李金鋒，周正一，羅子湛，徐立偉

(中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100070)

0 引言

越南某濱海燃煤電站項(xiàng)目位于越南南部，其附近于2016年開(kāi)通運(yùn)河，入?？谖挥跂|、西防波堤環(huán)抱水域，靠近西防波堤位置，在取水口南側(cè)不足2 km處。該運(yùn)河另一端連接湄公河下游汊流后江，隨著運(yùn)河的開(kāi)通，電廠取水口附近水質(zhì)可能受到淡水影響，海水脫硫有效離子質(zhì)量濃度會(huì)有所降低，進(jìn)而影響電廠的海水脫硫效率。因此，需評(píng)估運(yùn)河開(kāi)通對(duì)電廠海水脫硫有效離子質(zhì)量濃度的影響程度，為電廠設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

純海水法煙氣脫硫工藝是利用天然海水中的堿度脫除煙氣中SO2的一種濕式煙氣脫硫方法。煙氣中的SO2被海水吸收生成亞硫酸氫根離子(HSO3-)和氫離子(H+)，HSO3-與氧(O2)反應(yīng)生成穩(wěn)定的硫酸氫根離子(HSO4-)，H+與碳酸氫根離子(HCO3-)反應(yīng)生成易于吹脫的CO2和水。最終CO2通過(guò)曝氣方式強(qiáng)制吹脫，使海水中的CO2質(zhì)量濃度降低，從而提高脫硫海水的pH值、溶解氧含量(DO)，并達(dá)標(biāo)排海。

1 水質(zhì)測(cè)定和分析

影響燃煤電廠海水脫硫效率的主要有效離子是H+和HCO3-[1]，本文主要測(cè)定HCO3-質(zhì)量濃度。

表1 HCO3-質(zhì)量濃度測(cè)量結(jié)果Tab.1 HCO3-mass concentration measurement results mg/L

在該工程海域布設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)(如圖1所示)，考慮運(yùn)河水質(zhì)對(duì)海水水質(zhì)的影響，3個(gè)測(cè)點(diǎn)分別位于運(yùn)河內(nèi)、電廠取水口附近以及外海未受運(yùn)河影響處。水質(zhì)測(cè)定采樣時(shí)間為2017年1月13日0時(shí)至1月20日0時(shí)，該時(shí)間段包含大潮至小潮過(guò)程，連續(xù)進(jìn)行7 d的采樣和測(cè)定，每3 h采樣1次[2-3]。

圖1 采樣點(diǎn)位置Fig.1 Sampling location

測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1：#1測(cè)點(diǎn) HCO3-平均質(zhì)量濃度為100.82 mg/L，#2測(cè)點(diǎn)HCO3-平均質(zhì)量濃度為103.81 mg/L，#3測(cè)點(diǎn)HCO3-平均質(zhì)量濃度為100.47 mg/L。實(shí)測(cè)期間運(yùn)河、港內(nèi)和海域各點(diǎn)HCO3-質(zhì)量濃度相差較小，說(shuō)明實(shí)測(cè)期間運(yùn)河對(duì)港內(nèi)水體HCO3-質(zhì)量濃度未產(chǎn)生影響。

2 數(shù)學(xué)模型及驗(yàn)證

2.1 潮流數(shù)學(xué)模型基本方程

連續(xù)方程

(1)

運(yùn)動(dòng)方程

(2)

(3)

在控制方程的求解過(guò)程中使用有限體積法進(jìn)行離散，采用三角形網(wǎng)格；時(shí)間積分采用顯式歐拉格式；計(jì)算中采用干濕網(wǎng)格方法對(duì)淺灘進(jìn)行計(jì)算。

2.2 水質(zhì)擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型基本方程

水體交換采用失蹤劑擴(kuò)散模擬方法進(jìn)行研究，在潮流數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，采用流擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型(MIKE 21 Transport模塊)進(jìn)行模擬計(jì)算[4-5]，其控制方程可表示為

Fhc+S

(4)

式中：c為示蹤劑濃度；u，v為流速在x，y方向上的分量；h為水深；Dx，Dy分別為沿x，y向的擴(kuò)散系數(shù)；F為衰減系數(shù)；S為源項(xiàng)函數(shù)。

2.3 網(wǎng)格劃分及驗(yàn)證

數(shù)模計(jì)算區(qū)域如圖2所示，東西距離約355.4 km，南北距離約369.5 km。模型約23 312個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)、 42 017個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格最大空間步長(zhǎng)約1 000 m，最小空間步長(zhǎng)約10 m，計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格剖分如圖2所示。

分別選取大、小兩個(gè)潮型對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，用于潮位驗(yàn)證的有兩個(gè)站點(diǎn)，用于流速和流向驗(yàn)證的有6個(gè)站點(diǎn)，驗(yàn)證曲線如圖3～圖7所示。從模型驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，除個(gè)別點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值偏差較大外，各測(cè)站的潮位、流速、流向的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值都比較接近，滿足現(xiàn)行《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》要求。

圖2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格剖分圖Fig.2 Calculation area and mesh map

圖3 全潮潮位驗(yàn)證(2012年10月)Fig.3 Whole tide tidal level verification(October 2012)

圖4 大潮流速驗(yàn)證Fig.4 Spring tide speed verification

圖5 大潮流向驗(yàn)證Fig.5 Spring tide flow direction verification

圖6 小潮流速驗(yàn)證Fig.6 Neap tide speed verification

3 水質(zhì)擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果分析

3.1 HCO3-擴(kuò)散模型參數(shù)

3.1.1 擴(kuò)散系數(shù)

對(duì)流擴(kuò)散模型中的擴(kuò)散系數(shù)Dx，Dy可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)加以確定或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算而得，比較常用的計(jì)算公式是

式中：p，q分別為流體在x，y方向的單寬通量，m3/(s·m)；kl為水深平均縱向離散系數(shù)；kt為水深平均側(cè)向湍動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)。

圖7 小潮流向驗(yàn)證Fig.7 Neap tide flow direction verification

表2 2015年11月—2016年8月HCO3-質(zhì)量濃度檢測(cè)結(jié)果Tab.2 HCO3-mass concentration test results from November 2015 to August 2016 mg/L

假定水平流速沿垂向?yàn)閷?duì)數(shù)分布，則取值為kl=5.93，kt=0.23[6]。在實(shí)際研究中，這些值都較小[7]，實(shí)測(cè)資料顯示，kl，kt的取值范圍分別是8.60～7 500.00和0.42～1.61[8]。

3.1.2 海水HCO3-質(zhì)量濃度

采用本次測(cè)量平均值101.70 mg/L作為模型中海域HCO3-質(zhì)量濃度的初始值和外海開(kāi)邊界的邊界條件。

3.1.3 河水HCO3-質(zhì)量濃度

本次模擬時(shí)，河流HCO3-質(zhì)量濃度宜采用各月變化的徑流量對(duì)應(yīng)的HCO3-質(zhì)量濃度，其中缺少的9，10月HCO3-質(zhì)量濃度采用相鄰的8，11月數(shù)值插值確定。

3.2 HCO3-質(zhì)量濃度分布特征

圖8～圖11為徑流流量最小的3月和徑流流量最大的8月，大潮、小潮的漲急、落急時(shí)刻HCO3-擴(kuò)散情況。當(dāng)上游徑流流量較小時(shí)，取水口處受徑流和運(yùn)河淡水下泄影響較小，HCO3-質(zhì)量濃度逐時(shí)變化較??；當(dāng)上游徑流流量較大時(shí)，取水口處受徑流和運(yùn)河淡水下泄影響較大，HCO3-質(zhì)量濃度逐時(shí)變化較大。

圖8 3月大潮漲急、落急HCO3-擴(kuò)散圖Fig.8 HCO3- diffusion map during the fastest rising and falling of spring tide in March

圖9 3月小潮漲急、落急HCO3-擴(kuò)散圖Fig.9 HCO3- diffusion map during the fastest rising and falling of neap tide in March

圖10 8月大潮漲急、落急HCO3-擴(kuò)散圖Fig.10 HCO3- diffusion map during the fastest rising and falling of spring tide in August

3.3 運(yùn)河開(kāi)通后HCO3-質(zhì)量濃度分布特征

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果可知：8月徑流流量最大，淡水下泄對(duì)取水HCO3-質(zhì)量濃度影響最為顯著，取水口HCO3-平均質(zhì)量濃度為78.32 mg/L，最大為82.08 mg/L，最小為60.71 mg/L；3月徑流流量最小，淡水下泄對(duì)取水HCO3-質(zhì)量濃度影響較弱，取水口HCO3-平均質(zhì)量濃度為95.73 mg/L，最大為97.09 mg/L，最小為95.08 mg/L；取水口全年HCO3-質(zhì)量濃度大于94.00 mg/L的概率是60.00%，大于91.00m g/L的概率是70.50%，大于88.00 mg/L的概率是80.17%，大于80.00 mg/L的概率是90.50%，大于48.00 mg/L的概率是100.00%。

圖11 8月小潮漲急、落急HCO3-擴(kuò)散圖Fig.11 HCO3- diffusion map during the fastest rising and falling of neap tide in August

4 結(jié)論

二維潮流數(shù)學(xué)模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，表明水質(zhì)擴(kuò)散數(shù)模結(jié)果數(shù)值可信性強(qiáng)，HCO3-質(zhì)量濃度分布特征分析結(jié)果可為工程脫硫設(shè)計(jì)輸入的設(shè)定提供可靠依據(jù)。