某濱海工程自備電廠循環(huán)冷卻水方案研究

黃志祥

（廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州510663）

0 引 言

我國(guó)沿海地區(qū)興建的熱電廠，大多在海岸及河口，所在水域水流流態(tài)比較復(fù)雜，溫排水的熱力運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較難預(yù)測(cè)。近年來(lái)，人們?cè)陬A(yù)測(cè)電廠取水口的取水溫升，確保循環(huán)水取水溫升滿(mǎn)足機(jī)組安全運(yùn)行的設(shè)計(jì)要求作了大量的工作，取得了一些成果，但仍不大成熟。本文較為系統(tǒng)地對(duì)某濱海自備電廠冷卻水問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)優(yōu)化確定電廠取排水口布置形式及位置，減小溫排水對(duì)各取水口取水的熱回歸影響，以減少工程量，降低運(yùn)行成本，節(jié)省工程投資及相關(guān)問(wèn)題的研究具有較好的參考價(jià)值［1，5－6］。

1 工程概況與水域水文特征

某濱海工程自備電廠廠址位于某市東海島的東北角，濱臨廣州灣口門(mén)，緊靠海灣深水線，屬南海海域。工程規(guī)劃建設(shè)4臺(tái)350MW摻燒煤氣的供熱機(jī)組和2臺(tái)160MW CCPP燃?xì)鈾C(jī)組，分期建設(shè)，一期先建設(shè)2臺(tái)350MW供熱機(jī)組。廠址岸線所在海域?yàn)閺V州灣內(nèi)的蔚葎港港灣，有大片淺灘，電廠機(jī)組的冷卻用水取自廣州灣的海水，擬采用直流冷卻供水系統(tǒng)。取排水口工程布置擬采用的方案為分列式的 “深取淺排”方案。一期2×350 MW機(jī)組 （含主體工程冷卻水）取排水流量31.42 m3／s；最終4×350MW＋2×160MW機(jī)組的取排水流量為73.28m3／s；取排水溫差（即排汽和凝結(jié)水比焓差與冷卻倍數(shù)之比）△T為9℃［4］。

工程海域潮汐性質(zhì)屬不規(guī)則半日潮，平均潮差約2.2m。灣內(nèi)、外基本不存在河流影響，水流動(dòng)力主要以潮汐水流作用為主。最大落潮潮差大于歷年最大漲潮潮差，而多年平均漲潮歷時(shí)大于多年平均落潮歷時(shí)。廠址附近海域潮位特征值見(jiàn)表1。

表1 潮位統(tǒng)計(jì)特征值Table 1 Tide statistics characteristic value

2 模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)條件

2.1 模型規(guī)劃與設(shè)計(jì)模型范圍

模型按重力相似設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足最小基本水深和模型水流雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)要求，模型按浮力與溫升相似排放熱水流量。模型截取范圍約為15km（東西向）×8km（南北向），包容了電廠最終容量排水溫升0.5℃包絡(luò)線。確定的模型比尺為：平面比尺Lr＝300，垂向比尺Zr＝100，變率e＝3.0。模型按重力相似和浮力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)［5］，需滿(mǎn)足：

以上公式中：下標(biāo)r為原型與模型之比；T為水體溫度；h為水深；g為重力加速度，取9.8 m2／s；ρ為水的密度；Fr為佛汝德數(shù)；FΔ為密度佛汝德數(shù)。

2.2 模型率定

模型的潮流率定是以廣州三海海洋工程勘察設(shè)計(jì)中心2004年8月23～31日對(duì)該電廠附近海域全潮同步觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，綜合水文測(cè)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行。

圖1為物模試驗(yàn)的潮位率定成果，由圖1可見(jiàn)，物模潮位率定值與基礎(chǔ)值吻合較好；圖2為物模試驗(yàn)的潮流率定成果，大部分流速驗(yàn)證點(diǎn)的流速值及流向與基礎(chǔ)值吻合較好，靠模型邊界的個(gè)別驗(yàn)證點(diǎn)受邊界的影響，其誤差率稍大，有個(gè)別點(diǎn)由于受西面沿岸流及廠區(qū)西面的環(huán)流影響，流向較為混亂，試驗(yàn)值出現(xiàn)短時(shí)的流向偏差。

圖1 潮位率定成果Fig.1 Tidal level calibration results

圖2 潮流率定成果Fig.2 Tidal current calibration results

綜合可知，模型潮位、潮流及整個(gè)海域的總體流勢(shì)與原體值吻合較好。試驗(yàn)率定結(jié)果表明，模型能夠較好地模擬原體海域潮流，通過(guò)該模型進(jìn)行溫排水工程相關(guān)試驗(yàn)，其成果是可信的。

3 溫排水試驗(yàn)及成果

3.1 方案布置

初擬的取、排水口布置有3個(gè)基本方案，其中排水口布置只有一個(gè)方案。排水口布置于廠區(qū)岸線的東北角。3個(gè)取水口布置相隔較近，布置于廠區(qū)岸線的西北角。取、排水口相距約700m，取、排水口的布置及結(jié)構(gòu)尺寸詳見(jiàn)圖3，簡(jiǎn)述如下：

1）排水口布置：以5條2.6m（寬）×2.6m（高）的方管把廠房的溫排水引至排水口，排水口軸線垂直于廠區(qū)岸線，排水口為喇叭形，喇叭口起始凈寬13m，高2.6m，底緣高程－4.6m（黃基，下同），喇叭口出口末端凈寬26m，高2.6m，底緣高程為－4.6m。

2）取水口布置：取水口的3個(gè)方案其結(jié)構(gòu)形式及尺寸完全相同，只是平面布置及垂向布置略有差異。取水頭部為箱涵結(jié)構(gòu)，設(shè)置了12個(gè)取水窗口，每個(gè)窗口高4.5m，寬3m，取水口總凈寬36m。方案1、方案2取水口都布置于廠區(qū)岸線的西北角，其軸線與岸線垂直，其中方案2布置于方案1西側(cè)約60m處，兩方案的進(jìn)口底緣標(biāo)高均為－9.75m；方案3布置于廠區(qū)西北角的西岸線上，取水口軸線與岸線垂直，底緣標(biāo)高－9.75m，取水口朝向廠區(qū)西面挖入式 （液體化工碼頭）港池，是從港池取水。試驗(yàn)增加了取水口方案4布置（取水口軸線與方案1相同，只是取水頭部往岸回縮50.88m，底緣標(biāo)高為－7.99m），與方案1進(jìn)行比較試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)工況

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案布置的合理性，選用夏季中潮為試驗(yàn)潮型，按規(guī)劃裝機(jī)容量工況進(jìn)行方案比較試驗(yàn)，試驗(yàn)工況組合見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)潮型的工況組合Table 2 Combination condition of test tidal

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 溫排水運(yùn)動(dòng)特性

4個(gè)取水方案布置相隔較近，除了取水口附近局部的流態(tài)有差異外，總體的溫排水流態(tài)基本相似，漲潮時(shí)段，潮流及熱水流呈弦上溯，落潮流及回歸熱水呈弓背回落。由于廠區(qū)鐵礦石碼頭離排水口較近，碼頭停泊船只對(duì)電廠的溫排放會(huì)有一定的影響［6］。

3.3.2 取水溫升特征

各方案試驗(yàn)測(cè)得的溫升特征值列于表3，其中方案1取水溫升過(guò)程線見(jiàn)圖4。

表3 取水溫升特征值Table 3 Characteristic value of temperature rise

從溫升曲線可以看出，各個(gè)方案都是漲潮時(shí)段取水溫升明顯升高。主要是：由于初漲時(shí)段，潮流較弱，冷熱水的熱交換能力也較弱，熱水于取排水間的近岸水域積聚，高溫區(qū)范圍擴(kuò)大，漲潮時(shí)段，高溫?zé)崴S漲潮流往西及西北移動(dòng)，且有部分熱水沿岸線擴(kuò)散至取水口，使得取水溫升迅速升高。于取排水口近岸水域布置垂線溫升探頭，各垂線都顯示水深3～5m出現(xiàn)溫躍層，隨水深的加大水溫逐漸降低，10m以下溫升約0.1～0.2℃。方案4布置，由于取水頭部水深較方案1、方案2、方案3淺，水面出現(xiàn)間歇性旋渦，溫度相對(duì)較高的表層水被擾動(dòng)，并被取水口吸納，進(jìn)入取水口的水溫相對(duì)較高。方案2布置于方案1西側(cè)約60m，與方案1相隔甚近，兩方案的結(jié)構(gòu)及進(jìn)口標(biāo)高均相同，試驗(yàn)測(cè)得兩方案的取水溫升基本一致。

廠區(qū)碼頭停泊船只時(shí)，受停泊船只及碼頭樁基的影響，沿廠區(qū)岸線向取水口西移的熱水流流量有所增大，對(duì)電廠的取水產(chǎn)生一定的影響。由于港池碼頭是順?biāo)鞑贾?，從排水口排出的熱水大部分能送至主潮流區(qū)域，沿岸向取水口擴(kuò)散的熱水量不是很大，并且這股熱水流往取水口移動(dòng)過(guò)程中，散熱較快，移動(dòng)400m后表面水溫已降低約5℃，熱水的散熱主要集中于表層，傳導(dǎo)給取水口以下的深層水體的熱量有限。取水口主要取自港池的深層水，港池水溫相對(duì)較低。試驗(yàn)測(cè)得碼頭有船停泊比無(wú)船停泊時(shí)電廠的平均取水溫升只升高約0.3℃。由此可見(jiàn)，在方案1的取排水口方案布置下，電廠運(yùn)行仍是安全的。方案3取水口朝向西面挖入式港池口門(mén)區(qū)，位于廠區(qū)西北角的西岸線上。取水口避開(kāi)了潮流主流線，基本不受電廠排放的溫排水直接影響，同時(shí)，漲、落潮進(jìn)入港池的二次回歸熱水稀少，該方案布置時(shí)，測(cè)得的電廠取水溫升最低。

3.3.3 近岸區(qū)域垂向溫升分布形態(tài)

漲、落潮時(shí)段，在取水口至排水口之間以及鐵礦石港池的范圍內(nèi)，進(jìn)行了垂線溫升分布測(cè)試。試驗(yàn)觀察并測(cè)試到，排水是面流出流，熱水分層較明顯，沿排水軸線距出口120m處測(cè)得表層水溫比排水口降低了約2.5℃，5m水深的水溫比表層約降低2℃，10m以下基本不受熱水影響。在碼頭至廠區(qū)岸線的水域，從排水口往取水口方向約300m后，表面溫升及垂線溫升衰減較快，測(cè)得300m處表面溫升約降低4℃。取水頭部150m范圍內(nèi) （除碼頭至岸線區(qū)域）垂線溫升分布梯度縮小，表面溫升約1～1.2℃，5m水深的溫升約0.6℃，10m以下的溫升約0.1～0.2℃。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用整體物理模型對(duì)某濱海工程自備電廠取排水工程進(jìn)行研究分析，得出以下結(jié)論：

1）工程海域夏季流場(chǎng)總體趨勢(shì)為往復(fù)流，余流方向向 （東）出?？?，近廠區(qū)水域水深，潮流主流離岸較近，電廠取排水布置合理，有利于熱水向外海擴(kuò)散，減少灣內(nèi)的熱量累積。

2）模型按重力相似設(shè)計(jì)，模型范圍包容了電廠溫排放的0.5℃水面溫升包絡(luò)線，模型設(shè)計(jì)合理。模型率定成果與實(shí)測(cè)值和數(shù)模計(jì)算值吻合較好，應(yīng)用于工程布置試驗(yàn)成果是可靠的。

3）通過(guò)物模率定，模型潮位、潮流及整個(gè)海域的總體流勢(shì)與原體值吻合較好。試驗(yàn)率定結(jié)果表明，模型能夠較好地模擬原體海域潮流，通過(guò)該模型進(jìn)行溫排水工程相關(guān)試驗(yàn)，其成果是可信的。

4）就取水而言，方案1、方案2、方案3取水口方案電廠的取水溫升都較低，差別不大，可滿(mǎn)足電廠的取水要求。方案4取水口底緣高程－7.99m時(shí)，面層熱水易因取水?dāng)_動(dòng)而被吸納，當(dāng)降低取水口高程 （取水口底緣－9.75m）后，這一現(xiàn)象消失，取水溫升較低，可滿(mǎn)足電廠取水要求。綜合潮流模型試驗(yàn)成果以及設(shè)計(jì)的總體布置，試驗(yàn)選擇方案4（取水口底緣－9.75m）為取水工程的推薦方案。

5）建議一期工程建成運(yùn)行后，加強(qiáng)對(duì)電廠近岸水域的溫升分布觀測(cè)，驗(yàn)證試驗(yàn)成果，并為二期工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

［1］中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.湛江鋼鐵基地自備電廠冷卻水工程數(shù)值模擬計(jì)算報(bào)告 ［R］.北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2006.

［2］劉海成，陳漢寶.電廠取水明渠布置形式對(duì)取水溫升的影響研究［J］.水道港口，2011，32（5）：317－320.

［3］張曉艷，倪培桐，黃健東.某濱海電廠溫排水?dāng)?shù)值模擬研究［J］.廣東水利水電，2011，（10）：16－19.

［4］廣東省水利水電科學(xué)研究院.湛江鋼鐵基地自備電廠工程溫排水物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告 ［R］.廣州：廣東省水利水電科學(xué)研究院，2010.

［5］SL 160－95，火電廠冷卻水工程水力、熱力模型試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［6］南京水利科學(xué)研究院.湛江鋼鐵自備電廠取排水對(duì)礦石專(zhuān)用卸船碼頭水流條件影響試驗(yàn)中間成果 ［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2009.