某滨海工程自备电厂循环冷却水方案研究

黄志祥

（广东省电力设计研究院，广州510663）

0 引 言

我国沿海地区兴建的热电厂，大多在海岸及河口，所在水域水流流态比较复杂，温排水的热力运动状态较难预测。近年来，人们在预测电厂取水口的取水温升，确保循环水取水温升满足机组安全运行的设计要求作了大量的工作，取得了一些成果，但仍不大成熟。本文较为系统地对某滨海自备电厂冷却水问题进行了试验研究，对优化确定电厂取排水口布置形式及位置，减小温排水对各取水口取水的热回归影响，以减少工程量，降低运行成本，节省工程投资及相关问题的研究具有较好的参考价值［1，5－6］。

1 工程概况与水域水文特征

某滨海工程自备电厂厂址位于某市东海岛的东北角，滨临广州湾口门，紧靠海湾深水线，属南海海域。工程规划建设4台350MW掺烧煤气的供热机组和2台160MW CCPP燃气机组，分期建设，一期先建设2台350MW供热机组。厂址岸线所在海域为广州湾内的蔚葎港港湾，有大片浅滩，电厂机组的冷却用水取自广州湾的海水，拟采用直流冷却供水系统。取排水口工程布置拟采用的方案为分列式的 “深取浅排”方案。一期2×350 MW机组 （含主体工程冷却水）取排水流量31.42 m3／s；最终4×350MW＋2×160MW机组的取排水流量为73.28m3／s；取排水温差（即排汽和凝结水比焓差与冷却倍数之比）△T为9℃［4］。

工程海域潮汐性质属不规则半日潮，平均潮差约2.2m。湾内、外基本不存在河流影响，水流动力主要以潮汐水流作用为主。最大落潮潮差大于历年最大涨潮潮差，而多年平均涨潮历时大于多年平均落潮历时。厂址附近海域潮位特征值见表1。

表1 潮位统计特征值Table 1 Tide statistics characteristic value

2 模型设计与试验条件

2.1 模型规划与设计模型范围

模型按重力相似设计，满足最小基本水深和模型水流雷诺数大于临界雷诺数要求，模型按浮力与温升相似排放热水流量。模型截取范围约为15km（东西向）×8km（南北向），包容了电厂最终容量排水温升0.5℃包络线。确定的模型比尺为：平面比尺Lr＝300，垂向比尺Zr＝100，变率e＝3.0。模型按重力相似和浮力相似准则设计［5］，需满足：

以上公式中：下标r为原型与模型之比；T为水体温度；h为水深；g为重力加速度，取9.8 m2／s；ρ为水的密度；Fr为佛汝德数；FΔ为密度佛汝德数。

2.2 模型率定

模型的潮流率定是以广州三海海洋工程勘察设计中心2004年8月23～31日对该电厂附近海域全潮同步观测资料为基础，综合水文测验报告进行。

图1为物模试验的潮位率定成果，由图1可见，物模潮位率定值与基础值吻合较好；图2为物模试验的潮流率定成果，大部分流速验证点的流速值及流向与基础值吻合较好，靠模型边界的个别验证点受边界的影响，其误差率稍大，有个别点由于受西面沿岸流及厂区西面的环流影响，流向较为混乱，试验值出现短时的流向偏差。

图1 潮位率定成果Fig.1 Tidal level calibration results

图2 潮流率定成果Fig.2 Tidal current calibration results

综合可知，模型潮位、潮流及整个海域的总体流势与原体值吻合较好。试验率定结果表明，模型能够较好地模拟原体海域潮流，通过该模型进行温排水工程相关试验，其成果是可信的。

3 温排水试验及成果

3.1 方案布置

初拟的取、排水口布置有3个基本方案，其中排水口布置只有一个方案。排水口布置于厂区岸线的东北角。3个取水口布置相隔较近，布置于厂区岸线的西北角。取、排水口相距约700m，取、排水口的布置及结构尺寸详见图3，简述如下：

1）排水口布置：以5条2.6m（宽）×2.6m（高）的方管把厂房的温排水引至排水口，排水口轴线垂直于厂区岸线，排水口为喇叭形，喇叭口起始净宽13m，高2.6m，底缘高程－4.6m（黄基，下同），喇叭口出口末端净宽26m，高2.6m，底缘高程为－4.6m。

2）取水口布置：取水口的3个方案其结构形式及尺寸完全相同，只是平面布置及垂向布置略有差异。取水头部为箱涵结构，设置了12个取水窗口，每个窗口高4.5m，宽3m，取水口总净宽36m。方案1、方案2取水口都布置于厂区岸线的西北角，其轴线与岸线垂直，其中方案2布置于方案1西侧约60m处，两方案的进口底缘标高均为－9.75m；方案3布置于厂区西北角的西岸线上，取水口轴线与岸线垂直，底缘标高－9.75m，取水口朝向厂区西面挖入式 （液体化工码头）港池，是从港池取水。试验增加了取水口方案4布置（取水口轴线与方案1相同，只是取水头部往岸回缩50.88m，底缘标高为－7.99m），与方案1进行比较试验。

3.2 试验工况

为了验证设计方案布置的合理性，选用夏季中潮为试验潮型，按规划装机容量工况进行方案比较试验，试验工况组合见表2。

表2 试验潮型的工况组合Table 2 Combination condition of test tidal

3.3 试验结果

3.3.1 温排水运动特性

4个取水方案布置相隔较近，除了取水口附近局部的流态有差异外，总体的温排水流态基本相似，涨潮时段，潮流及热水流呈弦上溯，落潮流及回归热水呈弓背回落。由于厂区铁矿石码头离排水口较近，码头停泊船只对电厂的温排放会有一定的影响［6］。

3.3.2 取水温升特征

各方案试验测得的温升特征值列于表3，其中方案1取水温升过程线见图4。

表3 取水温升特征值Table 3 Characteristic value of temperature rise

从温升曲线可以看出，各个方案都是涨潮时段取水温升明显升高。主要是：由于初涨时段，潮流较弱，冷热水的热交换能力也较弱，热水于取排水间的近岸水域积聚，高温区范围扩大，涨潮时段，高温热水随涨潮流往西及西北移动，且有部分热水沿岸线扩散至取水口，使得取水温升迅速升高。于取排水口近岸水域布置垂线温升探头，各垂线都显示水深3～5m出现温跃层，随水深的加大水温逐渐降低，10m以下温升约0.1～0.2℃。方案4布置，由于取水头部水深较方案1、方案2、方案3浅，水面出现间歇性旋涡，温度相对较高的表层水被扰动，并被取水口吸纳，进入取水口的水温相对较高。方案2布置于方案1西侧约60m，与方案1相隔甚近，两方案的结构及进口标高均相同，试验测得两方案的取水温升基本一致。

厂区码头停泊船只时，受停泊船只及码头桩基的影响，沿厂区岸线向取水口西移的热水流流量有所增大，对电厂的取水产生一定的影响。由于港池码头是顺水流布置，从排水口排出的热水大部分能送至主潮流区域，沿岸向取水口扩散的热水量不是很大，并且这股热水流往取水口移动过程中，散热较快，移动400m后表面水温已降低约5℃，热水的散热主要集中于表层，传导给取水口以下的深层水体的热量有限。取水口主要取自港池的深层水，港池水温相对较低。试验测得码头有船停泊比无船停泊时电厂的平均取水温升只升高约0.3℃。由此可见，在方案1的取排水口方案布置下，电厂运行仍是安全的。方案3取水口朝向西面挖入式港池口门区，位于厂区西北角的西岸线上。取水口避开了潮流主流线，基本不受电厂排放的温排水直接影响，同时，涨、落潮进入港池的二次回归热水稀少，该方案布置时，测得的电厂取水温升最低。

3.3.3 近岸区域垂向温升分布形态

涨、落潮时段，在取水口至排水口之间以及铁矿石港池的范围内，进行了垂线温升分布测试。试验观察并测试到，排水是面流出流，热水分层较明显，沿排水轴线距出口120m处测得表层水温比排水口降低了约2.5℃，5m水深的水温比表层约降低2℃，10m以下基本不受热水影响。在码头至厂区岸线的水域，从排水口往取水口方向约300m后，表面温升及垂线温升衰减较快，测得300m处表面温升约降低4℃。取水头部150m范围内 （除码头至岸线区域）垂线温升分布梯度缩小，表面温升约1～1.2℃，5m水深的温升约0.6℃，10m以下的温升约0.1～0.2℃。

4 结 语

本文采用整体物理模型对某滨海工程自备电厂取排水工程进行研究分析，得出以下结论：

1）工程海域夏季流场总体趋势为往复流，余流方向向 （东）出海口，近厂区水域水深，潮流主流离岸较近，电厂取排水布置合理，有利于热水向外海扩散，减少湾内的热量累积。

2）模型按重力相似设计，模型范围包容了电厂温排放的0.5℃水面温升包络线，模型设计合理。模型率定成果与实测值和数模计算值吻合较好，应用于工程布置试验成果是可靠的。

3）通过物模率定，模型潮位、潮流及整个海域的总体流势与原体值吻合较好。试验率定结果表明，模型能够较好地模拟原体海域潮流，通过该模型进行温排水工程相关试验，其成果是可信的。

4）就取水而言，方案1、方案2、方案3取水口方案电厂的取水温升都较低，差别不大，可满足电厂的取水要求。方案4取水口底缘高程－7.99m时，面层热水易因取水扰动而被吸纳，当降低取水口高程 （取水口底缘－9.75m）后，这一现象消失，取水温升较低，可满足电厂取水要求。综合潮流模型试验成果以及设计的总体布置，试验选择方案4（取水口底缘－9.75m）为取水工程的推荐方案。

5）建议一期工程建成运行后，加强对电厂近岸水域的温升分布观测，验证试验成果，并为二期工程建设提供科学依据。

［1］中国水利水电科学研究院.湛江钢铁基地自备电厂冷却水工程数值模拟计算报告 ［R］.北京：中国水利水电科学研究院，2006.

［2］刘海成，陈汉宝.电厂取水明渠布置形式对取水温升的影响研究［J］.水道港口，2011，32（5）：317－320.

［3］张晓艳，倪培桐，黄健东.某滨海电厂温排水数值模拟研究［J］.广东水利水电，2011，（10）：16－19.

［4］广东省水利水电科学研究院.湛江钢铁基地自备电厂工程温排水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，2010.

［5］SL 160－95，火电厂冷却水工程水力、热力模型试验规程［S］.

［6］南京水利科学研究院.湛江钢铁自备电厂取排水对矿石专用卸船码头水流条件影响试验中间成果 ［R］.南京：南京水利科学研究院，2009.