波浪對沿海電廠溫排水影響性分析

郝青哲,段宗伯,付 倩

（華北電力大學(xué),河北 保定 071003）

目前,不少大型火電廠及全部待建、已建的核電廠都選址在瀕海、港灣、河口地區(qū),利用鄰近水域作為冷卻水的供應(yīng)和受納水域[1]。電廠將廢熱排入江河湖海中的過程實質(zhì)上是熱量在水體中摻混、對流、擴散的過程。向河道注入較注入點水體溫度高的電廠冷卻水,就有可能影響注入點附近取水工程的正常運轉(zhuǎn)[2]。如果近岸海域長期受到波浪影響,則電廠溫排水要受到它的影響。波浪不斷涌向岸邊,使近岸海域的流場不斷發(fā)生變化,影響溫排水的熱量擴散。

波浪對沿海電廠溫排水?dāng)U散影響很大,會影響到取水的溫度值,因此,建立合理的模型,模擬波浪作用下電廠溫排水的溫度分布具有現(xiàn)實意義。中國水利水電科學(xué)研究院的陳惠泉提出對待電廠冷卻水問題時,考慮波浪效應(yīng)的水力熱力模擬[3];香港南丫電廠擴建工程進行了局部水域正態(tài)波浪模型試驗,驗證了物理現(xiàn)象“水簾效應(yīng)”,即在低水位工況下,波浪由堤岸斜面下退時,已露出水面的取水上部孔口,會被前波上堤水流下泄形成的水簾封住,杜絕空氣進入[4];水利部的張繼民[5]利用荷蘭Delft水力研究院開發(fā)的Delft3D模型,對北侖電廠三期擴建工程在潮汐和波浪條件下溫排水進行了數(shù)值模擬,得到最優(yōu)方案。

本文在二維模型條件下,模擬振幅一定時不同時刻波浪對排水周圍水域的影響,以及同一進刻不同振幅波浪對排水溫度分布的作用,分析了各個工況下溫排水溫度分布特性,論證了波浪對溫排水的影響。

1 模型及邊界條件

建立二維模型,如圖1所示。其中,來流方向平行于岸邊,溫排水從岸邊流入海域,波浪和溫排水方向相反,波浪規(guī)則且呈周期性變化,來流為穩(wěn)定流。

計算區(qū)域如圖2所示,水槽寬度為0.5m,水槽長度為1 m,排水口寬度為0.1m。采用矩形網(wǎng)格計算。

式中,A0為振幅;t為任一時刻;T為波浪運動周期;ω為頻率。

設(shè)海水來流和溫排水速度、溫度參數(shù)見表1。

波浪呈簡諧規(guī)律變化的表達式為

表1 各流體參數(shù)表

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 振幅不變時溫度場模擬

選用k-ε紊流模型對溫度場進行模擬,采用一階迎風(fēng)格式對控制方程進行離散,壓力和速度的耦合采用simple算法,近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法,松弛因子和收斂條件保持默認的給定值不變。

圖3是波浪在一個周期T內(nèi)變化時溫度場的模擬結(jié)果,波浪在運動過程中對溫排水的影響不能忽略。在受波浪影響的水域中,溫排水的擴散區(qū)域不斷產(chǎn)生變化。由圖3（a）～（d）可見,一個周期內(nèi)4個時刻的溫度場區(qū)域并沒有大的改變,稍有波動,排水口右側(cè)高溫區(qū)域逐漸減小,到T時刻又開始增加;溫度場先由扁形逐漸集中到排水口,到T時刻后又向右側(cè)偏移;等溫線形狀類似波浪形狀變化。

2.2 振幅改變時溫度場模擬

為具體研究波浪變化對熱擴散的影響,改變波浪的振幅進行計算。波浪呈正弦規(guī)律變化,設(shè)周期T=4 s,波浪的振幅A分別取0.15 m、0.25 m、0.35m、0.45m。不同振幅下流體參數(shù)見表2。

表2 不同振幅下流體參數(shù)

圖4為波浪在1/4T時刻時,振幅變化對溫排水熱擴散的影響。由圖4（a）～（d）可見,在波浪的影響下,高溫等溫線由突出逐漸變得扁平。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因除溫排水與來流的摻混外,還有波浪的傳遞作用,使得流體運動的擾動加大。此外,波浪的擾動使等溫線呈現(xiàn)類似波浪的形狀,振幅越大,等溫線的變化趨勢越明顯。

3 結(jié)束語

波浪以正弦規(guī)律呈周期性變化,隨著波浪的變化,溫度場的等溫線形狀類似波浪的形狀變化。在一個周期內(nèi),波浪的影響明顯,排水口右側(cè)排水影響有減小趨勢;波浪的振幅越大,等溫線的壓縮趨勢越顯著,形狀越來越扁平,垂直河道方向影響越小。因此,波浪對溫排水的影響是周期性變化的,找到影響規(guī)律,利用其有益方面,最終使溫排水熱量較快散失在環(huán)境中,減小以周圍水域生態(tài)環(huán)境及取水溫升的影響。

[1] 陳惠泉.沿海水域火/核電廠冷卻水水工布置的優(yōu)化原則和實踐[J].海洋技術(shù),1999,18（4）：82-87.

[2] 楊海燕.具有潮流影響的電廠溫排放實驗研究[J].貴州水力發(fā)電,2005,19（1）：75-78.

[3] 陳惠泉,許玉麟,賀益英.火/核電廠冷卻水試驗研究50年的進展和體驗[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報, 2008,6（4）：288-298.

[4] 陳惠泉,賀益英.香港南丫電廠擴建工程取水口試驗研究[R].北京：水利水電科學(xué)研究院,1994.

[5] 張繼民.Delft3D在海灣電廠溫排水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用[J].人民長江,2009,40（1）：59-62.