滨海电厂温排水三维数值模拟研究

王连接

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司,广东 广州 510663)



滨海电厂温排水三维数值模拟研究

王连接

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司,广东 广州 510663)

针对传统温排水平面二维数学模型的不足,采用三维斜压水流数学模型来模拟温排水的运动,建立了某电厂温排水工程近区和远区耦合的数学模型,得到了计算域内的三维潮流场与温升场。研究结果表明MIKE3软件能较好的模拟出实测潮流的流速场。海湾内温排水三维分层现象显著,温排水温升包络范围以表层温升分布为主。

直流冷却；温排水；三维数值模拟

滨海地区火电厂多采用直流冷却供水系统。大流量、高热量的废水排入海湾中将引起水体温度的增高,影响到水生物的生存环境,为此,在采用直流冷却系统的滨海电厂建设的前期,需要对温排水的影响开展详细的计算和分析,以在满足环境保护的前提下,优化取、排水口的工程位置以及减少取排水工程量。

二维数学模型方面,郝瑞霞采用有限体积法求解二维N—S方程组与RNGk-ε紊流模型给出了感潮河口温排水的温度场[1]。严冰采用MIKE 21 FM模型对马来西亚沙巴电厂沿岸往复流海岸温排水进行了数值模拟,采用非结构化网格,率定了模型参数,建立了水动力模型,对取排水口不同位置方案进行了数值模拟预测[2]。三维数学模型方面,何国建采用斜对角笛卡尔方法推广应用到河口与海岸温排水三维数值计算中,采用了EFDC模块的σ坐标变换和平面正交曲线坐标变换,模拟了山东海阳核电厂附近的三维水流运动情况,结果与实测值拟合较好[3]。彭晓飞利用ECOMSED模式建立了大亚湾潮流三维数值模型,在此基础上对岭澳核电站与大亚湾核电站合排后温排水的扩散过程进行了数值计算[4]。张继民运用Delft 3D模型对电厂的扩建工程温排水进行了多方案的数值模拟, 提出了合理的排水口布置方式[5]。王明才在某滨海核电厂温排水研究的基础上建立了温排水三维数值模型, 利用实测水文数据进行模型验证, 并成功应用于工程方案比选[6]。

平面二维数值模拟不能完全反映温排水的三维水力热力效应,温排水三维数值模型有必要应用于工程实践中。目前，针对MIKE3三维数值模拟验证仍比较少,国内尚未有一个统一应用的商业软件。有鉴于此,本文利用MIKE3软件建立了某海域水动力场和温度场预测模型,利用实测水文数据进行模型验证, 并将其用于检验工程方案设计排放效果。

1 数学模型

采用斜压浅水方程模拟滨海地区水动力条件,采用对流扩散方程模拟温度场。

1.1 控制方程

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2 定解条件

3个方向的流速U,V,W在自由表面和底床上的边界条件为：

1) 在自由表面

z=η

(5)

(6)

2) 在底床

z=-d

(7)

(8)

对于温度场计算,表面和地床的温度边界为：

在水表面

z=η

(9)

在底床

z=-d

(10)

1.3 湍流模型及软件模块

湍流采用标准k-ε模型求解,原始控制方程在空间上的离散方法采用基于单元中心的有限体积法。

本文采用MIKE 3 FM中水动力模块,该模块水动力模块可计算多种外力和边界条件驱动下的水流和温盐分布情况。

模型计算中可给定的模拟区域内的温度、盐度初始场,求解温度和盐度的对流扩散方程式。如采用大气热交换功能,在程序中需设定气温℃、相对湿度%和晴空指数%。本文计算中暂不考虑降雨及蒸发、冰盖影响。

2 工程算例

某电厂的厂址位于地理坐标为北纬21°30′45″、东经111°33′09″(在图1的L11测站附近)。电厂机组冷却水取自海水,采用直流供水系统。

图1 某电厂示意图及潮位站布置示意

2.1 潮位

该厂址所在海区的潮型属正规半日潮,即1 d两涨两落。厂址所在海区潮位征值如下：

根据1 a(2008年10月—2009年9月)的潮位观测资料进行统计分析得到厂址福湖岭站的潮位特征值见表1(基面为1985国家高程基准)。

表1 潮汐特征值统计表项目

2.2 计算域及计算网格

本数值模拟目标区域为以厂址为中心,顺岸南、北向各6 km,离岸6 km的开边界近岸海域。计算网格的尺度能反映水工构筑物及沿岸地形对所研究的细部流场和物质输运的影响,采用水平平面上曲线正交网格,最小网格高约100 m,垂向按σ坐标分为10层,均匀等分。

2.3 计算参数取值

海床糙率系数n,可依据专门的试验确定,或依具体的对象在研究时根据实践经验加以确定。本数值研究取为0.02～0.025。水流涡粘性系数,取值1～5 m2/s。 浓度横向扩散系数,随具体水流等环境的变化,物质扩散系数在一个较大的范围内变化,本次计算中D的取值范围为5～15 m2/s。考虑大气热交换,气温取值25 ℃、相对湿度取88%、晴空指数取70%。本次计算中只考虑温度引起的水密度的变化。

2.4 计算结果

2.4.1 潮位验证

图2为大潮和小潮时福湖岭站的计算水位和实测水位的对比,可以看出工程区潮位站的计算水位,无论相位或振幅都与实测值有较好吻合。

图2 福湖岭潮位验证

2.4.2 流速、流向验证

选择4个实测流速点对模型进行表层、中层、底层流速、流向验证, 限于篇幅本文选择L11测站说明流速验证情况(见图3)。结果表明：除个别时段外,各站流速、流向的计算值与实测值基本吻合。模型能反映了工程附近海域的整体流态,模型参数基本合理,能较好地反映计算水域的原体潮流运动特征,模型计算流场与原体流场基本相似。

图3 L11号测站大潮位流速值验证

2.5 计算方案与计算条件

电厂共6台机组,每台机组循环水量约为66.89 m3/s,循环冷却水排水温升8.0 ℃。取水方案：采用明渠取水,渠首设在厂区东部海域,取水明渠沿岸线布置,渠底标高-6.00 m,渠底宽分别为60 m(2台机)、90 m(4台机)、120 m(6台机)。 排水方案：温排水利用箱涵或隧道接入排水明渠排放。排水明渠底标高-4.00 m,底宽120 m(如图4所示)。

图4 工程取排水方案

2.5.1 取水口温升

取水温升见表2。

表2 取水口前全潮平均温升沿垂向分布(取水口断面平均温升为0.81 ℃)

表2可知受纳水体垂向温升分布变化显著,温升主要集中在表层。这是由于厂址工程水域水体相对较深,温排水分层现象显著,故数值模拟需采用三维模型进行计算。

由于排水方案采取明渠西排,把温排水向西输送到远岸,在涨潮时对近岸区域的影响减小。同时采用明渠取水的方案,排水口的布置与取水口的距离3.5 km,故取水口处的取水温升仅达0.81 ℃。故该方案利用了导流明渠极大了消减了温排水的影响。

2.5.2 温升场

图5为大潮落急时的温升场,可以看出排水口附近温升垂向分层现象较为明显,扩散范围和流向受潮流场和排水场的影响。由于温排水排放口位于中层,因而中层温排水的温升最高,超过了1.65 ℃。由于水面散热的作用,水面表层的温升比中层的要低,最大温升约低0.69 ℃。

图5 大潮全潮平均等温升线包络面积表层温升场

表3表明取水口处温升主要集中在表层,温排水分层现象显著,温升线包络范围主要集中在表层,这是由于热水排水之后密度相对冷水小,在湍浮力的作用下向表层扩散。

表3 大潮位下平均等温升线包络面积 km2

3 结论

本文利用DHI MIKE3软件建立了三维斜压水流模型对某热电厂的温排水扩散进行了三维数值模拟,利用实测潮位条件和海底地形资料,计算得到了大潮潮流流速场,计算结果表明海湾内水动力场和温排水近区三维分层现象明显,与实测潮流场符合得较好,MIKE3软件能较好的模拟出实测潮流的流速场。同时，计算了某电厂温排水温升场,表明温排水分层现象显著,温排水温升包络范围以表层温升分布为主。

[1] 郝瑞霞,齐伟,李海香，等.潮汐水域流速场和温度场的数值模拟研究[J].太原理工大学学报,2005,36(3)：235-237．

[2] 严冰,张娜,赵洪波，等.沿岸往复流海岸电厂平面二维温排水数值模拟研究[J].水道港口,2011,32(4): 291-296．

[3] 何国建.潮汐影响下电厂温排水运动的三维数值模拟[J].水力发电学报,2008,27(3)：125-131．

[4] 彭晓飞.大亚湾海域温排水三维数值模拟研究[D].广州：中山大学,2008．

[5] 张继民,张新周,汤红亮,等. Delft3D在海湾电厂温排水数值模拟中的应用[J]. 人民长江,2009(1):59-62．

[6] 王明才,倪培桐,张晓艳. 某滨海核电厂温排水三维数值模拟[J]. 广东水利水电,2011(6):1-4．

(本文责任编辑 王瑞兰)

Three-Dimensional Numerical Simulation for Thermal Discharge of Offshore Power Plant

WANG Lianjie

(Guang Dong Electric Power Design Institute Co., Ltd. of China Energy Engineering Group, Guangzhou 510663, China)

To overcome the shortcoming of the two dimensional model, a three dimensional baroclinic flow ma-thematics model is used to simulate the movement of thermal discharge. The mathematics model for thermal discharge of some thermal power plant is developed for the far field and near field. The calculation and its verification show that the calculated processes of tidal level and current fairly well coincide with field data in MIKE3. Three-dimensional layered phenomenon of the thermal discharge water is obvious, and The thermal discharge envelope scope is focused on the surface.

once-recycle； thermal discharge； three numerical simulation

2016-04-21;

2016-06-15

王连接(1988),男,硕士,工程师,从事电厂工程设计及流体动力学研究工作。

TV67

A

1008-0112(2016)06-0001-05