梁贤金，田娟娟

(1.武汉凯迪电力工程有限公司，湖北武汉 430023；2.武汉天华嘉易建筑设计有限公司，湖北武汉 430070)

某滨海电站温排水数值模拟研究

梁贤金1，田娟娟2

(1.武汉凯迪电力工程有限公司，湖北武汉 430023；2.武汉天华嘉易建筑设计有限公司，湖北武汉 430070)

滨海直流循环电站温排水水量大，对邻近海域的生态环境有重要影响。正确预测评估温排水对邻近海域的影响范围，对于直流循环电站工程设计有重要意义。数值模拟是开展温排水研究工作的重要手段。针对菲律宾某滨海电站循环水取排水工程的实际特点，建立水流数学模型和温升场数学模型，对其温排水扩散过程进行数值模拟研究。对其河口海岸的复杂不规则边界，离散方法采用非结构网格。模拟了某滨海电站循环水取排水工程初步设计方案的温排水扩散过程，模拟结果表明：设计方案下，向海中排放的温排水不会对所在海域环境造成明显影响，符合当地环保部门3℃温升范围要求。

滨海电站；温排水；一次循环；数值模拟

随着“一带一路”战略的深入实施，中资企业采用资本输出的方式在沿线国家建设了许多大型滨海火电站。滨海电站运行需要以冷却水为载体将废热释放到海洋中，大量的温排水一方面影响了排水口区域的流场，另一方面会造成排水口区域水温上升，对海洋生态环境产生不同程度的影响。目前我国对温排水的认识还存在分歧，对某些法律法规和标准中的有关条款的认识也存在差异，还没有专门的冷却水排放标准，仅在一些水环境质量标准中对水体的温升提出了明确的规定，而一些海洋国家的标准中，已对温排水有明确的要求。在此领域，国外一些学者采用CORMIX3模型[1]、神经网络算法[2]等对此有深入研究；国内在这方面也有较多研究，应用的模型有深度平均的二维浅水潮波模型[3]、平面二维温排水数学模型等[4]，而大多研究都面向电站规划选址阶段，对电站运行后温排水温升影响的数值研究相对较少[5]。

对于沿岸浅海水域，特别是半封闭海湾，其基本运动是由外来潮波引起的潮汐运动，即协振潮。表述潮波运动的参考坐标系不考虑地球曲率的影响，显然适用于水平范围远小于地球半径的海域，对于沿岸海域和海湾无疑是适用的[6]。本文采用不规则三角形网格的分布杂交方法建立水动力学模型及二维热输运数学模型，对菲律宾某海湾燃煤电站工程温排水的扩散过程进行模拟，为其取排水工程初步设计方案的评估与验证提供依据，也为项目建成后的环境监测提供必要的参照数据。

1 温排水数学模型

1.1基本方程

针对某滨海电站所在海湾的地形、陆域边界及潮流特征，选用沿水深平均的平面二维水流数学模型，其基本方程[7]为：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

(3)

式中，H、Z分别为水深和水位，m；u、v分别为x、y向的流速，m/s；u*、v*分别为源(汇)输入(出)河道时x、y向的流速，m/s；q为源(汇)单位面积流量，源时q取正，汇时q取负，m3/(s·m2)；ρ为水体密度，kg/m3；γt为紊动黏性系数，m2/s；c为谢才系数，c=1/n×R1/6；R为水力半径，m；n为海床糙率；f=2ωsinφ，为柯氏力系数，ω为地球自转角速度，φ为计算水域所在地理纬度。

所采用的温升场数学模型基本方程为：

(4)

式中，ΔT为水体增温量；Ex、Ey分别为x、y向扩散系数；Ks为水面综合散热系数；ρCp为水体定压比热通量；ΔT*为沿程源汇水体超温值。

1.2数值方法

水流模型基本方程中含有非线性混合算子，可采用剖开算子法进行离散求解。这一数值方法可以根据方程所含算子的不同特性，将该方程剖分为几个不同的子算子方程，各子算子方程可采用与之适应的数值方法求解[8]。这种方法能有效地解决方程的非线性和自由表面确定问题，具有良好的计算稳定性和较高的计算精度[9-10]。

2 数值模拟计算

2.1取排水工程方案

某3×135 MW流化床燃煤电站机组位于菲律宾某海湾，主机冷却水系统采用海水一次循环冷却水系统，3台机组冷却水量约20 m3/s。当地环保部门要求，电站排出的温排水产生的3 ℃温升影响范围不能超过半径150 m圆形水域。

循环冷却水取排水工程采取深取浅排布置方式，取水口布置在-7.0 m等深线附近，取水管线距岸边约300 m，由3条引水钢管组成，管径DN2200；排水管线位于取水管线南侧约250 m处，排水口布置在-4.0 m等深线附近，与取水口直线距离约285 m，排水管线为3根DN2200钢管。取排水工程总布置如图1所示，计算海域范围及其地形变化如图2所示。

图1 取排水工程总平面布置Fig.1 Layout of water intake and drainage project

图2 某电站计算海域范围及其地形变化Fig.2 Computation of sea area range and topography change

2.2计算条件

水流温升场数学模型中，主要包含河床糙率n、紊动黏性系数γt、扩散系数Ex和Ey、水面综合散热系数Ks共5个待定参数。根据电站所在海湾的地形条件，糙率采用0.016～0.020。紊动黏性系数γt可采用零紊流模型计算：γt=αu*H，其中α为常数，u*为摩阻流速。扩散系数可选用Ex=5.0 m2/s，Ey=0.5 m2/s。Ks根据《工业循环水冷却设计规范》推荐的公式计算得出，约为34.0 W/(m2·℃)。

电站温排水数值模拟计算选取计算范围为厂址所在的海湾，整个计算区域南北长约53 km，东西宽约35 km。计算区域采用三角形单元进行网格剖分，共布置了9618个节点，18 687个单元，外海海域的网格间距约为1.0 km，由外海向厂址海域计算网格逐渐加密，在厂址近岸处网格间距约为100 m，在电站取排水工程附近对网格进行进一步加密，最小网格间距为10～20 m。电站温排水所在海域计算网格剖分图如图3所示。

图3 某电站附近海域计算网格剖分Fig.3 Meshes for the numerical model near the power plant

2.3结算结果及分析

2.3.1潮流场计算结果分析

电站附近海域潮流场分布直接影响到排水口温升的输运扩散，计算海域潮流场主要受外海潮汐的影响，计算水文条件下的潮流场是相似的。以典型大潮水文条件进行研究。图4为典型大潮水文条件下，计算海域典型瞬时潮流场分布。由图4可知，计算海域海床较深、潮差较小，潮流动力极弱，绝大部分海域流速小于10 cm/s，电站近岸海域水深较浅，流速相对稍大，但最大流速仅在20 cm/s左右。

电站厂址前沿流速较小，水流较为平顺。在自然状态下，全潮过程潮流均为由海湾南侧流向海湾北侧的近岸流，受河水流和电站排水的影响，在全潮的不同时段在排水管线的左右两侧会出现短时间的回流区。电站附近海域的低流速特性和回流区的存在必然会降低潮流对温排水的输移、扩散效果。

电站附近海域深海与近岸海域的潮流变化不同步，深海的潮流变化滞后于近岸海域，同时潮位与潮流的变化也是不同步的，潮流的变化要滞后于潮位的变化。计算海域水下地形变幅较大，流速变化较明显，外海海域水深超过1500 m，潮流流速最小，电站附近海域开阔，水深条件较好，潮流流速稍大，厂址南北两侧的浅滩受陆域边界的影响，入海河流受上游来流和外海潮汐的影响，这些近岸水域的潮流流速最大。

图4 电站近岸海域涨(落)急潮流场分布Fig.4 Instant flow velocity field near the power plant

2.3.2温升场计算结果分析

采用沿水深平均的平面二维数学模型对电站3台机组运行后在3种典型水文条件下的温排水影响进行了预测计算，计算水文条件下的全潮最大温升包络线，计算结果如图5所示，相应的温升分布统计如表1所示。

由图5和表1可知，电站近岸海域潮流主流方向为由南向北的潮流，潮流动力微弱，全潮涨落流速不超过20 cm/s，且受河流入海口水流和电站排水影响后，在排水口附近水域有回流区存在。由于采取近岸直排方式，排水方向基本与潮流方向垂直，出口流速远大于海域流速，在涨潮时，温排水被河口水流带向南侧海域，在落潮时，温排水被输运至排水口北侧海域。电站温排水主要影响排水口南北侧海域，且主要集中在近岸海域附近，呈扁长状分布。

计算水文条件下的温排水影响面积差别不大，其中0.5 ℃和1.0 ℃等温升分布范围稍大，2.0 ℃及其以上高温升分布范围较小，仅局限于排水口附近水域。相对而言，典型大潮水文条件下温排水影响范围较大：0.5 ℃等温升值全潮最大包络面积1.246 km2，1.0 ℃等温升值全潮最大包络面积0.410 km2，2.0 ℃等温升值全潮最大包络面积0.140 km2，3.0 ℃等温升值全潮最大包络面积0.045 km2，4.0 ℃等温升值全潮最大包络面积0.016 km2，且3.0 ℃等温升值包络线最大长度280 m，最大宽度230 m，均小于300 m，没有超出半径150 m的圆形水域。

图5 全潮最大温升包络线图Fig.5 Isothermal enveloping curves of maximum temperature rise

表1 3台机组运行温升影响范围特征值

2.3.3取水口温升特征

排水口与取水口的相对位置关系对取水口温升有直接影响，取水温度又直接影响机组出力。模拟计算结果显示，典型大潮水文条件下，电厂全潮最高取水温升0.40 ℃、全潮平均取水温升0.38 ℃；典型中潮水文条件下，电厂全潮最高取水温升0.32 ℃、全潮平均取水温升0.30 ℃；典型小潮水文条件下，电厂全潮最高取水温升0.22 ℃、全潮平均取水温升0.20 ℃。

综合前文分析可知，电站附近海域涨落潮动力微弱，机组取水主要受排水水流和河流入海水流的影响。取水温升在全潮过程中有所变化，但取水水域潮流在全潮过程中均为由南向北流动，因而温升波动幅度较小。取水温升最大值为0.40 ℃，对机组运行出力影响较小，满足工程设计要求，即取、排水口布置位置关系合理。

3 结语

采用沿水深平均的平面二维水流温升场数学模型对某滨海电站典型水文条件下温排水分布规律进行了计算分析研究，主要结论如下：

(1)从温排水的角度考虑，电站近岸排水、近区深层取水的方案是可行的，满足当地环保标准要求。

(2)电站所在海域潮流动力较弱，计算水文条件下的温排水影响面积不大，其中0.5 ℃和1.0 ℃温升分布范围稍大，2 ℃及以上高温升分布范围较小，仅局限于排水口附近水域。

(3)电站取水口最高温升0.4 ℃，对机组运行出力影响较小，符合工程设计要求。

从研究目的、效率等因素考虑，数值模拟采用了简化模型。但滨海电站所在海域水体密度差异显著，水下地形及水动力条件复杂多变，温排水在其中的输移扩散具有明显的三维特性。综合考虑计入环境水体本底温、盐、流相互作用以及水气间实时热交换过程，才能更真实地反映温排水在环境水体的扩散过程。随着模拟手段的进一步发展，温排水的数值模拟将会更多地考虑这类因素。

受基础资料限制，数值模拟是在现有海床地形条件下进行的，工程建成后可能会影响附近海床的冲淤变化，从而对电站取水产生一定影响，建议关注电站运行后附近海域的地形变化趋势，做到防患于未然。同时，开发应用可真实反映温排水对自然水体实时影响的温排水预报模型，对于电站温排水环境影响后评价和实时监测具有重要意义，这也是今后提升温排水数值预测技术水平的一个方向。

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Research on Numerical Simulation of Cooling Water Diffusion in Coastal Thermal Power Plant

LIANG Xian-jin1, TIAN Juan-juan2

(1.Wuhan Kaidi Electric Power Engineering Co., Ltd., Wuhan 430023, China; 2.Wuhan Tianhua Jiayi Architectural design institute Co., Ltd., Wuhan 430070, China)

It is important to predict and assess cooling water’s impact on the adjacent ecological environment in a one-through coastal thermal power plant with a large amount of cooling water. Numerical simulation is a significant means to carry out cooling water diffusion research. Considering the characteristics of a power plant’s circulating water system in the Philippines, models of flow and temperature rise are used to simulate the temperature and water drainage, and the unstructured grid is adopted for the discrete irregular boundary of the estuary and coast. The cooling water diffusion process of the circulating water intake and drainage preliminary scheme is simulated, and the simulation results show that the cooling water does not have obvious impact on the ecological environment of the sea area, which meets the requirements of the local environmental protection department for temperature rise range within 3 ℃.

coastal thermal power plant; cooling water; one-through circulating; numerical simulation

10.14068/j.ceia.2017.05.013

X57

： A

： 2095-6444(2017)05-0058-05

2017-01-20

梁贤金(1983—)，男，湖北宜昌人，高级工程师，硕士，主要从事火力发电厂水工工艺方面的设计管理及研究工作，E-mail：liangxianjin@kdpe.com.cn