奚 泉 王青松

(1.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650000；2.云南省能源投資集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650000)

液化天然氣(LNG)接收站是碼頭儲(chǔ)存液化天然氣再向外輸送的裝置。接收站主要包括LNG碼頭、LNG儲(chǔ)罐、LNG汽化器和LNG運(yùn)輸泵。LNG汽化器廣泛使用開架式水淋汽化器進(jìn)行天然氣汽化[1]，其原理是使用海水作為加熱介質(zhì)，高溫海水進(jìn)行換熱后作為冷廢水排出，稱為L(zhǎng)NG冷排水。LNG接收站的冷廢水排入海洋，會(huì)導(dǎo)致接收水體的水溫發(fā)生改變，不僅影響到海水生態(tài)平衡、造成海域環(huán)境污染，更有可能作用于取水口水溫，產(chǎn)生溫降，使LNG的汽化效率大大降低。十年來，亞洲對(duì)于LNG的需求居高不下，LNG碼頭的建設(shè)也是如火如荼[2]，更準(zhǔn)確地評(píng)估接收站冷排水對(duì)其取水口的溫降影響，成為接收站規(guī)劃及建設(shè)的重要課題之一。目前關(guān)于LNG冷排水對(duì)海洋環(huán)境的影響已經(jīng)展開了大量的研究工作[3-4]，本文以廣東珠海LNG碼頭為工程實(shí)例，采用水動(dòng)力三角形網(wǎng)格[5]及溫度對(duì)流擴(kuò)散模擬方法對(duì)此接收站的冷排水進(jìn)行數(shù)值模擬，得出排水口水溫的影響范圍，提出取水口溫降影響的減輕措施。

1 溫度場(chǎng)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

溫度對(duì)流擴(kuò)散計(jì)算采用丹麥水力學(xué)研究所開發(fā)的數(shù)值模型TS(Temperature/Salinity)模塊[5]，此模型在原三維水動(dòng)力控制方程的基礎(chǔ)上增加了溫度T的輸運(yùn)方程：

(1)

(2)

式中Dh,Dv——水平和垂向擴(kuò)散系數(shù)；

TS——溫度源項(xiàng)；

FT——水平擴(kuò)散項(xiàng)。

水平和垂向擴(kuò)散系數(shù)可表示為與渦黏系數(shù)和普朗特常數(shù)σT的關(guān)系：

(3)

溫度的邊界條件為

(4)

(5)

式中Qn——水面凈熱通量；

cp——水的比熱；

水面凈熱通量(Qn)包括顯熱通量(qc)、潛熱通量(qv)、短波和長(zhǎng)波輻射(qsr,net,qlr,net)等物理作用，可表示為

Qn=qv+qc+βqsr,net+qlr,net

(6)

式中β——水面光能吸收系數(shù)，一般在0.2～0.6之間，可取為0.3。

潛熱通量可根據(jù)Dalton公式計(jì)算，經(jīng)整理后得到

(7)

式中Pv=4310J·K/m3;K=5418;

TK=273.15(K為開氏溫度)；

R——相對(duì)濕度；

W2m——海面上2m處的風(fēng)速;

a1,b1——計(jì)算常數(shù);

Tair,Twater——海面上空氣的溫度和水的溫度。

顯熱通量可根據(jù)下式計(jì)算:

(8)

式中ρa(bǔ)ir——空氣密度;

cair——空氣比熱，cair=1007J/(kg·K);

cwater——水比熱，cwater=4186J/(kg·K);

cc——顯熱傳遞系數(shù)，cc=1.41×10-3;

W10——海面上10m處的風(fēng)速。

2 數(shù)值模型及模型驗(yàn)證

2.1 項(xiàng)目概況

廣東LNG項(xiàng)目接收站位于高欄島西側(cè)，北側(cè)毗鄰一座LPG碼頭(見圖1[6])。接收站汽化裝置采用開架式汽化器，冷卻水排放采用直排方式。取/排水口工程是LNG接收站的一個(gè)重要組成部分，直接關(guān)系到ORV汽化工藝的正常運(yùn)行。接收站瀕臨南海，屬北回歸線以南低緯度地區(qū)的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，海域的常風(fēng)向?yàn)镹向，次常風(fēng)向?yàn)镋SE向。工程海域潮汐屬不規(guī)則半日混合潮型，海域?qū)偃醭眳^(qū)，潮差相對(duì)較小。其海流為往返流，漲潮流速小于落潮流速，漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)，且表層流速大于底層流速。

圖1 取排水工程平面布置

2.2 網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格，可以很好模擬岸線和工程建筑物，并在工程附近海域進(jìn)行局部加密(見圖2)。網(wǎng)格在垂向上均勻劃分為3層，模型計(jì)算水域面積約890km2，工程局部的最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)約為1.5m，模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.05s。

圖2 工程模型網(wǎng)格劃分與局部加密

2.3 結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證潮流模型的準(zhǔn)確性，數(shù)值模型模擬了大潮期間的潮位、流速和流向，并與西斷面處的實(shí)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)(見圖3～圖5)。

圖3 典型點(diǎn)潮位計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證(實(shí)線為計(jì)算值，散點(diǎn)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù))

圖4 典型點(diǎn)流速計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證(實(shí)線為計(jì)算值，散點(diǎn)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù))

圖5 典型點(diǎn)流向計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證(實(shí)線為計(jì)算值，散點(diǎn)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù))

由以上驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果可以看出，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有較好的吻合性，所建立的潮流模型較好地反映了工程區(qū)附近海域的潮流流動(dòng)規(guī)律，可以用于分析工程前后的海域流場(chǎng)變化及取排水過程中工程附近的溫度場(chǎng)模擬。

3 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

從流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可以得出工程附近以往復(fù)流為主，在工程位置和南側(cè)防波堤之間形成的灣內(nèi)流速較小，漲潮期間存在明顯回流現(xiàn)象，不利于冷排水的對(duì)流擴(kuò)散。冷排水計(jì)算結(jié)果表明，排水口排出的冷水一方面受回流影響在南側(cè)灣內(nèi)擴(kuò)散，另一方面在漲落潮期間擴(kuò)散的冷水受往復(fù)流影響在取水口附近近岸水域形成扁長(zhǎng)狀沿岸低溫帶。

數(shù)值模擬夏季大潮及冬季條件下大中小潮的最大溫降包絡(luò)線見圖6，取水口附近各工況的垂向平均溫降隨潮位變化過程見圖7。在垂直于護(hù)岸方向的斷面上漲落潮期間取水口附近的垂向溫降分布見圖8，取水口處垂向平均溫降統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 取水口處溫降 單位：℃

圖6 各工況最大溫降包絡(luò)線 (單位：℃)

圖7 溫降隨潮位變化過程線 (單位：℃)

圖8 大潮取水口斷面溫降垂向剖面分布

由表1可以看出冬季情況下冷排水?dāng)U散在垂直于水流方向略大于夏季，但沿水流方向略小。同時(shí)，夏季大潮情況下冷排水的溫降和擴(kuò)散面積均小于冬季，考慮到夏季取水條件好于冬季，且夏季環(huán)境水溫較高，對(duì)LNG循環(huán)水的取水是有利的，因此，在冷排放的計(jì)算中重點(diǎn)關(guān)注冬季計(jì)算結(jié)果。

3.2 結(jié)果分析

由不同工況下的計(jì)算結(jié)果看，總體來說冷排水的擴(kuò)散范圍隨著潮流動(dòng)力的加強(qiáng)和冷排水的流量增加而逐漸擴(kuò)大，由模擬結(jié)果來看，-5～-3℃的溫降擴(kuò)散范圍不大，-2℃溫降范圍小于1km2，-1℃的溫降范圍小于4km2，-0.5℃的溫降范圍變化較大，最大出現(xiàn)在中潮條件下，為11.83km2；由圖7和表1可以看出，取水口附近在夏季大潮、冬季大潮、中潮和小潮條件下的最大垂向平均溫降分別為-0.9℃、-1.2℃、-0.8℃和-0.2℃，最大溫降均出現(xiàn)在漲潮期間，此時(shí)潮流流向?yàn)槠毕?，冷排水由排水口擴(kuò)散后受漲潮流影響而運(yùn)動(dòng)到取水口附近，但由于在一個(gè)潮周期內(nèi)最大溫降出現(xiàn)時(shí)間較短，大部分時(shí)間內(nèi)溫降波動(dòng)不大，因此，平均溫降不大，夏季大潮、冬季大潮、中潮和小潮條件下的平均溫降分別為-0.2℃、-0.3℃、-0.3℃和0℃。此外由取水口附近垂向溫降分布圖8可以看出，由于受取水口附近往復(fù)流影響，在漲潮期間冷排水在潮流帶動(dòng)及本身的擴(kuò)散作用下運(yùn)動(dòng)到取水口附近，由于冷排水溫度降低，密度增加，因此水溫的垂向分層較為明顯，底部水溫要低于上部水溫，若考慮波浪引的起溫度在垂向分布上的對(duì)流擴(kuò)散，則溫降應(yīng)介于最低溫降與垂向平均溫降之間；落潮期間冷排水受落潮水流影響被沖向下游遠(yuǎn)離排水口，因此落潮期間取水口剖面處溫度變化不大，垂向分層不明顯，溫降不超過0.5℃。

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬和分析，可得出以下結(jié)論：此LNG接收站碼頭排水口與取水口之間距離應(yīng)該設(shè)置較長(zhǎng)，漲潮期間受取水口附近往復(fù)流影響較大，建議取水口位置盡量遠(yuǎn)離排水口；從冷排水?dāng)U散趨勢(shì)可以看出，取水口附近為扁長(zhǎng)的低溫帶，如將取水口盡量遠(yuǎn)離岸線可進(jìn)一步改善取水條件。