火/核电厂温排水研究进展

刘文静 谢世奇 侯明瑞

(华北水利水电大学，河南 郑州 450011)

·水利工程·

火/核电厂温排水研究进展

刘文静 谢世奇 侯明瑞

(华北水利水电大学，河南 郑州 450011)

结合各国学者从不同角度对火/核电厂温排水问题的研究成果，从温排水的政策监管、温排水扩散规律的物理模型试验、数值模拟、生态影响及余热利用等方面对现有主要研究成果进行了归纳，并对该领域今后的研究方向提出了若干建议。

温排水，模型试验，数值模拟，余热利用

随着我国经济的高速发展，对能源的需求越来越迫切，因此修建了大量的火/核电厂。火/核电厂在冷却过程中可能引起三类问题：首先，温排水所形成的温度场可影响到电厂冷却水的取水温度，进而直接影响电厂的发电效率(取水温度升高2 ℃，冷却效率将降低约1%[1])；基于上述可能造成的危害，世界各国从多方面多层次对温排水进行了深入研究。本文将对主流研究及近年来涌现出来的新方法新思路等进行梳理，并以此为基础提出对今后一个时段内的研究建议。

1 温排水的政策及监管研究

温排水物理机制的研究具有长期性和复杂性。然而从现实角度，则亟需在较短时间内对其危害进行有效控制。因此，宏观层面的温排水政策及管理方面的探索成为温排水研究的重要组成部分。日本采取的措施[2]为：对温排水主要技术指标发布国家行政指导文件并要求电厂方与地方政府签订减小温排水协议，同时电厂方还需提供环境评价报告并对实际运行中温排水扩散范围内的区域提供补偿。加拿大及英国等国家则是根据电厂温排水的排放量、初始温升、余氯含量等指标征收一定数额的排污费。相对于上述国家仅通过行政文件或较笼统的经济手段控制方式，还有一些国家则颁布了比较明确的温排水排放标准。例如，美国在有关电厂温排水标准[3]中指出：“在ZPH区，最大温升不能超过5 ℃，DO浓度不小于5 mg/L，夏季最高温度不超过28.33 ℃”。印度制定的温排水标准[4]中，对温排水的pH值及所含的余氯、油脂、总铜、总铁、锌、总铬、磷酸盐等给出了最大浓度限值，同时还对冷却水排放温升进行了限制(新建电厂≤7 ℃，已建电厂≤10 ℃)。

2 温排水物理模型试验研究

对温排水运动机理与规律的研究最早是从物理模型试验开始的，并且直到现在仍然是其重要研究手段。与常规的水工及河工试验相比，由于增加了温度这一关键性变量，因此除满足运动和动力相似外，还需要通过进一步设置适当的水—汽界面热交换等边界条件，达到温度场相似。然而，温度场相似不仅仅是简单增加了一个相似比尺，而可能引起某些物理量无法同时满足其他相似要求而使试验的设计和实施无法进行。对于这一问题，陈惠泉等[5，6]舍弃必须满足所有相似条件的要求，引入了临界流量Qcr、自然水温T∞及水面综合散热系数K等“综合参数”，并且发现只需符合这些“综合变量”相似即可使试验满足工程要求精度，这种处理方式相当于使相似条件变得更加“松弛”，巧妙地解决了温排水试验相似条件这一关键性问题。温排水的受纳水体往往具有较大的水面且暴露于大气中，因此对风吹效应的模拟至关重要。陈惠泉等[7，8]设计了两层模型以考虑风吹剪切力引起的风生水流以及风对水面散热强度两方面影响，即：液面以上利用大型封闭低速风洞构建几何正态的气流模型，而液面之下则是水力热力变态模型，同时模型风速按水流流速比进行缩小。通过在唐山陡河发电厂温排水试验中的应用，证明了这种处理方法的有效性。

3 温排水数值模拟研究

如上所述，温排水的物理模型试验中，相似性问题以及风吹与冰冻等特殊效应的模拟是物模成败的关键和难点，虽然许多学者已在这些方面进行了有益的探索，但主要还是通过“松弛”有关相似条件来实现的，还未从根本上解决此问题。而另一方面，随着计算机硬件及数值模拟技术的飞速发展，利用数值计算方法进行温排水相关问题的模拟，不仅相对于物模成本更加低廉，更重要的是可以避开物模尚未解决的比尺问题，短时间内即可为工程设计提供数据支持。温排水数学模型的研究国外起步较早。英国Harleman等[9]在20世纪60年代首先对Browns Ferry核电站温排水热扩散的稳态及非稳态流动规律进行了探讨。McGuirk[10]及Rodi[11]则注意到紊动对温排水温度分布的重要影响，最早将深度平均的κ—ε紊流模型引入到温排水模拟中，并对岸边排放的温度场分布进行了初步模拟。Leendertse[12]将计算水域划分为多层，在每一层中将三维浅水方程沿水深积分，使之转化为二维问题，并最终用ADI算法进行了计算。之后Kim等[13]同样利用固定分层法对三维方程进行处理，并且增加了海湾三维潮流及盐度模型。我国的温排水数值模拟研究起步略晚于国外。20世纪80年代中后期，有学者开始将原来单纯模拟水流运动的数学模型引入到温排水领域。例如：吴江航[14，15]提出扩散模型分步杂交法，模拟了热电厂冷却水系统在潮汐作用下的取水温度和水环境温度，对其水力热力特性和水环境污染进行了预测。吴碧君等[16]将二维热量输运平衡方程和二维流场控制方程进行耦合，应用分裂算子法对阳宗海电厂温排水对于湖水温度的影响进行了一维估算和二维数值模拟，并分析了湖水温升对水生生物的影响。温排水的数值模拟研究在近几十年有了长足进步，且经历了从一、二维的大区域温升分布模拟到取排水口局部三维模拟，从早期的有限差分方法过渡到满足质量守恒的有限体积方法，从常规的结构化网格发展到能够更好适应岸线弯曲的曲线网格和贴体坐标系统的发展历程。今后的研究方向则是将水质模型、生态模型等引入并融合到温排水模型中，以实现对温排水影响全面评估的技术需求。

4 结语

温排水相关研究在近几十年有了长足进步，但也存在一些问题仍未得到较好解决。首先是物理模型试验虽然通过引入综合变量等方式在一定程度上“绕过了”相似比尺问题，但毕竟是一种近似方法，其中可能丢弃了部分真实的温排水运动规律，因此加强温排水相似理论研究仍是十分必要的。其次，由于温排水的运动规律除了水流外，还包括温度场、潮汐、波浪、异重流、泥沙等多种因素的综合作用，规律极其复杂，因此应将温排水数值模拟、物

理模型试验及现场原型观测紧密结合，在不同典型河段或海域建立有针对性的专门模型。另外，在温排水余热研究方面，应从一般性的低效的余能利用研究转向以热泵技术为代表的高效综合利用研究，而在具体实施方面，则应建立一套多部门多行业协作的余能利用构建和管理体系，从而使温排水余能能够在工农业等生产系统以及人类生活系统中流动，以使该资源的重复利用最大化。

[1] 程杭平，韩曾萃.热污染的一、二维耦合模型及其应用[J].水动力学研究与进展，2002,17(6):47-55.

[2] 李海珠.日本核电站温排水对环境影响的评价[J].核工程研究与设计，2007(1):14-16.

[3] Clean Water Act NPDES Permitting Determinations for Thermal Discharge and Cooling WaterIntake from Mirant Kendall Station in Cambridge[J].MA,2004(8):29-30.

[4] NOTIFICATION，MINISTRY OF ENVIRONMENT AND FORESTS，New Delhi，the 22nd December，1998.

[5] 陈惠泉.冷却水运动相似性原理和实践[R].北京:水利水电科学研究院，1978.

[6] 陈惠泉，毛世民.水面蒸发系数全国通用公式的验证[J].水科学进展,1995,6(2):116-120.

[7] 陈惠泉.考虑风吹影响的冷却水模型相似性问题[R].北京：水利水电科学研究院，1983.

[8] 陈惠泉，贺益英.考虑风吹效应水力热力模拟的理论和实践[J].水利学报，1996(7)：1-8.

[9] Harlenman D R F，Hall L C.Thermal diffusion of condenser water in a river during steady and unsteady flows with application to the T.VA.Browns Ferry Nuclear Power plant[J].Hydrodynamics Laboratory Report,1968(3)：98-115.

[10] McGuirk J J,Rodi W.A depth averaged mathematical model for near field of side discharges into open channel flow[J].Fluid Mech，1978(86)：761-781.

[11] Rodi W.环境问题的紊流模型[M].贺益英,译.北京：水利电力出版社，1987：3.

[12] Leendertse J J.A three-dimensional model for estuaries and coastal seas[M].The Rand Corporation,1973.

[13] Kim C,Lee J.A three-dimensional PC-based hydrodynamic model using an ADI scheme[J].Coastal Engineering,1994(23):271-287.

[14] 吴汪航，陈凯麒.核电站冷却水远区热、核污染数值计算的一种新方法[J].水利学报,1986(10):16-25.

[15] 吴汪航，韩庆书，张继春.潮汐河道中热电厂冷却水系统水力热力数值模拟[J].计算物理,1987(1):35-45.

[16] 吴碧君，吴时强.阳宗海电厂改建工程温排水对湖水温度预测及对水生物影响分析[J].电力环境保护，1996，12(4)：25-32.

Summary of study of thermal discharge from thermal/nuclear power plants

LIU Wen-jing XIE Shi-qi HOU Ming-rui

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450011,China)

Combining with the various aspects of experts at home and abroad on the thermal charge at heat-engine or nuclear plants, the paper sums up the main research results from the policy supervision of the thermal charge, the physical modeling experiments of the diffusion law of the thermal charge, the numeric simulation, the ecological influence and the waste-heat utilization, and points out some suggestions for the following research on the field.

thermal charge, modeling experiment, numeric simulation, waste-heat utilization

1009-6825(2014)13-0249-02

2014-02-26

刘文静(1987- )，女，在读硕士； 谢世奇(1987- )，男，在读硕士； 侯明瑞(1988- )，女，在读硕士

TM623

A