海上平台换流站温排水数值模拟

杨 勇，王加龙※，许 伟，乐 波，晁 阳，魏杰儒

（1.国网经济技术研究院有限公司，北京 102200；2.广州高澜节能技术股份有限公司，广州 510663；3.中电普瑞电力工程有限公司，北京 102200）

0 引言

随着海上能源的不断发展，海水冷却技术的需求日益增长。海水冷却系统以海水直流冷却的方式将设备发热量传递给海水，最终将温度升高后的海水排放到大海中去。废热的排入必然会造成海水温度升高。对相应海洋水域的海洋水质、海洋生态环境等多个方面产生影响。因此，研究温排水的排放分布规律有着极其重要的意义。

海上温排水与传统的火电厂、电站温排水不同，其离海岸较远，主要受所处海域洋流的影响，排水口的布置形式也更加自由。温排水进入所处海域的水体后，相当于三维热射流过程[1-2]，只有建立三维数学模型才能更加准确地计算出温度场分布。因此本文通过建立温排水三维模型，对温排水的影响规律进行计算分析，为实际工程提供一定的参考价值。

Onishi[3]研究了向深层排放温排水的水力学；Mc-Guirk[4]将平均水深与与紊流模型结合得到了岸边排放高温冷却水的温度分布；Kim等[5]将某海湾海水流速的三维模型与固定分层法进行比较分析，得到了更为准确的海水流速三维模型；Gibsno[6]应用浮力切向力与热力学的相互联系，将某海域的水文条件精确地表示出来；Suh SW[7]模拟了沿海地区表面的热量扩散，近场热色散特性由CORMIX模型描述，远场计算采用二维调和有限元流体力学模型（TEA）和欧拉-拉格朗日输运模型（ELA），计算结果与可用的现场测量结果吻合性较好；Schreiner SP[8]对马里兰州4个发电厂的热羽流进行模拟研究，将模拟将结果与测量结果进行定性和定量比较，结果表明，对于简单排放，CORMIX模型表现最佳。对于复杂的排放和复杂的环境，CORMIX模型通常会过快地混合羽流，从而产生比测量值温度更低、范围更小的羽流。Carlos E Romero[9]研发出一套可用于控制温排水排放的软件，该软件基于人工神经网络相关理论，将温排水与控制系统很好地结合起来。

我国学者从20世纪80年代开始着温排水数值模拟的研究。赵士清[10]通过固定分层方法建立了水体流动的三维数值模型，模拟了长江口南槽河口外海域的水文特征；王丽霞[11]根据Kolmogoron和Prandtl假设，引入次网格能量概念，从而可计算出质量、热量、动量，最后将均匀流体的黏性与局部能量结合，建立了封闭三维湍流模型；江洧[12]通过数值模拟得出了某工程海域流场分布情况，通过该模拟结果给出了最优排水具体布置方案和工程海域热污染范围；安金英[13]比较了3种沙角发电厂工程实例，得出取排水口布置方式的优劣，为后续工程项目的实施提供指导；崔丹、金峰[14]通过建立非结构网格对流体进行数值模拟分析，分析了三维水流扩散运动与温度梯度之间的关系，结果表明该数值模型稳定性及收敛性均较好，且模拟结果与工程项目实测值吻合性较好；颜钰等[15]利用三维有限元模型模拟热电厂附近海域海水温升场的分布，数值模拟结果表明，通常采用的基于垂向平均的二维温排水数值模型无法精确模拟温度分层，只有建立三维模型才能对温排水引起的温升场进行精确模拟；梁贤金等[16]针对菲律宾某滨海电站循环水取排水工程的实际特点，建立水流数学模型和温升场数学模型，对其温排水扩散过程进行数值模拟研究。模拟结果表明，该设计方案下，向海中排放的温排水不会对所在海域环境造成明显影响，符合当地环保部门3℃温升范围要求。

虽然前人在温排水的布置及温排水热影响方面已经有较深入的研究，数值模拟技术等都取得了长足的进展。但是，研究重点都是诸如电厂之类的近海岸，对远海如海上平台的温排水研究甚少，因此，研究三维水域环境下海上换流站温排水工程的特点是很有必要的。

1 温排水及基本理论及热扩散特征

1.1 温排水基本理论

海上平台换流站工作时，换流站内各零部件工作时会产生大量的废热，为使废热及时排出，环流站内部必须配有对应的冷却系统，海上换流站直接利用海水作为冷却系统的冷却介质，将低温的海水从附近水域中抽取进入冷却系统中，在换热装置中低温海水与废热进行热交换，换热后的海水温度升高并排入周围海域，这种携带大量废热并排放至邻近水域，使水域温度升高的热水称之为温排水。

温排水的热量不仅会引起大气近水面及近岸地面层气温升高，而且诸多热量进入受纳水域后，使水体温度升高，水温是水体的一个物理属性，跟污水所含污染物质的其他物性一样，超过正常值的一定范围，便属于污染，可能对水体中的生态系统造成一定的影响。

1.2 温排水热扩散特征

温度较高的水体以温排水的形式进入海水以后，在二者的互作用下，会形成羽流状的水体状态，二者的混合过程可分为3个阶段。第一阶段为均流过程，即在温排水离开排水口后，会以热射流的方式与周围受纳水体进行传热传质并且逐渐扩散。当温排水的初始动量与受纳水体浮力的相互作用逐渐消失之后，此时二者间其他作用力逐渐增强，开始进入第二阶段扩散过程，如果尚未扩展到河流的全断面，则高温水体将随着受纳水体的水流继续运动，并由于受纳水体的湍流动能而持续向远处传播扩散。当温排水所产生的热射流截面上流速相对于受纳水体流速度很小甚至为零时，此时混合会进入最后的离散阶段，随着水流方向扩散直至稳定。上述3个混合阶段所形成的区域按照各自特点亦可将其分为近区和远区。根据上述分析可将近区可看作是由初始温排水特征和受纳水体水文特性控制的区域。而远区则是由受纳水文条件控制的区域。

2 数学模型及计算方法

2.1 数学模型

海上温排水排放过程属于热射流的一种，实质上都是不受固壁直接影响的自由湍流运动。由于研究主要是温排水离开排水管道之后的运动过程，受相关海域水体的流速及水温影响较大，因此需要采用海水流动速度与水温作为热射流的简化模型。

假设热射流排放到无限大水域，热射流为定常充分发展的湍流，海洋环境来流为不可压缩流体，根据流体流动的基本控制方程，采用湍流模型，得到三维数学模型[17-18]如下。

连续性方程：

式中：ρ为流体密度；v为流体速度。

能量方程：

式中：T为温度；k为湍动能；sT为耗散源项；cp为常数。

三维温度对流扩散模式为[5]：

式中：T为温度；Kh为垂向扩散系数；FT为水平扩散项。

温度方程下σ坐标系下的变换形式[6]：

式中：T为温度；Kh为垂向热扩散系数；为短波辐射热通量。

水平扩散项DFT可以进行如下近似[7]：

式中：Ah为水平热扩散系数。

2.2 软件简介

FLUENT软件是目前国内外使用最广泛、最流行的商业软件之一，用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专用CFD软件。FLUENT自带的网格划分软件用于划分计算网格，要求被划分水体模型边界闭合；FLUENT利用已划分的网格，选定求解器类型，并设置控制参数，建立流场模型，计算水体的各项水力特性图和特征值。Fluent软件功能强大、适用面广，高效、省时，具有多种计算模型，同传统的CFD计算方法相比，稳定性好、精度提高，可达二阶精度，是数值模拟研究的核心软件之一。FLUENT软件是国外开发的一种数值模拟核心软件，目前在国内研究温排水方面应用较少。

2.3 基本假设及边界条件

2.3.1 基本假设

本文使用FLUENT软件对温排水热特性进行分析，需对计算模型做出如下假设：

（1）海水在流动过程中为不可压缩状态；

（2）流体属性不随温度变化而变化；

根据系统需求,滤波器性能指标如表1所示,可以看到系统对滤波器的远端抑制(≥25 dB@5.95～10 GHz)要求较高。

（3）海水在管道流道内壁面无相对滑移，即壁面处的流速为零；

（4）海水属性：不考虑海域内海水的流速分层与水温分层。

2.3.2 模拟条件及参数设置

模拟参数如表1所示。

表1 模拟参数Tab.1 Simulation parameters

2.3.3 仿真模型

由于本次模拟主要研究的是排水与海域水体的相互影响，故可将不必要的部件进行简化，简化后的仿真模型如图1所示。

图1 仿真模型Fig.1 Simulation model

2.3.4 仿真工况设置

表2 模拟工况Tab.2 Simulation condition

3 模拟结果及分析

3.1 不同工况温度云图

根据上述仿真条件及假设，通过模拟分析得到4种工况下海域内温度分布，如图2~5所示。

图2 况1体积云图Fig.2 Condition1 contour

图3 工况2体积云图Fig.3 Condition2 contour

图4 工况3体积云图Fig.4 Condition3 contour

图5 工况4体积云图Fig.5 Condition4 contour

3.2 结果分析

通过上述温度分布云图可得到4种工况下不同温升的包络面积，如表3所示。

表3 不同温升的包络面积Tab.3 Temperatureenvelopearea

4种工况的温度分布图及折线如图6所示，由图可知，工况2中温排水扩散面积最大。故可知，在温排水所处受纳水体流速一定的情况下，温排水扩散的面积随流量的增加而增大。其中，温度较高的区域主要集中在近区，即分布在排水口附近，各工况下高温区形成的包络面积相差不大；随着温排水逐渐向远区的扩散流动，温排水与受纳水体间的温差逐渐减小，另一方面，二者温差对应的温升等值面的包络面积是逐渐增加的，且最大包络面积出现在温升1~2℃时。通过工况1及工况3对比可知，在固定的排水流量下，受纳水体的流速越快，温升扩散面积越小，从而对受纳水体区域内的生态环境的影响越小。值得注意的是，环境流速存在一个极值，并不是越大越好，当流速过大时，会出现十分明显的湍流紊乱现象，导致区域内流动变得极其复杂，会出现例如贴壁等现象，这类现象的出现对温排水的换热极其不利，因此在实际工程中会严格地选择受纳水体水文条件。

图6 温升与各工况温升包络面积Fig.6 Temperature rise envelope area

4 结束语

本文利用FLUENT软件对海上温排水的排放过程进行了数值模拟，得出以下结论。

（1）排水口排放流量相同时，温排水受纳水体流速越大，温排水与水体间的相互作用越强烈，加快热交换速度，从而大大降低对受纳水域生态环境的影响。

（2）温排水受纳水体水流流速一定时，温排水的扩散面积与排水流量成正比，排水量是影响扩散面积的直接因素。

（3）近区高温升包络面积较大，且排水流量及受纳水体的流速对其影响较小，随着混合后的水流向远区扩散，水体温升逐渐减小，对应的等值面包络面积逐渐增加，且最大包络面积出现在温升1~2℃内。

（4）本次模拟未考虑潮汐潮流、风动力、水体盐度及密度等影响因素，仅假设水体水文属性不变，因此在将来的模拟研究中应将上述影响因素纳入考虑因素中，得到的模拟结果会更加接近实际，更加准确可信。

数值模拟结果可用来预测最佳排水方案，为今后海上温排水工程的优化和选择提供了一种新颖的理论分析方法。