電廠取水明渠布置形式對取水溫升的影響研究

劉海成，陳漢寶

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456）

印尼某燃煤電站工程位于印度尼西亞蘇拉威西島南部。電廠規劃為兩期，一期裝機容量2×125 MW，冷卻水流量為13.6 m3/s；二期裝機容量4×125 MW，冷卻水流量為27.2 m3/s。排水口溫升7℃，取水口最大允許溫升3℃。電廠周圍海水溫升和循環冷卻水使用效率受潮流、波浪、風、取水口位置和明渠布置形式、排水方向等因素的影響［1-2］，需要用數學模型模擬研究溫排水擴散規律，并對電廠平面布置方案進行優化。

文中應用潮流溫排水數學模型計算溫排水的擴散趨勢和取水口溫升，為優化電廠平面布置方案和環境影響評價提供依據。在設計方案中，碼頭位于開敞水域，通過透空的引堤和實體引堤與后方電廠相連，取水明渠和排水明渠均由東、西2條防波堤掩護。工程位置及方案布置見圖1。

1 自然條件

工程位置處于灣內，掩護條件優良，根據現有資料表明［3］，工程區域50 a一遇波浪的波高和周期分別為1.51 m和5.46 s。其不同重現期波浪條件見表1。常浪向為SE向，強浪向為W向。SE向浪和W向浪均被阻擋在海灣之外，所以灣內常年風平浪靜。波浪不作為該工程的控制條件。由工程附近南蘇拉威西Makasar氣象站14 a（1991～2004）的風資料可知常風向為SE向，大于10 m/s風速的頻率為10%，其風玫瑰見圖2。

根據2009年工程現場實測的底質和含沙量資料，并參考其研究成果可以發現，工程區域岸灘常年處于穩定狀態，沿岸輸沙量非常微小；工程海域的平均含沙量為0.010 kg/m3，含沙量很低。所以本工程平面布置方案中主要控制條件為取水口溫升。

2 模型介紹

本次研究采用局部加密的非結構化三角形網格，此網格能很好的模擬建筑物形狀，將工程區域進行加密，保證工程區域水動力計算精度的同時可以節省計算時間［4］。模型的控制方程包括連續性方程、運動方程和擴散方程。在計算溫排水時考慮由溫度引起的密度變化，以及由密度變化所引起的密度流。

連續性方程

x向和y向動量方程

擴散方程

式中：t為時間；x、y為笛卡爾坐標的兩坐標軸；η 為水面高程；d 為水深；h=η+d 為總水深為對應于 x、y的垂線平均速度分量；f=2Ωsinφ 為科氏力（φ 為緯度）；g為重力加速度；ρ為密度；ρ0為相對密度；τsx、τsy為 x、y方向的風應力；τbx、τby為底部切應力；Txy、Tyy為側向應力；S 為源匯項的流量（us、vs為源匯項對應的速度分量）；T為溫度；Fx、Fy為溫度在x和y向的擴散系數；Cρ為水的比熱容；K為表面綜合散熱系數。其中的表面綜合散熱系數可根據《工業循環水冷卻設計規范》中推薦的公式

其中各參數詳細物理意義見規范［5］。

3 潮流溫排水數學模型及結果

3.1 水動力模型建立及驗證

在研究溫排水擴散范圍之前需要模擬出工程區域的水動力環境，其主要的動力因素有潮流、洋流和風等。根據2007年12月～2008年1月的潮位測量數據，進行調和分析得到工程海域的潮汐分潮見表2，由分潮計算潮型系數如下

由此判斷該區域潮汐為以全日潮為主的混合潮［6］。分析工程現場2007年12月29日～2008年1月5日實測的大、中、小潮流速流向資料，工程區域的最大流速出現在大潮期為0.25 m/s。選大潮作為本次模擬的控制潮型，為了節省篇幅僅給出一個潮位測站和潮流測站驗證結果（圖 3）。

3.2 溫排水計算結果及方案優化

在已驗證好的潮流模型基礎上建立溫排水數學模型。該模型采用了考慮密度梯度的斜壓方程，將密度變化對水流的影響包含在模型中。工程分兩期實施，一期循環取排水量為13.6 m3/s；二期工程循環取排水量為27.2 m3/s。取水口最大溫升不能超過3℃。在原設計方案條件下對電廠溫排水進行模擬，最大溫升包絡線見圖4，取水口最大溫升見表2。從表2中可以發現，一期和二期時取水口最大溫升分別為1.26℃和1.57℃。雖然沒有超過3℃的標準，但是取水口最大溫升在二期時超過了1.5℃，已經超過國內一些電廠1℃的標準。為了提高電廠的發電效率，減少煤炭浪費和環境污染，需要在不增加工程成本的情況下，將取水口溫升降低。

結合現場波浪較弱、基本沒有沿岸輸沙等條件，可以考慮將取、排水明渠的雙防波堤改為單堤（稱為優化方案，見圖5）。這樣布置的理由是：可以降低工程成本；可以使排水口附近高溫水體提早開始擴散；可以使取水位置盡量遠離高溫水域。優化方案的溫排計算結果見圖5和表2。

圖4給出原設計方案最大溫升包絡線。原設計方案中取水明渠和排水明渠均為雙堤，取、排水口之間的距離為743 m（取、排水口位于堤頭處），距離較近。從計算結果可以看出，排水口的高溫水體在潮流的帶動下，沿岸作南北向運動。高溫水體在繞過取水明渠堤頭時，一部分高溫水體進入取水明渠，造成取水溫升較大。

圖5給出了優化方案最大溫升包絡線。在優化方案中取、排水明渠的雙堤改為單堤，取、排水口之間的距離增加到1 533 m（取、排水口位于堤根處）。在排水口附近，高溫水體相比原設計方案中提前開始擴散，并有向南擴散的趨勢，減少了向取水口方向的擴散；在取水口附近，由原先的堤頭位置取水變化為堤根位置取水，取水口取到的海水大部分為北向來水，位于南部排水口的高溫水體很難擴散到現有取水口位置。加之取、排水口之間距離的增加，優化方案中取水口最大溫升比原設計方案低了0.5℃～0.7℃，起到了降低工程成本和取水口溫升的雙重效果。

表2 取水口最大溫升Tab.2 Maximum temperature rise of water intake

4 結語

用平面二維水動力、溫排水數學模型計算了印尼某燃煤電廠循環冷卻水的擴散規律和影響范圍。結合現場情況，優化方案采取了改變原設計方案取排水明渠的布置形式。對比原設計方案和優化方案的計算結果，主要結論如下：（1）取排水明渠的布置形式直接影響到取水口的最大溫升，在相似工程設計中需考慮取排水明渠的方案布置對取水口溫升的影響；（2）在本工程中，從取水口溫升和工程造價的角度考慮，單堤的布置方案遠比雙堤的布置方案優越。文中的優化方案可供類似工程參考；（3）采用局部加密的非結構化網格穩定性好、收斂速度快，能很好描述建筑物形狀和復雜地形。

［1］劉海成，陳漢寶.非結構化網格在印尼亞齊電廠溫排水模型中的應用研究［J］.水道港口，2009（5）：316-319.LIU H C，CHEN H B.Study on unstructured grid in numerical simulation of cooling water in ACEH Indonesia power plant［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009（5）：316-319.

［2］張繼民，吳時強，王惠民.電廠溫排水區流動特性分析及模型參數的研究［J］.東北水利水電，2005（8）：51-52.ZHANG J M，WU S Q，WANG H M.Analysis of flow characteristics and study on model parameter in thermal effluent zone of electric plant［J］.Northeast Water Resources and Hydropower，2005（8）：51-52.

［3］陳漢寶，劉海成.印尼吉利普多4×125MW燃煤電廠工程潮流溫排水數學模型研究報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2010.

［4］DHI.User Guide and Reference Manual of Mike21［M］.Denmark：DHI Water&Environment，2005.

［5］GB/T 50102，工業循環水冷卻設計規范［S］.

［6］孫湘平.中國近海區域海洋［M］.北京：海洋出版社，2006.