上海石洞口第一电厂改建工程温排水物理模型试验研究

鞠奔，徐世凯，王勇，阮仕平

(南京水利科学研究院，江苏南京210024)

上海石洞口第一电厂改建工程温排水物理模型试验研究

鞠奔，徐世凯，王勇，阮仕平

(南京水利科学研究院，江苏南京210024)

基于温排水物理模型相似条件，建立了由潮控系统、可调节加热温控系统和温度多点采集系统等组成的温排水物理模型。分别在各种潮型下进行了试验，对改建后的电厂机组温排水的温升分布及取水温升状况进行了分析。对改建后利用现有取排水设施的合理性进行了论证，为工程建设和相关环评工作提供了科学依据。

温排水;物理模型;潮流模拟;取、排水口

1 概况

华能上海石洞口第一电厂位于上海宝山区月浦镇，濒临长江口南支，现有燃煤发电机组装机容量为4325MW，拟将原机组改建升级为2660MW超超临界燃煤发电机组，并留有后期扩建余地。由于电厂地处长江口区域，水流除受到长江径流影响外，还受到潮汐作用，使水流随潮往复运动。在该电厂附近5km内还有多家电厂同时运行，取排水设施间存在相互影响，对温排水的输移和扩散较为不利。由于陈行水库为上海市重要的水源地之一，故在该区域设有一、二级保护区，需研究温排水对此区域的环境影响。本研究通过物理模型试验，分析温排水随潮运动和温升变化及分布规律，以满足温排水相关环保要求，确保电厂安全而经济地运行。

2 模型设计

2.1 模型范围

模型范围的选取既要保证水流运动的相似性要求，又要考虑温排水的运动范围，并保证所关心区域水流条件不受模型边界的影响［1－2］。另外，为更真实地反映温排水热量累积效应，要求试验时温排水不溢出或少溢出模型开边界，因此模型上下游边界需与排水设施保持相当的距离。综合考虑将模型上游边界选择在陈行水库上游4km处，模型下游边界选择在距本工程排水口10km处，总长约23km，横向宽度上距岸约4～5km。模型范围示意见图1。

图1 模型范围示意

2.2 模型制作

模型以2011年11月份1∶5000、1∶2000地形图为基准制作，电厂附近局部范围采用由电厂提供的取排水口设施附近大比尺地形图制作，其余区域测量地形数据不足采用其他地形图进行补充。模型制作采用断面法，平面误差在1cm以内，高程误差在1 mm以内。

2.2 相似准则

由于排水近区以浮射流为主，宜采用正态模型进行模拟，但考虑远区综合散热相似则需模型变态，采用小变率模型可兼顾近区和远区的相似要求。参考类似研究结果［3－5］，并依据相关技术规范［6－7］，结合取排水工程布置特点、模拟范围及场地条件，选择模型水平比尺λl=360，垂直比尺λh=120，模型变率ε=3，其他相关比尺见表1。

表1 模型比尺

2.3 边界控制

模型下游边界由尾门系统控制潮位过程，上游边界由按单宽流量布置的32小型潜水泵及控制柜所组成的多泵系统控制流量过程。两套系统均配有相应的计算机进行自动控制，其边界条件由先前数学模型计算资料［8］给出，并在试验过程中根据水位、流场实测资料［9］进行调整。

2.4 量测设备

水位采用南京水科院自行研制的自动跟踪式水位仪进行测量，并与相应的潮位系统控制计算机连接进行数据的实时采集，由此控制尾门系统的运转从而控制潮位起落。流速采用LGY－II型旋桨流速仪，启动流速为1.5cm/s，测量范围为2－100cm/s; Nortek Vectrino小威龙三维点式流速仪，测量范围0.01～4m/s，测量精度为测量值±0.5%±1mm/s，采样率为1～25Hz。

加热采用自制可调压恒温加热器，通过调节加热棒功率而达到控制一定流量液体温度的目的。试验时考虑到能量损耗和加热棒加热效率等问题，可先进行调试性试验，逐步微调电压至温升稳定。

采温系统主要包括Enview测温系统和自动跟踪水位仪及相连测架。测温系统可对表面和垂向温升分布进行监测，温度传感器测量分辨率为0.1℃，精度为±0.1℃，可同时实现256点温度数据采集。温度采集结果由计算机自动保存、处理，并且在试验同时以表格、图像等实时显示。

测点的要求:测温探头应固定于与多台自动跟踪水位仪间的可升降测架上;在取排水口及关心区域内应该加密布设，在需要了解垂向温升分布的地方增加沿垂向布置的传感器;为体现由感潮河段往复流产生的温度累积效应，应取试验中模拟的多个潮周期下取排水设施连续运行一定时间的温度场采集数据用作分析，因此要保证测点分布范围足够，尤其注意纵向范围。测点布置大体采用断面法，将布置15～20个断面，断面间距在1.5m～2.0m之间，在需要垂向分层布置传感器的测点，根据水深情况布置5个传感器。本试验总计布设测点200余个，传感器数量符合系统要求。测点布置见图2。

图2 温度测点布置

3 模型验证

以长江口水文水资源勘测局开展的水文测验实测资料为基础进行流场验证［9］，验证点选取见图3。其中流速验证点为点1、2、3、4、5，潮位验证点为点1。以实测潮型的各个时刻表面流速大小和方向为标准，调整数学模型提供的典型潮型的流量过程，复原原型流场。经过调整，除个别时刻流速、流向偶有偏差外，试验与实测流速、流向过程线形态基本一致，涨、落潮段平均流速偏差控制在±10%内;试验潮位过程与实测潮位过程基本一致，高低潮位的相位偏差在±0.5h以内，最高最低潮位值偏差在± 10cm以内。验证结果反映出物理模型水流和实测水流流动过程吻合较好，满足进行温排水模型试验的相关要求。

图3 流场验证点布置

对取水温升验证采用现有取排水设施运行时的实测资料，结果表明，除个别时刻以外，模型试验与实测数据基本一致，说明模型可以反映出电厂实际运行过程中温排水力热力特性。

4 试验及结果分析

4.1 取排水工程布置

现有取排水设施采用深取浅排的差位式布置方案，利用感潮河段往复流的特点，取排水口在横向保持一定距离，使得取、排水口分别位于不同流道，减少相互间的影响。试验取水口设于离岸约800m的－9.00m等深线处，末端设有6只2.82m×2.82m多点式侧面进水窗式取水头，排水口设于取水口下游约700m，离岸约100m的0.00m等深线处，末端设有6只1.54m×1.54m多点式排水口。基于工程的特点和经济性上的考虑，拟利用现有取排水设施，仅对发电机组等进行改建。

4.2 环境水温

根据长江徐六泾水文统计资料和电厂附近水温观测资料，附近区域水温最高31.8℃，最低2.7℃，年平均值为18.1℃。夏季3个月累计频率10%的平均自然水温为30℃，考虑不利条件的原则本试验环境水温取为30℃。

4.3 试验工况

试验工况见表2。鉴于该电厂附近还有多座电厂(华能上海石洞口第二电厂一期二期、石洞口燃机电厂、宝钢电厂)同时运行，各个电厂的温排水同时排入该区域，并随潮往复运动，将对本工程取排水产生一定影响，因此试验中应同时保证周边电厂取排水设施的正常运行。

表2 温排水物理模型试验工况

4.4 取水温升

各个试验潮型的取水温升值见表3，温升随潮变化日过程线见图4。全潮取水温升随潮型从大到小略有降低，在最低潮位潮型下最大取水温升较高。从过程上来看，各潮型高平与低平憩流状态时，主流区流速降低，温排水向主流区方向扩展范围略微加宽，取水口区域受到更多温排水的影响，此时取水温升值达到最大，当潮流转为落潮和涨潮后，温排水对取水区域的直接影响逐渐减弱，取水温升逐渐减小。

表3 各工况取水温升统计

图4 2×660MW机组运行各潮型下取水温升日过程线

4.5 垂向温升分布

为了解取水口附近的温升垂向分布情况，在取水口前方约5m处布置了1个垂向测温点，沿垂向布置了5个不等间距的温度传感器，分别距水面0m，1.2m，2.4m，3.6m，7.2m。试验结果表明，取水口前沿的温升分布具有明显的分层现象，表层与底层的温升差值最大为4.0℃，水深大于3.6m区域在各潮型下除个别时刻外温升均在1℃以内，小于3.6m区域温升随潮型变化，水动力条件越强的潮型表层温升越小，总体来说底层水温较少受到表层温排水的影响，有利于目前深取浅排的取排水口布置方案。

4.6 表层温升分布

试验各工况下温升包络线面积统计值见表4。由温升包络线面积统计可以看出，最低潮位温升包络线面积最大，除最低潮位外，4℃、3℃和2℃的温升包络线包络面积依典型小潮、中潮、大潮依次递减，造成这种现象的原因是高温升区靠近岸边，属于岸边弱潮流区，温排水的散热主要通过水动力输运及扩散，相对来说大潮水动力条件更为有利，潮位变化更为剧烈，温排水输移和扩散作用较强，使得温排水排出后散热较快，反映在温升分布上就是相同温升的包络线面积更小。而1℃和0.5℃温升包络线包络面积变化规律有所不同，依小潮、中潮、大潮依次递增，原因是低温升区域距离岸边更远，而距离主流区较近，温排水在此区域受到外侧较强主流的挤压，横向扩展受到阻碍，总体上呈贴岸随潮运动状态，在大潮的水动力条件下近岸区水流流速相对较大，携带温排水的距离较远，故影响面积较大，而小潮的水动力条件较弱，携带温排水输移扩散的距离最近，故影响面积较小。温排水对陈行水库饮用水源地保护区的影响参见表5，由表中保护区内等温升包络线包络面积数据可知，1℃全潮最大温升区有部分进入陈行水库二级保护区，但一级保护区未受此影响，而1℃全潮平均温升区对一、二级保护区均无影响，符合保护区内周平均温升不得大于1℃的环保标准。

表4 全潮平均(最大)等温升线包络面积统计

表5 陈行水库二级、一级保护区内的全潮平均(最大)等温升线包络面积统计

5 结语

(1)研究基于长江口石洞口段地形及水文资料，建立了包含工程区域的小变态物理模型，对潮位、流场的验证表明，模型能够较好地复演原型流场，从而为准确模拟温排水的运动奠定了基础，同时对取水温升的验证表明，模型能够反映出电厂实际运行过程中温排水的热力特性。

(2)试验结果表明，温排水出流后，受到深槽主流的挤压，横向扩展受到一定的阻碍，横向范围小而纵向范围较大，温排水高温升区域多集中在岸边附近贴岸随潮运动，温升由岸边向主流区依次递减，采用差位式取排水设施布置形式很好地利用了这种特点，取水口与排水口的高温升区域保持一定距离，同时利用温排水分层效应深取浅排，取水温升满足电厂安全高效运行要求。

(3)温排水影响范围多集中在近岸区域，高温升区域扩展范围不大，1℃全潮最大温升区对陈行水库二级保护区仅有轻微影响，符合相关环保标准。

［1］谢鉴衡.河流模拟［M］.北京:水利水电出版社，1992.

［2］陈惠泉.冷却水运动模型相似性的研究［J］.水利学报，1988 (11):1－9.

［3］徐世凯，童中山.华能上海石洞口第一电厂(2×1260MW)高效机组改建工程温排水物理模型试验研究报告［R］.南京水利科学研究院，2013.

［4］徐世凯，童中山.华能上海石洞口第一电厂(2×1000MW)高效机组改建工程温排水物理模型试验研究报告［R］.南京水利科学研究院，2014.

［5］徐世凯，朱进国.谏壁电厂“以大代小”改建工程取排水口水工布置［J］.河海大学学报(自然科学版)，2007，35(5):581－586.

［6］南京水利科学研究院.SL155－2012水工(常规)模型试验规程［S］.北京:中国水利水电出版社，2012.

［7］中国水利水电科学研究院.SL160－2012冷却水工程水力、热力模拟技术规程［S］.北京:中国水利水电出版社，2012.

［8］赵懿珺，梁洪华.华能上海石洞口第一电厂高效机组改建工程温排水数模计算研究报告［R］.中国水利电科学研究院，2012.

［9］浦泽良，郭忠良.华能石洞口第一发电厂“上大压小”改造取排水工程原型观测水文测验技术报告［R］.长江委水文局长江口水文水资源勘测局，2011.

Experimental investigation on thermal discharge of reconstruction project of the Shanghai Shidongkou First Power Plant by physical model

Based on the similar laws of physical model of cooling water，it established a cooling water physical model that consists of tide control system，adjustable heating temperature control system and multi－point temperature acquisition system.A series of experiments have been done under various tide type after reconstruction of the power plant then the temperature rising distribution of the discharge water and the temperature rising situation of inlet water have also been analyzed.The rationality of using the existing intake and drainage facilities after reconstruction has been demonstrated，this would provide a scientific basis for the construction project and related Environmental Impact Assessment work.

thermal discharge;physical model;tide simulation;infall and outfall

X57

B

1674－8069(2015)06－008－04

2015-06-12;

:2015-08-26

鞠奔(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为环境水力学。E－mail:juben1990@163.com