LNG码头冷排水对取水口温降影响研究

奚 泉 王青松

(1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650000；2.云南省能源投资集团有限公司，云南 昆明 650000)

液化天然气(LNG)接收站是码头储存液化天然气再向外输送的装置。接收站主要包括LNG码头、LNG储罐、LNG汽化器和LNG运输泵。LNG汽化器广泛使用开架式水淋汽化器进行天然气汽化[1]，其原理是使用海水作为加热介质，高温海水进行换热后作为冷废水排出，称为LNG冷排水。LNG接收站的冷废水排入海洋，会导致接收水体的水温发生改变，不仅影响到海水生态平衡、造成海域环境污染，更有可能作用于取水口水温，产生温降，使LNG的汽化效率大大降低。十年来，亚洲对于LNG的需求居高不下，LNG码头的建设也是如火如荼[2]，更准确地评估接收站冷排水对其取水口的温降影响，成为接收站规划及建设的重要课题之一。目前关于LNG冷排水对海洋环境的影响已经展开了大量的研究工作[3-4]，本文以广东珠海LNG码头为工程实例，采用水动力三角形网格[5]及温度对流扩散模拟方法对此接收站的冷排水进行数值模拟，得出排水口水温的影响范围，提出取水口温降影响的减轻措施。

1 温度场计算的数学模型

温度对流扩散计算采用丹麦水力学研究所开发的数值模型TS(Temperature/Salinity)模块[5]，此模型在原三维水动力控制方程的基础上增加了温度T的输运方程：

(1)

(2)

式中Dh,Dv——水平和垂向扩散系数；

TS——温度源项；

FT——水平扩散项。

水平和垂向扩散系数可表示为与涡黏系数和普朗特常数σT的关系：

(3)

温度的边界条件为

(4)

(5)

式中Qn——水面净热通量；

cp——水的比热；

水面净热通量(Qn)包括显热通量(qc)、潜热通量(qv)、短波和长波辐射(qsr,net,qlr,net)等物理作用，可表示为

Qn=qv+qc+βqsr,net+qlr,net

(6)

式中β——水面光能吸收系数，一般在0.2～0.6之间，可取为0.3。

潜热通量可根据Dalton公式计算，经整理后得到

(7)

式中Pv=4310J·K/m3;K=5418;

TK=273.15(K为开氏温度)；

R——相对湿度；

W2m——海面上2m处的风速;

a1,b1——计算常数;

Tair,Twater——海面上空气的温度和水的温度。

显热通量可根据下式计算:

(8)

式中ρair——空气密度;

cair——空气比热，cair=1007J/(kg·K);

cwater——水比热，cwater=4186J/(kg·K);

cc——显热传递系数，cc=1.41×10-3;

W10——海面上10m处的风速。

2 数值模型及模型验证

2.1 项目概况

广东LNG项目接收站位于高栏岛西侧，北侧毗邻一座LPG码头(见图1[6])。接收站汽化装置采用开架式汽化器，冷却水排放采用直排方式。取/排水口工程是LNG接收站的一个重要组成部分，直接关系到ORV汽化工艺的正常运行。接收站濒临南海，属北回归线以南低纬度地区的亚热带海洋性季风气候。根据实测数据，海域的常风向为N向，次常风向为ESE向。工程海域潮汐属不规则半日混合潮型，海域属弱潮区，潮差相对较小。其海流为往返流，涨潮流速小于落潮流速，涨潮历时大于落潮历时，且表层流速大于底层流速。

图1 取排水工程平面布置

2.2 网格划分

模型网格采用三角形网格，可以很好模拟岸线和工程建筑物，并在工程附近海域进行局部加密(见图2)。网格在垂向上均匀划分为3层，模型计算水域面积约890km2，工程局部的最小网格边长约为1.5m，模型计算时间步长为0.05s。

图2 工程模型网格划分与局部加密

2.3 结果验证

为了验证潮流模型的准确性，数值模型模拟了大潮期间的潮位、流速和流向，并与西断面处的实测站点数据进行了比对(见图3～图5)。

图3 典型点潮位计算结果验证(实线为计算值，散点为实测数据)

图4 典型点流速计算结果验证(实线为计算值，散点为实测数据)

图5 典型点流向计算结果验证(实线为计算值，散点为实测数据)

由以上验证计算结果可以看出，数值模拟计算结果与实测结果有较好的吻合性，所建立的潮流模型较好地反映了工程区附近海域的潮流流动规律，可以用于分析工程前后的海域流场变化及取排水过程中工程附近的温度场模拟。

3 温度场计算结果及分析

3.1 计算结果

从流场计算结果可以得出工程附近以往复流为主，在工程位置和南侧防波堤之间形成的湾内流速较小，涨潮期间存在明显回流现象，不利于冷排水的对流扩散。冷排水计算结果表明，排水口排出的冷水一方面受回流影响在南侧湾内扩散，另一方面在涨落潮期间扩散的冷水受往复流影响在取水口附近近岸水域形成扁长状沿岸低温带。

数值模拟夏季大潮及冬季条件下大中小潮的最大温降包络线见图6，取水口附近各工况的垂向平均温降随潮位变化过程见图7。在垂直于护岸方向的断面上涨落潮期间取水口附近的垂向温降分布见图8，取水口处垂向平均温降统计结果见表1。

表1 取水口处温降 单位：℃

图6 各工况最大温降包络线 (单位：℃)

图7 温降随潮位变化过程线 (单位：℃)

图8 大潮取水口断面温降垂向剖面分布

由表1可以看出冬季情况下冷排水扩散在垂直于水流方向略大于夏季，但沿水流方向略小。同时，夏季大潮情况下冷排水的温降和扩散面积均小于冬季，考虑到夏季取水条件好于冬季，且夏季环境水温较高，对LNG循环水的取水是有利的，因此，在冷排放的计算中重点关注冬季计算结果。

3.2 结果分析

由不同工况下的计算结果看，总体来说冷排水的扩散范围随着潮流动力的加强和冷排水的流量增加而逐渐扩大，由模拟结果来看，-5～-3℃的温降扩散范围不大，-2℃温降范围小于1km2，-1℃的温降范围小于4km2，-0.5℃的温降范围变化较大，最大出现在中潮条件下，为11.83km2；由图7和表1可以看出，取水口附近在夏季大潮、冬季大潮、中潮和小潮条件下的最大垂向平均温降分别为-0.9℃、-1.2℃、-0.8℃和-0.2℃，最大温降均出现在涨潮期间，此时潮流流向为偏北向，冷排水由排水口扩散后受涨潮流影响而运动到取水口附近，但由于在一个潮周期内最大温降出现时间较短，大部分时间内温降波动不大，因此，平均温降不大，夏季大潮、冬季大潮、中潮和小潮条件下的平均温降分别为-0.2℃、-0.3℃、-0.3℃和0℃。此外由取水口附近垂向温降分布图8可以看出，由于受取水口附近往复流影响，在涨潮期间冷排水在潮流带动及本身的扩散作用下运动到取水口附近，由于冷排水温度降低，密度增加，因此水温的垂向分层较为明显，底部水温要低于上部水温，若考虑波浪引的起温度在垂向分布上的对流扩散，则温降应介于最低温降与垂向平均温降之间；落潮期间冷排水受落潮水流影响被冲向下游远离排水口，因此落潮期间取水口剖面处温度变化不大，垂向分层不明显，温降不超过0.5℃。

4 结 论

通过数值模拟和分析，可得出以下结论：此LNG接收站码头排水口与取水口之间距离应该设置较长，涨潮期间受取水口附近往复流影响较大，建议取水口位置尽量远离排水口；从冷排水扩散趋势可以看出，取水口附近为扁长的低温带，如将取水口尽量远离岸线可进一步改善取水条件。