電廠取水明渠布置形式對(duì)取水溫升的影響研究

劉海成，陳漢寶

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

印尼某燃煤電站工程位于印度尼西亞蘇拉威西島南部。電廠規(guī)劃為兩期，一期裝機(jī)容量2×125 MW，冷卻水流量為13.6 m3/s；二期裝機(jī)容量4×125 MW，冷卻水流量為27.2 m3/s。排水口溫升7℃，取水口最大允許溫升3℃。電廠周?chē)Ｋ疁厣脱h(huán)冷卻水使用效率受潮流、波浪、風(fēng)、取水口位置和明渠布置形式、排水方向等因素的影響［1-2］，需要用數(shù)學(xué)模型模擬研究溫排水?dāng)U散規(guī)律，并對(duì)電廠平面布置方案進(jìn)行優(yōu)化。

文中應(yīng)用潮流溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型計(jì)算溫排水的擴(kuò)散趨勢(shì)和取水口溫升，為優(yōu)化電廠平面布置方案和環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供依據(jù)。在設(shè)計(jì)方案中，碼頭位于開(kāi)敞水域，通過(guò)透空的引堤和實(shí)體引堤與后方電廠相連，取水明渠和排水明渠均由東、西2條防波堤掩護(hù)。工程位置及方案布置見(jiàn)圖1。

1 自然條件

工程位置處于灣內(nèi)，掩護(hù)條件優(yōu)良，根據(jù)現(xiàn)有資料表明［3］，工程區(qū)域50 a一遇波浪的波高和周期分別為1.51 m和5.46 s。其不同重現(xiàn)期波浪條件見(jiàn)表1。常浪向?yàn)镾E向，強(qiáng)浪向?yàn)閃向。SE向浪和W向浪均被阻擋在海灣之外，所以灣內(nèi)常年風(fēng)平浪靜。波浪不作為該工程的控制條件。由工程附近南蘇拉威西Makasar氣象站14 a（1991～2004）的風(fēng)資料可知常風(fēng)向?yàn)镾E向，大于10 m/s風(fēng)速的頻率為10%，其風(fēng)玫瑰見(jiàn)圖2。

根據(jù)2009年工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的底質(zhì)和含沙量資料，并參考其研究成果可以發(fā)現(xiàn)，工程區(qū)域岸灘常年處于穩(wěn)定狀態(tài)，沿岸輸沙量非常微小；工程海域的平均含沙量為0.010 kg/m3，含沙量很低。所以本工程平面布置方案中主要控制條件為取水口溫升。

2 模型介紹

本次研究采用局部加密的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，此網(wǎng)格能很好的模擬建筑物形狀，將工程區(qū)域進(jìn)行加密，保證工程區(qū)域水動(dòng)力計(jì)算精度的同時(shí)可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間［4］。模型的控制方程包括連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程和擴(kuò)散方程。在計(jì)算溫排水時(shí)考慮由溫度引起的密度變化，以及由密度變化所引起的密度流。

連續(xù)性方程

x向和y向動(dòng)量方程

擴(kuò)散方程

式中：t為時(shí)間；x、y為笛卡爾坐標(biāo)的兩坐標(biāo)軸；η 為水面高程；d 為水深；h=η+d 為總水深為對(duì)應(yīng)于 x、y的垂線平均速度分量；f=2Ωsinφ 為科氏力（φ 為緯度）；g為重力加速度；ρ為密度；ρ0為相對(duì)密度；τsx、τsy為 x、y方向的風(fēng)應(yīng)力；τbx、τby為底部切應(yīng)力；Txy、Tyy為側(cè)向應(yīng)力；S 為源匯項(xiàng)的流量（us、vs為源匯項(xiàng)對(duì)應(yīng)的速度分量）；T為溫度；Fx、Fy為溫度在x和y向的擴(kuò)散系數(shù)；Cρ為水的比熱容；K為表面綜合散熱系數(shù)。其中的表面綜合散熱系數(shù)可根據(jù)《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的公式

其中各參數(shù)詳細(xì)物理意義見(jiàn)規(guī)范［5］。

3 潮流溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型及結(jié)果

3.1 水動(dòng)力模型建立及驗(yàn)證

在研究溫排水?dāng)U散范圍之前需要模擬出工程區(qū)域的水動(dòng)力環(huán)境，其主要的動(dòng)力因素有潮流、洋流和風(fēng)等。根據(jù)2007年12月～2008年1月的潮位測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行調(diào)和分析得到工程海域的潮汐分潮見(jiàn)表2，由分潮計(jì)算潮型系數(shù)如下

由此判斷該區(qū)域潮汐為以全日潮為主的混合潮［6］。分析工程現(xiàn)場(chǎng)2007年12月29日～2008年1月5日實(shí)測(cè)的大、中、小潮流速流向資料，工程區(qū)域的最大流速出現(xiàn)在大潮期為0.25 m/s。選大潮作為本次模擬的控制潮型，為了節(jié)省篇幅僅給出一個(gè)潮位測(cè)站和潮流測(cè)站驗(yàn)證結(jié)果（圖 3）。

3.2 溫排水計(jì)算結(jié)果及方案優(yōu)化

在已驗(yàn)證好的潮流模型基礎(chǔ)上建立溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型。該模型采用了考慮密度梯度的斜壓方程，將密度變化對(duì)水流的影響包含在模型中。工程分兩期實(shí)施，一期循環(huán)取排水量為13.6 m3/s；二期工程循環(huán)取排水量為27.2 m3/s。取水口最大溫升不能超過(guò)3℃。在原設(shè)計(jì)方案條件下對(duì)電廠溫排水進(jìn)行模擬，最大溫升包絡(luò)線見(jiàn)圖4，取水口最大溫升見(jiàn)表2。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，一期和二期時(shí)取水口最大溫升分別為1.26℃和1.57℃。雖然沒(méi)有超過(guò)3℃的標(biāo)準(zhǔn)，但是取水口最大溫升在二期時(shí)超過(guò)了1.5℃，已經(jīng)超過(guò)國(guó)內(nèi)一些電廠1℃的標(biāo)準(zhǔn)。為了提高電廠的發(fā)電效率，減少煤炭浪費(fèi)和環(huán)境污染，需要在不增加工程成本的情況下，將取水口溫升降低。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)波浪較弱、基本沒(méi)有沿岸輸沙等條件，可以考慮將取、排水明渠的雙防波堤改為單堤（稱為優(yōu)化方案，見(jiàn)圖5）。這樣布置的理由是：可以降低工程成本；可以使排水口附近高溫水體提早開(kāi)始擴(kuò)散；可以使取水位置盡量遠(yuǎn)離高溫水域。優(yōu)化方案的溫排計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5和表2。

圖4給出原設(shè)計(jì)方案最大溫升包絡(luò)線。原設(shè)計(jì)方案中取水明渠和排水明渠均為雙堤，取、排水口之間的距離為743 m（取、排水口位于堤頭處），距離較近。從計(jì)算結(jié)果可以看出，排水口的高溫水體在潮流的帶動(dòng)下，沿岸作南北向運(yùn)動(dòng)。高溫水體在繞過(guò)取水明渠堤頭時(shí)，一部分高溫水體進(jìn)入取水明渠，造成取水溫升較大。

圖5給出了優(yōu)化方案最大溫升包絡(luò)線。在優(yōu)化方案中取、排水明渠的雙堤改為單堤，取、排水口之間的距離增加到1 533 m（取、排水口位于堤根處）。在排水口附近，高溫水體相比原設(shè)計(jì)方案中提前開(kāi)始擴(kuò)散，并有向南擴(kuò)散的趨勢(shì)，減少了向取水口方向的擴(kuò)散；在取水口附近，由原先的堤頭位置取水變化為堤根位置取水，取水口取到的海水大部分為北向來(lái)水，位于南部排水口的高溫水體很難擴(kuò)散到現(xiàn)有取水口位置。加之取、排水口之間距離的增加，優(yōu)化方案中取水口最大溫升比原設(shè)計(jì)方案低了0.5℃～0.7℃，起到了降低工程成本和取水口溫升的雙重效果。

表2 取水口最大溫升Tab.2 Maximum temperature rise of water intake

4 結(jié)語(yǔ)

用平面二維水動(dòng)力、溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型計(jì)算了印尼某燃煤電廠循環(huán)冷卻水的擴(kuò)散規(guī)律和影響范圍。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，優(yōu)化方案采取了改變?cè)O(shè)計(jì)方案取排水明渠的布置形式。對(duì)比原設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化方案的計(jì)算結(jié)果，主要結(jié)論如下：（1）取排水明渠的布置形式直接影響到取水口的最大溫升，在相似工程設(shè)計(jì)中需考慮取排水明渠的方案布置對(duì)取水口溫升的影響；（2）在本工程中，從取水口溫升和工程造價(jià)的角度考慮，單堤的布置方案遠(yuǎn)比雙堤的布置方案優(yōu)越。文中的優(yōu)化方案可供類似工程參考；（3）采用局部加密的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格穩(wěn)定性好、收斂速度快，能很好描述建筑物形狀和復(fù)雜地形。

［1］劉海成，陳漢寶.非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在印尼亞齊電廠溫排水模型中的應(yīng)用研究［J］.水道港口，2009（5）：316-319.LIU H C，CHEN H B.Study on unstructured grid in numerical simulation of cooling water in ACEH Indonesia power plant［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009（5）：316-319.

［2］張繼民，吳時(shí)強(qiáng)，王惠民.電廠溫排水區(qū)流動(dòng)特性分析及模型參數(shù)的研究［J］.東北水利水電，2005（8）：51-52.ZHANG J M，WU S Q，WANG H M.Analysis of flow characteristics and study on model parameter in thermal effluent zone of electric plant［J］.Northeast Water Resources and Hydropower，2005（8）：51-52.

［3］陳漢寶，劉海成.印尼吉利普多4×125MW燃煤電廠工程潮流溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型研究報(bào)告［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2010.

［4］DHI.User Guide and Reference Manual of Mike21［M］.Denmark：DHI Water&Environment，2005.

［5］GB/T 50102，工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］孫湘平.中國(guó)近海區(qū)域海洋［M］.北京：海洋出版社，2006.