沿海电厂温排水环境影响及取水温升分析

郝青哲，贾路，刘哲，李京贸

（华北电力大学能源与动力工程学院，河北省保定市，071003）

0 引言

由于提供热机冷源和各种冷却的需要，电厂需用大量的冷却水连续供应。电厂的热效率比较低，大量的热量通过冷却水散失于周围环境。一般由冷却水带走的能量为发电量的1.4（火电）～2.5倍（核电），从而引起相应的环境问题。温排水对取水温升的影响，直接关系到电厂机组效率和燃料消耗率，水温超过一定限度，还将强迫降低负荷，成为机组安全满发的巨大障碍[1-3]。优化取排水布置，对防止环境污染和提高经济性具有现实意义。

文献[4-5]对温排水预测的理论依据、思想方法及数学模型等作了比较系统的论述；文献[6]以浅水方程以及相应的定解条件为模型，采用交替方向隐式差分方法，计算了拟建篙屿电厂温排水及废水排入水体后在附近海域的温度分布及浓度分布；文献[7]对青岛市黄岛发电厂温排水工程进行了模拟计算；文献[8]给出了三亚电厂温排水各个方案的温升特征值；文献[9]利用二维有限体积法计算了海口火电厂温排水对海域环境的影响。本文主要研究温排水与工程布置的关系，即不同温排水布置对取水温升值大小的影响。首先运用Gambit建立3维水槽模型，分别计算了差位式与重叠式布置方式下的温度场，分析取水温升及环境影响，得出适合于沿海电厂冷却水工程的布置方式。

1 差位式布置及其数值模拟

1.1 差位式布置

差位式布置将取排水口间距从随水流方向的纵向间距，转移到垂直水流方向的法向间距上来，利用法向间距，造成冷、热水流流动途径的分开，即由排水口排放的热水和抽入取水口的冷水各有其流动的范围，出现基本上互不干涉的热水流道和冷水流道。取排水口差位式布置的三维物理模型如图1所示。图中：QU为上游来水流量；B为河道宽度；l为取排水口沿水流的垂向距离；H为河道宽度；h1为排水口高度；bl为排水口宽度；Ql为排水流量；Tl为排水温度（密度ρ1）；h2为取水口高度；b2为取水口宽度；Q2为取水流量；T2为取水温度（密度ρ2）；s为出水淹没水深；d为底槛高度；Δz为垂直间距。

温排水对环境的影响，主要由取水温升值及周围温升包络线值决定。影响T2的主要因素为：

（1）取排水口条件。取排水口水平间距ΔL（差位式ΔL=0）、Δz、hl、bl、Ql、Tl、h2、b2、Q2、l、s、d以及取排水口与河道的衔接型式。

（2）水面气象条件。综合散热系数K，自然水温T∞（密度ρ∞）[10]。

由于T2涉及因子太多，为了研究方便，尽量减少某些不太重要的物理量的变化，使问题得到简化，进行如下假定：（1）取排水口管径尺寸相同；（2）排水口水平衔接出流，s≈0，d=0；（3）无额外取水要求Ql=Q2= Q0，其中Q0为来流流速。考虑到环境水温及排水水温的变化，T2一般取用无量纲量η来度量，η为取水相对温升比，定义为

1.2 模型建立

使用Gambit建立三维模型，x、y、z分别为水域长度、深度及宽度；设x方向为水流方向；取排水管道管径为1.3m，取排水管横向间距Δx=10m，纵向管间距Δy=4m。

设取水口速度与排水速度相同，即v=4m/s，上游来流流速U=0.5m/s；排水温度为299.8 K；环境温度为283 K；自由液面采用钢盖假定，即水深和液面不随时间变化，设定其综合散热系数K。

采用分离求解器的隐式解法，一阶迎风格式对控制方程进行离散；压力和速度耦合采用Simple算法；密度采用Boussinesq近似，指定密度常数值为无穷远处密度值ρ∞；近壁处采用标准壁面函数法，其中松弛因子和收敛条件保持默认值不变。

取排水横向截面温度场如图2所示（图中单位为K），流场分布如图3所示。温排水对左侧下游区域热影响大于上游；而取水口布置于排水口右侧，温排水逆流至上游，再经过下渗热扩散作用，从而影响到取水温度的取值。

结合图3水平流场分布可看出，温排水有2个去向，一部分随着来流流向下游（左侧），一部分则逆流至取水口；取水口附近可以明显地看出有热冷水交汇，上游冷水加上左侧热水回流使得取水温度上升，从而降低机组真空值。

1.3 差位式布置对取水温升的影响

1.3.1 取排水管深度差的影响

设Δy为排水管深度差，水域的总水深不变，通过数值模拟来分析取水温升值的变化情况。η随Δy变化的曲线如图4所示。由图4可以看出，当Δy由4增至5时，η迅速降低；而Δy由5增至6时，η的变化非常小，Δy继续增大，η已不再变化。此时，取排水临界深度差Δycr=5。超过临界值Δycr以后，冷却水温度降低不明显，还会造成不必要的工程浪费。

1.3.2 取排水管管径的影响

Δy固定不变，改变模型中的取排水管道管径R，其他条件不变，得到取水温升曲线如图5。从图5中可看出，随着R增大，η变小，因此，适当地减小R有利于减小η。

2 重叠式布置及其数值模拟

2.1 重叠式布置

重叠式排取水口实际上是一种水深方向的差位式布置，其三维布置图如图1所示。此时的差位是排取水口间的水深方向间距。影响T2的主要因素为：

（1）取排水口条件。ΔL（重叠式ΔL=0）、Δz、hl、bl、Ql、Tl、h2、b2、Q2、s、d以及取排水口与河道的衔接型式。

（2）河道条件。B、H、QU，来水温度TU（密度ρU）。

（3）水面气象条件。综合散热系数K，T∞（密度ρ∞）。

由于T2涉及因子太多，为了研究方便，尽量减少某些不太重要的物理量的变化，使问题得到简化，进行如下假定：（1）取hl=h2=h0，bl=b2=b0；（2）排水口水平衔接出流，s≈0；（3）无额外取水要求，Ql=Q2=Q0。

2.2 模型建立

重叠式模型取排水管横向间距为0，即Δx=0m，其他条件和差位式相同。边界条件和差位式相同；不同于差位式，重叠式热影响都在下游，上游无逆流热水。取排水横向截面温度场见图6（图中单位为K），流场分布如图7所示。通过图6中的纵向截面可以看出，温排水已经下渗到取水口周围，影响到了取水，增大了取水温升；图6的纵向流场图则说明热水经过下渗、扩散及回流达到取水口，造成取水温升上升。

2.3 重叠式布置对取水温升的影响

2.3.1 取排水管深度差的影响

H保持不变，不同Δy情况下η变化的情况如图8所示。从图8中可看出：Δy由4增至5时，温升变化不大；Δy由5增至6时，η迅速降低；而Δy由6增至7时，η的变化非常小，曲线基本接近平行x轴；Δy继续增大，η已基本不再变化。因此，Δycr=6。

2.3.2 取排水管管径的影响

Δy固定不变，改变取排水管道管径R，其他条件不变，得到取水温升曲线如图9，随着R的增大，η缓慢变小。

3 结语

差位式和重叠式是取排水的2种布置方式，从温排水热影响区域来讲，差位式不仅能够影响下游水域，由于取水泵的抽取作用，热水回流至上游，对上游水环境热影响比较大；从取水温度影响因素来分析，差位式是由于热水逆流再下渗作用影响取水温度；重叠式无逆流作用，而是直接下渗、扩散，从而导致取水温度上升。

[1]陈惠泉，许玉麟，贺益英.火/核电厂冷却水试验研究50年的进展和体验[J].中国水利水电科学研究院学报，2008，6（4）：288-298.

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