阳西海域温排水热扩散的三维数值模拟.pdf

第 6期 2 0 1 5年 6月 广东水利水 电 GUANGD0NG W ATER RES OURCES AND HYDROPOW ER No ． 6 J u n ．2 0 1 5 阳西海域温排水热扩散的三维数值模拟 倪培桐 ，陈丕翔 ，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 广州 5 1 0 6 3 5) 摘要：为更好地模拟近海温排水三维结构特征，基于F V C O M模型建立了阳西海域某电厂高精度三维温排水数值模型， 模型较好地反映了温升的垂向分层特点。基于三维温排水数学模型的取排水方案比选结果表明，无论是分列式、还是差 位式布置方案，模型都可以计算出较好的比选结果。该文基于 F V C O M模型建立的三维温排水数值模型可为电厂取排水 布置方案比选工作提供支持，为冷却水工程方案优化布置服务。 关键词 ：温排 水 ；三维数 值模 型 ； 方案优化 中图分类号：T V1 3 7 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 8一叭1 2 ( 2 0 1 5 ) 0 6— 0 0 1 8— 0 7 沿海地 区兴建的热 电厂大多采用海水直流冷却方 式，以节省工程投资，其缺陷是大量的废热随温排水 排人海水 。由于温差 浮力效应 ，表层与底层 海水在温 升垂向分布上出现较大差异。而 目前工程上广泛应用 的平面二维数学模型 ，无法模拟 温排水在海水 中的分 层现象 ，因此许多学者在应用平 面二维数值模 型对工 程问题进行研究的同时，广泛开展 了温排放 三维数学 模型的研究 。 。 。 本文以广东阳西海域某 电厂为例，基于 F V C O M 模型建立 了三维温排水数值模 型，并把模型应用到方 案比选工作 ，为冷却水工程方案优化布置服务。 1 温排水数学模型 1 ． 1 控制方程 + + ： S f 1、 d 。 c d y d Z +譬+ + ： i v — g 一 一 1 O P atv — — + — — + — — + — — = 一 一 — — — — 一 8 t 8 x 8 y 8 Z U O x P 。 O x 』 一 赤 ( + ) + F + ( U t 7 z ) S ( 2 ) + +譬+ ： 一 一 g 一 一 1 iO P a 一 一+ 一+ — — + 一= 一 九 ， 一 一一 — — 一一 8 ￡ a x 8 y 8 z J U 8 y P o 8 y 』 如 一 - ~ ( O Syx + ) + F + 善 ( U t ) "l- V sO y p o h O x O y O z O z s p o k 》 ‘ ＼ 》 ( 3) 其中 t 是 时间 ， ，Y ， 为笛 卡尔 坐标 ，叼是水 位 ，d是静水深 ，h=d卵是总水深 ，M ( ，Y ， ) 、 ( ，Y ， ) 、W ( ，Y ，z ) 是水流速度 ， f=2 0 s i n西是科 势力因子 ，g是重力加速度 ，P ( ，Y ) 水体密度 ， ⋯ s s ⋯ s 是辐射应力。 是垂向涡粘系数 。P 是大 气压， P 。 是水体参考密度。5点源源强，u ， 点源 速度。水平剪切力项 温排水控制方程 ： M O wT 一 十一+一+一： 8 t a x 8 ，8 z D 是垂 向涡动扩散系数 。水平涡粘 系数和涡粘扩 散系数根据混合长模型确定。 是水体与大气的热交 换。 是热源源项。 1 ． 2 边界条件及参数化 1 )自由表面。水面垂向流速和风应力为零 。表面 盐度通量为零 。 2 )人流边界及 出流边界 。入流边界条件以垂向二 维平均流速给出 ，即给出进 口单宽流量 ，出流边 界以 固定水位值给出。对三维 流场边界 ，上下游均按辐射 边界条件给出。 人流温盐边界 给 固定值 ：温度 、盐度为恒定 值。 出流温盐边界按辐射条件给出。 3 )侧 向固边界条件 。法向流速为零 ，温度和盐度 采用固壁通量为零的条件 。 4 )底部 固壁边界条件。运动学边界条件为底部垂 收稿 日期 ：2 0 1 5— 0 2— 2 7 ；修 回 日期 ： 2 0 1 5— 0 3—3 0 作者简介：倪培桐 ( 1 9 7 1 )，男 ，博士，高级工程师，从事水利水电工程数值模拟工作。 1 8 S ) + 自 + 、 l_ ， D 一 + r F 2 0 1 5年 6月第 6期 广东水利水 电 N o ． 6 J u n ．2 0 1 5 4 ． 0 2 ． O n 0 2 ． 0 4 ． 0 2 ． 0 0． O 2 0 4． O 2。 0 O． O 2． 0 T l ( 大 串： 。 实 测一 计 算 ， ．．～ ＼ ， ， — L_ — — ／ k 、 q 。a F - O 5 l O l 5 时间， h Z 0 2 5 T I( 中 日 ) 。 实测 一} 卜 算 卜 ／。 — 1 O 5 l 5 2 0 2 5 时闻， h T 1( 小 潮)。 实 测二 计 算 ． —1 。。 r ’ —＼ 。． ， ．直 ， 一 0 5 。时间， h 。 4 O 2． 0 麦 o - o 震 2 ．o 4． 0 2- 0 蓑 o ． o 一-2． 0 4 O 2 ．0 0 O 聚 2 ．0 l T 2 ( 潮)。 实 一 计 算 ， 一 ＼ l 。 — 。 ⋯ 、 ] I 1 0 5 时间， } I 2 O 2 5 l I T 2 ( 潮 )。 实 一 算 ～ l— j 。 、 一 l I i O 5 加 时间， h 。 O 图3 模型实测与计算潮位对比地( 夏季) C 6 1 2 0 层 蹭} ＼ ／ o ⋯＼ ／ 。 U 1 O ： O 0 l 6 ： O 0 2 2 ： O O 4 ： 0 0 1 0 ： O 0 时间 C 6——中层 ( 计算) 。 实-测中层 o o『 翥 5 O 卜 一 嚣 o ： o o 1 6 ： 0 0 2 2 ： o 0 4 ： o o l O ： 0 o 时闻 1 0 1 5 2 O 2 5 时问， h 囊 一 u I U l 0： O 0 1 6： O 0 2 2： O 0 4： O 0 1 O ： O 0 一 c 4 一中层 ( 计算 ) 。 实铡中层 。 。『 5 0} 攫，、 、 ! ， ⋯ 一 。 、^ l O ： O 0 1 6 ： O 0 2 2 ： O 0 4 ： O 0 1 0 ： O 0 时闻 C4——中层 ( 计算) 。 实测中层 粪 震 一 U 1 0 ： O 0 l 6 ： O 0 2 2 ： O 0 4 ： O O L O ： O 0 时 间 一 c 4 一底层 ( 计算) 。 实测底层 l O 0 r 蓉 I 5 O 型 ．} 、 。 。 — ～．。 百 口 ， 艿 。 Q o 一 百 u i 一 - 1 0 ： O 0 1 6 ： O 0 2 2 ： O 0 4 ： O 0 1 0 ： O 0 时间 2 0 图 4 模型实测与计算流速 、流 向对 比( 夏 季大 潮 ) 爨 L u ， 疑 ＼ 惩 2 0 1 5年 6月 第 6期 广 东水 利水 电 图7 不同时刻方案一表层温升等值线分布示意 2 ． 2 ． 3 方案 比较 在 5 ～8 取排水 口布置思路上 ，方 案一 、方案二 ( A 0 ) 、方案三( A 0 ) 均属于分列式取排水 口布置思想。 由于厂 区附近海流 以往复流流为主 ，潮汐水域分列式 取排水 口布置思路是加大取排水 口之间的距离 ，增大 水面散热量 ，从而降低 电厂排水对取水 的影 响。方案 二( A 0 ) 取水 口与 l ～ 2 机组排水 口距离小于 0 ． 2 k m， 受 3 ～ 4 机组 、5 ～8 机组排水影响 ，全潮平均取水 温升达到 3 ． 3 1℃ ，这表明由于取 、排水 口之间的距离 太近，不满足分列式取排水 口布置的基本要求 ，表现 在整个一个潮周期 内多数时 间热水短路 ，取水温升较 高( 图 8 ) 。另外 由于排水 口、取水 口均位 于防波堤与 原岸线形成的半封闭湾 内，不利于热水扩散 ，也是取 水温升较高的原因。方案三( A 0 ) 取水 口布置在厂区北 侧 ，与 3 ～ 4 、5 ～8 机 组排水 口距离 为约 0 ． 7 k m， 在涨潮时期 ，来 自 3 ～ 4 机组 、5 ～8 机组排水进入 22 5 ～ 8 取水 口，取水温升最高达到 2 ． 7。 【 = ，表 明涨潮 期间热水短路。落潮时间，仅有部分厂 区北侧 回归热 水影响取水 口，取水温升相对较低 ，整个潮周期 内取 水温升约 1 ． 2 7℃。方案一取排水 口之间直线距离约有 2 ． 7 k m，取排水 口之问距离相对较大。电厂温排水形 成 的散热 面较大 ，在整个潮 周期 内取水 温升最 大为 1 ． 0℃，从取排水 口之 间距离上看 ，达到 了分列式取 排水 口的布置思想要求。 对于本 电厂而言，由于 1 ～ 4 机组 已经建成 ，差 位式取排水 口布置可采取浅排深取如方案二 ( B 2 ) 、方 案三( A 1 ) 。方案二( B 2 ) 、方案三 ( A1 ) 排水 口布置在 岸边 ，工程海区流场呈现往复流特征 ，在近岸呈现带 状温排水通道。利用这一特征把取水 口离岸布置 ，避 开热水通道 ，取到低温升海水 。从计算结果看 ，方案 二 ( B 2 ) 取水 口处于电厂热水流路的外边缘，潮流运动 携带的热水对该方案取水影响较小 ，全潮平均取水温 2 0 1 5年 6月第 6期 倪培桐，等：阳西海域温排水热扩散的三维数值模拟 N o 6 J u n ． 2 0 1 5 升为 0 ． 7 3℃ ，最大为 1 ． 3 4℃。方案三 ( A1 ) 的 5～8 大温升为 1 ． 7 2 o C，表明方案三 ( A1 ) 布置在热水流路 机组取水 口全潮平均取水温升都较低 ，为 0 ． 8 0 o c，最 的外边缘 ，涨潮阶段少量热水进入取水 口。 0 ．0 "℃ ℃ ℃ l I t 2’ 0 ．0 — 0 ．0}一 O ．O 一 0 ．0 一 l _⋯ ⋯ 1 -0 ．2 I l 2 ^ l ．0 ． 2 I } 2 0 ．2 ‘ ⋯ ．4 J 2 4 一 落 急 -．0 ．2 喜 -0 ．4 一 落 惫 呈 ．0 ．4 i 。 + 落 憩 一 落 急 落 急 j 一 落憩 一 落憩 f 一 涨急 一 涨急 始 ． 0 ． 6 i * 。 + 涨 急 一 ． 0． 一 酿 B 茎砌 — ’拓 0 ．8 一 ’ c B 冀 一 ￡ 熊 嫩 f 一 藩 憩 霞 一 涨急 饕． o ．6 ‘靛 一 涨急 - 0． 8 一 涨憩 罂-0 8 一 涨想 ⋯⋯ l 取水口 ～ 2 诹 水口 1 2 敬水口 1 ． - 2 ． 1t~ g口 l 一 取水 口 ℃ " 7 y ，， ／ " ^^ r 0 10 o -u ： ’： I I i 2 2 毫 2 l 1 2 I I ^ ，0 I 2 营 旬 ． 2 殳 毒州 ／ 一落 急 酋_0 ．2 ‘ f 一落 急 一 落 急 一落 急 +落 急 簧 - 0 ．6 一落 憩 - 0 ．4 毒 0 4 呈。 0 A ≥ _ o ．4一 嫩 一 落憩 一 落憩 一 落憩 ’ 落憩 嫩． 0 ．6 暮-0 ． 5 ⋯⋯’ — 涨急 I 一 涨急 苗-0 ． 6 一 ⋯ 一 涨急 0 ． 6 一 涨忿 一 涨急 * 罂 0 ．8 蔓蚰 一 — — 一涨 憩 差 0 ．8 一 m ( 靛，0 ．8 — f 晕-0 ．8 — 一 *涨 憩 一涨 想 罂 3 ～ 4 取水 口 3 取水口 3 * 一 4 取水 口 3 " ．4 " 1 ~k口 3 取水口 0 ．0 一 二 ” ℃ ℃ O ．0 d ： 萋 耋 1 ～ ／ 一 落急 ． 0 ． 2 _ ． o ．2 [ 2 -0． 2 墓 0-0 一 一 -0．2 一 L -0．2 一 0．0 一 落急 S 号 一0．4 一 一 落憩 ．0．4 1 一 落憩 圭 -0．4 一 f 一 落憩 冀 _0 l6 ． — — 一 涨 急 嬖_0 ．6 ． 一一 涨 急 ．0 l6 一 } — — 一涨 急 ——一 涨 憩 盎- 0 8 ～ ～ 一涨 憩 菖- 0 ．8 一 一一涨 憩 釜 0 ．8 I —1． 0 一 一 1． 0 一1． 0 ● 雪 -4 5 8 诹 水 口 ! ～ 8 诹 水 口 一 薹伽 -1_ O 。 图 8 取水温升垂 向分布 ( 自左到右依次为方案一 、方案-- ( A 0 )、方案二 ( B 2 } 、方案三 ( A 0 )、方案三 ( A 1 ) ) 从三维模型计算结果看 ，方案一 、方案二 ( B 2 ) 机 响 ，取水 口容易改变温排水的流路 ，使温排水进入取 组取水口全潮平均取水温升与全潮最大取水温升都较 水口中，取水温升较高，落潮流期问温升相对较低。 低 ，方案可行。方 案三 ( A 1 ) 受 取水作用及 涨潮流 影 表 1 温排水 三维数 学模 型取 水温升统计结果 ℃ 序号 方案 >4 o C >3℃ > 2t 2 >1℃ > O ． 5 o C 装 机容量 23 2 0 1 5年 6月第 6期 广东水 利水 电 N o ． 6 J u n ．2 0 1 5 3结语 本文在以阳西海域某 电厂为例 ，采用三角形非结 构网格和垂直方 向上采用 坐标 的 F V C O M模 型作为 水动力模型的基础上开发建立了三维温排水数学模型， 模型较好地反映了温升的垂 向分层特点。基于三维数 学模型的取排水方 案 比选 表明，无论是分 列式布置 、 还是差位式布置方案 ，模型都可以提供较好 的方案 比 选结果 ，模型可为电厂取排水布置方案 比选工作提供 支持 ，为冷却水工程方案优化布置服务。由于三维温 排水数学模型研究仍处于发展阶段 ，应加强原体观测 ， 优化模型主要计算参数 ，提高模型计算精度及计算效 率 ，以使模型更好地为工程实践服务 。 参 考文献 ： [ 1 ] 郝瑞霞 ，韩新生．潮汐水域电厂温排水的水流和热传输 准三维数值模拟 [ J ] ．水利学报，2 0 0 4 ，3 5 ( 8 ) ：6 6— 7 0 ． [ 2 ] 南京水利科学研究 院．福建 宁德核 电温排水数值模 拟[ R ] ． 南京 ：南京水利科学研究院，2 0 0 5 ． [ 3 ] 中国水利水电科学研究院．阳江核电温排水三维数值模 拟[ R] ．北京：中国水利水电科学研究院，2 0 0 6 ． [ 4 ] 广东省水利水 电科学研究院．广东岭澳核电三期扩建工 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] 程温排放数学模型计算报告 [ R] ．广州：广东省水利水 电科学研究院 ，2 0 0 9 ． 广东省水利水电科学研究院．海南昌江核电厂可行性研 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 0 9 ． 岳钧堂．差位式理论及工程应用 [ J ] ．水利学报，1 9 9 3 ， 2 4 ( 1 2 ) ：1 0—1 7 ． 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，2 0 1 1 ( 6 ) ：1— 4 ． 倪培桐，江洧．潮州三百门电厂冷却水排放的数值模拟 研究[ J ] ．中国农村水利水电，2 0 0 4 ( 5 ) ：2 5— 2 8 ． 陈丕翔 ，倪培桐 ，黄健东．华 润 电力海 丰电厂 2 x 1 0 0 0 MW机组工程温排水数值模拟研究 [ J ] ．广东水利水电， 2 0 1 3 ( 4 ) ：2 1— 2 4 ． 陈丕翔，倪培桐，黄健东．台山核电厂一期工程 E P R 机组温排水数值模拟研究 [ J ] ．广东水利水 电，2 0 1 3 ( 1 )：1 5—1 8 ． 张晓艳 ，倪培桐．电厂冷却水工程的取排水口布置研究 及 工程 应用[ J ] ．广东水利水电 ，2 0 1 2 ( 4 ) ：2 3— 2 5 ． ( 本文责任编辑马克俊 ) Nume r i c a l S i mul a t i o n o f 3— — D Co o l i n g W a t e r i n Ya n g x i S e a Ar e a NI P e i t o n g CHE N P i x i a n g HUAN G J i a n d o n g ( G u a n g d o n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r ，G u a n g z h o u 5 1 0 6 3 5 ， C h i a n) Abs t r a c t：I n o r d e r t o s t ud y t he 3D s t r u c t u r e c ha r a c t e r i s t i c s o f t h e c o o l i n g wa t e r d i s c ha r g e d i n t o c o a s t a l b a s e d o n F VCOM t i d a l flo w mo d u l e ，a h i g h r e s o l u t i o n n u me r i c a l mo d e l o f 3 D c o o l i n g wa t e r h a s b e e n d e v e l o p e d b y t h e f i n i t e v o l u me me t h o d ． T h e t h e r ma l s t r a t i f i c a t i o n bu o y a n c y e f f e c t o f t he c o o l i n g wa t e r c a n b e s i mu l a t e d b y t h e mo d e l ，a n d be t t e r r e s u l t f o r bo t h t he t y p e o f i nt a k e—o u t l e t l a y o u t o f“ Ou t l e t —i n／o u t s i d e—I n t a k e ”o r t h e “ o u t l e t —s i d e—I n t a k e ” c a n b e g i v e n I t i s u s e f u l for t h e 3一D Co o l i n g W a t e r mo d e l t h a t c a n g i v e a d v i c e s 0 n t h e l a y o u t fo r S e l e c t i o n o n S c h e m e o f t h e c o o l i n g w a t e r p r o j e c t ． Ke y wo r d s ：c o o l i n g w a t e r ；3一D C o o l i n g w a t e r mo d e l ；s e l e c t i o n o n s c h e me 2 4