珠海電廠溫排水分布特征及排水工程降溫效果研究*1

賈后磊，謝 健，張 娟，張紹麗，劉麗芬，古 嫵

(1.國(guó)家海洋局 南海海洋工程勘察與環(huán)境研究院，廣東 廣州 510300；2.國(guó)家海洋局 南海預(yù)報(bào)中心，廣東 廣州 510300；3.國(guó)家海洋局 海域管理司,北京 100860)

珠海電廠溫排水分布特征及排水工程降溫效果研究*1

賈后磊1，謝 健1，張 娟2，張紹麗3，劉麗芬3，古 嫵3

(1.國(guó)家海洋局 南海海洋工程勘察與環(huán)境研究院，廣東 廣州 510300；2.國(guó)家海洋局 南海預(yù)報(bào)中心，廣東 廣州 510300；3.國(guó)家海洋局 海域管理司,北京 100860)

根據(jù)2009-07和2010-01三次調(diào)查的數(shù)據(jù)，分析了珠海電廠溫排水分布特征、季節(jié)變化；同時(shí)，利用調(diào)查資料分析排水明渠和跌入式階梯的降溫效果。結(jié)果顯示，以排水口為中心，電廠溫排水向外海擴(kuò)散的距離越遠(yuǎn)，水溫越低；最高溫升4 ℃的影響面積小潮期大于大潮期，冬季大于夏季。電廠排水方式采用排水明渠有一定的降溫效果，但效果不太明顯，而溫排水經(jīng)跌入式階梯跌落入海的降溫效果較為突出，平均降溫約3.7 ℃。

濱海電廠;溫排水;取排水;排水工程

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力需求和供應(yīng)持續(xù)增長(zhǎng)，各地電廠建設(shè)步伐加快，電力行業(yè)裝機(jī)容量也不斷加大，特別是600 MW和1 000 MW機(jī)組的建設(shè)和應(yīng)用，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了動(dòng)力。為了充分利用海水作為冷卻用水，越來(lái)越多的大型濱?；?核)電廠建設(shè)在沿海。然而，一般大型火電廠實(shí)際效率僅為40%，60%以上的熱量如果沒有加以利用則排入大氣及隨冷卻水排入受納水體[1]。

濱海電廠取排水口布置和不同的溫排水排放方式將直接影響電廠近區(qū)溫度場(chǎng)，從而影響電廠的經(jīng)濟(jì)效益和海洋環(huán)境保護(hù)。取排水口的合理布置和溫排水排放方式得當(dāng)，可能使電廠的超溫區(qū)面積減少，溫降幅度大。取排水口布置主要有分列式、差位式和重疊式三種方式，應(yīng)根據(jù)海域水深地形、水文動(dòng)力特征等選擇合適的布置方式。排放方式主要采用排水明渠、排水暗渠、采用多級(jí)跌水消能或陡坡消能等方式。電廠溫排水的輔助冷卻一般采取設(shè)置自然通風(fēng)冷卻塔、機(jī)械通風(fēng)冷卻塔、噴水池或利用水面冷卻等幾種方式[2]。排水明渠就是利用水面冷卻的降溫方式，在大型濱海電廠中經(jīng)常被采用，比如國(guó)電南寧電廠[2]、潮州三百門電廠[3]、廣東大亞灣核電廠[4]等。雖然排水明渠排放方式采用的比較多，但是其降溫效果如何，卻很少有人研究。本研究以珠海電廠為研究對(duì)象，試圖弄清楚這個(gè)關(guān)鍵問題，以便為大型濱海電廠溫排水降溫措施方面提供理論依據(jù)。

珠海電廠位于廣東省珠海市，排水口布置在河口海域。為了減少溫排水?dāng)U散范圍，珠海電廠采用了排水明渠、暗渠和跌入式階梯相結(jié)合的排放方式。為了解珠海電廠排水工程的降溫效果及對(duì)海域水環(huán)境的影響，同時(shí)對(duì)比夏冬兩季溫排水分布情況，于2009-07-12 -13(小潮)、2009-07-29-30(大潮)和2010-01-05-06(大潮)分別對(duì)電廠排水口附近海域及排水明渠不同位置的水溫進(jìn)行調(diào)查和分析。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

珠海發(fā)電廠位于珠海市金灣區(qū)南水半島西南端，距離珠海市區(qū)51 km。廣珠發(fā)電有限公司將建設(shè)2×700 MW+2×600 MW+2×1 000 MW燃煤發(fā)電機(jī)組，其中一期工程建設(shè)4臺(tái)機(jī)組，2×700 MW+2×600 MW(1#～4#機(jī)組)，冷卻水流量為94.45 m3/s，已投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)；二期工程建設(shè)2×1 000 MW機(jī)組(5#、6#機(jī)組)，循環(huán)冷卻水流量為64.76 m3/s。

循環(huán)水泵房布置于電廠廠區(qū)南端煤碼頭港池處，1#～4#與5#～6#機(jī)組均在港池內(nèi)取水，見圖1。溫排水采用暗溝和明渠從電廠西岸堤北端處排出，明渠寬60 m，長(zhǎng)600 m，深1 m左右。取排水采用淺取淺排的方式。在排水明渠入海處設(shè)有1.5 m的階梯，溫排水經(jīng)階梯跌落入海。

1.2 采樣與分析

電廠排水口附近海域及排水明渠不同位置水溫的調(diào)查分別于2009-07-12-13(小潮)、2009-07-29-30(大潮)和2010-01-05-06(大潮)進(jìn)行，調(diào)查站位均以電廠溫排水的排水口為原點(diǎn)(Z2站)，呈扇形共布設(shè)5條監(jiān)測(cè)斷面。各監(jiān)測(cè)斷面上站點(diǎn)間相隔200 m，但在排水口附近海域進(jìn)行適當(dāng)加密，各站點(diǎn)之間相隔100 m。每條斷面布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。另外，取水口布設(shè)水溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)R1；排水明渠前部(暗渠出口)、后部共設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)Z1、M，見圖1。收集珠海電廠附近海域V6站(見圖1)的周日實(shí)測(cè)流速、流向資料，觀測(cè)時(shí)間為2005-05-09T17：00-2005-05-10T18：00。

海水采樣層次按GB/T 12763-2007 《海洋調(diào)查規(guī)范》[5]有關(guān)技術(shù)要求執(zhí)行，水深小于5 m時(shí)，只采表層水樣，水深大于5 m時(shí)，采集表、底層水樣(表層指海面以下0～0.5 m，底層為距海底1 m的水層)。除了Z11站每個(gè)小時(shí)采樣一次外，其余各站均是每?jī)尚r(shí)采樣一次。水溫測(cè)定采用顛倒水溫表。

采集器和樣品瓶的選擇與使用、采樣方法、樣品采集、質(zhì)量控制與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定及樣品的保存與運(yùn)送等應(yīng)符合GB 17378-2007 《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》[6]和GB/T 12763-2007 《海洋調(diào)查規(guī)范》[5]的要求。

本研究首先將以上3次調(diào)查數(shù)據(jù)采用3次樣條方法插值到整點(diǎn)，然后進(jìn)行各站位平均值和最高值分析，并利用Surfer8.0軟件繪制等值線圖。

圖1 觀測(cè)站位圖Fig.1 Locations of the observation stations

2 結(jié) 果

2.1 潮流場(chǎng)特征

潮流場(chǎng)模擬采用的是在ECOMSED的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定改進(jìn)的數(shù)值模型。二維垂向平均流模型控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

初始條件：初始速度場(chǎng)，水位場(chǎng)(開邊界除外)均為0。

開邊界條件：外海開邊界采用11個(gè)分潮調(diào)和常數(shù)計(jì)算水位邊界。

式中，η0為平均潮位；H為分潮振幅；ω為分潮角速率；f為交點(diǎn)因子；t是區(qū)時(shí)；(V0+u0)是平衡潮展開分潮的區(qū)時(shí)初相角；φ為區(qū)時(shí)遲角。

模擬范圍為21°53′12″～22°05′00″N，112°57′48″～113°15′24″E，網(wǎng)格步長(zhǎng)為(1/30′)×(1/30′)(57.28 m×61.77 m)。二維水動(dòng)力方程采用ADI方法求解。從圖2可以看出，模擬流速與實(shí)測(cè)流速變化趨勢(shì)一致，但模擬流速小于實(shí)測(cè)流速，模擬流向與實(shí)測(cè)流向變化趨勢(shì)相似，吻合較好。

珠海電廠所在海域，漲急時(shí)刻大部分海域流向基本為N-NW，局部受地形阻擋發(fā)生偏轉(zhuǎn)。漲潮流經(jīng)過(guò)高欄島防波堤后，少部分由大杧島與荷包島之間通道流進(jìn)崖門，大部分由大杧島與三角山島深槽匯入崖門，見圖3。

落急時(shí)刻海域流向與漲急相反，從崖門退出的潮流經(jīng)兩主要通道匯入南海，其中崖門出流經(jīng)大杧島與三角山島深槽進(jìn)入高欄港海區(qū)，基本從荷包島與高欄島防波堤峽口流入外海，見圖4。

圖2 流速、流向驗(yàn)證Fig.2 Verifications of flow velocity and direction

圖3 漲急流場(chǎng)Fig.3 Flow field at spring strength of tide

圖4 落急流場(chǎng)Fig.4 Flow field at ebb strength of tide

2.2 水溫分布特征

根據(jù)2009年夏季大、小潮期間和2010年冬季水溫調(diào)查結(jié)果，分析珠海電廠溫排水水溫分布特征，見圖5～圖10。從圖中可以看出，溫升較大的站位均分布在溫排水入?？诟浇Ｓ?，以排水口為中心，向外海擴(kuò)散的距離越遠(yuǎn)，水溫越低。

2009年夏季小潮期間各站平均溫升4 ℃的分布情況見圖5，夏季小潮調(diào)查期間，一天中4 ℃溫升平均影響范圍位于明渠內(nèi)，排水口外沒有出現(xiàn)4 ℃溫升的現(xiàn)象；而一天中1 ℃溫升平均影響面積較大，為1.070 km2。夏季小潮期間，各調(diào)查站一天的最高值分布情況見圖6。從圖6中可以看出，小潮時(shí)溫升線以入?？跒橹行模媳睌U(kuò)散距離較大，向西擴(kuò)散距離較小。小潮時(shí)最高溫升4 ℃的影響面積約為0.202 km2。從圖1可看出，取水口與排水口之間有一防波堤相隔，排水口溫升不會(huì)影響取水口的水溫。

2009年夏季大潮期間各站平均溫升4 ℃的分布見圖7，從圖中可以看出，一天中4 ℃溫升平均影響范圍位于明渠內(nèi)，排水口外沒有出現(xiàn)4 ℃溫升的現(xiàn)象；而觀測(cè)期間1 ℃溫升平均面積為1.870 km2。各調(diào)查站一天的最高值分布情況見圖8，從圖8可以看出，大潮時(shí)4 ℃溫升線以入?？跒橹行?，南北擴(kuò)散距離較大，向西擴(kuò)散距離較小，向西擴(kuò)散最大距離約為0.420 km。大潮時(shí)最高溫升4 ℃的影響面積約為0.029 km2，不會(huì)對(duì)取水口的水溫產(chǎn)生影響。

2010年冬季大潮期間各站平均溫升4 ℃的分布情況見圖9，從圖中可以看出，一天中4 ℃溫升平均影響范圍位于明渠內(nèi)，排水口外沒有出現(xiàn)4 ℃溫升的現(xiàn)象；觀測(cè)期間1 ℃溫升平均影響面積為0.990 km2。各調(diào)查站的最高值分布見圖10，大潮時(shí)4 ℃溫升線以入?？跒橹行模媳睌U(kuò)散距離較大，向西擴(kuò)散距離較小。根據(jù)計(jì)算，大潮時(shí)4 ℃溫升面積約為0.307 km2。

圖5 夏季小潮平均溫升分布(℃)Fig.5 Distributions of average temperature rise during the neap season in summer(℃)

圖6 夏季小潮最高溫升分布(℃)Fig.6 Distributions of maximum temperature rise during the neap season in summer(℃)

圖7 夏季大潮平均溫升分布(℃)Fig.7 Distributions of average temperature rise during the spring season in summer(℃)

圖8 夏季大潮最高溫升分布(℃)Fig.8 Distributions of maximum temperature rise during the spring season in summer(℃)

圖9 冬季平均溫升分布(℃)Fig.9 Distributions of average temperature rise in winter(℃)

圖10 冬季最高溫升分布(℃)Fig.10 Distributions of maximum temperature rise in winter(℃)

2.3 排水工程的水溫變化特征

針對(duì)珠海電廠排水工程的特征，對(duì)排水明渠和跌入式排水階梯的降溫效果進(jìn)行了分析，夏季大、小潮和冬季電廠排水明渠和排水階梯的降溫效果對(duì)比見表1。

表1 不同季節(jié)排水明渠和階梯降溫效果比較表Table 1 Comparison of cooling effects between the surface water channel and the fall in step in different seasons

根據(jù)2009-07-12-13對(duì)取水口、排水暗渠出水口和入?？陔A梯前、后的觀測(cè)結(jié)果，分析排水明渠和排水階梯的降溫效果，觀測(cè)期間，暗渠出水口的最高溫度為35.0 ℃，比取水口的水溫約高出5.6 ℃。經(jīng)過(guò)明渠水面冷卻，達(dá)到入?？陔A梯前，溫度降低0.5 ℃，入海階梯前與取水口的溫差為5.1 ℃；可見，經(jīng)明渠表面自然冷卻后，溫度有所降低，但效果不是很明顯。經(jīng)階梯跌落入海后，測(cè)定最高水溫為31.8 ℃，比暗渠出水口的水溫降低3.2 ℃，比排水階梯前的水溫降低2.7 ℃，與取水口的溫差為2.4 ℃。

2009-07-29-30觀測(cè)期間，暗渠出水口的最高溫度為37.6 ℃，與取水口的溫差為6.0 ℃。經(jīng)過(guò)明渠表面自然冷卻，達(dá)到入海口時(shí)，溫度降低0.1 ℃，入海階梯前與取水口的溫差為5.9 ℃；可見，觀測(cè)結(jié)果與大潮期間的類似，明渠降溫效果不是很明顯。經(jīng)階梯跌落入海后，測(cè)定最高水溫為33.8 ℃，比暗渠出水口的水溫降低3.8 ℃，比排水階梯前的水溫降低3.7 ℃，與取水口的溫差為2.2 ℃。

2010-01-05-06觀測(cè)期間，暗渠出水口的最高溫度為24.2 ℃，與取水口的溫差為5.5 ℃。經(jīng)過(guò)排水明渠達(dá)到入?？陔A梯前時(shí)，溫度有所升高，升高約0.9 ℃；明渠的降溫效果沒有體現(xiàn)。經(jīng)階梯跌落入海后，測(cè)定最高水溫為23.5 ℃，比暗渠出水口處的水溫降低約0.7 ℃，比排水階梯前的水溫降低1.6 ℃，與取水口的溫差為4.8 ℃。

3 討 論

3.1 溫排水對(duì)水環(huán)境的影響分析

從珠海電廠夏季大、小潮和冬季大潮三次調(diào)查結(jié)果來(lái)看，一天中平均溫升4 ℃的影響范圍位于明渠內(nèi)，排水口外沒有出現(xiàn)4 ℃溫升的現(xiàn)象。一天中最高溫升4 ℃的等值線在排水口外南北方向擴(kuò)散距離較大，向西側(cè)海域擴(kuò)散范圍較小，最大擴(kuò)散距離0.84 km。同時(shí)，從調(diào)查結(jié)果和以上圖中可看出，夏季4 ℃溫升影響面積小潮比大潮大，冬季比夏季大。類似的研究結(jié)果也見諸報(bào)道，如張娟等人采用數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)資料的方法對(duì)潮州電廠溫排水?dāng)U散特征進(jìn)行分析，并采用實(shí)測(cè)資料對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，研究表明夏季大(小)潮溫排水?dāng)U散面積小于冬季大(小)潮溫排水?dāng)U散面積，大潮時(shí)溫排水?dāng)U散面積小于小潮[7]；張慧紅等人采用FVCOM 三維水動(dòng)力模型計(jì)算2011 年夏季大小潮、漲落潮時(shí)期不同溫升梯度溫排水的分布特征和影響面積等，計(jì)算結(jié)果表明小潮漲急和落急時(shí)刻海水表層2 ℃以上高幅度溫升包絡(luò)線所包含的范圍大于大潮同一時(shí)刻，同時(shí)小潮漲、落急時(shí)刻表層的溫排擴(kuò)散范圍大于大潮同一時(shí)刻[8]。各潮期和季節(jié)之間溫升面積不同的原因主要是受海流影響，流速大、擴(kuò)散快，溫升影響范圍小。此外，梅立永等人采用實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)深圳媽灣電廠溫排水對(duì)海洋環(huán)境的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明由于潮流流速及其對(duì)流擴(kuò)散作用的影響，小潮等溫線所覆蓋的面積大于大潮等溫線所覆蓋的面積[9]。

3.2 排水工程降溫效果分析

根據(jù)對(duì)珠海電廠排水明渠不同位置的水溫觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，溫水流經(jīng)排水明渠過(guò)程中，經(jīng)過(guò)水氣交換和溫水的蒸發(fā)，可能有一定降溫效果，但降溫并不顯著。這從前面的3次調(diào)查結(jié)果可以看出，經(jīng)排水明渠后，水溫平均可降低約0.25 ℃。廖培山對(duì)南寧電廠溫排水降溫設(shè)施及其運(yùn)行方式的研究中指出，通過(guò)明渠表面冷卻工況進(jìn)行計(jì)算，但明渠表面自然冷卻的效果很不明顯，當(dāng)明渠水面寬度為20 m 時(shí)，產(chǎn)生的溫降不到0.15 ℃[2]。徐世凱等人在對(duì)長(zhǎng)江下游感潮河段火電廠取排水口布置研究后，也提出排水口宜采用明渠擴(kuò)散式[10]。

另外，根據(jù)對(duì)珠海電廠跌入式階梯前后的水溫觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，溫水經(jīng)跌入式階梯入海，與溫度較低的海水混摻充分，溫度降低幅度較大，從前面3次調(diào)查結(jié)果可以看出，跌入式階梯前后水溫平均相差約3.7 ℃。

4 結(jié) 論

1)從2009-07大、小潮期間和2010-01三次調(diào)查結(jié)果來(lái)看，溫升較大的站位均分布在溫排水入?？诟浇Ｓ?，以排水口為中心，向外海擴(kuò)散的距離越遠(yuǎn)，水溫越低。

2)根據(jù)調(diào)查結(jié)果繪制夏季和冬季溫升4 ℃等值線圖，并根據(jù)其包含范圍統(tǒng)計(jì)溫升影響面積，發(fā)現(xiàn)溫升面積小潮大于大潮，冬季大于夏季。即夏季最高溫升4 ℃的影響面積小潮為0.202 km2，大潮為0.029 km2；冬季最高溫升4 ℃的影響面積為0.307 km2。

3)排水明渠具有一定的降溫效果，但不太明顯，從3次調(diào)查結(jié)果來(lái)看，經(jīng)排水明渠后，水溫平均可降低約0.25 ℃；排水階梯的降溫效果較為突出，從3次調(diào)查結(jié)果可以看出，跌入式階梯前后水溫平均相差約3.7 ℃。這將對(duì)今后濱海電廠溫排水降溫措施工程設(shè)計(jì)方面提供一定指導(dǎo)。

[1]伊云清．火力發(fā)電廠溫排水余熱資源的開發(fā)利用[J].河北電力技術(shù)，1988(5)：17-20.

[2]廖培山.南寧電廠溫排水降溫設(shè)施及其運(yùn)行方式[J].紅水河，2013,32(3):83-89.

[3]付波，黃智敏，陸漢柱.潮州三百門電廠排水口優(yōu)化試驗(yàn)研究[J].廣東水利水電,2012,11:21-23.

[4]周金全.濱海核電廠取、排水口平面布置工程實(shí)例分析[J].華電技術(shù)，2011,33(2)：8-14.

[5]GB/T 12763-2007 海洋調(diào)查規(guī)范[S].北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[6]GB 17378-2007 海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范[S].北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008

[7]張娟，賈后磊，馮偉忠.潮州電廠溫排水特征分析[J].海洋湖沼通報(bào),2013(2):37-43.

[8]張惠榮，趙瀛，楊紅,等.象山港濱海電廠溫排水溫升特征及影響效應(yīng)研究[J].上海海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2013，22(2):274-281.

[9]梅立永，蔡小濱，賴梅東,等.深圳媽灣電廠溫排水海洋生態(tài)影響回顧性評(píng)價(jià)[J].環(huán)境工程，2012,30:349-351.

[10]徐世凱，胡華強(qiáng)，韋立新.長(zhǎng)江下游感潮河段火電廠取排水口布置[J].水利水電科技進(jìn)展，2007,27(4):60-63.

DistributionofWarmDischargeWaterandCoolingEffectofDrainageEngineeringattheZhuhaiPowerStation

JIAHou-lei1,XIEJian1,ZHANGJuan2,ZHANGShao-li3,LIULi-fen3,GUWu3

(1.SouthChinaSeaMarineEngineeringandEnvironmentInstitute,SouthSeaBranch,SOA,Guangzhou 510300,China;2.SouthChinaSeaMarinePredictionCenterofSOA,Guangzhou 510300,China;3.DivisionofMarineManagement,BureauofStateOceanicAdministration,Beijing 100860,China)

Distributions and seasonal variations of the warm discharge water from the Zhuhai Power Station are analyzed based on the data obtained in July 2009,December 2009 and January 2010.Meanwhile,the cooling effect of drainage engineering such as surface water channel and falling into step is also analyzed using those data.The results show that taking the outfall as the center,the further the warm discharge water from the power station moves toward the sea,the lower the water temperature drops.The sea surface area influenced by the highest temperature rising (4 ℃)is larger in the neap season than in the spring season and in winter than in summer.The drainage ways applied by this power station have different cooling effects.The surface water channel has a certain cooling effect,but not apparent;whereas the way of falling into step has a substantial cooling effect,with the average temperature reduction being about 3.7 ℃.

coastal power plant;warm discharge water;water intake and drainage of water;drainage engineering

2014-03-02

國(guó)家海洋局專項(xiàng)——火電溫排水用海規(guī)模控制指標(biāo)及對(duì)策措施(2200204)

賈后磊(1976-)，女，高級(jí)工程師，碩士，主要從事海洋環(huán)境方面研究.E-mail：jiahoulei@126.com(李 燕 編輯)

P731

A

1002-3682(2014)03-0001-09