刘海成，陈汉宝

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

印尼某燃煤电站工程位于印度尼西亚苏拉威西岛南部。电厂规划为两期，一期装机容量2×125 MW，冷却水流量为13.6 m3/s；二期装机容量4×125 MW，冷却水流量为27.2 m3/s。排水口温升7℃，取水口最大允许温升3℃。电厂周围海水温升和循环冷却水使用效率受潮流、波浪、风、取水口位置和明渠布置形式、排水方向等因素的影响［1-2］，需要用数学模型模拟研究温排水扩散规律，并对电厂平面布置方案进行优化。

文中应用潮流温排水数学模型计算温排水的扩散趋势和取水口温升，为优化电厂平面布置方案和环境影响评价提供依据。在设计方案中，码头位于开敞水域，通过透空的引堤和实体引堤与后方电厂相连，取水明渠和排水明渠均由东、西2条防波堤掩护。工程位置及方案布置见图1。

1 自然条件

工程位置处于湾内，掩护条件优良，根据现有资料表明［3］，工程区域50 a一遇波浪的波高和周期分别为1.51 m和5.46 s。其不同重现期波浪条件见表1。常浪向为SE向，强浪向为W向。SE向浪和W向浪均被阻挡在海湾之外，所以湾内常年风平浪静。波浪不作为该工程的控制条件。由工程附近南苏拉威西Makasar气象站14 a（1991～2004）的风资料可知常风向为SE向，大于10 m/s风速的频率为10%，其风玫瑰见图2。

根据2009年工程现场实测的底质和含沙量资料，并参考其研究成果可以发现，工程区域岸滩常年处于稳定状态，沿岸输沙量非常微小；工程海域的平均含沙量为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条件为取水口温升。

2 模型介绍

本次研究采用局部加密的非结构化三角形网格，此网格能很好的模拟建筑物形状，将工程区域进行加密，保证工程区域水动力计算精度的同时可以节省计算时间［4］。模型的控制方程包括连续性方程、运动方程和扩散方程。在计算温排水时考虑由温度引起的密度变化，以及由密度变化所引起的密度流。

连续性方程

x向和y向动量方程

扩散方程

式中：t为时间；x、y为笛卡尔坐标的两坐标轴；η 为水面高程；d 为水深；h=η+d 为总水深为对应于 x、y的垂线平均速度分量；f=2Ωsinφ 为科氏力（φ 为纬度）；g为重力加速度；ρ为密度；ρ0为相对密度；τsx、τsy为 x、y方向的风应力；τbx、τby为底部切应力；Txy、Tyy为侧向应力；S 为源汇项的流量（us、vs为源汇项对应的速度分量）；T为温度；Fx、Fy为温度在x和y向的扩散系数；Cρ为水的比热容；K为表面综合散热系数。其中的表面综合散热系数可根据《工业循环水冷却设计规范》中推荐的公式

其中各参数详细物理意义见规范［5］。

3 潮流温排水数学模型及结果

3.1 水动力模型建立及验证

在研究温排水扩散范围之前需要模拟出工程区域的水动力环境，其主要的动力因素有潮流、洋流和风等。根据2007年12月～2008年1月的潮位测量数据，进行调和分析得到工程海域的潮汐分潮见表2，由分潮计算潮型系数如下

由此判断该区域潮汐为以全日潮为主的混合潮［6］。分析工程现场2007年12月29日～2008年1月5日实测的大、中、小潮流速流向资料，工程区域的最大流速出现在大潮期为0.25 m/s。选大潮作为本次模拟的控制潮型，为了节省篇幅仅给出一个潮位测站和潮流测站验证结果（图 3）。

3.2 温排水计算结果及方案优化

在已验证好的潮流模型基础上建立温排水数学模型。该模型采用了考虑密度梯度的斜压方程，将密度变化对水流的影响包含在模型中。工程分两期实施，一期循环取排水量为13.6 m3/s；二期工程循环取排水量为27.2 m3/s。取水口最大温升不能超过3℃。在原设计方案条件下对电厂温排水进行模拟，最大温升包络线见图4，取水口最大温升见表2。从表2中可以发现，一期和二期时取水口最大温升分别为1.26℃和1.57℃。虽然没有超过3℃的标准，但是取水口最大温升在二期时超过了1.5℃，已经超过国内一些电厂1℃的标准。为了提高电厂的发电效率，减少煤炭浪费和环境污染，需要在不增加工程成本的情况下，将取水口温升降低。

结合现场波浪较弱、基本没有沿岸输沙等条件，可以考虑将取、排水明渠的双防波堤改为单堤（称为优化方案，见图5）。这样布置的理由是：可以降低工程成本；可以使排水口附近高温水体提早开始扩散；可以使取水位置尽量远离高温水域。优化方案的温排计算结果见图5和表2。

图4给出原设计方案最大温升包络线。原设计方案中取水明渠和排水明渠均为双堤，取、排水口之间的距离为743 m（取、排水口位于堤头处），距离较近。从计算结果可以看出，排水口的高温水体在潮流的带动下，沿岸作南北向运动。高温水体在绕过取水明渠堤头时，一部分高温水体进入取水明渠，造成取水温升较大。

图5给出了优化方案最大温升包络线。在优化方案中取、排水明渠的双堤改为单堤，取、排水口之间的距离增加到1 533 m（取、排水口位于堤根处）。在排水口附近，高温水体相比原设计方案中提前开始扩散，并有向南扩散的趋势，减少了向取水口方向的扩散；在取水口附近，由原先的堤头位置取水变化为堤根位置取水，取水口取到的海水大部分为北向来水，位于南部排水口的高温水体很难扩散到现有取水口位置。加之取、排水口之间距离的增加，优化方案中取水口最大温升比原设计方案低了0.5℃～0.7℃，起到了降低工程成本和取水口温升的双重效果。

表2 取水口最大温升Tab.2 Maximum temperature rise of water intake

4 结语

用平面二维水动力、温排水数学模型计算了印尼某燃煤电厂循环冷却水的扩散规律和影响范围。结合现场情况，优化方案采取了改变原设计方案取排水明渠的布置形式。对比原设计方案和优化方案的计算结果，主要结论如下：（1）取排水明渠的布置形式直接影响到取水口的最大温升，在相似工程设计中需考虑取排水明渠的方案布置对取水口温升的影响；（2）在本工程中，从取水口温升和工程造价的角度考虑，单堤的布置方案远比双堤的布置方案优越。文中的优化方案可供类似工程参考；（3）采用局部加密的非结构化网格稳定性好、收敛速度快，能很好描述建筑物形状和复杂地形。

［1］刘海成，陈汉宝.非结构化网格在印尼亚齐电厂温排水模型中的应用研究［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］张继民，吴时强，王惠民.电厂温排水区流动特性分析及模型参数的研究［J］.东北水利水电，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］陈汉宝，刘海成.印尼吉利普多4×125MW燃煤电厂工程潮流温排水数学模型研究报告［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2010.

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

［5］GB/T 50102，工业循环水冷却设计规范［S］.

［6］孙湘平.中国近海区域海洋［M］.北京：海洋出版社，2006.