某电厂温排水和余氯排放的数值模拟研究

秦 晓，袁 珏

(中国水利水电科学研究院，北京 100038)

0 引 言

某电厂采用直流供水系统，以南海海水作为冷却水源。海水含有的海生物易黏附在冷凝器铜管内壁，造成铜管壁热阻迅速增大，严重影响冷却效果，甚至阻塞铜管，迫使凝汽器停运，危及电厂的安全运行。因此，为了防止海生物黏附于管壁，冷却水进入管道前，一般采用加氯进行处理。这种方法会导致一定量的余氯随冷却水排出，影响受纳水域的水质。本文采用二维数学模型，针对电厂不同潮型下的温排水和余氯排放进行模拟研究，为电厂境影响评价提供依据。

电厂取排水口平面布置见图1。电厂一期工程(5×600 MW)排水量为112.5 m3/s，取排水温升10℃；二期工程(2×1 000 MW)排水量为68.8 m3/s，取排水温升9℃。

图1 取排水口平面布置图

1 基础资料

1) 潮汐、潮流。工程海区潮汐类型属于不正规半日潮，平均涨潮历时为5 h 48 min，平均落潮历时为6 h 37 min。潮流性质为不正规半日潮流，以往复流为主导。

2) 厂址邻近海域，近岸处水温高，远岸处低。近岸浅水区(水深在5 m以内)水温垂向分布比较均匀；10 m以上深水区，水温垂向变化在0.16℃～0.20℃。

3) 电厂附近海区地处热带北缘，面临南海，气候潮湿、温暖，降水充沛，夏季长、冬季短，呈热带海洋性季风气候。全年气温较高，历年平均气温为22.5℃，气温平均年较差13.7℃。最热月是7月份，其多年月平均气温28.4℃；最冷月是1月份，其多年月平均气温为14.7℃

4) 电厂地处季风区，同时受地形影响，形成本海湾风向、风速季节变化明显的特点。冬季以NNE向为主，春秋季以E向为主，夏季以SSW向为主。风速多年平均值为4.7 m/s。

2 数学模型及数值方法

2.1 数学模型介绍

本文采用MIKE21模型进行潮流场、浓度场、温度场的模拟研究，该模型[1]是由丹麦DHI开发的模型，是河口海岸潮流场、水质模型世界范围内通用的商业软件包。

平面直角坐标系下，带自由水面垂向平均的二维瞬态水动力方程及热输运方程组如下：

连续方程：

(1)

运动方程：

X方向：

(2)

Y方向：

(3)

物质输运方程：

(4)

能量输运方程:

(5)

2.2 定解条件

2.2.1 流场定解条件

1) 边界条件：对于开边界，采用给定水位过程。

2) 初始条件：采用静水位条件。

2.2.2 浓度场和温度场计算定解条件

边界条件：

1) 开边界：流出计算边界，按边界内点插值给定；流入计算边界，用给定值。

2) 陆边界：采用绝热边界条件。

2.3 计算区域和网格剖分

采用非结构化网格，网格尺度能反映水工构筑物及沿岸地形对研究细部流场和物质输运的影响，同时考虑经济的工作量，数值模拟范围面积约1 800 km2，见图2；网格剖分见图3。

图2 模拟范围示意图

图3 网格剖分示意图

2.4 参数选择

1) 糙率系数n：根据模型潮流率定结果确定为0.025。

2) 涡黏性系数E：采用Smagorinsky公式。

式中：U、V分别为水深方向平均的X、Y方向流速；Δ为网格大小；Cs取值范围是0.25～1.0。具体数值需模型验证确定。

3) 余氯衰减系数(λ)：余氯的化学性质不稳定，遇到还原性物质会发生氧化还原反应而分解；在光化学作用下也会分解，因而在特定的水环境下存在一定的“半衰期”。根据工程经验[2-4]，“半衰期”取为1 h。

c=c0e-λt，c为浓度，当c=0.5c0，t=3 600时，λ=0.001 93。

4) 表面综合散热系数Ks：采用文献[5]通用公式计算，得出Ks=46.8 W·m2·℃-1。

3 流场验证

利用工程海域实测海洋水文观测资料进行流场验证，验证点位置见图1。实测大小潮潮位及部分站点流速流向验证结果见图4-图6。

图4 潮位过程线验证图

图5 大潮流速流向验证图

图6 小潮流速流向验证图

从验证结果可以看出, 潮位计算值与实测值吻合良好，流速、流向计算值与实测的各层平均值基本一致，说明所采用的流场数值模型及选定的参数是合适的，能够反映本海区的潮流特性，可以用于电厂温排水和余氯排放对环境影响的数值预报。

4 计算结果与分析

4.1 流 场

涨潮时，潮流从南边界进入计算域，在厂址附近分为两股潮流，见图7。落潮时，电厂两侧的海水在厂址附近海域汇合后退出计算域，见图8。涨落潮流的分流、会合区在电厂排水口东南大约5 km处。

图7 大潮涨潮流场图

图8 大潮落潮流场图

4.2 余氯浓度场计算结果

余氯浓度场计算工况见表1。

表1 余氯浓度场计算工况

各计算工况余氯等浓度线分布见图9-图12；包络面积见表2。

图9 大潮涨急落急时刻余氯分布图(等值线单位：mg/L)

图10 大潮全潮平均和全潮最大余氯分布图(等值线单位：mg/L)

图11 小潮涨急落急时刻余氯分布图(等值线单位：mg/L)

图12 小潮全潮平均和全潮最大余氯分布图(等值线单位：mg/L)

表2 余氯等浓度包络面积

从上述计算结果可以看出：

1) 涨潮时，余氯被潮水向排水口所在海湾的底部推进；落潮时，余氯随潮沿东南向外海扩展。

2) 余氯在海水中的输移扩散过程中，由于其自身的快速衰减、排水口附近较弱的潮流，各工况余氯的平面分布形态相近，0.000 2 mg/L及以上等浓度线的影响范围分布在排水口半径3.4 km范围内。

3) 因潮流强度和水深的不同，大小潮条件下全潮最大和全潮平均包络面积有所差异，0.000 2 mg/L等值线全潮最大包络面积：工况1大于工况2；0.000 2 mg/L等值线全潮平均包络面积：工况1小于工况2。

4.3 温度场计算结果

温度场计算工况见表3。

表3 温度场计算工况

各计算工况温度等值线分布见图13-图16，包络面积见表4。

图13 大潮涨急落急时刻温升分布图

图14 大潮全潮平均和全潮最大温升分布图

图15 小潮涨急落急时刻温升分布图

图16 小潮全潮平均和全潮最大温升分布图

表4 温升等值线包络面积

从上述计算结果可以看出：

1) 落潮时，温排水随潮沿东南方向运动，落至最低潮位后，温度场偏东南分布；涨潮时，温排水沿港池东防波堤逐渐向港池口门外输移，随着潮流的增强温排水进入港池。高平后转落初期，潮流较弱，之前随涨潮西行的热水在港池口门外堆积，并进入港池。

2) 大小潮条件下，4℃等值线全潮最大温升包络面积约3.28 km2，1℃等值线全潮最大温升包络面积约38.5 km2。

5 结 语

1) 本文采用MIKE21模型对电厂余氯排放进行了数值模拟，流场验证结果良好，能够反映电厂附近海域的潮流特性，能够用于电厂温排水和余氯排放的数值预报。

2) 装机容量为5×600 MW+2×1 000 MW时，大小潮条件下，0.02 mg/L等值线包络面积不大于0.8 km2，0.000 2 mg/L等值线包络面积不大于7 km2。从研究结果可以看出，余氯随冷却水排至海域，因自身衰减很快，0.000 2 mg/L的影响区仅局限于以排水口为圆心半径3.4 km范围内。

3) 装机容量为5×600 MW+2×1 000 MW时，大小潮条件下，4℃等值线全潮最大温升包络面积不超过3.28 km2，1℃等值线全潮最大温升包络面积不超过38.5 km2。