波浪對沿海電廠溫排水影響性分析

郝青哲,段宗伯,付 倩

（華北電力大學,河北 保定 071003）

目前,不少大型火電廠及全部待建、已建的核電廠都選址在瀕海、港灣、河口地區,利用鄰近水域作為冷卻水的供應和受納水域[1]。電廠將廢熱排入江河湖海中的過程實質上是熱量在水體中摻混、對流、擴散的過程。向河道注入較注入點水體溫度高的電廠冷卻水,就有可能影響注入點附近取水工程的正常運轉[2]。如果近岸海域長期受到波浪影響,則電廠溫排水要受到它的影響。波浪不斷涌向岸邊,使近岸海域的流場不斷發生變化,影響溫排水的熱量擴散。

波浪對沿海電廠溫排水擴散影響很大,會影響到取水的溫度值,因此,建立合理的模型,模擬波浪作用下電廠溫排水的溫度分布具有現實意義。中國水利水電科學研究院的陳惠泉提出對待電廠冷卻水問題時,考慮波浪效應的水力熱力模擬[3];香港南丫電廠擴建工程進行了局部水域正態波浪模型試驗,驗證了物理現象“水簾效應”,即在低水位工況下,波浪由堤岸斜面下退時,已露出水面的取水上部孔口,會被前波上堤水流下泄形成的水簾封住,杜絕空氣進入[4];水利部的張繼民[5]利用荷蘭Delft水力研究院開發的Delft3D模型,對北侖電廠三期擴建工程在潮汐和波浪條件下溫排水進行了數值模擬,得到最優方案。

本文在二維模型條件下,模擬振幅一定時不同時刻波浪對排水周圍水域的影響,以及同一進刻不同振幅波浪對排水溫度分布的作用,分析了各個工況下溫排水溫度分布特性,論證了波浪對溫排水的影響。

1 模型及邊界條件

建立二維模型,如圖1所示。其中,來流方向平行于岸邊,溫排水從岸邊流入海域,波浪和溫排水方向相反,波浪規則且呈周期性變化,來流為穩定流。

計算區域如圖2所示,水槽寬度為0.5m,水槽長度為1 m,排水口寬度為0.1m。采用矩形網格計算。

式中,A0為振幅;t為任一時刻;T為波浪運動周期;ω為頻率。

設海水來流和溫排水速度、溫度參數見表1。

波浪呈簡諧規律變化的表達式為

表1 各流體參數表

2 模擬結果及分析

2.1 振幅不變時溫度場模擬

選用k-ε紊流模型對溫度場進行模擬,采用一階迎風格式對控制方程進行離散,壓力和速度的耦合采用simple算法,近壁處采用標準壁面函數法,松弛因子和收斂條件保持默認的給定值不變。

圖3是波浪在一個周期T內變化時溫度場的模擬結果,波浪在運動過程中對溫排水的影響不能忽略。在受波浪影響的水域中,溫排水的擴散區域不斷產生變化。由圖3（a）～（d）可見,一個周期內4個時刻的溫度場區域并沒有大的改變,稍有波動,排水口右側高溫區域逐漸減小,到T時刻又開始增加;溫度場先由扁形逐漸集中到排水口,到T時刻后又向右側偏移;等溫線形狀類似波浪形狀變化。

2.2 振幅改變時溫度場模擬

為具體研究波浪變化對熱擴散的影響,改變波浪的振幅進行計算。波浪呈正弦規律變化,設周期T=4 s,波浪的振幅A分別取0.15 m、0.25 m、0.35m、0.45m。不同振幅下流體參數見表2。

表2 不同振幅下流體參數

圖4為波浪在1/4T時刻時,振幅變化對溫排水熱擴散的影響。由圖4（a）～（d）可見,在波浪的影響下,高溫等溫線由突出逐漸變得扁平。產生這種現象的原因除溫排水與來流的摻混外,還有波浪的傳遞作用,使得流體運動的擾動加大。此外,波浪的擾動使等溫線呈現類似波浪的形狀,振幅越大,等溫線的變化趨勢越明顯。

3 結束語

波浪以正弦規律呈周期性變化,隨著波浪的變化,溫度場的等溫線形狀類似波浪的形狀變化。在一個周期內,波浪的影響明顯,排水口右側排水影響有減小趨勢;波浪的振幅越大,等溫線的壓縮趨勢越顯著,形狀越來越扁平,垂直河道方向影響越小。因此,波浪對溫排水的影響是周期性變化的,找到影響規律,利用其有益方面,最終使溫排水熱量較快散失在環境中,減小以周圍水域生態環境及取水溫升的影響。

[1] 陳惠泉.沿海水域火/核電廠冷卻水水工布置的優化原則和實踐[J].海洋技術,1999,18（4）：82-87.

[2] 楊海燕.具有潮流影響的電廠溫排放實驗研究[J].貴州水力發電,2005,19（1）：75-78.

[3] 陳惠泉,許玉麟,賀益英.火/核電廠冷卻水試驗研究50年的進展和體驗[J].中國水利水電科學研究院學報, 2008,6（4）：288-298.

[4] 陳惠泉,賀益英.香港南丫電廠擴建工程取水口試驗研究[R].北京：水利水電科學研究院,1994.

[5] 張繼民.Delft3D在海灣電廠溫排水數值模擬中的應用[J].人民長江,2009,40（1）：59-62.