滨海核电厂冷却水排水建筑物布置的应用研究

2012-03-13李波汤东升

中国港湾建设 2012年3期

李波，汤东升

（广东省电力设计研究院，广东广州 510663）

核能发电是新能源开发的一项重要措施，目前我国有大亚湾核电站、岭澳一期、二期核电站、秦山一期、二期、三期核电站、田湾核电站共7座核电站14台核电机组建成投产，核电总装机容量突破1000万kW，其中岭澳核电站二期采用的CPR1000机组于2010年9月投入商业运行，标志着我国百万千瓦级核电厂整体自主化设计又上了一个新台阶，全面总结滨海核电厂排水建筑物布置设计是核电厂水工建筑物布置设计自主化应用研究的重要课题。

1 排水建筑物平面布置设计

1.1 冷却水排放方式选择

滨海电厂排水口一般设置在排水明渠与海床连接处，排水口型式应根据地形地质条件、消能及抗冲刷和散热要求等因素确定。排水明渠和沟道宜按规划容量一次建成。设计渠、道时应考虑原有地面排洪设施的改变对附近场地和建筑物的影响。

滨海电厂直流冷却水系统多采用水面冷却，其设计总体方案因厂址条件不同，各方案的投资费用也差别很大，许多厂址还考虑与码头、港池结合设计。由于核电厂的重要性，因此在选址初期需要进行总体规划，并随着工程设计阶段的推进，不断进行深入研究和优化，最终确定安全、合理、经济的方案。

冷却水系统排放方式根据工程冷却方式、取水条件、海岸和海底地形、波浪、海域海生物及环境保护要求等因素，可分为表层排放和淹没排放。温排水的排水口以渠道或沟道排到海水自由表面层为表层排放，当要求温排水掺混水量尽可能少时，采用低流速的表层排放，当表层排放的排水口靠近航道布置时，排水流速宜按0.3～0.5m/s，当布置在港口时宜按0.2～0.3m/s；温排水的排水口通过管道排放到海水水体表层以下为淹没排放，淹没排放通过高速出流产生卷吸作用，使出流与受纳水体强烈掺混，从而使水体表面水温大大降低，可以使超温范围减小，淹没排放的排水口流速一般不小于2m/s。

根据距离排水口的远近或水流在不同区域范围内的运动特性，将接纳温排水的水域分为近区和远区。

1）近区指紧邻排水口出流部分的局部海域。由于出流热水的动量，将受纳水体的冷水卷吸入射流中，而使热水与冷水产生强烈掺混，水温骤降，温降可达到排水温差的60%～70%。在良好的浅水淹没射流的情况下，冷水掺混量可达出流量的10倍，则温降更大。近区的典型流态是表层水辐向内汇，在该区形成冷热水质量、热量的交换中心。近区热量迁移主要是通过掺混作用将排入热量带向远区。与远区相比，近区范围较小，但近区是温排水的重点控制区和环境评价的主要对象。

2）远区指近区以外的广阔海域，近区与远区间存在的过渡区一般归入近区。在该区内温排水的流速及温度沿程变化均较缓慢。从近区带到远区的热量通过以下途径散发：

①环境水流的输移：江河水流、风成水流及潮汐流将热量向流动方向输送；

②由水平方向的水的密度梯度产生浮力，使热量输移；

③环境水流产生电动紊动扩散；

④通过自由水表面蒸发及对流向大气散发。

由于温排水表层排放和淹没排放这两种排放方式的近区和远区水力、热力特性迥异，设计中尽可能利用水域的固有水文地形条件和水流动能特性，结合工程实际分析研究后确定其排放方式。表1列举了滨海核/火电厂冷却水排水工程实例。

表1 冷却水排水工程一览表

1.2 冷却水排水口平面布置

冷却水取排水口布置遵循“差位式布置”理念，取排水口的平面距离在取水温升允许的范围内应尽量缩短，方便水工建筑物施工与维护，节省工程投资和运行费用。判断取排水口的平面距离以避免和减少温排水对取水水温的影响为原则，通过数值模拟和物理模型试验优化后确定，在投资合理的条件下，优先采用深层取水、表层排水的布置方式，当受到近区环境条件限制时，可采用淹没排放。必要时，可以采用导流堤、挡热墙、截冷墙等工程措施。避免和减少冷却水温排水对取水水温的影响措施主要有：

1.2.1 保证取排水口的平面距离

方案研究阶段，温排水对取水影响可通过以下经验公式判断：

1）取排水口在同一海湾或较为平直的海岸，判断取水口是否在温排水回流影响范围以外的距离按：

式中：L为取排水口的距离，m；Q为电厂取水流量，m3/s。

2）取排水口布置在封闭型同一入海口内，所需要的冷却水面面积为：

式中：A为对象水域的水面面积，m2；Q为电厂取水流量，m3/s。

1.2.2 分层取、排水

即采用深层取水、表层排水。排水口向外排放流速一般不大于0.5m/s，使排放流速均匀，从而表层和深层海水水温不同而形成的密度分层尽可能保持相对稳定。

表层排水在排水口处可设置扩散段或潜水堰。排水口设置扩散段的扩散角应保持扩散段内水流均匀，保护出流平稳扩散，不产生旋涡流，扩散角一般可取6°～10°，单侧不宜大于15°；潜水堰的作用：1）由于潜水堰抬高了排水水位，从而减小和均化排水流速；2）调整排水出流流态，消除折冲水流；3）阻挡下层低温水入侵掺混。潜水堰的高度经计算确定，如潮位变幅较大，可设置2道或2道以上潜水堰。

1.2.3 其他工程措施

1）排水和取水导流堤：增大温排水的扩散范围和方向。

2）挡热墙：一般平行于表层水流向，阻挡表层热水，利于取下层冷水。

3）截冷墙：与冷水来流方向成大角度修建，利于取下层冷水。

4）排水通过较长的管、沟引入其他海域或外海。

总体来说，温排水排出后在海水中掺混和扩散，对取水水温产生影响不仅取决于取排水口的距离，还与排水口的排出型式、排出角度、出口流速、涨落潮流速及方向、海水余流的流速和流向、风向和风速、气温、海岸形状等多种因素有关，与取水口的取水方式和取水深度也有关系，决非一个简单的平面距离估算公式就能完全概括。实际工程设计中应根据不同阶段，进行冷却水数值模拟和物理模型试验才能分析温排水对取水水温的影响，合理确定取排水口布置。

2 排水建筑物高程布置设计

1）虹吸井排水溢流堰的高程设计应符合以下要求：

①防止水流倒灌入冷却水系统；

②堰上水位相对固定（或受控制）；

③防止系统停运时循环水管沟内的水被自流排空；

④核电厂最终热阱与虹吸井合建时，重要厂用水系统排放口宜设置在虹吸井溢流堰下游。

2）由于核电厂工程的重要性，排水建筑物设计波浪标准高于一般港口建筑物的设计波浪重现期，设计潮位标准高于火电厂，例如岭澳核电站排水建筑物波浪设计重现期采用百年一遇，设计高水位采用百年一遇高潮位，设计水位采用多年平均潮位，设计低水位采用百年一遇低潮位，校核高水位采用最高天文潮+百年一遇增水，在设计高水位时，不允许建筑物出现任何破坏。

3）场地排水与循环冷却水合排时，应保证在百年一遇高潮位和百年一遇洪水相叠加时，排水渠涌高应符合明渠安全要求，并且不超过最终热阱的自由出流水位。

在防波堤后侧布置排水明渠时，排水明渠内由于越浪造成的波高不宜大于1m。防波堤在校核高水位与设计波浪重现期组合工况条件下不应有成层水体越过堤顶。

4）排水与取水交叉构筑物可采用交叉口交叠箱涵、支墩式渡槽和交叉口倒虹吸方式，宜经过技术经济比较后确定。

5）排水口的淹没水深。

①表层排放的排水明渠宜设置扩散段，并根据出口水位与设计低水位平射衔接确定出口底部高程。当由于地形或其他条件限制而不能满足此要求时，可设置潜水堰。

②淹没排放的排水口可采用岸堤淹没孔式、平行或T形扩散管式及排水塔式等，淹没水深一般低于多年平均潮位 3～4m。

③核电厂低放射性废水宜与温排水合并排放，排水口的淹没水深和流速应通过低放射性废水数值模拟和物理模型试验确定。我国北部沿海冬季严寒地区需设置独立排放口时应有防止冰屑和冰絮阻塞出口的措施，东南沿海夏热冬暖地区宜设置抑泡、消减盐雾措施，必要时通过物理模型试验确定。

6）排水口与冷却海域水面衔接方式。

排水口与冷却海域水面的衔接方式有平射出流、淹没出流、跌落出流。

对于要求形成温差异重流的冷却水域水面，排水口的底部标高应使排水口水位与冷却水域水面最低水位相同，保持平射衔接，热水出流平静，掺混作用较弱。根据温差异重流形成条件计算合适的排水口出口流速，从而保持较大的出口流速，增加温排水掺混水量，使冷却水域水面平均温度降低。但出口流速较大时，将引起排水口处海床冲刷，因此在排水口处设置一扩散段，在最不利的设计条件时不致与岸壁分离形成回流。当由于地形或其他条件限制而不能满足扩散段要求时，可在排水口前沿适当范围内设置潜水堰，堰顶高程可按平射出流控制。

如需加大排水口局部区域的温排水降温幅度时，可采取淹没或跌落出流的衔接方式，加大局部掺混作用。在潮汐入海口和海湾布置的排水口，出口流速不受温差异重流形成条件限制。必要时，排水口前沿宽度可通过冷却水物理模型试验确定。