遠小于地球半徑的海域，對于沿岸海域和海灣無疑是適用的[6]。本文采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格的分布雜交方法建立水動力學(xué)模型及二維熱輸運數(shù)學(xué)模型，對菲律賓某海灣燃煤電站工程溫排水的擴散過程進行模擬，為其取排水工程初步設(shè)計方案的評估與驗證提供依據(jù)，也為項目建成后的環(huán)境監(jiān)測提供必要的參照數(shù)據(jù)。

1 溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型

1.1基本方程

針對某濱海電站所在海灣的地形、陸域邊界及潮流特征，選用沿水深平均的平面二維水流數(shù)學(xué)模型，其基本方程[7]為：

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

式中，H、Z分別為水深和水位，m；u、v分別為x、y向的流速，m/s；u*、v*分別為源(匯)輸入(出)河道時x、y向的流速，m/s；q為源(匯)單位面積流量，源時q取正，匯時q取負，m3/(s·m2)；ρ為水體密度，kg/m3；γt為紊動黏性系數(shù)，m2/s；c為謝才系數(shù)，c=1/n×R1/6；R為水力半徑，m；n為海床糙率；f=2ωsinφ，為柯氏力系數(shù)，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ為計算水域所在地理緯度。

所采用的溫升場數(shù)學(xué)模型基本方程為：

(4)

式中，ΔT為水體增溫量；Ex、Ey分別為x、y向擴散系數(shù)；Ks為水面綜合散熱系數(shù)；ρCp為水體定壓比熱通量；ΔT*為沿程源匯水體超溫值。

1.2數(shù)值方法

水流模型基本方程中含有非線性混合算子，可采用剖開算子法進行離散求解。這一數(shù)值方法可以根據(jù)方程所含算子的不同特性，將該方程剖分為幾個不同的子算子方程，各子算子方程可采用與之適應(yīng)的數(shù)值方法求解[8]。這種方法能有效地解決方程的非線性和自由表面確定問題，具有良好的計算穩(wěn)定性和較高的計算精度[9-10]。

2 數(shù)值模擬計算

2.1取排水工程方案

某3×135 MW流化床燃煤電站機組位于菲律賓某海灣，主機冷卻水系統(tǒng)采用海水一次循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，3臺機組冷卻水量約20 m3/s。當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門要求，電站排出的溫排水產(chǎn)生的3 ℃溫升影響范圍不能超過半徑150 m圓形水域。

循環(huán)冷卻水取排水工程采取深取淺排布置方式，取水口布置在-7.0 m等深線附近，取水管線距岸邊約300 m，由3條引水鋼管組成，管徑DN2200；排水管線位于取水管線南側(cè)約250 m處，排水口布置在-4.0 m等深線附近，與取水口直線距離約285 m，排水管線為3根DN2200鋼管。取排水工程總布置如圖1所示，計算海域范圍及其地形變化如圖2所示。

圖1 取排水工程總平面布置Fig.1 Layout of water intake and drainage project

圖2 某電站計算海域范圍及其地形變化Fig.2 Computation of sea area range and topography change

2.2計算條件

水流溫升場數(shù)學(xué)模型中，主要包含河床糙率n、紊動黏性系數(shù)γt、擴散系數(shù)Ex和Ey、水面綜合散熱系數(shù)Ks共5個待定參數(shù)。根據(jù)電站所在海灣的地形條件，糙率采用0.016～0.020。紊動黏性系數(shù)γt可采用零紊流模型計算：γt=αu*H，其中α為常數(shù)，u*為摩阻流速。擴散系數(shù)可選用Ex=5.0 m2/s，Ey=0.5 m2/s。Ks根據(jù)《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范》推薦的公式計算得出，約為34.0 W/(m2·℃)。

電站溫排水?dāng)?shù)值模擬計算選取計算范圍為廠址所在的海灣，整個計算區(qū)域南北長約53 km，東西寬約35 km。計算區(qū)域采用三角形單元進行網(wǎng)格剖分，共布置了9618個節(jié)點，18 687個單元，外海海域的網(wǎng)格間距約為1.0 km，由外海向廠址海域計算網(wǎng)格逐漸加密，在廠址近岸處網(wǎng)格間距約為100 m，在電站取排水工程附近對網(wǎng)格進行進一步加密，最小網(wǎng)格間距為10～20 m。電站溫排水所在海域計算網(wǎng)格剖分圖如圖3所示。

圖3 某電站附近海域計算網(wǎng)格剖分Fig.3 Meshes for the numerical model near the power plant

2.3結(jié)算結(jié)果及分析

2.3.1潮流場計算結(jié)果分析

電站附近海域潮流場分布直接影響到排水口溫升的輸運擴散，計算海域潮流場主要受外海潮汐的影響，計算水文條件下的潮流場是相似的。以典型大潮水文條件進行研究。圖4為典型大潮水文條件下，計算海域典型瞬時潮流場分布。由圖4可知，計算海域海床較深、潮差較小，潮流動力極弱，絕大部分海域流速小于10 cm/s，電站近岸海域水深較淺，流速相對稍大，但最大流速僅在20 cm/s左右。

電站廠址前沿流速較小，水流較為平順。在自然狀態(tài)下，全潮過程潮流均為由海灣南側(cè)流向海灣北側(cè)的近岸流，受河水流和電站排水的影響，在全潮的不同時段在排水管線的左右兩側(cè)會出現(xiàn)短時間的回流區(qū)。電站附近海域的低流速特性和回流區(qū)的存在必然會降低潮流對溫排水的輸移、擴散效果。

電站附近海域深海與近岸海域的潮流變化不同步，深海的潮流變化滯后于近岸海域，同時潮位與潮流的變化也是不同步的，潮流的變化要滯后于潮位的變化。計算海域水下地形變幅較大，流速變化較明顯，外海海域水深超過1500 m，潮流流速最小，電站附近海域開闊，水深條件較好，潮流流速稍大，廠址南北兩側(cè)的淺灘受陸域邊界的影響，入海河流受上游來流和外海潮汐的影響，這些近岸水域的潮流流速最大。

圖4 電站近岸海域漲(落)急潮流場分布Fig.4 Instant flow velocity field near the power plant

2.3.2溫升場計算結(jié)果分析

采用沿水深平均的平面二維數(shù)學(xué)模型對電站3臺機組運行后在3種典型水文條件下的溫排水影響進行了預(yù)測計算，計算水文條件下的全潮最大溫升包絡(luò)線，計算結(jié)果如圖5所示，相應(yīng)的溫升分布統(tǒng)計如表1所示。

由圖5和表1可知，電站近岸海域潮流主流方向為由南向北的潮流，潮流動力微弱，全潮漲落流速不超過20 cm/s，且受河流入海口水流和電站排水影響后，在排水口附近水域有回流區(qū)存在。由于采取近岸直排方式，排水方向基本與潮流方向垂直，出口流速遠大于海域流速，在漲潮時，溫排水被河口水流帶向南側(cè)海域，在落潮時，溫排水被輸運至排水口北側(cè)海域。電站溫排水主要影響排水口南北側(cè)海域，且主要集中在近岸海域附近，呈扁長狀分布。

計算水文條件下的溫排水影響面積差別不大，其中0.5 ℃和1.0 ℃等溫升分布范圍稍大，2.0 ℃及其以上高溫升分布范圍較小，僅局限于排水口附近水域。相對而言，典型大潮水文條件下溫排水影響范圍較大：0.5 ℃等溫升值全潮最大包絡(luò)面積1.246 km2，1.0 ℃等溫升值全潮最大包絡(luò)面積0.410 km2，2.0 ℃等溫升值全潮最大包絡(luò)面積0.140 km2，3.0 ℃等溫升值全潮最大包絡(luò)面積0.045 km2，4.0 ℃等溫升值全潮最大包絡(luò)面積0.016 km2，且3.0 ℃等溫升值包絡(luò)線最大長度280 m，最大寬度230 m，均小于300 m，沒有超出半徑150 m的圓形水域。

圖5 全潮最大溫升包絡(luò)線圖Fig.5 Isothermal enveloping curves of maximum temperature rise

表1 3臺機組運行溫升影響范圍特征值

2.3.3取水口溫升特征

排水口與取水口的相對位置關(guān)系對取水口溫升有直接影響，取水溫度又直接影響機組出力。模擬計算結(jié)果顯示，典型大潮水文條件下，電廠全潮最高取水溫升0.40 ℃、全潮平均取水溫升0.38 ℃；典型中潮水文條件下，電廠全潮最高取水溫升0.32 ℃、全潮平均取水溫升0.30 ℃；典型小潮水文條件下，電廠全潮最高取水溫升0.22 ℃、全潮平均取水溫升0.20 ℃。

綜合前文分析可知，電站附近海域漲落潮動力微弱，機組取水主要受排水水流和河流入海水流的影響。取水溫升在全潮過程中有所變化，但取水水域潮流在全潮過程中均為由南向北流動，因而溫升波動幅度較小。取水溫升最大值為0.40 ℃，對機組運行出力影響較小，滿足工程設(shè)計要求，即取、排水口布置位置關(guān)系合理。

3 結(jié)語

采用沿水深平均的平面二維水流溫升場數(shù)學(xué)模型對某濱海電站典型水文條件下溫排水分布規(guī)律進行了計算分析研究，主要結(jié)論如下：

(1)從溫排水的角度考慮，電站近岸排水、近區(qū)深層取水的方案是可行的，滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保標準要求。

(2)電站所在海域潮流動力較弱，計算水文條件下的溫排水影響面積不大，其中0.5 ℃和1.0 ℃溫升分布范圍稍大，2 ℃及以上高溫升分布范圍較小，僅局限于排水口附近水域。

(3)電站取水口最高溫升0.4 ℃，對機組運行出力影響較小，符合工程設(shè)計要求。

從研究目的、效率等因素考慮，數(shù)值模擬采用了簡化模型。但濱海電站所在海域水體密度差異顯著，水下地形及水動力條件復(fù)雜多變，溫排水在其中的輸移擴散具有明顯的三維特性。綜合考慮計入環(huán)境水體本底溫、鹽、流相互作用以及水氣間實時熱交換過程，才能更真實地反映溫排水在環(huán)境水體的擴散過程。隨著模擬手段的進一步發(fā)展，溫排水的數(shù)值模擬將會更多地考慮這類因素。

受基礎(chǔ)資料限制，數(shù)值模擬是在現(xiàn)有海床地形條件下進行的，工程建成后可能會影響附近海床的沖淤變化，從而對電站取水產(chǎn)生一定影響，建議關(guān)注電站運行后附近海域的地形變化趨勢，做到防患于未然。同時，開發(fā)應(yīng)用可真實反映溫排水對自然水體實時影響的溫排水預(yù)報模型，對于電站溫排水環(huán)境影響后評價和實時監(jiān)測具有重要意義，這也是今后提升溫排水?dāng)?shù)值預(yù)測技術(shù)水平的一個方向。

[1] Schreiner S P, Krebs T A, Strebel D E, et al. Testing the CORMIX model using thermal plume data from four Maryland power plants[J]. Environmental Modelling & Software, 2002, 17(3): 321- 331.

[2] Romero C E, Shan J. Development of an artificial neural network-based software for prediction of power plant canal water discharge temperature[J]. Expert Systems with Applications, 2005, 29(4):831- 838.

[3] 孫秀敏, 張令戈. 熱電廠溫排水排海環(huán)境影響預(yù)測方法及應(yīng)用[J]. 遼寧城鄉(xiāng)科技, 2001, 21(1): 30- 31.

[4] 張繼民. 電廠溫排水區(qū)流動特性分析及模型參數(shù)的研究[J]. 東北水利水電, 2005, 23(253): 51- 56.

[5] 張貝貝, 周靜, 紀平. 濱海電廠溫排水?dāng)?shù)值模擬研究現(xiàn)狀[J]. 中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報, 2014(4): 402- 409.

[6] 畢聞彬. 濱海電廠溫排水管理研究[D]. 青島: 中國海洋大學(xué), 2005: 32- 38.

[7] 張繼民. 電廠溫排水對水生生物的熱影響及水質(zhì)影響研究[D]. 南京: 河海大學(xué), 2006.

[8] 孫艷濤, 吳修鋒. 長江水域電廠溫排水?dāng)?shù)值模擬[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2013, 11(6): 163- 166.

[9] 劉弘, 劉本芹. 南水北調(diào)東線分流區(qū)通航水流條件及改善措施[J]. 中國港灣建設(shè), 2008(5): 24- 27.

[10] 宣以飛. 廣州龍穴造船基地圍堤吹填工程設(shè)計方案研究[D]. 南京: 河海大學(xué), 2005.

Research on Numerical Simulation of Cooling Water Diffusion in Coastal Thermal Power Plant

LIANG Xian-jin1, TIAN Juan-juan2

(1.Wuhan Kaidi Electric Power Engineering Co., Ltd., Wuhan 430023, China; 2.Wuhan Tianhua Jiayi Architectural design institute Co., Ltd., Wuhan 430070, China)

It is important to predict and assess cooling water’s impact on the adjacent ecological environment in a one-through coastal thermal power plant with a large amount of cooling water. Numerical simulation is a significant means to carry out cooling water diffusion research. Considering the characteristics of a power plant’s circulating water system in the Philippines, models of flow and temperature rise are used to simulate the temperature and water drainage, and the unstructured grid is adopted for the discrete irregular boundary of the estuary and coast. The cooling water diffusion process of the circulating water intake and drainage preliminary scheme is simulated, and the simulation results show that the cooling water does not have obvious impact on the ecological environment of the sea area, which meets the requirements of the local environmental protection department for temperature rise range within 3 ℃.

coastal thermal power plant; cooling water; one-through circulating; numerical simulation

10.14068/j.ceia.2017.05.013

X57

： A

： 2095-6444(2017)05-0058-05

2017-01-20

梁賢金(1983—)，男，湖北宜昌人，高級工程師，碩士，主要從事火力發(fā)電廠水工工藝方面的設(shè)計管理及研究工作，E-mail：liangxianjin@kdpe.com.cn