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第 1 0期 2 0 1 1年 1 0月 广东水利水电 GUANGDONG W ATER RESOURCES AND HYDROPOW ER No 1 0 0e t 20 11 某滨海电厂温排水数值模拟研究 张晓艳 ， 倪培桐 ， 黄健 东 ( 广 东省水利水电科学研究院， 广 东省水动力学应用研 究重点实验室， 广 东 广 I 1 5 1 0 6 1 0 ) 摘要： 该文通过建立工程海域平面二维数学模型， 对某滨海电厂不同的取、 排水布置方案进行模拟计算， 分析了温排水在 海域 内输运和扩散规律 以及 电厂在运行期 间其温排放 引起的取 水温升及对 厂址 附近 海域 的影响 ； 根 据工程 海域潮流 运动 特性等优化取排水1 3 布置形式， 经过优化分析提 出了取排水口宜采用差位式布置原理， 并用温排水三维数学模型对优化方 案做 了进一步论证 ， 为该电厂取排 水工程 的设 计和环境 影响评 价提供科 学依据 。 关键词 ： 数 学模 型 ； 温排水 ； 平面二维 ； 差位式 中图分类号 ： T V1 3 7 文献标识 码 ： B 文章 编号 ： 1 0 0 8一 O 1 1 2 ( 2 0 1 1 ) 1 0 0 0 1 6 0 4 1 工程海域地形与潮流特性 某电厂处于海南岛西岸 ， 位于海南岛中部的琼中南 隆起中低山地 区、 属滨海 台地 ， 自然地面高程约为 9 3 3 0 4 m( 8 5国家高程基准 ， 下同) 。工 程海域水下地 形等高线与岸线走向一致 ， 呈西南 一东北走 向， 水深总 体较深 ， 拟建厂址近 区取水 口地形标高在 一 6 O m以内。 电厂规划建设 4 6 5 0 MW 核电机组 ， 本期建设 2 6 5 0 M W 核电机组 。电厂冷却水采用直流冷却系统 ， 以海水作为 循环冷却水源。 2 0 0 8年在工程海区设置了 1 2条测流垂线 ， 对海域 夏 、 冬季大 、 中、 小潮 以及半月潮 流进行 了观测 J 。各 垂线平均的潮流形态数 F值在 2 0 84 1 2之间 ， 平均 为 3 2 4， 1 2个测站 F值除冬季 1 和 2 测站外均 大于 4 0小 于 2 0， 表明本海域潮流类型基本属不规则全 日 潮流性质。根据本次水文测验 ， 落潮实测平均流 向与涨 潮实测平均流向反向的差值一般不足 l 0 。 ， 海区潮流基 本呈往复流 。 实测涨 、 落 潮平 均流速 ， 夏 季分别 为 0 2 3 m s和 0 2 8 m s ， 冬季分别为 0 1 6 m s 和 0 2 4 m s ， 落潮流速均 大于涨潮流速。从平 面来看 ， 涨 、 落潮水流强度均 以南 部水域为最大， 中部水域次之 ， 北部水域相对较弱。从 南部水域到海头港水域 ， 涨潮平均流速夏季 由 0 2 8 m s 减至 0 1 8 m s ， 冬季 由 0 2 4 m s 减 至 0 1 5 m s ； 落潮平 均流 速 夏 季 由 0 3 5 m s递 减 至 0 2 0 m s ， 冬 季 由 0 3 1 m s 递减至 0 1 6 m s ， 夏 、 冬 季落潮平均流速梯度 均大于涨潮平均流速梯度 。垂 向上流速呈从表层到底 层逐渐减小的分布趋势 ； 夏季涨潮平均分层流速与各 自 表层 流 速之 比， 自表 至底 为 1 0 0 、 0 9 0 、 0 8 3 、 0 7 7、 0 7 0和 0 5 7 ， 落潮平均为 1 0 0、 0 9 7 、 0 9 4 、 0 8 8 、 0 8 2 和 0 6 7 ； 冬季涨潮平均为 1 0 0 、 0 9 0、 0 9 0 、 0 8 9、 0 9 0 和 0 7 7 ， 落 潮平 均 为 1 0 0 、 0 9 2 、 0 8 5 、 0 8 0 、 0 7 2和 0 6 1 ； 涨 、 落潮底层流速均为表层流速 的 6 4 。垂线上 流速梯度夏季涨潮大于落潮 ， 冬季反之 ， 涨潮小于落潮 。 2 平面二维数学模型 正交曲线坐标系下的水流基本方程如下 ： 连续方程 ： + 姜 ( D u C n ) + 茜 ( D v C ) q ( 1 ) 动量方程 ： O u “ a “ O u M O C O C f + + + 一 v 一 簧 + 1 0A 一 1 0咖B ) a “ OV O v IZ V O Cq M OC O t + + + 一 C e C, “ 一 旦 C O r I E 1 0 B 1 叼 0 A)+ T s r l 一 + q v D 式中： 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 8 0 9 ： 修 回 日期 ： 2 0 1 1 0 91 9 作者简介： 张晓艳( 1 9 8 2一) ， 女， 硕士， 主要从事水文学及河流海岸工程数值模拟研究。 1 6 ( 3 ) D 2 g ( + + M 一 + 2 0 1 1年 1 0月 第 1 0期 张晓艳 ， 等 ： 某滨海 电厂温排水数值模拟 研究 荽 ( c + ( c 志 毒 ( c + ( c D为总水深 ； 为水位 ； 、 叼分别为正交贴体坐标的 纵横向计算 网格方 向； “ 、 分别为沿 、 叼的水流速度分 量 ； C 、 C 为拉梅系数 ：2 w s i n 4 为科氏力系数 ( 为 地球 自转角速度 ) ； 、 E 为水平涡粘扩散系数 ； C为谢 才系数 ， C = ( h+ ) ， n为曼宁系数 ； g为重力加速 度 ； g 为单位面积上的源汇强度 ； 、 分别为源汇节点 周边 、 叼方 向流速 ； 、 丁 分别为 、 叼方 向的表面风应 力项。 温排水运动方程如下 ： + 矗 壶 ( D A T u C ) + O ( D A T v C = 去 毒 ( ) 0 7 C ) 】 _ +Q ( 4 ) 式 中： T为温升值 ； K s 为水 面综合散热系数 ； C ， 为水的 等压 比热 ； ， 分别为热扩散系数 ； Q为温排水源项 ， 为单位面积上温排水流量与排水温升的乘积。 水面散热是热扩散的重要途径之一， 本次水面综合 散热系数 计 算采 用 工业 循 环水 冷 却 设 计 规 范 ( G B T 5 0 1 0 22 0 0 3 ) 中的统一公式。 本次模型计算 范围较大 ， 北面近岸边 界在洋浦 附 近 ， 距离西北角点边界约 7 6 k in， 南面近岸边界在东方市 南面约 2 8 k m 的感城镇 ， 距离西南 角点边界约 1 1 2 k m， 从西北角点至西南角点的外海开边界长约 1 2 7 k m， 模型 计算范围见图 1 。为了提高计算效率 ， 同时又保证工程 区有足够分辨率 ， 因此采用变步长矩形 网格对计算范围 进行剖分 ， 外海域步长较大 ， 最大约为 5 0 0 m； 工程 区步 长小 ， 约为 5 0 m。剖分网格数为 4 0 8 X 2 8 6 。 模型采用 2 0 0 8年夏 、 冬季实测大 、 中、 小潮以及半 月潮水文资料作为模型率定资料。根据模型验证情况 ， 模型冬 、 夏季各潮型的验证效果较好 ， 模拟的潮位 、 流速 和流向过程与实测基本吻合 ， 说明数学模型能够较好地 复演工程海域 的潮流特 征， 可用于温排水数值 模拟计 算 。 3 温排水方案比选计算成果分析 3 1 温排水计算方案说明 本次设计单位提供 了4个 比选方案 ， 各方案取水 口 与排水 口纵向距离均较小 ， 可归类为分列式取排水 口布 置形式 ， 平面上取 、 排水布置分为南排北取和南取北排 图 1 平 面二维数学模型计算范 围示意 等形式 ， 其 中取水形式有明渠取 、 管取等形式 ， 排水均采 用管排 。文献 2 做了各方案各潮型的组合工况 ， 本文 限于篇幅 ， 仅以一个方案 J 13 ( 46 5 0 MW 装机容量 ) 为例 ， 计算在夏季中潮条件下温排水的扩散情况。方案 布置见图 2 。 图 2方 粟 儿 一3平 面布 置 示 恿 3 2 温排水方案比选及成果分析 方案 J l一 3取水 口在排水 口北侧 ， 因此取水 口温升 过程的整体变化趋势是涨潮流时增大 ， 落潮流时减小 ， 取水温升较大值出现在涨急到涨憩时段 ， 落潮 时， 取水 温升随落潮历时延长而减小 ， 落憩时刻附近取水温升较 低。该方案平均取水温升约为 2 1 o C， 最大取水温升约 为 3 2 。 图 3和图4为夏季 中潮全潮平均和全潮最大温升 等值线图。温排水随着潮流涨 、 落潮沿岸呈带状扩散 ， 涨潮向东北 向扩散 ， 落潮则相反 ， 向西南方 向扩散 。 方案 J 1 3属于南排北取方案， 由于厂区南部水域 潮流较强 ， 南排北取方案温排水随潮扩散快 ， 没有涡积 ； 涨潮 时， 温排水随涨潮流 向东北方 向输运 ， 即热水 流向 1 7 2 0 1 1年 1 0月 第 1 0期 广东水利水 电 N o 1 0 0 c t 2 0 1 1 图 3 夏季中潮全潮平均温升等值线 ( 46 5 0 MW) 图 4 夏季中潮全潮最大温升包络线 ( 4 6 5 0 MW) 取水 口， 取水温升升高 ， 落潮时温排水 随落潮流向西南 方 向输运 ， 排水 口排 出的热水远离取水 口， 取水 口温度 主要受随落潮 流回落 的二 次热水影 响， 而南取北排方 案 ， 由于厂区北部水域与南部相比潮流相对较弱， 排水 口布置在潮流相对较弱的区域 ， 高温区面积较南排方案 大； 取水温升随潮变化的趋势与南排北取方案相反， 涨 潮时 ， 温排水随涨潮流向东北方 向， 即热水远离取水 口， 取水温升较 低 ， 落潮时温排水 随落潮流 向西南方 向输 运 ， 热水向取水 口方向输运 ， 取水 口温升较高 ； 由于小潮 潮型的落潮优势潮流特征 ， 无论涨潮 、 落潮期间， 南取 的 取水 口都受到温排水 的直接影响 ， 平均取水温升较高。 经过上述分析可以看出， 无论采用南取北排方案还 是北取南排方案 ， 均各有利弊 ， 4个平 面布置方案还有 待进一步优化 。 4温排水方案优化及成果分析 4 1 优化原理提出 工程海区潮流运动特征是温排水布置形式 的主要 影响因素。本工程海区潮流具有 2个特征 ： 第一 ， 2 0 0 8 年潮流调查资料显示 ， 本海域 的潮流运动形式基本为往 1 8 复流 ； 温排放二维潮流场模拟成果也显示工程海区的潮 流运动形式与感潮河道往复流的潮流运动特征类似。 第二 ， 2 0 0 8年潮流调查结果显示 ， 夏季大潮 、 中潮涨潮 历时大于落潮历时 ， 夏季小潮涨潮历 时远小 于落潮 历 时 。 由于温度场是潮流运动形式的反映 ， 温度场的计算 结果也显示 2个特征 ： 第一， 等温升线成带状分布 ， 并随 涨落潮流方 向摆 动， 类似于潮汐河道温排水的分布特 点 ； 第二 ， 全潮最大包络面积要远大于全潮平均面积 ， 高 温区面积较小 ， 热量随潮扩散快 ， 工程附近水域热水没 有出现窝积现象。 由于工程海区流场呈现往复流特征 ， 温度场呈现带 状温度场分布特征 ， 这些特征类似于感潮河道冷却水工 程温排水运动的一般特征。因此该 电厂冷却水工程布 置可以借鉴已建成 的潮汐河道冷却水取排水 口布置思 路 。结合本海域的地形条件 ， 该电厂冷却水工程可采用 差位式排取水 口布置思路。 文献f 2 对差位式布置方案做 了一系列研究， 当排 水 口向外海伸到一定距离之后 ， 取水温升明显下 降； 排 水 口越往外海伸， 高温区面积明显减小 。 鉴于平面二维模型对温排水垂向上模拟的欠缺 ， 为 了进一步论证取排水 口差位式布置的合理性 ， 本次还建 立了三维 温排水模 型 。 ， 对 二维模 型进行 补充论 证。 三维温排水模型水平方 向计算区采用三角形网格离散 ， 在综合考虑计算速度 、 研究 目的等 因素 ， 共布置 网格单 元约 9 7 0 0个 、 节点约 4 7 0 0个 ， 模型垂 向分为 1 5层 ， 对 上层水体加密分层 ， 计算边界采用潮位边界控制。表 1 摘列了排水 口离岸 1 4 k in方案( 方案 J 31 ) 在装机容 量为 4 6 5 0 MW 条件下， 二维和三维模型温升面积的计 算成果对 比表。 表 1 二维和三维模 型方案 J 31 温升面积对 比( 单位 ： k m ) 从计算结果看 ， 三维数模与二维数模计算结果总体 2 0 1 1年 1 0月 第 1 0期 张晓艳 ， 等 ： 某滨海电厂温排水数值模拟研究 较为接近 ， 2 温升面积三维数模计算结果相对偏大 ； 对 取水温升而言 ， 三维数学模型平均取水温升较二维数学 模型略大 ， 差值约 为 0 2 ， 三维数模最大温升较二 维 数模略小 ， 约 0 1 。总体而言 ， 不论是温升面积还 是 取水温升 ， 两模 型计算结果相近 ， 取排水 15差位式布置 可作为方案设计参考。 4 2 选用方案成果分析 取排水 口差位式布置提出后 ， 设计单位针对差位式 布置提 出了一系列平面方案 ， 文献 2 对排水 口不 同排 放轴线和离岸 1 4 k in、 1 8 k in、 2 0 k in、 2 2 k in、 2 4 k m的 各方案做了计算和详细分析 。在考虑 降低对工程区沿 岸珊瑚礁 的影 响( 以 1 温升区不影响沿岸珊瑚礁为 目 标 ， 即 1 温升区分布在地形 一 6 m以外海域 ) 和对厂区 北侧 2 5 k in外的 白蝶贝保 护区( 见图 5 ) 的影响较小 的 前提下， 通过各方面比较 ， 对于 目前一期工况数模采用 排水 口离岸 2 2 k in方案作为选用方案。 图 5 白蝶贝保护 区与厂址 相对 位置示意 图6和图 7为该选用方案一期工况夏季中潮全潮 平均和全潮最大温升等值线 图。该方案夏、 冬季各工况 取水 口温升过程均相对平稳 ， 平均取水温升也不高 ， 夏 季各工况的取水温升均在 0 2 C以内， 冬季各工况 的取 水温升均在 0 5 以内。 对于温升面积而言， 夏季一期工程条件下 ， 全潮平 均 1 以上温升面积大 、 中、 小潮均在 0 9 1 k m 以内； 全 潮最大 1 以上温升 面积大潮、 中、 小潮均在 5 7 3 k in 以内。全潮 平均 4 以上温升 面积 各潮均在 0 0 1 k m 以内； 全潮最大 4 以上温升面积大潮 、 中潮和小潮均 在 0 2 3 k m 以内。 5 结语 1 )本工程海 区流场呈现往复流特征 ， 温升场呈现 带状分布特征 ， 结合本 海域 的地形条件及 环境影响 因 素， 建议取水 口和排水 口采用差位式布置思路。当取 、 图 6 夏季中潮全潮平均温升等值 线( 2 X6 5 0 MW) 图 7 夏季 中潮全潮最大温升包络线 ( 2 6 5 0 M W) 排水 口采用差位式布置且排水 口往外海延伸不同的距 离时 ， 取水温升在逐减降低 ， 高温区面积也呈减小趋势。 综合考虑温排水对 白蝶贝和珊瑚礁 的影响情况， 拟选定 排水 口离岸 2 2 k in方案作为数模选用的温排水计算方 案。 2 )考虑到数值模拟 的特点 ， 还不能完全反映水流 中客观存在的一些物理现象 ， 建议数模成果结合温排水 物理模型成果 ， 进一步为水工布置的决策提供依据。 参考文献 ： 1 交通部天津水运工程科学研究院 海南昌江核电厂工程 海域海洋水文 观测 及分析 报告 R ， 天 津 ： 交 通部 天津水 运工程科 学研究 院 ， 2 0 0 9 2 张晓艳 ， 倪培桐 海南昌江核电可行性研究温排水数值模 拟计算研究报告 R 广州 ： 广东省水利水电科学研究院， 2 0 09 3 倪培桐 海南昌江核电可行性研究温排水三维数值模拟 计算报告( 成果报告) R 广州 ： 广东省水利水电科学研 究院 ， 2 0 0 9 ( 本文责任编辑王瑞兰) 1 9