粤东甲湖湾海域电厂取排水口优选研究

陈卓英,倪培桐

(广东省水利水电科学研究院,广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510635 )



粤东甲湖湾海域电厂取排水口优选研究

陈卓英,倪培桐

(广东省水利水电科学研究院,广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510635 )

滨海热电厂冷却水布置及热污染特性比河道及水库型更为复杂。该文采用数值模拟的方法,对广东陆丰甲湖湾电厂附近的潮流特性及冷却水输移扩散进行模拟计算,结果表明东西分排方案造价低,温排水输运出现短路现象,取水温升超过2.6 ℃,且窝积在排水口附近。西取东排、深排方案温排水掺混扩散效果好,有效防止废热进入取水口,2008年夏季典型潮下的取水温升小于0.2 ℃,而浅排方案取水温升小于0.7 ℃,但易出现废热窝积现象。

温排水;取排水口布置;方案优选

滨海直流热电厂采用海水作为冷却水源,海水经过凝汽器热交换后直接排入附近海域。由于潮流在地形作用下形成不同的动力结构,致使直排入海的温排水稀释、扩散强度存在差异。优选良好的温排水排放口布置方式,可以减小取水温升和温升面积提高电厂发电效率,减少煤耗,降低对环境的影响,节省征海费用。因此电厂取排水方案比选对工程的优化设计和项目的环境影响评价都非常重要[1-8]。本文通过数值模拟的方法对广东省十二五重点基础工程广东陆丰甲湖湾电厂温排水的不同设计方案进行预测分析,对取排水口工程布置方案优选,为电厂工程设计和海洋环境影响评估提供决策依据。

1 自然环境和工程概况

1.1 自然环境

粤东甲湖湾位于广东省陆丰市湖东镇东南,背靠海甲山,面向南海(图1)。海甲山附近水域宽阔,近岸水深条件较好,5 m水深线离岸约300 m,10 m水深线离岸约1 000 m,岸滩基本稳定。该海域潮汐为日潮性质,潮流是不正规半日潮流。其分潮流中以M2、O1、K1分潮流的量值较大,其它分潮流的量值较小。主要分潮流的最大流速方向(即潮流椭圆长半轴方向)与等深线走向基本一致,潮流主要为略带旋转的往复流。最大可能流速介于15～35 cm/s之间。海区夏季水温为27.3 ℃，冬季水温为18.8 ℃,全年平均水温为22.5 ℃。盐度具有近岸海区盐度小，梯度较大,等值线大致与岸线平行；外海区终年盐度高、变化小和分布均匀的特点。

1.2 工程概况

陆丰甲湖湾电厂规划建设8×1 000 MW国产超临界燃煤发电机组,是广东省十二五建设开工的重要基础项目。一期2台机组动态投资86亿元。 机组冷却水量夏季为267.84 m3/s,冬季为209.04 m3/s,夏季取水温升为8.3 ℃,冬季为10.6 ℃。由于煤码头港池内波浪较小,且港池内自然水深达8 m,取水条件较好,取水口布置在煤码头港池内。根据排水口位置、形式的不同,取、排水口布置主要有以下4种典型方案组合(图2)。

表1 排水口布置方案统计表方案

图2 取排水口方案示意

2 数学模型

采用平面二维数学模型进行电厂取排水方案优选。首先建立适合于本地潮流运动的数学模型,然后选择合适的温排水模型计算参数,对方案进行比选。模型采用建立在三角形单元网格上的破开算子有限元法进行离散求解[1],该方法的优点是能适应复杂边界地形,且收敛速度快,计算精度高。

2.1 主要参数取值

模型糙率系数可根据常规糙率表选取,结合模型率定最终选定为0.025～0.03。紊动粘性系数通过smagorinsky公式计算得到，影响紊流热扩散系数变化的因素比较复杂。

紊流热扩散系数与水域的物理特性、数值离散方法等因素有关系,目前难以准确计算。参照以往计算经验,热扩散系数DxDy的取值约5 m2/s,对于方案优化而言是合适的。采用全国通用公式进行计算水面综合散热系数,根据厂址附近的气象、水文多年平均统计资料,甲湖湾海域水面综合散热系数夏季为36～44 W/(m2·℃),冬季为27～32 W/(m2·℃)。

2.2 潮流模型建立

为了防止热量被潮流带出计算区域,一般通过试算确定模型范围。根据实测海流的流向、大小及地形特点,经试算,模型范围设定为长约94 km,宽约26～45 km。模型采用三角形网格对计算区域进行离散,三角形网格高最小约为20 m。

图3 模型计算范围与网格剖分(整体与局部)

根据DHI潮位预报数据结合附近潮位站实测资料确定模型开边界上的水位,经反复调试后使模型内各主要验证点的潮位和流速均尽可能接近实测值。

模型验证采用的水文资料为中国科学院南海海洋研究所于2008年8月、2008年12月的全潮水文观测。本次水文观测共布设3个潮位观测站(H1～H3),11个潮流观测站(V1～V11),点位布置见图1。限于篇幅本文仅列出厂址附近部分验证点资料(图5),详见文献11。验证结果表明,模型计算流速、流向过程线与原体曲线都基本吻合。从整个计算区域内的流场模拟结果分析(图6)以看出,潮流的最大流速方向与等深线走向基本一致,潮流主要为略带旋转的往复流。

图4 H1、H2站潮位实测与计算对比

图5 5#、6#站流速实测与计算值对比

图6 模型计算流场示意

3 结果与讨论

方案比选按照8×1 000 MW进行,为保证模型计算结果的稳定性,温排水计算30个潮周期数据。

3.1 温排水输运扩散与取水温升

温升等值线主要呈带状分布在防波堤与甲子港之间的海湾。四个方案排水口附近的热水混合和输运能力也不相同。

方案一排水口位于南防波堤与陆地边界交角处。温排水主要靠潮流动力向外海输运和扩散。涨潮时,温排水沿南防波堤向西南推移,大量热水在排水口附近这一弱潮流区窝积。在潮流作用下向西南输运的热水进入港池,部分热水在港池也产生一定的热量累积。落潮时,温排水随涨潮流向东北方向扩散,部分回归港区。由于排水口是低流速区,从排水口直接排出的热水在落潮流的作用下,在排水口东侧到甲子角之间的海湾内缓慢向东北方向输运扩散。

虽然方案二、方案三各有2个排水口,由于排水口都位于防波堤东侧,都属于西取东排性质,温排水随涨落潮的运动形式与方案一接近。方案四为属于东西分排方案,由于无论涨潮、落潮都有热水进入电厂取水口,尤其是电厂西侧排水口附近温排水容易窝积。以夏季小潮为例,规划容量下方案一、方案四的1℃以上全潮最大温升包络面积接近,约为50 km2；方案二、方案三全潮最大温升包络面积相对较小，约为39 km2；方案一、方案四的4℃以上全潮最大温升包络面积相对较大,约为6 km2,方案二、方案三 4℃全潮最大温升包络面积相对较较小,约为0.3 km2。

除方案四外,夏季大潮、中潮条件下,各方案取水温升相对较小,平均取水温升小于0.2℃。夏季小潮条件下,方案一、方案二、方案三全潮平均取水温升分别为0.7 ℃、0.2 ℃、0.2 ℃；方案二、方案三的远期6台机组排水口离岸距离较远,排出的温排水与海水掺混扩散效果较好,取水温升相对较小,约为0.2 ℃。

方案四属于分排方案,西侧排水口距离取水口较近,虽然取水口位于港池内,但由于靠近温排水的运动通道,无论涨潮、落潮时,温排水及回归热水都易进入取水口区域,夏季大潮、中潮、小潮平均取水温升分别为2.6 ℃、2.8 ℃、4.3 ℃,方案四取水温升较高。

图7 不同排水方案温升包络线

表2 温升面积与取水温升统计

3.2 讨论

就本项目而言,代表潮型、分排或合排、深排或浅排是本项目取排水工程布置需要考虑的问题。

在温排水模型计算过程中的代表性潮型选择目前有2种做法,其一是选择典型潮型,按照调和分析计算出调和常数,然后按照潮差频率构造代表潮型。其二根据实测潮型分析其代表性,用实测潮型作为温排水计算的代表潮型。由于潮流除受天文潮的影响外,还受气象、沿岸流、地形的影响,方法一可能会遇到余流方向计算错误,致使温排水扩散的方向与实际输运方向不一致。方法二计算结果反映了实际发生过的某次典型潮流作用下温排水扩散趋势,但由于潮流观测费用昂贵,资料贫乏,从频率分析的角度,潮流实测资料的代表性分析依据往往不足。可能会遇到同样潮型条件下不同年份测流资料的观测不同,甚至差别较大。方法二计算结果代表了实际发生过潮流运动下的温排水扩散趋势,为防止其出现潮型选择偏差,在潮型选择上宜把冬季大、中、小潮及夏季大、中、小潮都作为计算潮型。由于夏季海水温度高,对于电厂取水和海域的影响相对较大,另外本项目2008年夏季观测潮流与粤东夏季流的一般规律接近,其作为电厂取排水方案主要比选潮型是合适的。

从本项目取排水口布置思路看,方案二、方案三是在方案一的基础上部分或全部机组排水向海深排,但从流线看,其差位式特点并不明显,因此四个方案均可归结为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间的距离,增大水面散热量,从而降低电厂排水对取水的影响。受沿岸流的影响,粤东海域近岸水体夏季有向东北输运,冬季向西南输运。而粤东沿岸流控制温排水输运的方向。粤东沿海成功运行的电厂多数是以西取东排为主,基于粤东沿岸流规律,本项目西取东排是合适的。从取水温升结果看,方案一、方案二、方案三的取水温升较低,夏季不超过0.2 ℃,表明取、排水口之间的距离满足分列式取排水口布置的基本要求。方案四东西分排方案,分排方案对于电厂布置而言,造价较低,但对于往复流为主的海域,西侧排水口距离取水口较近,夏季取水温升达到2.6 ℃～4.3 ℃,表明整个一个潮周期内多数时间出现热水短路现象。

对于电厂运行而言,明渠浅排方案(方案一)造价与维护成本均较低,但是由于排水口位于岸边,该方案的电厂温排水容易在排水口窝积。方案二、方案三的首期2台机组排水口设置浅水区明渠排水,其他6台机组排水口采取深排方式(-10～-11 m),由于远期6台机组排水口水深较大,温排水掺混效果较好,取水温升较低。方案四两个排水口都位于防波堤与原岸线形成的半封闭湾内,不利于热水扩散,4 ℃以上温升包络面积较大。

从方案评价的角度看方案二、方案三远期6台机组排水口离岸相对较远,温排水与海水掺混扩散效果较好,温升面积和取水温升都相对较低,方案较优。方案四西侧排水口距离取水口较近,容易造成热水短路,取水温升和温升面积都较高,方案四不可行。由于平面二维数值模型还不能完全反映水流中客观存在的一些物理现象,如局部的射流掺混现象,方案一不能简单地据4 ℃过大而否定,宜通过物理模型试验,研究该方案是否可通过体型或排水形式优化,加大与周围海水的掺混,减少温排水的窝积现象,不宜在数模比选阶段直接否定。

4 结语

滨海热电厂冷却水取排水口布置及热污染输运特性较为复杂。本文用数值模拟的方法,对取排水口设计方案进行优化比选。2008年夏季观测潮流与粤东夏季流的一般规律接近,宜其作为电厂取排水方案主要比选潮型是合适的。四个排水方案为分列式取排水口布置思路,西取东排符合基于粤东沿岸流输运规律,其中深排方案的取水温升夏季不超过0.2 ℃、浅排方案的取水温升夏季不超过0.7 ℃,取水温升较低,表明取、排水口之间的距离满足分列式取排水口布置的基本要求,但浅排方案温排水易在排水口附近窝积。东西分排方案易造成温排水输运短路现象,取水温升超过2.6 ℃,且热水易于窝积。平面二维数学模型以其便捷、快速等优势在电厂规划、方案比选过程中有很大的优势。

[1] 吴江航,韩庆书.计算流体力学的理论、方法及应用[M].北京:科学出版社,1988．

[2] 徐啸,匡翠萍,顾杰. 漳州后石电厂温排水模型[J].台湾海峡, 1998, 17(2):195-200．

[3] 韩康,张存智,张砚峰,等.三亚电厂温排水数值模拟 [J]. 海 洋环境科学,1998, 17(2):55-57．

[4] 岳钧堂.差位式理论及工程应用[J].水利学报,1993,24(12):10-17．

[5] 王明才,倪培桐,张晓艳.某滨海核电厂温排水三维数值模拟[J].广东水利水电,2011(6):1-4．[6] 倪培桐,江洧. 潮州三百门电厂冷却水排放的数值模拟研究[J].中国农村水利水电,2004(5)：25-28.

[7] 陈丕翔,倪培桐,黄健东.台山核电厂一期工程EPR机组温排水数值模拟研究[J].广东水利水电，2013(1)：15-18

[8] 张晓艳,倪培桐.电厂冷却水工程的取排水口布置研究及工程应用[J].广东水利水电，2012(4):23-25.

[9] 中科院南海海洋研究所. 陆丰宝丽华电厂夏季水文泥沙观测报告[R].广州：中科院南海海洋研究所，2008．

[10] 中科院南海海洋研究所. 陆丰宝丽华电厂冬季水文泥沙观测报告[R].广州：中科院南海海洋研究所，2009．

[11] 广东省水利水电科学研究院. 广东陆丰甲湖湾电厂(8×1 000 MW)冷却水工程温排水数学模型计算 [R].广州：广东省水利水电科学研究院，2014．

[12] 广东省水利水电科学研究院.广东陆丰甲湖湾电厂新建工程(2×1 000 MW)温排水工程物理模型试验研究报告[R].广州：广东省水利水电科学研究院，2014.

(本文责任编辑 马克俊)

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

陈卓英(1973),女,高级工程师，主要从事水工水力学及环境水力学研究等工作。

TV137

B

1008-0112(2016)03-0022-05