差位式取排水布置下滨海核电温排水试验研究＊

葛小玲，赵懿珺，袁 珏，刘召平，曹佑群

（1.国家核电技术公司 国核电力规划设计研究院，北京100095；2.中国水利水电科学研究院，北京10038）

近10a我国核电建设进入快车道。截至2014－12，全国已建和在建核电厂17个，其中投入商运机组22台、在建机组25台［1］，核电分布呈滨海式布局。滨海核电绝大多数采用直流冷却方式，以海水作为冷却水源。核电运行时，取水口源源不断吸取较低温度的海水进入循环水管路，低温水经凝汽器热交换后水温升高6～11℃，最终从排水口排入环境海域。每单台百万千瓦核电机组的循环水流量大约50～60m3／s，伴随核电站温排水排出的还有余氯与放射性液态流出物。大量的含热废水排入海域随潮输运，一方面造成核电自身取水温升增高，降低电厂运行经济效益；另一方面长期作用于海洋生态环境，还会改变水体理化特性、加重富营养化、引发赤潮，甚至损害生态结构和功能。取排水口工程布置是决定温排水水力、热力特性的关键因素，也是核电规划设计中必须解决的首要技术问题。火、核电厂常用的取排水布置有3种类型：分隔式、重叠式与差位式［2］。其中，差位式取排水布置在潮汐水域核电工程中应用最为广泛。因此，开展滨海核电差位式取排水布置下温排水的随潮输移扩散规律研究，对保障电厂取水安全、提高运行经济效益、减小环境影响具有重要的现实意义。

对于感潮河段和以顺岸往复流为主的海湾，温排水从排口流出后随潮输运，热水带呈伴岸窄带型分布，顺潮流方向扩展较长，垂直于潮流方向较短。利用潮汐水域热水运动的上述特点，中国水科院在上世纪80年代进行感潮河段谏壁电厂冷却水研究时，提出差位式取排水布置，即同一过水断面上在取水口（或者排水口）前缘离岸一定距离设置排水口（或取水口），使得取水口避开热水通道［2］。随着沿海火、核电厂的快速发展，差位式取排水布置下温排水的输运特性受到许多学者的关注。物理模型与数学模型是进行温排水模拟预报的主要手段。岳钧堂利用大亚湾核电工程海域潮流具有辐合辐散流的特征，依据差位式理论提出南取东排的取排水布置，通过物理模型试验研究了温排水随潮运动规律，发现涨、落潮过程中热水与冷水均可各行其道［3］。华祖林采用二维水动力数学模型和物理模型对比研究了感潮河段电厂采用分隔式与差位式取排水布置时温排水扩散的差异，结果表明后者更优［4］。陈惠泉采用全潮水力、热力模型开展了台山火电厂温排水随潮输移扩散研究，利用厂址海域地形与潮流特点提出将取水口设在处于冷水通道的港池内，而将排水口设置防波堤外侧，模拟结果表明无论涨潮或落潮，热水均受防波堤阻挡而无法直接进入取水港池口门［5］。徐世凯等通过局部正态模型研究谏壁电厂“浅取深排”近区的温差异重流运动特性［6］。郝青哲等选择k－ε紊流模型对比研究了概化水槽中差位式与重叠式取排水的扩散规律［7］。张晓艳等针对潮流为往复流动的海湾，采用二维数学模型模拟了不同布置方案下温升分布特点，结果显示温升场呈带状分布、差位式布置具有明显优势［8］。

1 工程概况

某滨海核电厂，规划总容量为8 000MW，由1台高温气冷堆、4台AP1000压水堆、2台CAP1400压水堆组成。核电采用直流供水系统，以海水作为冷却水源。规划容量下循环水流量为435m3／s，取排水温差为8.3℃。

厂址附近海湾岸线呈“W”型，核电厂位于海湾中间岬角位置，东、北、南三面环海，东侧濒临开阔大海，北侧与南侧各有一小浅湾（图1）。近岸水域等深线与岸线大致平行，－5m等深线离岸300～500m，－10m等深线离岸1 500～2 500m。工程海域属不正规半日潮，平均涨潮历时与平均落潮历时比较接近。潮差较小，典型大潮、中潮与小潮的最大潮差分别为1.86，1.44与1.03m。全潮水文测验资料显示，厂址海域潮流主要受岸线与地形控制，主潮流基本呈东北－西南走向的往复流，涨潮流自NNE至SSW方向运动，落潮流基本相反。潮流较强，涨、落潮平均流速约60cm／s。厂址南北侧两个凹湾水域存在回流区，回流区范围与外海潮流强度、流向有关。

图1 工程海域潮流流速分布Fig.1 Tidal current distribution in the project sea area

2 差位式取排水布置

温排水在环境水体中的运动规律是布置取排水的基础依据。差位式取排水布置利用热水带顺流窄长形分布的特点，将取排水口间距的着眼点从顺流向转移到垂直于水流方向［5］，通过在垂直于潮流方向拉开取排水间距，使得取水位于冷水通道、排水位于热水通道。常见的差位式取排水布置有2种形式：“远取近排”与“近取远排”（图2）。“远取近排”是温排水近岸排放，热水随潮沿岸流动，取水延伸至离岸较远区域吸取低温水。近取远排则相反，将温排水送至离岸较远的强潮主流区，利用环境潮流掺混稀释能力较强的特点，将热水高温升影响区域控制在较小范围。这2种布置方式应用于实际工程时，需结合厂址海域的岸线与地形特点、水文气象条件、潮动力特征、环境保护要求等因素综合确定，同时方案是否合理可行还应经物理模型或数学模型论证。

本工程海域潮流具有顺岸往复流特征，满足差位式取排水布置所需基本条件。确定取排水方案时，一方面应保证核电自身取水安全经济，尽量降低取水温升，另一方面还应考虑海域环境敏感点对温升的要求。一般情况下，电厂取水温升限值为全潮最大不超过2℃、平均不超过1℃。本厂址近岸水域存在养殖区，为减小温排水对岸边养殖的影响，环保要求规划容量下1℃以上温升不能贴岸。此外，依据核电厂总平面布置，高温堆与AP1000压水堆位于厂区北侧，CAP1400压水堆位于厂区南侧，各机组分别从南、北两侧取水。基于上述因素，结合工程海域自然条件，可以发现：如果充分利用厂址海域“W”型岸线特点以及深水区离岸较近的优势，将温排水尽量输送到外海主潮流带上，避免温排水贴岸输移，不仅可以加大温排水自排水出口至取水口之间的“流程”，避免高温水直接进入取水水域，而且可以实现温排水与环境流的充分掺混，有利于降低高温升影响面积。为此，针对本工程提出“近岸明渠分散取水、离岸明渠集中排水”的取排水总体布局。

图2 差位式取排水布置图Fig.2 Outlet in／outside intake layout

3 模型设计

3.1 模型选择

物理模型是模拟预报温排水运动规律的重要方法，能够比较真实地反映近区温差浮射流卷吸掺混特性，便于直观显示各种取排水方案下温排水的三维水力、热力特征，直接反映取水温升随潮变化规律，在解决取排水口近区问题，如优化取排水工程布置方案、掌握高温升区影响范围、确定垂向温升分布以及取水温升方面具有明显优势。根据水平比尺与垂向比尺是否相同，可将物理模型划分为正态模型与变态模型。对于滨海核电，温排水的受纳水体为海域，环境水域具有水平尺度远大于水深尺度的特点。温排水模拟时往往要求同一模型同时考虑取水与排水，模拟区域需涵盖近区、过渡区与部分远区热影响。综合上述因素，目前滨海核电温排水物理模型多采用变态模型。但随之而来的问题是，模型水平与垂向尺度不同将对环境水体流场以及温排水的输移扩散产生一定影响。这一问题很早就受到相关学者的关注。李瑞生通过比较浮射流计算结果与水槽试验结果，得出变态使得热水层厚度变薄的结论［9］。陈惠泉利用试验水槽开展了变态对温排水近区水力、热力特性的影响研究，认为变态率小于3时对整体影响不明显，有时也可小于5～6［10］。此外，郝瑞霞［11］、赵振国［12］、徐世凯［13］，袁方等［14］也开展了温排水的变态影响问题研究。通过总结分析几十年温排水模拟研究实践经验，为确保变态模型能够比较真实地反映温排水运动的流场与温度场规律，《冷却水规程水力热力模拟技术规程》［15］提出变态率宜小于5的建议。基于上述分析，针对本核电厂温排水研究采用小变态全潮物理模型。

3.2 相似准则

温排水物理模型试验以相似理论为基础，但与常规水工模型试验相比，除了模拟水流运动外还需同时模拟热量传递过程。理论上，要完全复演原型中温排水的输运规律，必须同时满足几何相似、水流运动相似、动力相似和热力相似。但实际模拟时很难同时实现上述条件，因此必须进行合理假设与简化。陈惠泉在20世纪70年代提出3个综合参数：自然水温、水面综合散热系数与临界流量，基本理念是进行水力、热力模型试验时不要求各个物理量相似，但要保证上述综合变量相似［16］。这一理念后来成为指导火、核电厂温排水模型试验的理论基础。利用这3个综合参数，可得到几个简化的模型相似关系式。

重力相似：

浮力相似：

温度分布相似：

散热相似：

式中，Fr为弗汝德数；Ri为理查森数；H为水深；V为流速；ρ为环境水体密度；Δρ为排水与环境水体密度差；T，T1，Te分别代表温排水影响区任意点温度、排水水温以及自然水温；Qm为模型流量；Qcr为临界流量；K为表面综合散热系数；L为模型水平比尺；底标r代表原型与模型的比值。

这些相似关系式看似简单，但仍然存在比尺矛盾，因此模型设计时需要抓住主要矛盾，放松一些条件的相似。对于全潮温排水小变态物理模型，模拟重点为温排水主影响区的水力、热力特性，应以重力与浮力相似为主，兼顾阻力相似、散热相似等条件［16］。

3.3 模型比尺及模拟范围

滨海核电温排水运动具有排热量大、随潮非恒定输移的特点。为较好地反映取排水区域温排水在潮流作用下的水力、热力特性，模拟区域需要保证涨落潮流场具有相对完整的态势，同时依据相关规程要求，还要包含1℃以上温升影响范围。模型试验一方面希望模拟范围尽可能大，另一方面变态率又不能太大，为此模型设计时需要权衡两者的矛盾。此外，为避免表面张力的影响，模型水深还应大于模拟理论中最小水深要求。综合上述因素，本研究模型水平比尺Lr＝400、垂向比尺Hr＝150、模型变态率ε＝Lr／Hr＝3.2。模拟范围为以厂址为中心、包括整个W型岸线在内的顺岸18km、离岸14km的海域，总面积约252km2。

4 潮流模拟验证结果

采用海工模型自动生潮控潮系统实现潮流模拟。控潮方式为开边界给定流量过程、同步监测潮位的开环控制模式。模型验证资料选择2006年工程海域全潮水文测验数据，测点布置见图1。模拟区域包括1个潮位测站和12个测流站。实测大潮的模拟与实测潮位过程对比见图3，结果表明，潮位验证良好，高潮与低潮出现时刻相同、最高与最低潮位偏差不超过10cm。12个测流站模型验证结果显示，各测站模拟的流速与流向随潮变化过程与实测资料符合较好，潮流转潮时刻基本一致，涨落潮平均流速与实测值误差在10%以内，流向偏差小于15°，模型能够反映工程海域涨落潮流场的总体特性，可据此开展温排水模拟预报。厂址近岸区域D07以及外海主流区D08测流站验证结果如图4所示。

图3 大潮期间潮位验证结果Fig.3 Tidal elevation verification at spring tide

图4 大潮期间流速、流向验证结果Fig.4 Velocity and direction verification at spring tide

5 温排水随潮输运特性

5.1 取排水工程局部区域流态

分析工程区域的水流流态便于掌握温排水的运动规律。核电厂采用厂区“南北两侧近岸明渠分散取水、中间明渠离岸集中排水”的取排水总体布局。物理模型试验经过多方案比选优化论证，提出最终取排水方案的排水明渠外延长度600m，一直延伸至7.0m等深线（图5）。试验时，采用在排水中加入高锰酸钾示踪剂以及在取排水区域投放示踪粒子的方法研究温排水随潮运动轨迹，发现取排水工程实施后外海主流区潮流依然呈往复运动，潮流场总体特性没有改变；排水出口位于涨落潮主流区，温排水受强潮作用可以较快地与外海新鲜客水进行交换；厂址近岸局部区域受取、排水明渠岸线影响流态有所改变，主要表现为排水明渠南北两侧靠近浅湾区域出现明显回流流态；涨潮时回流呈顺时针旋转，且北侧回流区范围更大；落潮时则基本相反。

图5 取排水近区温排水流态Fig.5 Flow regime of thermal effluent in the sea area around the intake－outlet project

5.2 温升分布随潮特性

高于环境水温的温排水以一定速度从排口排入海域后，其运动过程受到排水初始动量、温差浮力效应、环境潮流等因素的共同作用，表现为非恒定紊动浮力射流。排水近区是温排水水力、热力特性急剧变化的区域。在此区域，一方面，排水出流与周围环境水体发生强烈的卷吸、掺混，环境低温水不断掺入，射流流量沿程增加，并在横向和垂向上扩展；另一方面，温排水高于环境水温8.3℃，排水密度明显小于环境水体密度，温排水受到浮力作用后向水体表层运动，形成温差异重流。近区的水温分布表现为：垂向上具有明显的温度梯度；平面上水温沿程急剧下降，具有较大的温降梯度。近区高温升影响范围是热污染控制的重点区域，目前环境影响评价中绝大多数以4℃以上温升区作为监管混合区。本工程秉承差位式取排水布置理念，近岸取水、离岸深排。推荐取排水方案下，排水出口处于水深流急的外海主潮流通道，环境潮流与温排水的掺混稀释比较充分，有利于将热水高温升范围控制在较小区域。针对实测大潮开展温排水物理模型试验，水体表层全潮最大温升包络范围见图6a，排口前缘A点涨急与落急时刻垂向温升分布见图6b与图6c。试验结果表明：排水出流流速约0.2～0.3m／s，环境潮流较强，最大涨、落潮流速可达0.9～1.0m／s，排口近区温降较快，规划容量下温升大于4℃的混合区范围较小，全潮最大包络面积不超过4.5km2；排水区域存在比较明显的温度分层现象，排水出口前缘水体热水层厚度约2～3m，表底温差约3.0～4.0℃。

随着温排水在潮流挟裹下远离排口，其水力、热力特性变化逐渐趋于平缓。温排水的出流初始动量与浮力效应消失殆尽，垂向层与层间的热量交换大为削弱，热水层厚度由于水体下掺沿程逐渐变薄，温排水的运动受控于环境潮流，对流扩散作用以及水面散热成为影响水温分布的主要因素。试验研究结果表明：温排水随潮输移扩散，涨潮时向西南方向输运，落潮时基本相反，热水带呈顺流窄带型分布，沿涨落潮主流方向扩展较远，而垂直于潮流方向相对较窄。在取水口附近水域，温差分层现象已不明显，表底温差减小至0.2℃以内。1℃温升全潮最大包络影响范围不超过35.6km2，且1℃温升线离岸大于200m，没有影响到岸边养殖区。

图6 取排水工程布置及温升分布Fig.6 Intake－outlet layout and temperature increment distribution

5.3 电厂取水温升随潮变化规律

本工程核电机组取水口分别位于厂址南北两侧近岸取水明渠根部，而排水则延伸至600m处的主潮流深水区。取水口与排水口离岸距离较远，位于温排水高温升影响带之外。这种取排水布置形式能够有效增加取水与排水之间的流程，避免热水短路现象，有利于降低取水温升。试验研究结果表明：温排水对南取水口的影响主要发生在涨潮至高平转落时段，对北取水口的影响则发生在落潮至低平转涨时段。涨潮时，热水随潮南下，远离北侧取水，不会对北侧取水产生直接影响，在此过程中南侧取水温升有所升高。当潮流较强、高温升热水带较窄时取水温升相对较低，而潮流较弱，温升带离岸扩展较远时，取水温升略高，温升峰值发生在高平之后2～3h。落潮时相反，热水北上，远离南侧取水，北侧取水温升增大，峰值出现在低平过后3h左右。从水体表层全潮最大温升分布图可以看出，2℃温升线尚未影响到取水明渠口门。提取一个完整潮周过程中南、北取水口逐时取水温升，统计最大值以及平均值，可以得到南取水口全潮最大与全潮平均取水温升分别为1.2℃与0.9℃，北取水口全潮最大与全潮平均取水温升分别为1.3℃与1.0℃，均满足设计要求。南、北两侧取水受温排水影响的程度较为接近，温升特征值相差不超过0.1℃。

6 结语

差位式取排水布置是滨海核电工程最为常用的典型取排水布置形式。本文详细阐述了差位式取排水布置适用的潮流条件以及温升带分布形态。采用小变态全潮物理模型深入研究了某滨海核电厂的温排水随潮输运规律。研究结果表明，工程海区潮流呈现顺岸往复流特点，可利用差位式理论采用“近岸分散明渠取水、离岸集中明渠深排”的取排水布置。推荐方案下，温排水从排口流入环境海域后，随潮顺流方向扩展较远、离岸方向扩展较窄。排水出流位于水深流急的主潮流通道，环境潮流与温排水掺混稀释充分，温升混合区范围较小。同时，远取近排的布置形式也有利于降低温排水对电厂自身取水以及岸边养殖区的热影响。

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