沿海電廠溫排水環(huán)境影響及取水溫升分析

郝青哲，賈路，劉哲，李京貿

（華北電力大學能源與動力工程學院，河北省保定市，071003）

0 引言

由于提供熱機冷源和各種冷卻的需要，電廠需用大量的冷卻水連續(xù)供應。電廠的熱效率比較低，大量的熱量通過冷卻水散失于周圍環(huán)境。一般由冷卻水帶走的能量為發(fā)電量的1.4（火電）～2.5倍（核電），從而引起相應的環(huán)境問題。溫排水對取水溫升的影響，直接關系到電廠機組效率和燃料消耗率，水溫超過一定限度，還將強迫降低負荷，成為機組安全滿發(fā)的巨大障礙[1-3]。優(yōu)化取排水布置，對防止環(huán)境污染和提高經濟性具有現實意義。

文獻[4-5]對溫排水預測的理論依據、思想方法及數學模型等作了比較系統的論述；文獻[6]以淺水方程以及相應的定解條件為模型，采用交替方向隱式差分方法，計算了擬建篙嶼電廠溫排水及廢水排入水體后在附近海域的溫度分布及濃度分布；文獻[7]對青島市黃島發(fā)電廠溫排水工程進行了模擬計算；文獻[8]給出了三亞電廠溫排水各個方案的溫升特征值；文獻[9]利用二維有限體積法計算了海口火電廠溫排水對海域環(huán)境的影響。本文主要研究溫排水與工程布置的關系，即不同溫排水布置對取水溫升值大小的影響。首先運用Gambit建立3維水槽模型，分別計算了差位式與重疊式布置方式下的溫度場，分析取水溫升及環(huán)境影響，得出適合于沿海電廠冷卻水工程的布置方式。

1 差位式布置及其數值模擬

1.1 差位式布置

差位式布置將取排水口間距從隨水流方向的縱向間距，轉移到垂直水流方向的法向間距上來，利用法向間距，造成冷、熱水流流動途徑的分開，即由排水口排放的熱水和抽入取水口的冷水各有其流動的范圍，出現基本上互不干涉的熱水流道和冷水流道。取排水口差位式布置的三維物理模型如圖1所示。圖中：QU為上游來水流量；B為河道寬度；l為取排水口沿水流的垂向距離；H為河道寬度；h1為排水口高度；bl為排水口寬度；Ql為排水流量；Tl為排水溫度（密度ρ1）；h2為取水口高度；b2為取水口寬度；Q2為取水流量；T2為取水溫度（密度ρ2）；s為出水淹沒水深；d為底檻高度；Δz為垂直間距。

溫排水對環(huán)境的影響，主要由取水溫升值及周圍溫升包絡線值決定。影響T2的主要因素為：

（1）取排水口條件。取排水口水平間距ΔL（差位式ΔL=0）、Δz、hl、bl、Ql、Tl、h2、b2、Q2、l、s、d以及取排水口與河道的銜接型式。

（2）水面氣象條件。綜合散熱系數K，自然水溫T∞（密度ρ∞）[10]。

由于T2涉及因子太多，為了研究方便，盡量減少某些不太重要的物理量的變化，使問題得到簡化，進行如下假定：（1）取排水口管徑尺寸相同；（2）排水口水平銜接出流，s≈0，d=0；（3）無額外取水要求Ql=Q2= Q0，其中Q0為來流流速。考慮到環(huán)境水溫及排水水溫的變化，T2一般取用無量綱量η來度量，η為取水相對溫升比，定義為

1.2 模型建立

使用Gambit建立三維模型，x、y、z分別為水域長度、深度及寬度；設x方向為水流方向；取排水管道管徑為1.3m，取排水管橫向間距Δx=10m，縱向管間距Δy=4m。

設取水口速度與排水速度相同，即v=4m/s，上游來流流速U=0.5m/s；排水溫度為299.8 K；環(huán)境溫度為283 K；自由液面采用鋼蓋假定，即水深和液面不隨時間變化，設定其綜合散熱系數K。

采用分離求解器的隱式解法，一階迎風格式對控制方程進行離散；壓力和速度耦合采用Simple算法；密度采用Boussinesq近似，指定密度常數值為無窮遠處密度值ρ∞；近壁處采用標準壁面函數法，其中松弛因子和收斂條件保持默認值不變。

取排水橫向截面溫度場如圖2所示（圖中單位為K），流場分布如圖3所示。溫排水對左側下游區(qū)域熱影響大于上游；而取水口布置于排水口右側，溫排水逆流至上游，再經過下滲熱擴散作用，從而影響到取水溫度的取值。

結合圖3水平流場分布可看出，溫排水有2個去向，一部分隨著來流流向下游（左側），一部分則逆流至取水口；取水口附近可以明顯地看出有熱冷水交匯，上游冷水加上左側熱水回流使得取水溫度上升，從而降低機組真空值。

1.3 差位式布置對取水溫升的影響

1.3.1 取排水管深度差的影響

設Δy為排水管深度差，水域的總水深不變，通過數值模擬來分析取水溫升值的變化情況。η隨Δy變化的曲線如圖4所示。由圖4可以看出，當Δy由4增至5時，η迅速降低；而Δy由5增至6時，η的變化非常小，Δy繼續(xù)增大，η已不再變化。此時，取排水臨界深度差Δycr=5。超過臨界值Δycr以后，冷卻水溫度降低不明顯，還會造成不必要的工程浪費。

1.3.2 取排水管管徑的影響

Δy固定不變，改變模型中的取排水管道管徑R，其他條件不變，得到取水溫升曲線如圖5。從圖5中可看出，隨著R增大，η變小，因此，適當地減小R有利于減小η。

2 重疊式布置及其數值模擬

2.1 重疊式布置

重疊式排取水口實際上是一種水深方向的差位式布置，其三維布置圖如圖1所示。此時的差位是排取水口間的水深方向間距。影響T2的主要因素為：

（1）取排水口條件。ΔL（重疊式ΔL=0）、Δz、hl、bl、Ql、Tl、h2、b2、Q2、s、d以及取排水口與河道的銜接型式。

（2）河道條件。B、H、QU，來水溫度TU（密度ρU）。

（3）水面氣象條件。綜合散熱系數K，T∞（密度ρ∞）。

由于T2涉及因子太多，為了研究方便，盡量減少某些不太重要的物理量的變化，使問題得到簡化，進行如下假定：（1）取hl=h2=h0，bl=b2=b0；（2）排水口水平銜接出流，s≈0；（3）無額外取水要求，Ql=Q2=Q0。

2.2 模型建立

重疊式模型取排水管橫向間距為0，即Δx=0m，其他條件和差位式相同。邊界條件和差位式相同；不同于差位式，重疊式熱影響都在下游，上游無逆流熱水。取排水橫向截面溫度場見圖6（圖中單位為K），流場分布如圖7所示。通過圖6中的縱向截面可以看出，溫排水已經下滲到取水口周圍，影響到了取水，增大了取水溫升；圖6的縱向流場圖則說明熱水經過下滲、擴散及回流達到取水口，造成取水溫升上升。

2.3 重疊式布置對取水溫升的影響

2.3.1 取排水管深度差的影響

H保持不變，不同Δy情況下η變化的情況如圖8所示。從圖8中可看出：Δy由4增至5時，溫升變化不大；Δy由5增至6時，η迅速降低；而Δy由6增至7時，η的變化非常小，曲線基本接近平行x軸；Δy繼續(xù)增大，η已基本不再變化。因此，Δycr=6。

2.3.2 取排水管管徑的影響

Δy固定不變，改變取排水管道管徑R，其他條件不變，得到取水溫升曲線如圖9，隨著R的增大，η緩慢變小。

3 結語

差位式和重疊式是取排水的2種布置方式，從溫排水熱影響區(qū)域來講，差位式不僅能夠影響下游水域，由于取水泵的抽取作用，熱水回流至上游，對上游水環(huán)境熱影響比較大；從取水溫度影響因素來分析，差位式是由于熱水逆流再下滲作用影響取水溫度；重疊式無逆流作用，而是直接下滲、擴散，從而導致取水溫度上升。

[1]陳惠泉，許玉麟，賀益英.火/核電廠冷卻水試驗研究50年的進展和體驗[J].中國水利水電科學研究院學報，2008，6（4）：288-298.

[2]吳海杰，王志剛，陳淑豐.濱海電站溫排水數值模擬[J].電力環(huán)境保護，2005，21（4）：48-51.

[3]孫艷濤，吳修鋒，王惠民.溫排水對水體環(huán)境影響的數值模擬[J].電力環(huán)境保護，2008，24（1）：42-45.

[4]Ham rikc JM.Analysis ofwater temperature in Conow ingo pond as influenced by the peach bottom atom ic power plant thermal discharge[R].Environmental Science＆Policy3，2000.

[5]陳華.后石電廠溫排水的數學模型研究[D].廈門：廈門大學，2002.

[6]李燕初，蔡文理.沿海港口電廠溫排水、廢水遠區(qū)影響數值模擬[J].臺灣海峽，1988（9）：49-61.

[7]王麗霞，孫英蘭，鄭連遠.三維熱擴散預測模型[J].青島海洋大學學報，1998，28（l）：29-35.

[8]韓康，張存智，張硯峰，等.三亞電廠溫排水數值模擬[J].海洋環(huán)境科學，1998（5）：56-68.

[9]中國科學院南海海洋研究所.海口火電廠二期工程環(huán)境影響報告：海洋水環(huán)境影響分析報告[R].廣州：中國科學院南海海洋研究所，1988.

[10]趙棣華，戚晨，庾維德，等.平面二維水流-水質有限體積法及黎曼近似界模型[J].水科學進展，2000，1（4）：368-373.