珠海电厂温排水分布特征及排水工程降温效果研究*1

贾后磊，谢 健，张 娟，张绍丽，刘丽芬，古 妩

(1.国家海洋局 南海海洋工程勘察与环境研究院，广东 广州 510300；2.国家海洋局 南海预报中心，广东 广州 510300；3.国家海洋局 海域管理司,北京 100860)

珠海电厂温排水分布特征及排水工程降温效果研究*1

贾后磊1，谢 健1，张 娟2，张绍丽3，刘丽芬3，古 妩3

(1.国家海洋局 南海海洋工程勘察与环境研究院，广东 广州 510300；2.国家海洋局 南海预报中心，广东 广州 510300；3.国家海洋局 海域管理司,北京 100860)

根据2009-07和2010-01三次调查的数据，分析了珠海电厂温排水分布特征、季节变化；同时，利用调查资料分析排水明渠和跌入式阶梯的降温效果。结果显示，以排水口为中心，电厂温排水向外海扩散的距离越远，水温越低；最高温升4 ℃的影响面积小潮期大于大潮期，冬季大于夏季。电厂排水方式采用排水明渠有一定的降温效果，但效果不太明显，而温排水经跌入式阶梯跌落入海的降温效果较为突出，平均降温约3.7 ℃。

滨海电厂;温排水;取排水;排水工程

近年来，我国经济快速发展，电力需求和供应持续增长，各地电厂建设步伐加快，电力行业装机容量也不断加大，特别是600 MW和1 000 MW机组的建设和应用，为国家经济发展提供了动力。为了充分利用海水作为冷却用水，越来越多的大型滨海火(核)电厂建设在沿海。然而，一般大型火电厂实际效率仅为40%，60%以上的热量如果没有加以利用则排入大气及随冷却水排入受纳水体[1]。

滨海电厂取排水口布置和不同的温排水排放方式将直接影响电厂近区温度场，从而影响电厂的经济效益和海洋环境保护。取排水口的合理布置和温排水排放方式得当，可能使电厂的超温区面积减少，温降幅度大。取排水口布置主要有分列式、差位式和重叠式三种方式，应根据海域水深地形、水文动力特征等选择合适的布置方式。排放方式主要采用排水明渠、排水暗渠、采用多级跌水消能或陡坡消能等方式。电厂温排水的辅助冷却一般采取设置自然通风冷却塔、机械通风冷却塔、喷水池或利用水面冷却等几种方式[2]。排水明渠就是利用水面冷却的降温方式，在大型滨海电厂中经常被采用，比如国电南宁电厂[2]、潮州三百门电厂[3]、广东大亚湾核电厂[4]等。虽然排水明渠排放方式采用的比较多，但是其降温效果如何，却很少有人研究。本研究以珠海电厂为研究对象，试图弄清楚这个关键问题，以便为大型滨海电厂温排水降温措施方面提供理论依据。

珠海电厂位于广东省珠海市，排水口布置在河口海域。为了减少温排水扩散范围，珠海电厂采用了排水明渠、暗渠和跌入式阶梯相结合的排放方式。为了解珠海电厂排水工程的降温效果及对海域水环境的影响，同时对比夏冬两季温排水分布情况，于2009-07-12 -13(小潮)、2009-07-29-30(大潮)和2010-01-05-06(大潮)分别对电厂排水口附近海域及排水明渠不同位置的水温进行调查和分析。

1 材料与方法

1.1 研究对象

珠海发电厂位于珠海市金湾区南水半岛西南端，距离珠海市区51 km。广珠发电有限公司将建设2×700 MW+2×600 MW+2×1 000 MW燃煤发电机组，其中一期工程建设4台机组，2×700 MW+2×600 MW(1#～4#机组)，冷却水流量为94.45 m3/s，已投产运营；二期工程建设2×1 000 MW机组(5#、6#机组)，循环冷却水流量为64.76 m3/s。

循环水泵房布置于电厂厂区南端煤码头港池处，1#～4#与5#～6#机组均在港池内取水，见图1。温排水采用暗沟和明渠从电厂西岸堤北端处排出，明渠宽60 m，长600 m，深1 m左右。取排水采用浅取浅排的方式。在排水明渠入海处设有1.5 m的阶梯，温排水经阶梯跌落入海。

1.2 采样与分析

电厂排水口附近海域及排水明渠不同位置水温的调查分别于2009-07-12-13(小潮)、2009-07-29-30(大潮)和2010-01-05-06(大潮)进行，调查站位均以电厂温排水的排水口为原点(Z2站)，呈扇形共布设5条监测断面。各监测断面上站点间相隔200 m，但在排水口附近海域进行适当加密，各站点之间相隔100 m。每条断面布设6个监测站点。另外，取水口布设水温监测点R1；排水明渠前部(暗渠出口)、后部共设2个监测站点Z1、M，见图1。收集珠海电厂附近海域V6站(见图1)的周日实测流速、流向资料，观测时间为2005-05-09T17：00-2005-05-10T18：00。

海水采样层次按GB/T 12763-2007 《海洋调查规范》[5]有关技术要求执行，水深小于5 m时，只采表层水样，水深大于5 m时，采集表、底层水样(表层指海面以下0～0.5 m，底层为距海底1 m的水层)。除了Z11站每个小时采样一次外，其余各站均是每两小时采样一次。水温测定采用颠倒水温表。

采集器和样品瓶的选择与使用、采样方法、样品采集、质量控制与现场测定及样品的保存与运送等应符合GB 17378-2007 《海洋监测规范》[6]和GB/T 12763-2007 《海洋调查规范》[5]的要求。

本研究首先将以上3次调查数据采用3次样条方法插值到整点，然后进行各站位平均值和最高值分析，并利用Surfer8.0软件绘制等值线图。

图1 观测站位图Fig.1 Locations of the observation stations

2 结 果

2.1 潮流场特征

潮流场模拟采用的是在ECOMSED的基础上进行了一定改进的数值模型。二维垂向平均流模型控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

初始条件：初始速度场，水位场(开边界除外)均为0。

开边界条件：外海开边界采用11个分潮调和常数计算水位边界。

式中，η0为平均潮位；H为分潮振幅；ω为分潮角速率；f为交点因子；t是区时；(V0+u0)是平衡潮展开分潮的区时初相角；φ为区时迟角。

模拟范围为21°53′12″～22°05′00″N，112°57′48″～113°15′24″E，网格步长为(1/30′)×(1/30′)(57.28 m×61.77 m)。二维水动力方程采用ADI方法求解。从图2可以看出，模拟流速与实测流速变化趋势一致，但模拟流速小于实测流速，模拟流向与实测流向变化趋势相似，吻合较好。

珠海电厂所在海域，涨急时刻大部分海域流向基本为N-NW，局部受地形阻挡发生偏转。涨潮流经过高栏岛防波堤后，少部分由大杧岛与荷包岛之间通道流进崖门，大部分由大杧岛与三角山岛深槽汇入崖门，见图3。

落急时刻海域流向与涨急相反，从崖门退出的潮流经两主要通道汇入南海，其中崖门出流经大杧岛与三角山岛深槽进入高栏港海区，基本从荷包岛与高栏岛防波堤峡口流入外海，见图4。

图2 流速、流向验证Fig.2 Verifications of flow velocity and direction

图3 涨急流场Fig.3 Flow field at spring strength of tide

图4 落急流场Fig.4 Flow field at ebb strength of tide

2.2 水温分布特征

根据2009年夏季大、小潮期间和2010年冬季水温调查结果，分析珠海电厂温排水水温分布特征，见图5～图10。从图中可以看出，温升较大的站位均分布在温排水入海口附近海域，以排水口为中心，向外海扩散的距离越远，水温越低。

2009年夏季小潮期间各站平均温升4 ℃的分布情况见图5，夏季小潮调查期间，一天中4 ℃温升平均影响范围位于明渠内，排水口外没有出现4 ℃温升的现象；而一天中1 ℃温升平均影响面积较大，为1.070 km2。夏季小潮期间，各调查站一天的最高值分布情况见图6。从图6中可以看出，小潮时温升线以入海口为中心，南北扩散距离较大，向西扩散距离较小。小潮时最高温升4 ℃的影响面积约为0.202 km2。从图1可看出，取水口与排水口之间有一防波堤相隔，排水口温升不会影响取水口的水温。

2009年夏季大潮期间各站平均温升4 ℃的分布见图7，从图中可以看出，一天中4 ℃温升平均影响范围位于明渠内，排水口外没有出现4 ℃温升的现象；而观测期间1 ℃温升平均面积为1.870 km2。各调查站一天的最高值分布情况见图8，从图8可以看出，大潮时4 ℃温升线以入海口为中心，南北扩散距离较大，向西扩散距离较小，向西扩散最大距离约为0.420 km。大潮时最高温升4 ℃的影响面积约为0.029 km2，不会对取水口的水温产生影响。

2010年冬季大潮期间各站平均温升4 ℃的分布情况见图9，从图中可以看出，一天中4 ℃温升平均影响范围位于明渠内，排水口外没有出现4 ℃温升的现象；观测期间1 ℃温升平均影响面积为0.990 km2。各调查站的最高值分布见图10，大潮时4 ℃温升线以入海口为中心，南北扩散距离较大，向西扩散距离较小。根据计算，大潮时4 ℃温升面积约为0.307 km2。

图5 夏季小潮平均温升分布(℃)Fig.5 Distributions of average temperature rise during the neap season in summer(℃)

图6 夏季小潮最高温升分布(℃)Fig.6 Distributions of maximum temperature rise during the neap season in summer(℃)

图7 夏季大潮平均温升分布(℃)Fig.7 Distributions of average temperature rise during the spring season in summer(℃)

图8 夏季大潮最高温升分布(℃)Fig.8 Distributions of maximum temperature rise during the spring season in summer(℃)

图9 冬季平均温升分布(℃)Fig.9 Distributions of average temperature rise in winter(℃)

图10 冬季最高温升分布(℃)Fig.10 Distributions of maximum temperature rise in winter(℃)

2.3 排水工程的水温变化特征

针对珠海电厂排水工程的特征，对排水明渠和跌入式排水阶梯的降温效果进行了分析，夏季大、小潮和冬季电厂排水明渠和排水阶梯的降温效果对比见表1。

表1 不同季节排水明渠和阶梯降温效果比较表Table 1 Comparison of cooling effects between the surface water channel and the fall in step in different seasons

根据2009-07-12-13对取水口、排水暗渠出水口和入海口阶梯前、后的观测结果，分析排水明渠和排水阶梯的降温效果，观测期间，暗渠出水口的最高温度为35.0 ℃，比取水口的水温约高出5.6 ℃。经过明渠水面冷却，达到入海口阶梯前，温度降低0.5 ℃，入海阶梯前与取水口的温差为5.1 ℃；可见，经明渠表面自然冷却后，温度有所降低，但效果不是很明显。经阶梯跌落入海后，测定最高水温为31.8 ℃，比暗渠出水口的水温降低3.2 ℃，比排水阶梯前的水温降低2.7 ℃，与取水口的温差为2.4 ℃。

2009-07-29-30观测期间，暗渠出水口的最高温度为37.6 ℃，与取水口的温差为6.0 ℃。经过明渠表面自然冷却，达到入海口时，温度降低0.1 ℃，入海阶梯前与取水口的温差为5.9 ℃；可见，观测结果与大潮期间的类似，明渠降温效果不是很明显。经阶梯跌落入海后，测定最高水温为33.8 ℃，比暗渠出水口的水温降低3.8 ℃，比排水阶梯前的水温降低3.7 ℃，与取水口的温差为2.2 ℃。

2010-01-05-06观测期间，暗渠出水口的最高温度为24.2 ℃，与取水口的温差为5.5 ℃。经过排水明渠达到入海口阶梯前时，温度有所升高，升高约0.9 ℃；明渠的降温效果没有体现。经阶梯跌落入海后，测定最高水温为23.5 ℃，比暗渠出水口处的水温降低约0.7 ℃，比排水阶梯前的水温降低1.6 ℃，与取水口的温差为4.8 ℃。

3 讨 论

3.1 温排水对水环境的影响分析

从珠海电厂夏季大、小潮和冬季大潮三次调查结果来看，一天中平均温升4 ℃的影响范围位于明渠内，排水口外没有出现4 ℃温升的现象。一天中最高温升4 ℃的等值线在排水口外南北方向扩散距离较大，向西侧海域扩散范围较小，最大扩散距离0.84 km。同时，从调查结果和以上图中可看出，夏季4 ℃温升影响面积小潮比大潮大，冬季比夏季大。类似的研究结果也见诸报道，如张娟等人采用数值模拟和实测资料的方法对潮州电厂温排水扩散特征进行分析，并采用实测资料对模拟结果进行验证，研究表明夏季大(小)潮温排水扩散面积小于冬季大(小)潮温排水扩散面积，大潮时温排水扩散面积小于小潮[7]；张慧红等人采用FVCOM 三维水动力模型计算2011 年夏季大小潮、涨落潮时期不同温升梯度温排水的分布特征和影响面积等，计算结果表明小潮涨急和落急时刻海水表层2 ℃以上高幅度温升包络线所包含的范围大于大潮同一时刻，同时小潮涨、落急时刻表层的温排扩散范围大于大潮同一时刻[8]。各潮期和季节之间温升面积不同的原因主要是受海流影响，流速大、扩散快，温升影响范围小。此外，梅立永等人采用实测与数值模拟相结合的方法对深圳妈湾电厂温排水对海洋环境的影响进行研究，结果表明由于潮流流速及其对流扩散作用的影响，小潮等温线所覆盖的面积大于大潮等温线所覆盖的面积[9]。

3.2 排水工程降温效果分析

根据对珠海电厂排水明渠不同位置的水温观测结果来看，温水流经排水明渠过程中，经过水气交换和温水的蒸发，可能有一定降温效果，但降温并不显著。这从前面的3次调查结果可以看出，经排水明渠后，水温平均可降低约0.25 ℃。廖培山对南宁电厂温排水降温设施及其运行方式的研究中指出，通过明渠表面冷却工况进行计算，但明渠表面自然冷却的效果很不明显，当明渠水面宽度为20 m 时，产生的温降不到0.15 ℃[2]。徐世凯等人在对长江下游感潮河段火电厂取排水口布置研究后，也提出排水口宜采用明渠扩散式[10]。

另外，根据对珠海电厂跌入式阶梯前后的水温观测结果来看，温水经跌入式阶梯入海，与温度较低的海水混掺充分，温度降低幅度较大，从前面3次调查结果可以看出，跌入式阶梯前后水温平均相差约3.7 ℃。

4 结 论

1)从2009-07大、小潮期间和2010-01三次调查结果来看，温升较大的站位均分布在温排水入海口附近海域，以排水口为中心，向外海扩散的距离越远，水温越低。

2)根据调查结果绘制夏季和冬季温升4 ℃等值线图，并根据其包含范围统计温升影响面积，发现温升面积小潮大于大潮，冬季大于夏季。即夏季最高温升4 ℃的影响面积小潮为0.202 km2，大潮为0.029 km2；冬季最高温升4 ℃的影响面积为0.307 km2。

3)排水明渠具有一定的降温效果，但不太明显，从3次调查结果来看，经排水明渠后，水温平均可降低约0.25 ℃；排水阶梯的降温效果较为突出，从3次调查结果可以看出，跌入式阶梯前后水温平均相差约3.7 ℃。这将对今后滨海电厂温排水降温措施工程设计方面提供一定指导。

[1]伊云清．火力发电厂温排水余热资源的开发利用[J].河北电力技术，1988(5)：17-20.

[2]廖培山.南宁电厂温排水降温设施及其运行方式[J].红水河，2013,32(3):83-89.

[3]付波，黄智敏，陆汉柱.潮州三百门电厂排水口优化试验研究[J].广东水利水电,2012,11:21-23.

[4]周金全.滨海核电厂取、排水口平面布置工程实例分析[J].华电技术，2011,33(2)：8-14.

[5]GB/T 12763-2007 海洋调查规范[S].北京: 中国标准出版社，2007.

[6]GB 17378-2007 海洋监测规范[S].北京: 中国标准出版社，2008

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[9]梅立永，蔡小滨，赖梅东,等.深圳妈湾电厂温排水海洋生态影响回顾性评价[J].环境工程，2012,30:349-351.

[10]徐世凯，胡华强，韦立新.长江下游感潮河段火电厂取排水口布置[J].水利水电科技进展，2007,27(4):60-63.

DistributionofWarmDischargeWaterandCoolingEffectofDrainageEngineeringattheZhuhaiPowerStation

JIAHou-lei1,XIEJian1,ZHANGJuan2,ZHANGShao-li3,LIULi-fen3,GUWu3

(1.SouthChinaSeaMarineEngineeringandEnvironmentInstitute,SouthSeaBranch,SOA,Guangzhou 510300,China;2.SouthChinaSeaMarinePredictionCenterofSOA,Guangzhou 510300,China;3.DivisionofMarineManagement,BureauofStateOceanicAdministration,Beijing 100860,China)

Distributions and seasonal variations of the warm discharge water from the Zhuhai Power Station are analyzed based on the data obtained in July 2009,December 2009 and January 2010.Meanwhile,the cooling effect of drainage engineering such as surface water channel and falling into step is also analyzed using those data.The results show that taking the outfall as the center,the further the warm discharge water from the power station moves toward the sea,the lower the water temperature drops.The sea surface area influenced by the highest temperature rising (4 ℃)is larger in the neap season than in the spring season and in winter than in summer.The drainage ways applied by this power station have different cooling effects.The surface water channel has a certain cooling effect,but not apparent;whereas the way of falling into step has a substantial cooling effect,with the average temperature reduction being about 3.7 ℃.

coastal power plant;warm discharge water;water intake and drainage of water;drainage engineering

2014-03-02

国家海洋局专项——火电温排水用海规模控制指标及对策措施(2200204)

贾后磊(1976-)，女，高级工程师，硕士，主要从事海洋环境方面研究.E-mail：jiahoulei@126.com(李 燕 编辑)

P731

A

1002-3682(2014)03-0001-09