内陆核电液态流出物排放口型式优化研究

李俊雄，陈小莉，纪 平，王松平

（1.湖南桃花江核电有限公司，湖南 益阳 413000；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

内陆核电液态流出物排放口型式优化研究

李俊雄1，陈小莉2，纪 平2，王松平1

（1.湖南桃花江核电有限公司，湖南 益阳 413000；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

液态流出物排放方式优化是内陆核电重点关注的问题之一，本文针对国内某内陆核电厂址液态流出物排放口型式进行优化研究，以提高初始稀释度，降低液态流出物排放对环境水体的影响。选取CORM IX软件作为优化工具，采用河道实体模型试验近区稀释度测量结果对CORM IX断面概化合理性进行了验证分析，在此基础上对单喷口和多喷口排放的出流水平方位角、垂向仰角、出流流速，多喷口间距等参数进行了优化，提出了各参数适宜的取值范围。研究表明，本厂址水深有限，采用水平深层排放加强垂向掺混能获得更好稀释效果，同等环境流速、水深，采用相同的排放仰角、排放流速和排放位置等设计参数，多喷口排放型式稀释效果优于单喷口。本文结果可供工程设计和相关研究参考。

CORM IX；液态流出物；排放口型式；优化

1 研究背景

鉴于内陆核电受纳水体的环境容量较滨海核电小，且受纳水体是当地的生产、生活用水水源，液态流出物排放成为了内陆核电建设中公众关注的焦点问题之一。为确保内陆水资源安全，国家标准规定的内陆核电液态流出物解控排放浓度限值远低于滨海核电厂。在实现达标排放的基础上，为进一步降低排放对环境的影响，消除公众对内陆核电建设的顾虑，增加核电厂运行的灵活性，对内陆核电厂液态流出物排放口型式进行优化尤为必要。

液态流出物一般与循环水排污水充分混合后进入环境水体，排水温度高于环境水体，在排放口近区以浮射流/羽流形式与环境水体快速掺混，直至接触到水体任一边界面（底面、表面、边壁）或在温跃层附近被捕获［1］，过渡到远区后污染物扩散主要受环境流主导，稀释速率变慢。优化排放口出流型式旨在使污染物在排放口近区尽快与环境水体掺混均匀，获得最佳初始稀释效果。国内以往对于液态流出物排放影响研究以远区环境水动力作用下的污染物输移扩散为主，对排放近区关注相对较少。随着环保要求的不断提高，近几年逐渐开始重视对排放型式的优化研究［2］。CORM IX软件是美国环境保护署认可并推荐用于液态流出物排放的混合区水动力模型和决策支持系统。该软件系统基于经验射流理论和大量物理模型试验，可以用于分析排放的混合区稀释过程，包括分析表层排放的CORM IX3模块和分析深层单孔排放的CORM IX1模块、以及分析多孔排放的CORM IX2模块［3］，在美国内陆核电厂温排水浮力羽流扩散混合区估算以及液态流出物排放影响评价中获得应用，并得到美国核管会认可，在我国内陆核电排放优化研究中有初步应用探讨［4］。

本文以某内陆滨河厂址为例，采用物理模型试验测量结果对CORM IX进行验证分析，将COR⁃M IX应用于某内陆核电厂址的排放口型式的优化，对使用过程中模型的适宜性进行探讨。

2 CORMIX模型验证

CORM IX模型在分析排放出流掺混时需要将受纳水体概化为矩形明渠，且下游方向概化为沿着水体平均流动方向的均一断面，为了防止对断面极端不均匀水域稀释能力的不当应用，CORMIX限定排水口处设计水深与概化断面水深相差不超过30%。由于排放口近区的稀释主导作用是初始出流动量和浮力差，且小范围内地形和环境流速改变不至于太大，CORMIX模型将环境水体概化为矩形明渠的做法对于近区模拟影响相对小，为了对概化参数合理性进行验证，采用厂址排水河段1∶50正态模型PLIF测量的浮射流中心线高度和中心线稀释度与CORMIX计算值进行了对比。所研究的内陆滨河核电厂址排水水域为弯曲型河道，地形不规则，排水口位于深槽靠岸一侧的斜坡上，排水水域概化水深取为10.23m，排水口在概化断面上的位置按实际离岸宽度取为26m，设计水深10m，排放口处环境流速为0.04 m/s，环境水温依据实验室水温设为7.8°C，排放流量0.52 m3/s，排放水温比环境水温高出6°C，验证以单喷口排放为例，排放管径0.8m，排放管轴线水平方向上与环境流夹角取为45°，垂向仰角为-2°，排放管距河底高度2.9m。

实体模型测量和CORMIX计算的中心线高度和中心线稀释度对比分别见图1和图2所示，其中横坐标L表示中心线至排放源点的水平长度，Z为水深，S为中心线稀释度，由于浮射流上升至自由表面（Z=0m）附近时实测射流中心线和中心线稀释度较为紊乱，这里给出了L＜25m范围内的结果。图1中可以看出计算的中心线高度沿程分布与实测曲线趋势一致，计算的中心线高度在后半段比实测略大。图2中计算的稀释度曲线与实测基本接近，计算的稀释度增长速率稍大。在出流起始端，射流理论认为中心线处射流未发生掺混，中心线稀释度为1［7］，CORM IX给出的值与理论值一致，模型实测值则大于1，这是由于试验中射流出流紊动剧烈，射流中心线是摆动的，实测固定断面在连续拍摄时有时不能捕捉到中心线，再经过时间平均处理后得到的稀释度会比中心线稀释度偏大。CORM IX软件依据动量、浮力等不同作用力主导段采用不同公式分段求解，两段之间采用联立求解确定连接点，不同段稀释度曲线有时会存在拐点，在拐点附近精度会稍差，但整条曲线与实测的总体偏离度不大。验证结果表明CORMIX依据工程水域断面概化处理计算的近区射流轨迹及初始稀释度与实体模型测量结果接近，用于比较不同排放型式的近区初始稀释效果是可行的。

图1 射流中心线高度沿程分布

图2 中心线稀释度沿程分布

3 单喷口排放优化

选取环境流速Ua=0.04 m/s，环境水温18℃，排放口断面概化水深10.23 m，排水流量0.52 m3/s，排水温度高出环境水温3°C，单喷口排放管直径初步为0.8m，排放口距离右岸初步为26m，排放口距河底高度为2m。采用CORM IX对单喷口排放出流与主流方向的水平夹角σ、出流仰角θ、出流流速u0等进行了优化。

3.2 出流仰角排放管径按0.8m计，出流流速为1.04m/s。固定水平夹角σ=60°，出流仰角θ在0～60°之间变化，得到中心线稀释度沿程变化见图5所示，可以看出稀释度对出流仰角的敏感性高，仰角越小，稀释度越大，θ=0°时出现了射流触底，其稀释度曲线与其它取值时有异。由于本厂址水深条件有限，建议单喷口尽量采用水平出流，以充分利用垂向掺混获得较大初始稀释度，同时为避免底床污染，可以采取5°～10°的小出流仰角。

3.3 出流流速固定水平夹角σ=60°，出流仰角θ= 10°，通过改变管径使出流流速u0在5.41～0.66m/s之间变化，计算得到的稀释度曲线如图6所示，可以看出出流流速越大，近区稀释度越大。然而过大的出流流速容易导致污染团触底和贴岸。在不改变其它参数条件下，根据CORM IX试算排放流速在6 m/s以上时会发生触底。考虑到厂址排水量在特殊情况

3.1 水平夹角排放管径按0.8m计，出流流速为1.04m/s。固定出流仰角θ=5°，排放出流与主流（X向）水平夹角在0°～90°之间变化，其它参数采用初设值。图3中给出了σ为0°、45°和90°时浮射流在水平面（XY）和纵断面（XZ）的投影，可以看出σ越小，浮射流沿X方向上升越慢，表面羽流的横向展宽越小。当浮射流上升越慢，热团宽度增加越快时，掺混面越大，稀释效果越好，从图3的结果看稀释效果并不是与σ呈单向变化关系。图4中给出了不同s值对应的近区中心线稀释度曲线，可以看出不同水平夹角近区末端至源点在X方向的长度不同，最终初始稀释度也不同，σ=45°时近区末端中心线稀释度最大，即初始稀释效果最好，σ较小时表面羽流很快接触到边岸，触岸会造成热团堆积在近岸水域，不利于液态流出物扩散，如果要采用较小的σ值，为防止贴岸效应需要将排放管离岸距离增大更多。此外根据表面羽流区计算分析σ=60°与45°夹角时羽流区末端稀释度较接近，大于其它角度时的值，为了尽量获得大的稀释度，有效节约主管长度，建议本厂址单喷口排放最佳水平夹角σ的取值范围为45°～60°。下会倍增，为了防止底床污染，正常情况下设计流速应控制在3m/s以下，此外喷口射流流速增大会使水头损失增加，因此出流流速的确定还需根据可接受的水头损失、可选管径等进一步分析。

图5 单喷口不同出流仰角下的稀释度曲线

图3 浮射流羽流在平面的投影

图4 单喷口不同水平夹角下的稀释度曲线

图6 不同出流流速中心线稀释度曲线

4 多喷口排放优化

多喷口出流仰角和出流流速的优化结果基本与单喷口一致，不再赘述。这里主要介绍多喷口排放出流水平夹角、上升管间距等的优化。CORMIX2模块在处理多喷口排放时将扩散器概化为窄缝平面出流，缝宽，其中D0为喷口直径，L0为相邻喷口间距［5］。CORM IX2模块在计算时要求排放管长不能小于排放水深，本工程排放口处水深约10m，优化出流参数初步假定扩散器管长12m，上升管数量为5，每个上升管上单喷口出流，喷口直径D0=0.3m，出流流速为1.47m/s。

4.1 水平夹角多喷口排放水平夹角σ与扩散器轴线水平方位以及支管与扩散器主管间夹角均有关，可以有非常多的组合。CORM IX2模块可以用于分析常见的3种：（1）单向出流，所有的喷口/喷嘴都朝向扩散器管线的同一侧且出流方向与扩散器轴线接近垂直，出流方向接近水平；（2）分段出流，所有的喷口朝向与扩散器轴线平行的方向，或者呈小角度偏向任一侧，总出流动量朝向扩散器轴线，出流接近水平；（3）交错出流，所有的喷口指向不同水平方位，喷口总出流不产生净水平动量，喷口出流垂向仰角θ接近0°或90°［3］。首先对单向出流、分段出流和交错出流3种方式进行了比较，交错出流由于上升管数量为奇数，采用单根上升管上4个喷嘴，另2种方式采用单喷嘴，3种方式出流流速相同，计算的稀释度曲线见图7所示，由于CORM IX2模块将出流简化为窄缝线性出流的假定在喷嘴射流交汇前存在一定偏差，因此对多孔排放以排放口下游50m处稀释度进行比较优化（下同），图中可以看出单向出流效果最好。

为了分析单向出流不同出流水平方位的影响，改变扩散器轴线与主流的夹角以实现喷嘴出流与主流不同的水平交角，计算的稀释度曲线见图8所示。可以看出σ=0°，即出流方向与环境流同向时，稀释效果最好，此时扩散器与主流的交界面横向宽度最大，参与稀释的主流流量大，随着交界面横向宽度减小，初始稀释度逐渐下降。根据优化结果，对于水平布置的扩散器，采用主管轴线与主流垂直的单向出流方式，出流在水平方位上与主流同向时近区稀释效果最佳。

图7 3种扩散器出流方式的稀释度曲线

图8 固定主管改变支管出流角度的稀释度曲线

4.2 上升管间距多孔射流经过一定距离后，相邻射流相互交汇，若喷口十分密集，射流交汇时的残余动量有助于掺混程度的增强，但由于掺入大量“污水”，其稀释效果反而有所降低［6］。喷口间间距太大时，相邻喷口的射流不会互相干扰，扩散器在排放口近区的稀释特性接近于单喷口出流，管长会有一定浪费。根据单喷口射流轨迹得出触顶前的射流段长度约20m，据此可得射流末端的射流宽度W为：W=2×0.114×X+D0=2×0.114×20+0.3=4.86m。当管间距超过4.86m时相邻射流在到达顶部前不会交汇。

图9 不同上升管间距中心线稀释度曲线

图10 单喷口和多喷口排放中心线稀释度曲线

选取了3种喷口间距进行比较，计算的稀释度曲线如图9所示，可以看出随着喷口间距增大，稀释度增加。根据以往研究成果，为了取得最大初始稀释度，又不使扩散器太长造成浪费，让射流在刚好接近水面时开始相互交汇为最佳，垂直圆射流孔间距在静水条件下建议取1/3倍水深，动水条件下可略加大，对水平射流，可允许孔口间距更大一些［7］。结合本文的优化结果，建议上升管间距3～5m以内。

5 单喷口排放与多喷口排放比较

以单喷口水平夹角σ=60°，喷口离岸距离26m与多喷口水平夹角σ=0°，离岸近端距离14m，远端距离26m，单喷口和多喷口离底高度均按2m，出流仰角均按10°，出流流速均按2.5m/s考虑进行对比。计算结果对比见图10，多喷口排放计算的排放口下游50m处中心线稀释度为30.3，单喷口则为14.8，多喷口排放稀释度约为单喷口的2倍，图中还给出了多喷口排放在射流交汇前CORMIX1模块求解的单喷头射流中心线稀释度，比单喷口排放的稀释度高。比较结果说明同等排放环境条件，同样出流仰角及出流流速下多喷口排放优于单喷口排放。

6 结论

与实体模型试验测量结果对比表明，针对依托厂址排放模拟所采用的CORMIX断面概化参数对模拟近区稀释是合理的，可以据此开展排放口近区分析和排放型式优化。根据环境流速0.04m/s，水深10.23m的优化结果，单喷口排放出流流速建议在3m/s以内，出流水平方向与主流呈45°夹角时获得最佳稀释效果；多喷口排放主管尽量与岸线垂直以获得射流与环境流更大的横向交界面宽度，喷口出流方向与环境流水平夹角在45°以内效果更好，多喷口上升管间距在3～5m以内。由于厂址水深有限，排放应尽量采用近水平向出流，出流仰角可采用5°～10°小仰角防止射流触底。同等环境条件和排放仰角、流速等设计条件下，多喷口排放比单喷口能获得更好的初始稀释效果。当CORMIX用于分析计算远区时断面概化对计算结果可能存在较大影响，需要采用物理模型进行进一步验证。对于大范围浓度模拟建议近区采用CORMIX软件与远区水动力数学模型耦合计算。

［ 1］ Robert L Doneker，Gerhard H Jirka.Expert system for hydrodynamic mixing zone analysis of conventional and toxic submerged single portdischarges（CORMIX1）［R］.Athens，GA，1990.

［ 2］ 曾利，秦晓，纪平.核电厂排水深层排放研究工作报告［R］.北京：中国水利水电科学研究院，2012.

［ 3］ Robert L Doneker，Gerhard H Jirka.CORM IX USER MANUAL A hydrodynam icm ixing zonemodel and decision support system for pollutantdischarges into surfacewaters［R］.Washington D C，2007.

［ 4］ 刘永叶，杨阳，乔亚华，等.滨河核电厂液态流出物排放方式的对比分析［J］.环境科学与技术，2015，38（4）：133-137.

［ 5］ Paul JAkar，Gerhard H Jirka.CORM IX2：An expert system for hydrodynam icm ixing zone analysis of convention⁃aland toxicmultiportdiffuser discharges［R］.Washington DC，1991.

［ 6］ 韦鹤平，李行伟，钱达仁，等.环境工程水力模拟［M］.北京：海洋出版社，2001.

［ 7］ 郭振仁.污水排放工程水力学［M］.北京：科学出版社，2001.

Study on optimization of inland NPPliquid effluent outfalltype

LI Junxiong1，CHEN Xiaoli2，JI Ping2，WANG Songping1
（1.Hunan Taohuajiang Nuclear Power Company，Ltd.，Yiyang 413000，China；2.China Institute of Water Resourcesand Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Optimization of liquid effluent discharging approach is an important problem for inland NPP.In this paper，the discharging outfall type of a planned Chinese inland NPP site is optimized to raise the ini⁃tial m ixing rate and decrease the impact of effluent on the marine environment.CORM IX is used as the op⁃timization software in this study.The measured mixing data of a scaled field model is used to verify the feasibility of schematization of the water body's geometry parameter in CORMIX.Then the parameters such as horizontal angle，vertical angle，discharge velocity，and port spacing are optimized for single port dis⁃charge type and multiport diffuser discharge type.Optimal value range for these discharge parameters is giv⁃en.Since the environmental water depth is shallow in the studied NPP site，the nearly flat and deeply p laced outfall type is more efficient in mixing.Different type comparison shows the mixing rate of the diffus⁃er discharge type is better than the single port discharge type with same discharge vertical angle and initial velocity in the same environmental water velocity and water depth condition.The result provides useful refer⁃ence for the project design and similar other studies.

CORMIX；liquid effluent；outfall type；optimization

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Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.05.013

1672-3031（2015）05-0391-06

（责任编辑：韩 昆）

2015-05-18

国家自然科学基金项目（51209228）

李俊雄（1981-），湖南湘潭人，高级工程师，主要从事核电辐射防护、环境保护、应急准备和职业健康管理研究。

陈小莉（1980-），女，湖北天门人，博士，高级工程师，主要从事电厂环境水力学研究。E-mail：chenxl_iwhr@126.com