賈文閣，陳文煥，王 華，張新周，陳黎明

(1.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518124;2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114；3.南京水利科學(xué)研究院港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024)

近海濱岸電廠冷卻水通過電廠取排水工程在電廠和海洋水體中循環(huán)來維持電廠正常運(yùn)行。取排水工程的布置方式和建設(shè)形式直接關(guān)系到電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性以及電廠溫排水對(duì)周圍環(huán)境的影響程度。因此，自20世紀(jì)50年代以來，國(guó)內(nèi)外針對(duì)電廠取排水工程布置和建設(shè)形式開展了深入研究，提出了“溫差異重流”理論[1]，即將取排水口進(jìn)行多種形式的布置，減輕溫排水對(duì)取水的影響，提高電廠運(yùn)行效率。國(guó)內(nèi)岳鈞堂、倪浩清、陳惠泉等[2-5]通過模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算等方法對(duì)電廠溫排水排、取水口布置形式進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出分列式、重疊式、差位式等布置型式。隨著理論研究的深入和工程實(shí)踐的不斷探索，電廠溫排水口的布置形式也呈現(xiàn)出多樣化特征，如排水方式由最初的表層淺排逐步發(fā)展為暗管淹沒式深水排放。程友良等[6]利用FLUENT軟件對(duì)電廠溫排水淹沒式排放方式進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明高溫升區(qū)域主要集中在近區(qū)，隨著遠(yuǎn)區(qū)的增加溫升逐漸減小，溫升2 ℃～1 ℃擴(kuò)散面積增加最明顯。倪培桐等[7]對(duì)廣東陸豐甲湖灣水域潮流特性及冷卻水輸移擴(kuò)散路徑進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)比分析近岸淺排與離岸深排、集中排水與分散排水在本工程中的適用性。據(jù)此，提出了類似潮流條件取排水口的布置原則。張新周等[8]通過自主開發(fā)的潮汐海域水動(dòng)力水質(zhì)模型研究了潮汐水域不同排水布置方式(管道深水區(qū)排水和半淹沒式明渠排水)的流場(chǎng)變化和溫排水影響。劉光霞等[9]以某濱海核電廠為例，提出在確定取排水工程方案時(shí)，除保證核電廠取排水安全外，還需重點(diǎn)考慮海洋自然保護(hù)區(qū)及自然海岸生態(tài)環(huán)境，體現(xiàn)核電廠的綠色發(fā)展觀?？傮w上看，為了減小溫排水對(duì)周圍環(huán)境的影響，目前近海濱岸電廠循環(huán)冷卻水往往采用隧洞暗管深排模式。一般排水口位置水深越大，水流條件越好，溫排水的影響越小，但工程造價(jià)和施工難度越大。本文以廣東陸豐核電取排水工程前期研究為例，通過數(shù)學(xué)模型研究了隧洞暗管深排模式中不同機(jī)組運(yùn)行條件下溫排水對(duì)取水及環(huán)境的影響，研究成果可為類似工程建設(shè)提供借鑒。

1 工程概況

核電廠位于廣東省陸豐碣石鎮(zhèn)田尾角，規(guī)劃建設(shè)8臺(tái)百萬千瓦級(jí)壓水堆核電機(jī)組。廠區(qū)場(chǎng)地為海邊山地、荒地及淺海灘涂，地勢(shì)起伏較大。廠址東南面為南海，西面為碣石灣，東面為甲子灣。核電廠采用海水直流冷卻方案，取水采用明渠取水方式，取水明渠底高程-9.0 m，排水均采用一機(jī)一洞離岸深排方案。其中1～6號(hào)機(jī)組排水頭部設(shè)計(jì)方案設(shè)置在-16～-20 m等深線附近，采用蘑菇頭排水。取排水量為145 m3/s，溫升為7.2 ℃。電廠地理位置及水文觀測(cè)點(diǎn)布置(見圖1)，具體工程布置(見圖2)。

圖1 地理位置及水文觀測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖2 電廠取排水工程布置圖

2 自然條件

核電廠位于典型的岬角型海岸線上，田尾角向南伸入海中形成基巖岬角，常年受風(fēng)浪沖擊，巖體暴露。岬角之間為海灣，左側(cè)為開敞半月形的碣石灣，碣石灣灣內(nèi)和邊緣有較大規(guī)模的沙壩和海灘，但受丘陵區(qū)流出的小河流切割，形態(tài)破碎。東側(cè)為甲子灣，甲子灣海灘為西南—東北走向，略呈弧形，由細(xì)砂組成。田尾角以南水下地形呈岬角形狀，向外等深線呈東—西分布。-20 m等深線向北突出，離岸較近。工程海域潮流屬于不正則全日潮類型，根據(jù)2019年夏、冬季實(shí)測(cè)水文資料統(tǒng)計(jì)，最大潮差1.98 m，平均潮差0.7 m，最小潮差0.1 m，漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)。工程海域水流運(yùn)動(dòng)受冬、夏季風(fēng)和熱帶氣旋的影響比較顯著。按照潮流運(yùn)動(dòng)特征，可分為碣石灣、近岸和外海深水區(qū)三個(gè)區(qū)域。碣石灣水動(dòng)力較弱，呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的往復(fù)流或者往復(fù)性質(zhì)的旋轉(zhuǎn)流。近岸海流明顯受到海岸地形岸線的影響，呈現(xiàn)顯著的往復(fù)性沿岸流特征。外海20 m以內(nèi)深水域受風(fēng)的影響較大，夏季在西南季風(fēng)影響下呈現(xiàn)東向流特征，冬季在東北季風(fēng)影響下呈現(xiàn)西向流特征。風(fēng)對(duì)小潮的影響遠(yuǎn)大于大中潮，對(duì)表層的影響遠(yuǎn)大于中底層，中底層水流表現(xiàn)為常見的旋轉(zhuǎn)流特征。工程海域最大漲潮流速0.76 m/s，最大落潮流速0.70 m/s。冬季海域內(nèi)水溫整體表現(xiàn)出從西北到東南方向逐漸降低的特征，垂向平均溫度介于16.77 ℃～17.70 ℃之間，各站溫度自表層至底層溫度隨深度變化不大，表底層溫度趨向一致。夏季水體垂向平均水溫介于22.84 ℃～26.75 ℃之間。各站溫度自表層至底層溫度隨深度逐漸降低。

3 模型建立和驗(yàn)證

3.1 二維潮波運(yùn)動(dòng)基本方程

在海岸地區(qū)，笛卡爾坐標(biāo)系下二維潮波運(yùn)動(dòng)可采用下列控制方程：

(1)連續(xù)方程

(1)

(2)動(dòng)量方程

(2)

(3)

式中，u、v分別為x、y方向流速分量；Z為水位；H為水深；f為科氏力系數(shù)；q為單位面積上的源匯強(qiáng)度，u*和v*為源匯節(jié)點(diǎn)周邊x、y方向流速分量。(τsx,τsy)為表面風(fēng)應(yīng)力項(xiàng)，(τbx,τby)為底部床面阻力項(xiàng)。

3.2 二維溫水?dāng)U散運(yùn)動(dòng)方程

二維溫水?dāng)U散運(yùn)動(dòng)方程見式(4)：

(4)

式中,ΔT為水體的溫升,℃；ΔTi為源項(xiàng)水體超溫值,℃；Dx、Dy為熱擴(kuò)散系數(shù)；k為水面綜合散熱系數(shù)；CP為水的比熱；ρ為水體密度。

3.3 求解方法及定解條件

(1)求解方法

針對(duì)計(jì)算域內(nèi)島嶼較多、岸線曲折、邊界復(fù)雜的特點(diǎn)，采用三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行剖分，采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散求解，以單元為對(duì)象進(jìn)行水量、動(dòng)量和溫度輸運(yùn)的平衡計(jì)算，物理意義清楚，可以滿足積分方程的守恒，計(jì)算結(jié)果精度較高，且能處理含間斷或陡梯度的流動(dòng)。數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍包括整個(gè)碣石灣和部分紅海灣等。東側(cè)位于甲子港以西，西側(cè)位于遮浪以西汕尾附近，外海至-40 m水深處。

(2)初始條件

初始條件的影響將會(huì)在經(jīng)過幾次迭代后逐漸消失，因此本文采用冷啟動(dòng)來處理。即給定初始條件時(shí)刻計(jì)算域內(nèi)所有求解變量為定值。

(3)邊界條件

開邊界水動(dòng)力計(jì)算給定潮位過程。

溫升計(jì)算邊界出流時(shí)給定：

(5)

溫升計(jì)算邊界入流時(shí)：

ΔT|Γ0=ΔTa(t,x,y)

(6)

ΔTa為入流外海邊界熱回歸溫升過程，當(dāng)選取范圍足夠大，即開邊界在溫排水?dāng)U散范圍外時(shí)，可認(rèn)為入流溫升為0。

閉邊界水動(dòng)力計(jì)算時(shí)，流速滿足不可入邊界條件，即其法向流速為0。溫升計(jì)算時(shí)閉邊界采用絕熱條件，即溫排水?dāng)U散法向濃度梯度為0。

(4)動(dòng)邊界

工程水域有大片淺灘，高潮位時(shí)淹沒，低潮位時(shí)出露，計(jì)算過程中采用凍結(jié)法處理動(dòng)邊界。

3.4 參數(shù)選取

根據(jù)工程海域?qū)崪y(cè)水溫和風(fēng)況統(tǒng)計(jì)資料，確定計(jì)算所需的平均水溫和風(fēng)力條件。在溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型計(jì)算中，影響溫度擴(kuò)散的主要因素是熱擴(kuò)散系數(shù)和水面綜合散熱系數(shù)。熱擴(kuò)散系數(shù)的取值和溫排水的擴(kuò)散和輸移與水流運(yùn)動(dòng)有關(guān)，一般取熱擴(kuò)散系數(shù)為常值，也有學(xué)者按沿水流方向和垂直水流方向分別取值。根據(jù)已有研究成果，本次計(jì)算取Dx=0.1 m2/s和Dy=0.1 m2/s。水面蒸發(fā)系數(shù)和水面綜合散熱系數(shù)采用《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范(GBT 50102-2014)》中公式計(jì)算確定：

Km=(b+k)α+4εσ(Ts+273)3+(1/α)(bΔT+Δe)

3.5 模型驗(yàn)證

潮流數(shù)學(xué)模型采用工程附近實(shí)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證，潮位和流速測(cè)點(diǎn)位置(見圖1)，潮位流速驗(yàn)證(見圖3—4)。驗(yàn)證結(jié)果表明，工程附近潮位和流速過程與實(shí)測(cè)值吻合也較好，工程海域的流場(chǎng)特征模擬的準(zhǔn)確。

圖3 2019年冬季大潮潮位驗(yàn)證結(jié)果

圖4 2019年冬季大潮流速驗(yàn)證結(jié)果

3.6 計(jì)算動(dòng)力條件

根據(jù)工程海域潮位觀測(cè)資料，以大潮潮差保證率10%構(gòu)造典型大潮潮型，以中潮潮差保證率50%構(gòu)造典型中潮潮型，以小潮潮差保證率90%構(gòu)造典型小潮潮型。典型大、中、小潮潮差分別為1.23 m、0.88 m、0.51 m。在大、中、小典型潮作用下，研究不同溫排水方案對(duì)取水口以及附近水域的影響。

4 不同水深排放溫升影響范圍分析

分別針對(duì)典型大、中、小潮進(jìn)行電廠不同機(jī)組運(yùn)行下的溫水?dāng)U散數(shù)學(xué)模型計(jì)算，分析不同機(jī)組運(yùn)行下溫排水對(duì)取水口的影響及溫升影響范圍的變化。

4.1 取水口溫升

表1為不同機(jī)組運(yùn)行條件下取水口溫升。圖5為夏季大潮取水口溫升過程線。總體上看，機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)越多，取水量越大，取水溫升越高。取水口溫升和排水口位置、水動(dòng)力條件有密切關(guān)系。不同條件下取水口溫升變化過程隨潮流運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律基本一致，各期排水口均位于-15 m以外深水區(qū)，即漲潮時(shí)溫水團(tuán)被帶至近岸，在取水引流作用下，被吸入取水口。一般潮差越大，取水溫升變幅越大。由于工程海域大潮流速較大，平均流速在0.35 m/s以上，熱水團(tuán)可以被潮流帶至取水口附近，取水溫升相對(duì)較大。小潮時(shí)，平均潮流速在0.1 m/s以下，熱水團(tuán)主要在排水口附近運(yùn)移，取水口溫升相對(duì)較小。

表1 不同機(jī)組運(yùn)行條件下取水口溫升 ℃

圖5 號(hào)機(jī)組運(yùn)行時(shí)取水口溫升過程線(夏季大潮)

4.2 溫升影響范圍

表2為不同機(jī)組運(yùn)行條件下冬夏季典型潮最大溫升包絡(luò)線面積統(tǒng)計(jì)。圖6和圖7為夏、冬季典型大潮溫升影響范圍圖。可以看出，溫升擴(kuò)散范圍和包絡(luò)線形狀和排水口位置、冬夏季水動(dòng)力條件有密切關(guān)系。采用隧洞暗管深排模式，排水高溫升影響范圍要比常規(guī)淺排模式小很多。潮差越大，水動(dòng)力越強(qiáng)，溫升影響范圍越大。夏季時(shí)，受夏季季風(fēng)影響，溫水團(tuán)向東輸移。冬季時(shí)，受冬季季風(fēng)影響，溫水團(tuán)向西北灣內(nèi)輸移。

表2 不同機(jī)組運(yùn)行全潮最大溫升包絡(luò)線面積 km2

圖6 1～6號(hào)機(jī)組運(yùn)行時(shí)夏季典型大潮最大溫升分布圖

圖7 1-6號(hào)機(jī)組運(yùn)行時(shí)冬季典型大潮最大溫升分布圖

5 結(jié) 論

本文通過潮流溫水?dāng)?shù)學(xué)模型對(duì)陸豐核電設(shè)計(jì)方案溫水?dāng)U散情況進(jìn)行了模擬計(jì)算，對(duì)比分析了不同機(jī)組運(yùn)行條件下的溫水輸移擴(kuò)散的特征，結(jié)果表明，取水口溫升變化和溫升影響范圍與取排水工程布置及工程海域潮流運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。工程近區(qū)受岸線地形影響，為往復(fù)流，對(duì)溫排水輸移擴(kuò)散起決定性作用。一般潮差越大，水動(dòng)力越強(qiáng)，取水溫升變幅越大，溫升影響范圍也越大。大潮時(shí)潮流速較大，溫水團(tuán)可被帶至取水口附近，取水溫升相對(duì)較大。小潮時(shí)潮流速較小，溫水團(tuán)主要在排水口附近運(yùn)移，取水溫升較小。同時(shí)結(jié)合前期研究可知，近海濱岸電廠循環(huán)冷卻水采用隧洞暗管深排模式造成的溫升影響范圍要遠(yuǎn)小于常規(guī)的淺排模式。