陳卓英,倪培桐

(廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635 )

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粵東甲湖灣海域電廠取排水口優(yōu)選研究

陳卓英,倪培桐

(廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635 )

濱海熱電廠冷卻水布置及熱污染特性比河道及水庫(kù)型更為復(fù)雜。該文采用數(shù)值模擬的方法,對(duì)廣東陸豐甲湖灣電廠附近的潮流特性及冷卻水輸移擴(kuò)散進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果表明東西分排方案造價(jià)低,溫排水輸運(yùn)出現(xiàn)短路現(xiàn)象,取水溫升超過(guò)2.6 ℃,且窩積在排水口附近。西取東排、深排方案溫排水摻混擴(kuò)散效果好,有效防止廢熱進(jìn)入取水口,2008年夏季典型潮下的取水溫升小于0.2 ℃,而淺排方案取水溫升小于0.7 ℃,但易出現(xiàn)廢熱窩積現(xiàn)象。

溫排水;取排水口布置;方案優(yōu)選

濱海直流熱電廠采用海水作為冷卻水源,海水經(jīng)過(guò)凝汽器熱交換后直接排入附近海域。由于潮流在地形作用下形成不同的動(dòng)力結(jié)構(gòu),致使直排入海的溫排水稀釋、擴(kuò)散強(qiáng)度存在差異。優(yōu)選良好的溫排水排放口布置方式,可以減小取水溫升和溫升面積提高電廠發(fā)電效率,減少煤耗,降低對(duì)環(huán)境的影響,節(jié)省征海費(fèi)用。因此電廠取排水方案比選對(duì)工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)和項(xiàng)目的環(huán)境影響評(píng)價(jià)都非常重要[1-8]。本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)廣東省十二五重點(diǎn)基礎(chǔ)工程廣東陸豐甲湖灣電廠溫排水的不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,對(duì)取排水口工程布置方案優(yōu)選,為電廠工程設(shè)計(jì)和海洋環(huán)境影響評(píng)估提供決策依據(jù)。

1 自然環(huán)境和工程概況

1.1 自然環(huán)境

粵東甲湖灣位于廣東省陸豐市湖東鎮(zhèn)東南,背靠海甲山,面向南海(圖1)。海甲山附近水域?qū)掗?近岸水深條件較好,5 m水深線離岸約300 m,10 m水深線離岸約1 000 m,岸灘基本穩(wěn)定。該海域潮汐為日潮性質(zhì),潮流是不正規(guī)半日潮流。其分潮流中以M2、O1、K1分潮流的量值較大,其它分潮流的量值較小。主要分潮流的最大流速方向(即潮流橢圓長(zhǎng)半軸方向)與等深線走向基本一致,潮流主要為略帶旋轉(zhuǎn)的往復(fù)流。最大可能流速介于15～35 cm/s之間。海區(qū)夏季水溫為27.3 ℃，冬季水溫為18.8 ℃,全年平均水溫為22.5 ℃。鹽度具有近岸海區(qū)鹽度小，梯度較大,等值線大致與岸線平行；外海區(qū)終年鹽度高、變化小和分布均勻的特點(diǎn)。

1.2 工程概況

陸豐甲湖灣電廠規(guī)劃建設(shè)8×1 000 MW國(guó)產(chǎn)超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組,是廣東省十二五建設(shè)開(kāi)工的重要基礎(chǔ)項(xiàng)目。一期2臺(tái)機(jī)組動(dòng)態(tài)投資86億元。 機(jī)組冷卻水量夏季為267.84 m3/s,冬季為209.04 m3/s,夏季取水溫升為8.3 ℃,冬季為10.6 ℃。由于煤碼頭港池內(nèi)波浪較小,且港池內(nèi)自然水深達(dá)8 m,取水條件較好,取水口布置在煤碼頭港池內(nèi)。根據(jù)排水口位置、形式的不同,取、排水口布置主要有以下4種典型方案組合(圖2)。

表1 排水口布置方案統(tǒng)計(jì)表方案

圖2 取排水口方案示意

2 數(shù)學(xué)模型

采用平面二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行電廠取排水方案優(yōu)選。首先建立適合于本地潮流運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,然后選擇合適的溫排水模型計(jì)算參數(shù),對(duì)方案進(jìn)行比選。模型采用建立在三角形單元網(wǎng)格上的破開(kāi)算子有限元法進(jìn)行離散求解[1],該方法的優(yōu)點(diǎn)是能適應(yīng)復(fù)雜邊界地形,且收斂速度快,計(jì)算精度高。

2.1 主要參數(shù)取值

模型糙率系數(shù)可根據(jù)常規(guī)糙率表選取,結(jié)合模型率定最終選定為0.025～0.03。紊動(dòng)粘性系數(shù)通過(guò)smagorinsky公式計(jì)算得到，影響紊流熱擴(kuò)散系數(shù)變化的因素比較復(fù)雜。

紊流熱擴(kuò)散系數(shù)與水域的物理特性、數(shù)值離散方法等因素有關(guān)系,目前難以準(zhǔn)確計(jì)算。參照以往計(jì)算經(jīng)驗(yàn),熱擴(kuò)散系數(shù)DxDy的取值約5 m2/s,對(duì)于方案優(yōu)化而言是合適的。采用全國(guó)通用公式進(jìn)行計(jì)算水面綜合散熱系數(shù),根據(jù)廠址附近的氣象、水文多年平均統(tǒng)計(jì)資料,甲湖灣海域水面綜合散熱系數(shù)夏季為36～44 W/(m2·℃),冬季為27～32 W/(m2·℃)。

2.2 潮流模型建立

為了防止熱量被潮流帶出計(jì)算區(qū)域,一般通過(guò)試算確定模型范圍。根據(jù)實(shí)測(cè)海流的流向、大小及地形特點(diǎn),經(jīng)試算,模型范圍設(shè)定為長(zhǎng)約94 km,寬約26～45 km。模型采用三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散,三角形網(wǎng)格高最小約為20 m。

圖3 模型計(jì)算范圍與網(wǎng)格剖分(整體與局部)

根據(jù)DHI潮位預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)結(jié)合附近潮位站實(shí)測(cè)資料確定模型開(kāi)邊界上的水位,經(jīng)反復(fù)調(diào)試后使模型內(nèi)各主要驗(yàn)證點(diǎn)的潮位和流速均盡可能接近實(shí)測(cè)值。

模型驗(yàn)證采用的水文資料為中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所于2008年8月、2008年12月的全潮水文觀測(cè)。本次水文觀測(cè)共布設(shè)3個(gè)潮位觀測(cè)站(H1～H3),11個(gè)潮流觀測(cè)站(V1～V11),點(diǎn)位布置見(jiàn)圖1。限于篇幅本文僅列出廠址附近部分驗(yàn)證點(diǎn)資料(圖5),詳見(jiàn)文獻(xiàn)11。驗(yàn)證結(jié)果表明,模型計(jì)算流速、流向過(guò)程線與原體曲線都基本吻合。從整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的流場(chǎng)模擬結(jié)果分析(圖6)以看出,潮流的最大流速方向與等深線走向基本一致,潮流主要為略帶旋轉(zhuǎn)的往復(fù)流。

圖4 H1、H2站潮位實(shí)測(cè)與計(jì)算對(duì)比

圖5 5#、6#站流速實(shí)測(cè)與計(jì)算值對(duì)比

圖6 模型計(jì)算流場(chǎng)示意

3 結(jié)果與討論

方案比選按照8×1 000 MW進(jìn)行,為保證模型計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性,溫排水計(jì)算30個(gè)潮周期數(shù)據(jù)。

3.1 溫排水輸運(yùn)擴(kuò)散與取水溫升

溫升等值線主要呈帶狀分布在防波堤與甲子港之間的海灣。四個(gè)方案排水口附近的熱水混合和輸運(yùn)能力也不相同。

方案一排水口位于南防波堤與陸地邊界交角處。溫排水主要靠潮流動(dòng)力向外海輸運(yùn)和擴(kuò)散。漲潮時(shí),溫排水沿南防波堤向西南推移,大量熱水在排水口附近這一弱潮流區(qū)窩積。在潮流作用下向西南輸運(yùn)的熱水進(jìn)入港池,部分熱水在港池也產(chǎn)生一定的熱量累積。落潮時(shí),溫排水隨漲潮流向東北方向擴(kuò)散,部分回歸港區(qū)。由于排水口是低流速區(qū),從排水口直接排出的熱水在落潮流的作用下,在排水口東側(cè)到甲子角之間的海灣內(nèi)緩慢向東北方向輸運(yùn)擴(kuò)散。

雖然方案二、方案三各有2個(gè)排水口,由于排水口都位于防波堤?hào)|側(cè),都屬于西取東排性質(zhì),溫排水隨漲落潮的運(yùn)動(dòng)形式與方案一接近。方案四為屬于東西分排方案,由于無(wú)論漲潮、落潮都有熱水進(jìn)入電廠取水口,尤其是電廠西側(cè)排水口附近溫排水容易窩積。以夏季小潮為例,規(guī)劃容量下方案一、方案四的1℃以上全潮最大溫升包絡(luò)面積接近,約為50 km2；方案二、方案三全潮最大溫升包絡(luò)面積相對(duì)較小，約為39 km2；方案一、方案四的4℃以上全潮最大溫升包絡(luò)面積相對(duì)較大,約為6 km2,方案二、方案三 4℃全潮最大溫升包絡(luò)面積相對(duì)較較小,約為0.3 km2。

除方案四外,夏季大潮、中潮條件下,各方案取水溫升相對(duì)較小,平均取水溫升小于0.2℃。夏季小潮條件下,方案一、方案二、方案三全潮平均取水溫升分別為0.7 ℃、0.2 ℃、0.2 ℃；方案二、方案三的遠(yuǎn)期6臺(tái)機(jī)組排水口離岸距離較遠(yuǎn),排出的溫排水與海水摻混擴(kuò)散效果較好,取水溫升相對(duì)較小,約為0.2 ℃。

方案四屬于分排方案,西側(cè)排水口距離取水口較近,雖然取水口位于港池內(nèi),但由于靠近溫排水的運(yùn)動(dòng)通道,無(wú)論漲潮、落潮時(shí),溫排水及回歸熱水都易進(jìn)入取水口區(qū)域,夏季大潮、中潮、小潮平均取水溫升分別為2.6 ℃、2.8 ℃、4.3 ℃,方案四取水溫升較高。

圖7 不同排水方案溫升包絡(luò)線

表2 溫升面積與取水溫升統(tǒng)計(jì)

3.2 討論

就本項(xiàng)目而言,代表潮型、分排或合排、深排或淺排是本項(xiàng)目取排水工程布置需要考慮的問(wèn)題。

在溫排水模型計(jì)算過(guò)程中的代表性潮型選擇目前有2種做法,其一是選擇典型潮型,按照調(diào)和分析計(jì)算出調(diào)和常數(shù),然后按照潮差頻率構(gòu)造代表潮型。其二根據(jù)實(shí)測(cè)潮型分析其代表性,用實(shí)測(cè)潮型作為溫排水計(jì)算的代表潮型。由于潮流除受天文潮的影響外,還受氣象、沿岸流、地形的影響,方法一可能會(huì)遇到余流方向計(jì)算錯(cuò)誤,致使溫排水?dāng)U散的方向與實(shí)際輸運(yùn)方向不一致。方法二計(jì)算結(jié)果反映了實(shí)際發(fā)生過(guò)的某次典型潮流作用下溫排水?dāng)U散趨勢(shì),但由于潮流觀測(cè)費(fèi)用昂貴,資料貧乏,從頻率分析的角度,潮流實(shí)測(cè)資料的代表性分析依據(jù)往往不足。可能會(huì)遇到同樣潮型條件下不同年份測(cè)流資料的觀測(cè)不同,甚至差別較大。方法二計(jì)算結(jié)果代表了實(shí)際發(fā)生過(guò)潮流運(yùn)動(dòng)下的溫排水?dāng)U散趨勢(shì),為防止其出現(xiàn)潮型選擇偏差,在潮型選擇上宜把冬季大、中、小潮及夏季大、中、小潮都作為計(jì)算潮型。由于夏季海水溫度高,對(duì)于電廠取水和海域的影響相對(duì)較大,另外本項(xiàng)目2008年夏季觀測(cè)潮流與粵東夏季流的一般規(guī)律接近,其作為電廠取排水方案主要比選潮型是合適的。

從本項(xiàng)目取排水口布置思路看,方案二、方案三是在方案一的基礎(chǔ)上部分或全部機(jī)組排水向海深排,但從流線看,其差位式特點(diǎn)并不明顯,因此四個(gè)方案均可歸結(jié)為分列式取排水口布置思路。潮汐水域分列式取排水口布置思路是加大取排水口之間的距離,增大水面散熱量,從而降低電廠排水對(duì)取水的影響。受沿岸流的影響,粵東海域近岸水體夏季有向東北輸運(yùn),冬季向西南輸運(yùn)。而粵東沿岸流控制溫排水輸運(yùn)的方向。粵東沿海成功運(yùn)行的電廠多數(shù)是以西取東排為主,基于粵東沿岸流規(guī)律,本項(xiàng)目西取東排是合適的。從取水溫升結(jié)果看,方案一、方案二、方案三的取水溫升較低,夏季不超過(guò)0.2 ℃,表明取、排水口之間的距離滿足分列式取排水口布置的基本要求。方案四東西分排方案,分排方案對(duì)于電廠布置而言,造價(jià)較低,但對(duì)于往復(fù)流為主的海域,西側(cè)排水口距離取水口較近,夏季取水溫升達(dá)到2.6 ℃～4.3 ℃,表明整個(gè)一個(gè)潮周期內(nèi)多數(shù)時(shí)間出現(xiàn)熱水短路現(xiàn)象。

對(duì)于電廠運(yùn)行而言,明渠淺排方案(方案一)造價(jià)與維護(hù)成本均較低,但是由于排水口位于岸邊,該方案的電廠溫排水容易在排水口窩積。方案二、方案三的首期2臺(tái)機(jī)組排水口設(shè)置淺水區(qū)明渠排水,其他6臺(tái)機(jī)組排水口采取深排方式(-10～-11 m),由于遠(yuǎn)期6臺(tái)機(jī)組排水口水深較大,溫排水摻混效果較好,取水溫升較低。方案四兩個(gè)排水口都位于防波堤與原岸線形成的半封閉灣內(nèi),不利于熱水?dāng)U散,4 ℃以上溫升包絡(luò)面積較大。

從方案評(píng)價(jià)的角度看方案二、方案三遠(yuǎn)期6臺(tái)機(jī)組排水口離岸相對(duì)較遠(yuǎn),溫排水與海水摻混擴(kuò)散效果較好,溫升面積和取水溫升都相對(duì)較低,方案較優(yōu)。方案四西側(cè)排水口距離取水口較近,容易造成熱水短路,取水溫升和溫升面積都較高,方案四不可行。由于平面二維數(shù)值模型還不能完全反映水流中客觀存在的一些物理現(xiàn)象,如局部的射流摻混現(xiàn)象,方案一不能簡(jiǎn)單地?fù)?jù)4 ℃過(guò)大而否定,宜通過(guò)物理模型試驗(yàn),研究該方案是否可通過(guò)體型或排水形式優(yōu)化,加大與周?chē)Ｋ膿交?減少溫排水的窩積現(xiàn)象,不宜在數(shù)模比選階段直接否定。

4 結(jié)語(yǔ)

濱海熱電廠冷卻水取排水口布置及熱污染輸運(yùn)特性較為復(fù)雜。本文用數(shù)值模擬的方法,對(duì)取排水口設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化比選。2008年夏季觀測(cè)潮流與粵東夏季流的一般規(guī)律接近,宜其作為電廠取排水方案主要比選潮型是合適的。四個(gè)排水方案為分列式取排水口布置思路,西取東排符合基于粵東沿岸流輸運(yùn)規(guī)律,其中深排方案的取水溫升夏季不超過(guò)0.2 ℃、淺排方案的取水溫升夏季不超過(guò)0.7 ℃,取水溫升較低,表明取、排水口之間的距離滿足分列式取排水口布置的基本要求,但淺排方案溫排水易在排水口附近窩積。東西分排方案易造成溫排水輸運(yùn)短路現(xiàn)象,取水溫升超過(guò)2.6 ℃,且熱水易于窩積。平面二維數(shù)學(xué)模型以其便捷、快速等優(yōu)勢(shì)在電廠規(guī)劃、方案比選過(guò)程中有很大的優(yōu)勢(shì)。

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(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Layout Optimization of Cooling Water Drainage Port of Jiahuwan Thermal Power Plant in the East of Guangdong

CHEN Zhuoying， NI Peitong

(Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower, Guangzhou 510635, China)

In coastal and tidal estuaries, layout optimization of the cooling water drainage port is more complicated than that of river and reservoir. The characteristic of tidal current about the Jiahuwan thermal power plant and the transportation of cooling water is calculated with numerical model, and then the circulating current structure and its action on four type of drainage pattern is analyzed for the design of the power plant.

cooling water; layout of the cooling water drainage port; optimization

2016-03-20

陳卓英(1973),女,高級(jí)工程師，主要從事水工水力學(xué)及環(huán)境水力學(xué)研究等工作。

TV137

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1008-0112(2016)03-0022-05