淡水下泄对海水脱硫有效离子影响的数模研究

2019-06-14李金锋周正一罗子湛徐立伟

综合智慧能源 2019年5期

李金锋，周正一，罗子湛，徐立伟

(中国华电科工集团有限公司，北京 100070)

0 引言

越南某滨海燃煤电站项目位于越南南部，其附近于2016年开通运河，入海口位于东、西防波堤环抱水域，靠近西防波堤位置，在取水口南侧不足2 km处。该运河另一端连接湄公河下游汊流后江，随着运河的开通，电厂取水口附近水质可能受到淡水影响，海水脱硫有效离子质量浓度会有所降低，进而影响电厂的海水脱硫效率。因此，需评估运河开通对电厂海水脱硫有效离子质量浓度的影响程度，为电厂设计提供依据。

纯海水法烟气脱硫工艺是利用天然海水中的碱度脱除烟气中SO2的一种湿式烟气脱硫方法。烟气中的SO2被海水吸收生成亚硫酸氢根离子(HSO3-)和氢离子(H+)，HSO3-与氧(O2)反应生成稳定的硫酸氢根离子(HSO4-)，H+与碳酸氢根离子(HCO3-)反应生成易于吹脱的CO2和水。最终CO2通过曝气方式强制吹脱，使海水中的CO2质量浓度降低，从而提高脱硫海水的pH值、溶解氧含量(DO)，并达标排海。

1 水质测定和分析

影响燃煤电厂海水脱硫效率的主要有效离子是H+和HCO3-[1]，本文主要测定HCO3-质量浓度。

表1 HCO3-质量浓度测量结果Tab.1 HCO3-mass concentration measurement results mg/L

在该工程海域布设3个测点(如图1所示)，考虑运河水质对海水水质的影响，3个测点分别位于运河内、电厂取水口附近以及外海未受运河影响处。水质测定采样时间为2017年1月13日0时至1月20日0时，该时间段包含大潮至小潮过程，连续进行7 d的采样和测定，每3 h采样1次[2-3]。

图1 采样点位置Fig.1 Sampling location

测量结果见表1：#1测点 HCO3-平均质量浓度为100.82 mg/L，#2测点HCO3-平均质量浓度为103.81 mg/L，#3测点HCO3-平均质量浓度为100.47 mg/L。实测期间运河、港内和海域各点HCO3-质量浓度相差较小，说明实测期间运河对港内水体HCO3-质量浓度未产生影响。

2 数学模型及验证

2.1 潮流数学模型基本方程

连续方程

(1)

运动方程

(2)

(3)

在控制方程的求解过程中使用有限体积法进行离散，采用三角形网格；时间积分采用显式欧拉格式；计算中采用干湿网格方法对浅滩进行计算。

2.2 水质扩散数学模型基本方程

水体交换采用失踪剂扩散模拟方法进行研究，在潮流数学模型基础上，采用流扩散数学模型(MIKE 21 Transport模块)进行模拟计算[4-5]，其控制方程可表示为

Fhc+S

(4)

式中：c为示踪剂浓度；u，v为流速在x，y方向上的分量；h为水深；Dx，Dy分别为沿x，y向的扩散系数；F为衰减系数；S为源项函数。

2.3 网格划分及验证

数模计算区域如图2所示，东西距离约355.4 km，南北距离约369.5 km。模型约23 312个计算节点、 42 017个网格，网格最大空间步长约1 000 m，最小空间步长约10 m，计算区域及网格剖分如图2所示。

分别选取大、小两个潮型对模型进行验证，用于潮位验证的有两个站点，用于流速和流向验证的有6个站点，验证曲线如图3～图7所示。从模型验证结果来看，除个别点的计算值与实测值偏差较大外，各测站的潮位、流速、流向的计算值与实测值都比较接近，满足现行《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》要求。

图2 计算区域及网格剖分图Fig.2 Calculation area and mesh map

图3 全潮潮位验证(2012年10月)Fig.3 Whole tide tidal level verification(October 2012)

图4 大潮流速验证Fig.4 Spring tide speed verification

图5 大潮流向验证Fig.5 Spring tide flow direction verification

图6 小潮流速验证Fig.6 Neap tide speed verification

3 水质扩散数学模型计算结果分析

3.1 HCO3-扩散模型参数

3.1.1 扩散系数

对流扩散模型中的扩散系数Dx，Dy可根据经验加以确定或根据经验公式计算而得，比较常用的计算公式是

式中：p，q分别为流体在x，y方向的单宽通量，m3/(s·m)；kl为水深平均纵向离散系数；kt为水深平均侧向湍动扩散系数。

图7 小潮流向验证Fig.7 Neap tide flow direction verification

表2 2015年11月—2016年8月HCO3-质量浓度检测结果Tab.2 HCO3-mass concentration test results from November 2015 to August 2016 mg/L

假定水平流速沿垂向为对数分布，则取值为kl=5.93，kt=0.23[6]。在实际研究中，这些值都较小[7]，实测资料显示，kl，kt的取值范围分别是8.60～7 500.00和0.42～1.61[8]。

3.1.2 海水HCO3-质量浓度

采用本次测量平均值101.70 mg/L作为模型中海域HCO3-质量浓度的初始值和外海开边界的边界条件。

3.1.3 河水HCO3-质量浓度

本次模拟时，河流HCO3-质量浓度宜采用各月变化的径流量对应的HCO3-质量浓度，其中缺少的9，10月HCO3-质量浓度采用相邻的8，11月数值插值确定。

3.2 HCO3-质量浓度分布特征

图8～图11为径流流量最小的3月和径流流量最大的8月，大潮、小潮的涨急、落急时刻HCO3-扩散情况。当上游径流流量较小时，取水口处受径流和运河淡水下泄影响较小，HCO3-质量浓度逐时变化较小；当上游径流流量较大时，取水口处受径流和运河淡水下泄影响较大，HCO3-质量浓度逐时变化较大。

图8 3月大潮涨急、落急HCO3-扩散图Fig.8 HCO3- diffusion map during the fastest rising and falling of spring tide in March

图9 3月小潮涨急、落急HCO3-扩散图Fig.9 HCO3- diffusion map during the fastest rising and falling of neap tide in March

图10 8月大潮涨急、落急HCO3-扩散图Fig.10 HCO3- diffusion map during the fastest rising and falling of spring tide in August

3.3 运河开通后HCO3-质量浓度分布特征

根据模拟计算结果可知：8月径流流量最大，淡水下泄对取水HCO3-质量浓度影响最为显著，取水口HCO3-平均质量浓度为78.32 mg/L，最大为82.08 mg/L，最小为60.71 mg/L；3月径流流量最小，淡水下泄对取水HCO3-质量浓度影响较弱，取水口HCO3-平均质量浓度为95.73 mg/L，最大为97.09 mg/L，最小为95.08 mg/L；取水口全年HCO3-质量浓度大于94.00 mg/L的概率是60.00%，大于91.00m g/L的概率是70.50%，大于88.00 mg/L的概率是80.17%，大于80.00 mg/L的概率是90.50%，大于48.00 mg/L的概率是100.00%。