某電廠溫排水和余氯排放的數值模擬研究

秦 曉，袁 玨

(中國水利水電科學研究院，北京 100038)

0 引 言

某電廠采用直流供水系統，以南海海水作為冷卻水源。海水含有的海生物易黏附在冷凝器銅管內壁，造成銅管壁熱阻迅速增大，嚴重影響冷卻效果，甚至阻塞銅管，迫使凝汽器停運，危及電廠的安全運行。因此，為了防止海生物黏附于管壁，冷卻水進入管道前，一般采用加氯進行處理。這種方法會導致一定量的余氯隨冷卻水排出，影響受納水域的水質。本文采用二維數學模型，針對電廠不同潮型下的溫排水和余氯排放進行模擬研究，為電廠境影響評價提供依據。

電廠取排水口平面布置見圖1。電廠一期工程(5×600 MW)排水量為112.5 m3/s，取排水溫升10℃；二期工程(2×1 000 MW)排水量為68.8 m3/s，取排水溫升9℃。

圖1 取排水口平面布置圖

1 基礎資料

1) 潮汐、潮流。工程海區潮汐類型屬于不正規半日潮，平均漲潮歷時為5 h 48 min，平均落潮歷時為6 h 37 min。潮流性質為不正規半日潮流，以往復流為主導。

2) 廠址鄰近海域，近岸處水溫高，遠岸處低。近岸淺水區(水深在5 m以內)水溫垂向分布比較均勻；10 m以上深水區，水溫垂向變化在0.16℃～0.20℃。

3) 電廠附近海區地處熱帶北緣，面臨南海，氣候潮濕、溫暖，降水充沛，夏季長、冬季短，呈熱帶海洋性季風氣候。全年氣溫較高，歷年平均氣溫為22.5℃，氣溫平均年較差13.7℃。最熱月是7月份，其多年月平均氣溫28.4℃；最冷月是1月份，其多年月平均氣溫為14.7℃

4) 電廠地處季風區，同時受地形影響，形成本海灣風向、風速季節變化明顯的特點。冬季以NNE向為主，春秋季以E向為主，夏季以SSW向為主。風速多年平均值為4.7 m/s。

2 數學模型及數值方法

2.1 數學模型介紹

本文采用MIKE21模型進行潮流場、濃度場、溫度場的模擬研究，該模型[1]是由丹麥DHI開發的模型，是河口海岸潮流場、水質模型世界范圍內通用的商業軟件包。

平面直角坐標系下，帶自由水面垂向平均的二維瞬態水動力方程及熱輸運方程組如下：

連續方程：

(1)

運動方程：

X方向：

(2)

Y方向：

(3)

物質輸運方程：

(4)

能量輸運方程:

(5)

2.2 定解條件

2.2.1 流場定解條件

1) 邊界條件：對于開邊界，采用給定水位過程。

2) 初始條件：采用靜水位條件。

2.2.2 濃度場和溫度場計算定解條件

邊界條件：

1) 開邊界：流出計算邊界，按邊界內點插值給定；流入計算邊界，用給定值。

2) 陸邊界：采用絕熱邊界條件。

2.3 計算區域和網格剖分

采用非結構化網格，網格尺度能反映水工構筑物及沿岸地形對研究細部流場和物質輸運的影響，同時考慮經濟的工作量，數值模擬范圍面積約1 800 km2，見圖2；網格剖分見圖3。

圖2 模擬范圍示意圖

圖3 網格剖分示意圖

2.4 參數選擇

1) 糙率系數n：根據模型潮流率定結果確定為0.025。

2) 渦黏性系數E：采用Smagorinsky公式。

式中：U、V分別為水深方向平均的X、Y方向流速；Δ為網格大小；Cs取值范圍是0.25～1.0。具體數值需模型驗證確定。

3) 余氯衰減系數(λ)：余氯的化學性質不穩定，遇到還原性物質會發生氧化還原反應而分解；在光化學作用下也會分解，因而在特定的水環境下存在一定的“半衰期”。根據工程經驗[2-4]，“半衰期”取為1 h。

c=c0e-λt，c為濃度，當c=0.5c0，t=3 600時，λ=0.001 93。

4) 表面綜合散熱系數Ks：采用文獻[5]通用公式計算，得出Ks=46.8 W·m2·℃-1。

3 流場驗證

利用工程海域實測海洋水文觀測資料進行流場驗證，驗證點位置見圖1。實測大小潮潮位及部分站點流速流向驗證結果見圖4-圖6。

圖4 潮位過程線驗證圖

圖5 大潮流速流向驗證圖

圖6 小潮流速流向驗證圖

從驗證結果可以看出, 潮位計算值與實測值吻合良好，流速、流向計算值與實測的各層平均值基本一致，說明所采用的流場數值模型及選定的參數是合適的，能夠反映本海區的潮流特性，可以用于電廠溫排水和余氯排放對環境影響的數值預報。

4 計算結果與分析

4.1 流 場

漲潮時，潮流從南邊界進入計算域，在廠址附近分為兩股潮流，見圖7。落潮時，電廠兩側的海水在廠址附近海域匯合后退出計算域，見圖8。漲落潮流的分流、會合區在電廠排水口東南大約5 km處。

圖7 大潮漲潮流場圖

圖8 大潮落潮流場圖

4.2 余氯濃度場計算結果

余氯濃度場計算工況見表1。

表1 余氯濃度場計算工況

各計算工況余氯等濃度線分布見圖9-圖12；包絡面積見表2。

圖9 大潮漲急落急時刻余氯分布圖(等值線單位：mg/L)

圖10 大潮全潮平均和全潮最大余氯分布圖(等值線單位：mg/L)

圖11 小潮漲急落急時刻余氯分布圖(等值線單位：mg/L)

圖12 小潮全潮平均和全潮最大余氯分布圖(等值線單位：mg/L)

表2 余氯等濃度包絡面積

從上述計算結果可以看出：

1) 漲潮時，余氯被潮水向排水口所在海灣的底部推進；落潮時，余氯隨潮沿東南向外海擴展。

2) 余氯在海水中的輸移擴散過程中，由于其自身的快速衰減、排水口附近較弱的潮流，各工況余氯的平面分布形態相近，0.000 2 mg/L及以上等濃度線的影響范圍分布在排水口半徑3.4 km范圍內。

3) 因潮流強度和水深的不同，大小潮條件下全潮最大和全潮平均包絡面積有所差異，0.000 2 mg/L等值線全潮最大包絡面積：工況1大于工況2；0.000 2 mg/L等值線全潮平均包絡面積：工況1小于工況2。

4.3 溫度場計算結果

溫度場計算工況見表3。

表3 溫度場計算工況

各計算工況溫度等值線分布見圖13-圖16，包絡面積見表4。

圖13 大潮漲急落急時刻溫升分布圖

圖14 大潮全潮平均和全潮最大溫升分布圖

圖15 小潮漲急落急時刻溫升分布圖

圖16 小潮全潮平均和全潮最大溫升分布圖

表4 溫升等值線包絡面積

從上述計算結果可以看出：

1) 落潮時，溫排水隨潮沿東南方向運動，落至最低潮位后，溫度場偏東南分布；漲潮時，溫排水沿港池東防波堤逐漸向港池口門外輸移，隨著潮流的增強溫排水進入港池。高平后轉落初期，潮流較弱，之前隨漲潮西行的熱水在港池口門外堆積，并進入港池。

2) 大小潮條件下，4℃等值線全潮最大溫升包絡面積約3.28 km2，1℃等值線全潮最大溫升包絡面積約38.5 km2。

5 結 語

1) 本文采用MIKE21模型對電廠余氯排放進行了數值模擬，流場驗證結果良好，能夠反映電廠附近海域的潮流特性，能夠用于電廠溫排水和余氯排放的數值預報。

2) 裝機容量為5×600 MW+2×1 000 MW時，大小潮條件下，0.02 mg/L等值線包絡面積不大于0.8 km2，0.000 2 mg/L等值線包絡面積不大于7 km2。從研究結果可以看出，余氯隨冷卻水排至海域，因自身衰減很快，0.000 2 mg/L的影響區僅局限于以排水口為圓心半徑3.4 km范圍內。

3) 裝機容量為5×600 MW+2×1 000 MW時，大小潮條件下，4℃等值線全潮最大溫升包絡面積不超過3.28 km2，1℃等值線全潮最大溫升包絡面積不超過38.5 km2。