排水导流堤对滨海电厂取水温升改善效果研究

2012-07-02王瑞锋李志永

浙江水利科技 2012年2期

王瑞锋,李志永,陈刚

(浙江省水利河口研究院,浙江杭州 310020)

1 问题的提出

海水直流冷却是指抽取海水后经过简单的格栅过滤就进入凝汽器或其它热交换设备,冷却其它介质之后直接排放[1].。目前滨海电厂循环冷却水大多数采用直流冷却方式,通过水循环热交换对热机进行冷却后,循环水温度一般升高8～12℃[2-3].。受热力学第二定律制约,一般由冷却水带走的能量为发电量的1.4～2.5倍[3].,因此,取、排水口布置时应尽量避免热量在水体中积蓄,还应减小温水团随潮运动过程中对取水温度的影响。

嘉兴电厂一、二、三期工程,总装机容量6 000MW,夏季循环水流量208m3/s,排水口设计温升9℃,取、排水口位置见图1。2005年以来每年夏季,一期取水温度逐年抬升,机组被迫降负荷运行,甚至停机,安全性和经济性受到较大影响。为保证机组的正常运行,进行改造是必要的。针对取排水工程,改造的方法包括:取排水口迁移、取排水口头部结构改造、布置方式 (差位式、分列式、重叠式)及冷却方式(直流、冷却池、冷却塔)的调整等[3-7].。

图1 取、排水口位置示意图

考虑到嘉兴电厂取、排水口的特殊布置形式,为简化改造工程,以排水口附近流场的整治为基础,构造温排水导流堤进行人工导流,研究排水导堤改造方案的实施对取水温升的改善效果,并对不同堤顶高程的方案进行比选。根据堤顶高程的不同,人工导流堤初步分为3.0,0.3,-1.2m的高、中、低潮位方案。

2 工程海域自然条件特征

2.1 潮汐

工程水域多年平均涨潮历时5.45 h,平均落潮历时约6.98 h,多年平均高、低潮位分别为2.59,-2.11m,平均潮差4.69m,属浅海半日潮。

2.2 潮流

据实测资料,工程海域潮强流急,潮流的运动形式主要表现为往复流,最大流速出现在中潮位附近,其涨、落急垂线平均流速分别为0.99～1.63,0.67～0.94m/s,具有明显的驻波特性。

2.3 水温气象

杭州湾位于北亚热带季风盛行区,夏季主要受太平洋暖气团控制。工程海域夏季历年月平均水温28.6℃[8].,夏季频率10%的日平均水温为30.3℃[9].。

3 温排水数学模型

本模型采用丹麦水力学研究所开发的平面二维数值模型MIKE21研究潮流和温排放对流扩散过程[9].。

3.1 控制方程

数学模型基本方程为:

式中:ζ为潮位(m);p、q分别为x、y方向的垂线平均流量分量(m3/s);u、v分别为x、y方向的垂线平均流速分量(m/s);h为水深(m);f为柯氏力参数;Cz为谢才系数;E为涡动黏性系数;C为垂线平均温升(℃);Dx、Dy分别为x、y方向的热扩散系数;Cp为水的比热J/(kg◦℃);ρ为水的密度(kg/m3);Qs为取排水流量(m3/s);Cs为排水温升(℃);As为取排水口位置的流体微团面积(m2);U为排水口出口流速(m/s);θ为排水口出流角度(°);K为水面综合散热系数。

MIKE21模型采用ADI差分法求解二维浅水潮波方程,方程矩阵采用双消除法(Double Sweep)求解,该格式具有二阶精度。对流扩散方程采用QUICKEST法进行离散,其差分格式为时间前差,空间中心差。

3.2 网格及边界条件

模型计算范围及边界见图2,大范围流场采用水位边界条件,并采用矩形网格,其中大范围为300 m网格,工程近区采用步长由180m逐步加密至20m的3层嵌套网格。

大范围温度场水边界条件的处理,分为出流和入流2种情况:出流时,采用扩散为零的条件;入流时,由于边界上基本不受温排放影响,入流温升边界条件取值为零。小范围计算域由大范围温度场提供温升边界条件。

图2 模型计算范围图

3.3 计算条件

乍浦潮位站每年夏季潮差累积频率10%,50%,90%的潮差分别为6.46,5.22,3.55m。从实测潮位过程系列中选择与上述潮差相近的潮分别作为典型大、中、小潮。

导堤内侧水域由于存在较大的排水流量,流速较大,会有一定的冲刷下切,根据冲淤计算,导堤内侧排水通道冲刷至-2.1m左右[9].,模型对各方案进行该反馈地形的温排水计算。

模型以连续半月潮作为温排水计算潮型,并对典型大、中、小潮进行统计。

3.4 温升验证

为检验模型模拟取水温升的可靠性,搜集了一、二期取水口1个月的逐时温度资料。基于半月潮计算的取水温升(下称 “计算”)与实测资料中分离的取水温升 (下称“分析”)可进行对比验证。

由于缺少自然水温点,仅有实测取水温度及同步潮过程,温升值采取温度过程减去每个潮对应的最低温度进行分离。取、排水口距离较近,最低点温度可能已受温排水影响,而且自然水温理论上为一变化过程,因此基于该方法提取的温升值可能稍偏小[10].。

取水温升与潮动力关系比较密切,而潮差是水动力强弱的直接反映,因此,采用与温度资料同步的实测潮系列与计算半月潮系列进行潮差匹配,从中选出匹配较好的潮型,分别进行温升统计。匹配后筛选出的取水温升统计值见表1,其中平均温升为筛选出的全部温升样本系列的平均值,最大温升为该系列中每个潮对应的最大温升的平均值。数据表明,平均温升计算值与分析值基本相当,最大温升计算值比分析值高1℃左右,由于峰值持续时间一般很短,所以模型通过半月潮计算基本能反映真实的取水温升。

表1 温升分析值与计算值对比表 ℃

3.5 方案比选

现状条件下,取水温升平均值、最大值均表现为小潮＞中潮＞大潮,这与小潮流速小,热量掺混能力差有关,所以小潮为不利潮型。下面重点对典型小潮条件下的取水温升影响进行分析,各方案温升统计见表2。

表2 方案实施前后取水温升统计表

对于取水温升的改善作用,各导堤方案均有明显效果,分析如下:

3.5.1 方案综述

3.0 m方案,温排水基本全部导往下游;0.3m方案,落急后流向一期取水口的温排水被导向下游;-1.2m方案,由于导堤不高,排水流量较大,低潮位时仍有部分温排水越过导堤向一期取水口区域扩散。

3.5.2 3.0m与0.3m方案比较

3.0 m方案对一期取水口的改善优势主要集中在高平潮附近,而此时的计算温升呈尖瘦型,历时很短,水位较高,加上温度垂向分布影响,所以3.0m方案与0.3m方案相比改善效果并不明显。

3.5.3 -1.2m与0.3m方案比较

-1.2m方案和0.3m方案相比,平均取水温升前者比后者高0.7℃以内,各级温升历时也基本相当,因此就取水温升比较来看,0.3m方案略优于-1.2m方案。

3.5.4 敏感分析

对于-1.2m方案,考虑到温排水漫顶流量与导堤内侧排水通道过水面积有直接关系,以及本方案一期取水口附近温升梯度较大,所以对一期取水口附近区域进行温升敏感分析。向岸边方向距离一期取水口约20m处取一分析点进行温升统计见表3。由表3可见,无论大、中、小潮的平均温升还是最大温升该分析点均有较大幅度的抬升,其中最大温升达8.44℃,比一期取水口升高约1.6℃。因此,码头内侧地形变化导致的流场改变或由于排水通道面积变化导致温排水漫顶流量的增大,都可能进一步抬升一期取水口的温升,影响机组效率。