印尼某滨海电厂工程取排水口布置

2018-11-07谭忠华刘海源陈汉宝徐亚男张亚敬

中国港湾建设 2018年10期

谭忠华，刘海源，陈汉宝，徐亚男，张亚敬

（交通运输部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

0 引言

印度尼西亚由约17 508个岛屿组成，是全世界最大的群岛国家，水资源非常丰富，位于沿海地区的电厂基本都采用海水直流冷却方式。不同机组容量，其排水水温通常都比取水水温高7～10℃[1]。温排水的排放可能会带来系列影响，对机组本身可能会使得取水水温升高，降低冷却效率，亦可能会对周围的环境带来影响，形成一定的热水富集区域[2-3]。为了减小温排水排放带来的影响，通常需要对取排水平面布置方案进行优化。严冰[4]等采用数学模型，对取、排水口不同位置方案进行了数值模拟预测，分析了排水口、取水口位置等对取水温升的影响。张晓艳[5]等结合某滨海电厂，通过数值模拟，分析了不同取排水布置形式下温排水的输移规律，建议取排水方案采用差位式取排水口布置方式。刘海成[6]等通过二维温排水数学模型，研究了不同布置方案的温排水在洋流和季风等长周期动力因素条件下的扩散规律。为了减小滨海电厂温排水对取水以及周围的环境的影响，本研究拟采用Mike21 FM的温排水数学模型，针对印度尼西亚西加里曼丹海岸线某电厂的取排水平面布置进行温排水水质模拟，研究不同平面布置方案对取水温升的影响，从而为取排水工程的平面布置设计提供科学依据。

1 工程概况

印尼Kalbar-1 2×100 MW（净出力）燃煤电站厂址位于印度尼西亚加里曼丹省西部，距离山口洋市约20 km，距离坤甸市约110 km。工程所在地正对卡里马塔海峡，概略坐标为0°49.2'N，108°50.5'E。现阶段暂考虑同步建设海水脱硫装置。工程拟采用明渠取水，取水口位于厂区西南侧，排水口位于厂区西北侧。工程冷却水系统采用海水一次直流冷却系统，冷却水水源为卡里马塔海峡海水。

2 自然条件

工程海域潮汐类型为不规则半日混合潮，最大潮差为1.30 m，平均潮差在0.72 m左右；平均涨潮历时6 h 29 min，平均落潮历时5 h 57 min，涨潮历时长于落潮历时。

根据2016年10月—11月工程水域大、中、小潮潮流观测资料可知，施测海域潮流总体呈现往复流，流向大致与岸线走向一致，主要为NNE—SSW向，有弱旋转流的特征；潮流与潮汐关系的规律性不强，即潮流流向随水位的涨落关联性不强。最大流速1.11 m/s，平均流速0.70 m/s，N向和S向潮流平均流向分别为30°和210°。整体上N向潮流强度略大于S向潮流，中、小潮期间，由北向南的潮流历时约为由南向北的潮流历时的1.5～2倍。

根据2016年11月—12月实测波浪观测资料可知，观测期间工程区有效波高平均值为0.49 m，平均周期为3.2 s，最大有效波高为1.37 m，最大波高为2.18 m。该月（代表雨季）波浪常浪向是NW向，次常浪向NNW向，强浪向出现在NW向，次强浪向为WNW向。

本工程所在区域属于典型的热带季风气候，分为旱、雨两季。旱季一般集中于4月—9月，雨季集中于10月—翌年3月，具有温度高、降雨多、风力小、湿度大的特征。该地区气温常年多在19.9～35.0℃变化，月季变化较大；相对湿度多年在33%～100%之间变化；蒸发量多年在1 010～1 625 mm之间变化；年降雨量多年在2 000.4～3 399.0 mm之间变化。

3 数学模型

针对工程所在海域的特点，使用MIKE21软件包建立适用于该海域的二维潮流温排数学模型。MIKE21是由丹麦水工所（DHI）开发的二维表面流动模拟软件包，适用于湖泊、河口、海湾和海岸地区的水力及其相关现象的平面二维仿真模拟。MIKE21在国内外水环境研究领域已被广泛应用，且数值模拟的科学性已得到大量工程的验证。

3.1 基本方程

连续方程：

X方向动量方程：

Y方向动量方程：

式中：t为时间；x、y为笛卡尔坐标系空间坐标；η为水面高程；d为水深；h为总水深h=η+d；u、v为流速在x、y方向上的分量；f为科氏力；g为重力加速度；ρ为水体密度；ρ0为参考密度；pa为大气压强；sxx、sxy、syx、syy为辐射应力分量；（τsx，τsy）和（τbx，τby）分别为水面和底床的切应力在 x、y方向上的分量；A为水平涡黏系数；S为源汇项流量；us、vs为源汇项对应的速度分量；T为沿水深的平均温度；Hˆ为水体与大气的热交换项；Ts为源项的温度。

3.2 数值解法

在空间上模型采用有限体积法（FVM）进行离散，在时间上采用显式的欧拉格式，在固边界上采用干湿网格技术。

3.3 边界条件

水动力的初始条件为：u（x、y，0）=0，v（x、y，0）=0。

水动力的边界条件为：1）开边界采用潮位边界条件：η=η（x、y，t），根据现场观测潮位过程线确定；2）固边界：Vn=0，即边界法线方向流速为0。

温度初始条件为：T=T0，即全场温度为某一常数。

温度边界条件为：1）开边界：流入时水温为某一常数，T=T0；流出时，采用扩散梯度为0的条件，Tn=0；2）固边界：Tn=0。

3.4 计算区域及网格划分

潮流和温排水数学模型计算域东西方向长约100 km，南北方向长约127 km。为了提高计算效率，同时又保证工程海域有足够的分辨率，采用局部加密的非结构三角形网格对计算域进行划分。外海区域空间步长较大，在开边界约为2 km，工程区域空间步长约为10 m。

3.5 模型参数的选取

在外海给定潮位开边界，水位过程由MIKE Global Tide Model推算得到。计算时间步长为0.05～36 s。使用干湿判别法对水陆交界、码头等进行处理，参数取默认值：干水深为0.005 m，淹没水深为0.05 m，湿水深为0.1 m。需要率定的参数主要为Smagorinsky公式涡黏系数Cs和反映海床糙率的曼宁系数M，率定的结果为Cs=0.28，M取值60 m1/3/s，边界处取10 m1/3/s。

3.6 模型验证

模型采用2016年10月—11月期间大、中、小潮及半月潮水文测验资料作为模型率定资料；模型通过在外海给定潮位开边界，经过反复调试后使得模型内各个主要验证点的潮位和流速均满足要求。根据模型验证情况，潮位和流速流向验证结果较好，模拟的潮位、流速和流向过程与实测基本吻合，说明建立的数学模型能够较好地反映工程海域的潮汐潮流特征，可进一步用于温排水数值模拟计算。限于篇幅，图1仅给出了离工程较近的C4测站和T1潮位站的大潮期验证过程曲线，从图中亦可看出计算值与实测值吻合较好。

图1 潮位及潮流验证曲线Fig.1 Verification curves of tide level and tidal current

4 模拟结果分析

4.1 模拟工况介绍

本次研究考虑了不同隔热堤布置形式、不同拦沙堤长短以及不同排水口位置等因素，对该电厂取水口的温升进行了数值模拟分析。工况1为初始方案1，该方案取水采用深槽引水方式，设置1条引水深槽，重力自流将海水引入陆地上的明渠内。引水深槽将从岸边向海内延伸约690 m。引水深槽底宽20 m，底标高为-3.50 m（Ortometrik高程，下同）。取水明渠北侧设置隔热堤，总长约725 m；南侧为拦沙堤，总长约615 m，两堤中心线距离130 m；排水口位于隔热堤北侧，距堤根约180 m；取水口与排水口之间直线距离约225 m。取排水流量为13.58 m3/s；排水温升为7.83℃。

在初始方案1的基础上，主要从3个方面进行优化：1）延长隔热堤，改变隔热堤堤头方向，计算工况为方案2、方案6和方案7；2）隔热堤长度一定，改变拦沙堤长度，计算工况为方案2～方案5；3）改变排水口位置，计算工况为方案8～方案9。所有取排水布置方案如图2所示，不同取排水布置方案取水口温升及累积频率计算结果见表1和表2。

图2 取排水布置方案图Fig.2 Layout of water intake and outfall system

表1 不同取排水方案取水口平均温升与最大温升计算结果Table 1 Average and maximum temperature rise of intake for different plan layouts

表2 各方案取水口处温升累积频率结果Table 2 Cumulative frequency of intake temperature rise of different plan layouts%

4.2 排水口布置对取水温升的影响

对比分析方案1、方案2、方案8和方案9的结果，排水口位置对温排水的平均温升有一定的影响，最大温升影响不大，平均温升均大于1℃。结合工程区域的实测潮流及水动力数值模拟结果来看，工程区域的潮流基本属于沿岸往复流，在隔热堤长度一定时，排水口无论位于北侧或是南侧，在潮流的作用下，均有温排水进入取水口，使得取水口温升增大。当不改变堤长时，仅改变排水口位置时，方案1的平均温升较方案8大；方案2较方案9的平均温升大。分析原因，温排水无论在由南向北的潮流还是由北向南的潮流带动下，均有热水绕过隔热堤堤头进入取水明渠和取水口；温排水在感潮海域，主要在潮流的作用下发生对流作用，因此，其输移的快慢及远近主要由潮流动力决定。根据实测资料显示，中、小潮期间，由北向南的潮流历时约为由南向北的潮流历时的1.5～2倍，这将导致温排水在由北向南的潮流作用下进入明渠的持续时间增长，使得取水平均温升增大。方案8和方案9改变了排水口的位置，从潮流历时来看，由南向北的潮流历时较由北向南的潮流历时短，取水口温升累积频率较方案1和方案2有所减小；但由于方案1隔热堤和拦沙堤的尺寸和方向不变，堤头水深仍较浅，仍有大量温水较易进入取水明渠内，平均温升仍较高；方案9隔热堤堤头水深增加，平均温升大幅降低。

4.3 隔热堤布置对取水温升的影响

根据计算结果可知，隔热堤的布置对温排水的影响较大。

1）隔热堤长度

对比方案1和方案2～方案5可知，当采取北排南取方式，隔热堤垂直于岸线段长度不变，延长隔热堤堤头，并改变其方向，即延长隔热堤约300 m，延长段方向为ENE～WSW向，各方案取水口处的平均温升均降低，取水口处温升大于1℃的累积频率大幅降低。这是因为延长隔热堤，一方面增加了取、排水口之间的距离，能够有效地阻隔温排水绕过隔热堤进入取水明渠及取水口，大部分温排水在延长段堤头挑流后，直接向S向继续运动，小部分则随隔热堤南侧的回流进入取水明渠；另一方面，延伸段隔热堤堤头处水深较深，温排水运移至深水区，能够有效地进行垂向混掺和扩散，使得越过堤头的温排水水温降低。

2）隔热堤堤头水深

对比方案2和方案6，隔热堤垂直于岸线段长度不变，隔热堤延长段分别为300 m和340 m，方案2的平均温升较方案6稍小。这是因为，虽然方案6隔热堤延长段增加了长度，但其堤头水深较方案2变浅；温排水运移至延长段堤头时，其垂向混掺和扩散作用弱于方案2，取水口温升及累积频率均较方案2稍大。因此，增加隔热堤延长段堤头处的水深，对温排水的排放有利。

结合方案7，继续延长隔热堤且增加-5 m水深，取水口处的平均温升进一步降低。

4.4 拦沙堤布置对取水温升的影响

根据方案2～方案6计算结果可知，当排水口位置一定时，即排水口位于北侧，且隔热堤长度一定时，改变南侧挡沙堤长度，对取水口处的平均温升影响不大。

4.5 生态环保的影响

由上述分析可知，相同堤长条件下，排水口位于北侧较其位于南侧，取水口的平均温升有所增大，从取水温升角度来看，排水口位于南侧较优；但据现场勘测知，挡沙堤南侧有三处珊瑚礁，从生态保护的角度看，初始设计方案1中将排水口布置在隔热堤北侧是合理的。

4.6 取排水口相对位置优化原则

1）从取排水温升的角度来讲，在感潮段区域，潮流动力的强弱及持续累积时间会对取排水口的布置产生一定的影响。因此，在项目初期需对工程区域的潮流动力进行分析，将取水口布置在排水口的潮流上游段。

2）从取排水温升角度来讲，应尽量增加取排水口之间的温排水有效扩散距离。当工程区域的潮流性质属于沿岸往复流时，尽量采用差位式布置原则，“深取浅排”或“浅取深排”；若由于工程造价等原因，无法深取或深排时，应加大取水口和排水口之间的水平有效扩散距离；若由于厂区条件限制，无法直接增加取水口或排水口之间的直接排放距离，则需在取排水口之间设置一定长度的隔热堤来增加取排水口之间的垂向和水平有效扩散距离。

3）从生态环保的角度，排水口位置应尽量远离珊瑚礁、养殖区或生态保护区等区域。