印尼百通电厂温排水泥沙物理模型试验研究.pdf

2 0 1 3年 第 3 2卷 第 3期 D WR H E 水 利 水 电 工 程 设 计 1 9 印尼百通电厂温排水泥沙物理模型试验研究 郑慧 洋 刘春锋 禹胜颖 吕会娇 摘 要 物理模 型试验是研 究具有潮流影响的电厂温排水和工程海域泥沙冲淤变化 的有力工具 ，通过物理模 型试验 ， 揭示 了印尼百通 电厂工程 区域冷 却水 扩散 规律 及取排水 口泥 沙冲 淤变化特征等 ，验证 了设 计方案并提 出了合理化建 议，为工程设计提供 了科学依据。 关键词 冷却水 模型试验 温度场 冲淤变化 印尼百通电厂 中图分类号T V 1 3 1 6 文献标识码A 文章编号 1 0 0 7 6 9 8 0 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 1 9 0 3 印尼 百 通 电厂 位 于爪 哇 岛东 北岸 ，东 南距 S u r a b a y a约 1 4 0 k m 东 距 P r o b o l i n g g o约 3 5 k m， 厂 址 位 于 P a i t o n的 S u mb e r G l a t i k和 B h i n o r 两 个 村 庄 之 间 ，北 岸 为 Ma d u r a海湾 ，东侧 约 3 0 0 IT I 为正 在 运 行 的电厂 南 侧为 现有 的城 镇道 路 。 本期 1 x 6 6 0 MW 机组采用 海水冷却直流供水 系 统 ，循 环 水 量 约 为 3 0 5 m3 s ，取 水 口布 置 在 厂 址 东侧 ，紧临老厂 ，排水 口位 于电厂西侧 ，两者 之间距离大约 1 1 0 0 I l l 。取水 口布置方案为明渠取 水 型式 ，由于地形条件 的限制 ，明渠需要深入 海 中约 3 0 0 1T I ，海水 区域引水 明渠起 点标 高为一 6 5 1 1 1 ，终点海床标高约为一 6 1 1 1 1 ( 岸边处) ，并在终点 处设置进水拦污栅 ，栅顶标高为一 2 1 m，底标高约 为一 6 1 1T I 。码 头布置 在 取 、排 水 口中问 ，为板 桩 式 结构 。排水 Is 1 形式为明渠喇叭 口排水 ，喇叭口从 4 1 1 1 宽 ( 一 3 0 I n标高) 放至 2 6 I n宽( 一 3 0 I T I 标高 ) 。 针对电厂温排水模型试验技术条件书的要求 ， 考虑到厂址附近的地形和水域特征 ，采用大范围 数值模拟计算 与海 域全潮温排水物理模型试 验相 结合 的技术路线 。通过数学模型计算和物理模型 试验 模拟在潮流作用下温排水在取排水 口附近 水域 的平面和垂 向分布状况及其变化规律 ，研究 工 程 方 案 的布 局 变 化 验 证 温 排 水 对 取 水 建 筑 物 的影响 。通过物理模型试验 ，模拟在潮流 、波浪 作用下泥沙在取排水 口附近水域的运移规律 ，研 究泥沙对工程方案的影响 ，提出防淤减淤措施 。 1 模 型 设 计 1 1 模 型相 似条 件 根据试验研究 内容 和印尼百 通电厂取排水 口 布置特点 ，温排水模型考虑 的相似条件有水流运 动相似 、波浪运动相似 和温差水流运动相似 其 中 ：水流运动相似又包括重力相 似 、阻力相似和 水流雷诺数相似 ：温差水 流运动相似又包括密度 佛汝德数相似和紊动热扩散相似 ，在按重力相似 设 计 的模 型 中 ，只 要模 型 的雷 诺 数 超 过 临界 雷 诺 数 。热紊动相似便 自然得到满足 。泥沙模型既要 保证水流运动相似 ，又要满足泥 沙运动相似和波 浪运动相似 ，泥沙运动相似包括泥沙沉 降相似 和 挟沙能力相似。 1 2 模 型 范 围和 比尺 依据试验研究 内容 和技术要求 ，物理模型确 定模拟范 围为 6 0 k mx 3 5 k m，水面 面积约为 2 1 k m ，选定模 型平 面 比尺 为 2 0 0 ，垂 向比尺 O 为 1 0 0 模型布置示意见图 1 。 + 表 层 鲢 摩 t N 垂向 温 度 测点 乔 图 1 模型布置示意图 1 3 温度 测点 布置 模 型水温测量采用多点扫描式温度记录仪定 时 自动巡 回检测 ，并 与计算机联接 ，以供数据采 集与处理使用。根据 电站温排水对水域影响程度 的不 同，共布设 了 2 0 0个测温探头 ，其 中有在工 程近 区水域取排水 口附近布设 4个垂 向温度测点 ( 见 图 1 ) 。 2 0 水 利 水 电 工 程 设 计D WR H E 2 0 1 3年 第 3 2卷 第 3期 1 4模型 沙 的选 择 根据 现场 泥 沙 取 样 分 析 ，厂 址 附近 海 域底 沙 以砂质为主中值粒径在 0 1 3 0 3 0 mm之间 ，底 沙 粒 径 有 近 岸 粗 化 趋 势 。海 域悬 沙 含 沙 量 较 小 ， 约为 0 0 8 4 k g m 。 。泥沙运动相似必须 同时兼顾 底 沙运 动 相 似 和悬 沙 运 动 相 似 条件 ，模 型 沙 选 用 聚 氯乙烯粉 ，其容重 = 1 3 5 k N m ，稳定干容重 = 5 5 k N m 。这 种 模 型 沙 物 理 化 学 性 能 稳定 ，不 板 结。可同时模拟底沙和悬沙运动。 2温 排 水 试验 成 果 通过对大 、中、小潮流速场的验证 ，表明模 型具有 良好的复演原体水流流态的能力 。在此基 础之上对推荐的取 、排水方案 ，研究 1 x 6 6 0 MW 机组 运 行 工 况 下 ，实 测 大 、小 潮 温 排水 在 受 纳 水 体中的运动规律。 2 1 表层 温 升分布 表层 温度 场 的分 布 与 潮 流 流态 相 适 应 ，同时 又 明显受 到 码头 和 取水设 施 等水 工 建筑 物 的影 响 。 电厂排 出的热水受潮流作用 ，落潮时大部分热水 在排 水 口附近形 成 回流 区 ，产 生热 水贴 岸 流现 象 ， 部 分 热水 向东 贴 岸 流进 码 头 港 区 ：涨 潮 时 由 于码 头 的 影 响 ，潮 水 一 部分 通过 港 池 向西 流 去 ，部 分 潮 水 在取 水 口有 侧 形成 明显 回流 区 。取水 口附近 涨 潮 时形 成 一 方 向为逆 时针 旋 转 的 回流 落潮 时 形 成 一方 向 为顺 时 针旋 转 的 回流 ，涨 潮 回流范 围 大 于 落潮 范 围 。涨 潮 回流 强度 较 大 ，最 大 回流流 速 0 2 0 3 m s ：落潮 回流强度略小 于涨潮 ，最 大 回流流速 0 1 0 2 r n s 。 该布 置方 案大 潮平 均温 升分 布见 图 2 ，各 种潮 型下 ，东 西 向运 移 的距 离 较 大 ，向东 的距 离 明 显 小于 向西的距离 。落潮初期 ，由于温排水初始动 量 的作 用 ，排 水 口出来 的 热水 向西 流 去 。随 着 落 潮 流 速 加 大 排 水 口前 的热 水 经 落 潮 流 的作 用 ， 一 部 分 在码 头 附 近形 成 回流 ，一部 分 流 过 取 水 明 渠 ，形 成 了落 潮 时取 水 温 升 高 而 涨潮 时取 水 温 升 低的基本分布形态 。全潮平均表层温 升等值线包 络面积 见表 1 。 图 2大潮平均温升包络图( 单位： ) 表 1 表层温升等值线包络面积 2 2取水 温升 取 、排水 方案 取水 温升 的特 征值 见表 2 ，大潮 的取水 温升过 程线 见 图 3 。 同一 潮 型 电站 取水 口的 取水温升随潮变化 的规律都具 往复流特征 不同 潮 型 中取 水 口取 水 温 升 变 化不 大 ，小 潮 取 水 温 升 略大于大潮 。机组 1 x 6 6 0 MW 运行工况下 ，取水 口一 2 0 m标高大潮取 水温升平均值约为 0 3 8 q C， 小潮取水温升平均值为 0 4 3：取水 口一 4 0 m标 高大潮取水温升平均值约为 0 1 4，小潮取水温 升平均值为 0 2：取水 口一 6 0 m标高大、小潮取 水温升平均值均小于 0 1 c ( = 。 表 2 取水温升特征值 2 0 厂 取 水 温 升 过 程 线 嘉 ： 二 试 验 根 据 大 、小 实 测潮 对 有 、无 码 头 区 域 水流的流场进行了测试分析 ，由于码 头设计为高 板桩结构 ，修建码头前后潮流平均流速变化为 5 左右。修建码头后 ，潮水在涨 、落急期间 ，该 区 域 回流强 度 略 有 增 强 ，随着 潮 水 流 速 的 减小 ，回 流强 度亦 在减 弱 。 在 潮水 涨 急 过 程 中 ， 由于受 到 引水 明渠 和 码 头 的 影 响 ，使 得 此处 海水 流 向改 变 ，流经 取 水 口 、 、 、1 一 厂一 r 、 郑 慧洋等 印 尼 百 通 电 厂 温 排 水 泥 沙 物 理 模 型 试 验 研 究 2 1 处 的海水平均流速增大 。在引水 明渠与码头之间 的海 域 海 水 从 取 水 口流 过 后 水 道 变 宽 ，大 量 涌 入 的涨急海水在此处形成一逆时针方 向旋转 的回 流 ，该 回流 的作用直径 约为 0 3 k m，其作用 中心 位 于 取 水 口的正 西 方 向距 离 取 水 口约 0 1 5 k m处 。 在该 区域 。码头和引水 明渠对潮流水道 的影 响已 经变小 ，同时海水紊动程度变大导致 了能量损耗 的增 加 从 而 海 水 流 速 在 此 回流 区域 内会 有 所 减 缓 。 在潮水 落急过程中 ，海水通过码头后 ，在取 水 口附近( 形成相对 的窄水 道 ) 流速增大 ，海水从 取水 口流过后水道变宽 此 时在取水 口东北方 向 水域 中大量涌人 的落急海水在此处形成一顺 时针 方 向旋转 的 回流 ，该 回流 的作用 直 径 约 为 0 4 3 k m其作用中心位于取水 E l 的东北方 向距 离取水 口约 O 2 5 k m处 。在引水 明渠 正东 侧 ，码 头和 引水 明渠对潮流水道 的影 响已经变小 ，同时海水紊 动 程 度 变 大导 致 了 能量 损 耗 的增 加 ，从 而海 水 流速 在此 回流区域 内会明显趋缓 水流缓慢接近停滞 。 4 取排 水 口泥沙输移试验 4 1 取 水 明渠 、港 池泥 沙冲 淤变 化 该海域泥沙来源主要是海岸侵蚀 、海 区来沙 ， 且 数 量很 少 ，泥 沙输 运 的 主要 动 力是 波 浪 。 试 验 结果 表 明 ： ( 1 )码头和取水 明渠头部标高较低 ，外海 水 深较大 ，波浪 在取水 明渠头 部外侧 衰减 明显 ，波 浪 掀起 进 入 港 池 的 泥 沙数 量 较 少 ，在码 头 前 沿 及 取水明渠头部落淤的泥沙数量极少 。 ( 2 )取水 明渠 附近 泥 沙 冲淤变 化 不大 ，泥 沙 在 波浪 、潮 流往复作 用下 ，时有 冲刷 ，时有 淤积 ， 交替进行 。电厂取水 明渠东 侧岸滩较浅 ，泥沙冲 淤变化主要集 中在附近 的潮间带 ，随着潮水涨落 ， 泥沙冲淤交替进行 ，海域一 3 5 I n等深线 附近泥 沙 运 动 较 活跃 ，取 水 明渠 经 过 长 时 间 运 用 ，在 明 渠 外部 两 侧 部 分位 置 ( 一 5 m 等深 线 左 右 处 ) 略 有 淤 积 ，淤 积 强度 不 大 ，正 常运 行 工 况 下 年 平 均 淤 厚 为 0 2 0 0 3 5 I n ，远 低于设 计 的 1 5 n cl 。 ( 3 )港 池 泥 沙 冲淤 不 明显 ，经过 长 时 间运 用 ， 港池在机组运行工况下年平均冲淤为 0 0 5 0 1 0 1T I 。 ( 4 )由于受引水 明渠 的影 响 ，使得在 电厂附 近海域的水道 变窄 。导致无 论在涨急还是落急情 况下 ，在此水 域 内海水的流速都要 比其他宽水道 海水流速要大 ，从而海水携沙流过此区域时 。相 对不易产生泥沙沉降 泥沙不会对 明渠产生 明显 影 响 。 ( 5 )当前在 电厂附近海域 内，海岸 已相对稳 定 泥沙不易淤积 海 湾内泥沙的迁移对 电站 的 取 、排水 口工程的影响不大。 4 2排 水明 渠泥 沙冲淤 变化 试 验 对 机 组 运 行 工 况 下 排 水 明渠 进 行 了泥 沙 冲淤试验 。试验结果表明 ，由于电厂取排水量不 大 ，排水 明渠延伸较远 ，明渠 出E l 冲刷现象不 明 显 ，冲刷范 围较小 。明渠宽度较大 ，在涨 、落潮 期 间潮 水 会 带 进 部 分 泥 沙 在 明 渠 内落 淤 ，落 淤强 度不大，不会对 明渠排水造成影响。 5结语 ( 1 )本 工 程 充 分 利 用 自然 水 文 地 形 和 潮 流 特 性 ，设计取 、排水方案采用明渠取 、排水 的布置 形 式合理可行 。能够满足 电厂取水温升及 泥沙要 求 ，修 建 码 头 对 局 部 水 域 潮 流 运 动 影 响不 大 。设 计 取 、排水 方 案 ，机组 1 x 6 6 0 MW 运 行 工 况 下 不 同潮型取水温升平均值为 0 1 0 2。 ( 2 )取水 明渠经过长时间运用 ，在 明渠两侧 部分 位置 ( 一 5 r n 左 右 处 ) 略 有淤 积 ，淤积 强度 不大 ， 正 常运 行 工 况 下年 平 均 淤 厚 为 0 2 O 0 3 5 m远低 于设计的 1 5 m，港池泥沙冲淤不明显 经过长时 间运 用 。港池 在机 组运 行工 况下 年平 均 冲淤 为 0 O 5 O 1 0 m。 当前 在 电厂 附 近 海 域 内 ，海 岸 已相 对 稳定 ，泥沙 不 易 淤 积 ，海 湾 内泥 沙 的 迁 移 对 电 厂 的取 、排水 口工 程 的影 响不大 。 ( 3 )物 理 模 型试 验 是研 究 具 有 潮 流 影 响 的 电 厂 温 排 水 和 工 程 海 域 泥 沙 冲 淤 变 化 的 有 力 工 具 。 较优的电厂取排水方案 的选取是建立在对工程海 域 自然环境充分 了解 准确预测工程近区水体流 速场、温度场、泥沙冲淤变化的基础之上。 作者简介 郑 慧洋 男 工程 师 中水北 方勘测设计研 究有限责任公 司 天 津3 0 0 2 2 2 刘春锋 男 工程 师 中水北 方勘测设计研 究有 限责任公 司 天 津3 0 0 2 2 2 禹胜颖 女 工程 师 中水北 方勘测设计研 究有 限责任公 司 天 津3 0 0 2 2 2 吕会 娇 女 助理 工程师 中水北 方勘测设计研 究有 限责 任 公 司 天 津3 0 0 2 2 2 ( 收 稿 日期 2 01 3 0 6 1 7 )