差位式取排水布置下濱海核電溫排水試驗研究＊

葛小玲，趙懿珺，袁 玨，劉召平，曹佑群

（1.國家核電技術公司 國核電力規(guī)劃設計研究院，北京100095；2.中國水利水電科學研究院，北京10038）

近10a我國核電建設進入快車道。截至2014－12，全國已建和在建核電廠17個，其中投入商運機組22臺、在建機組25臺［1］，核電分布呈濱海式布局。濱海核電絕大多數(shù)采用直流冷卻方式，以海水作為冷卻水源。核電運行時，取水口源源不斷吸取較低溫度的海水進入循環(huán)水管路，低溫水經(jīng)凝汽器熱交換后水溫升高6～11℃，最終從排水口排入環(huán)境海域。每單臺百萬千瓦核電機組的循環(huán)水流量大約50～60m3／s，伴隨核電站溫排水排出的還有余氯與放射性液態(tài)流出物。大量的含熱廢水排入海域隨潮輸運，一方面造成核電自身取水溫升增高，降低電廠運行經(jīng)濟效益；另一方面長期作用于海洋生態(tài)環(huán)境，還會改變水體理化特性、加重富營養(yǎng)化、引發(fā)赤潮，甚至損害生態(tài)結構和功能。取排水口工程布置是決定溫排水水力、熱力特性的關鍵因素，也是核電規(guī)劃設計中必須解決的首要技術問題?；?、核電廠常用的取排水布置有3種類型：分隔式、重疊式與差位式［2］。其中，差位式取排水布置在潮汐水域核電工程中應用最為廣泛。因此，開展濱海核電差位式取排水布置下溫排水的隨潮輸移擴散規(guī)律研究，對保障電廠取水安全、提高運行經(jīng)濟效益、減小環(huán)境影響具有重要的現(xiàn)實意義。

對于感潮河段和以順岸往復流為主的海灣，溫排水從排口流出后隨潮輸運，熱水帶呈伴岸窄帶型分布，順潮流方向擴展較長，垂直于潮流方向較短。利用潮汐水域熱水運動的上述特點，中國水科院在上世紀80年代進行感潮河段諫壁電廠冷卻水研究時，提出差位式取排水布置，即同一過水斷面上在取水口（或者排水口）前緣離岸一定距離設置排水口（或取水口），使得取水口避開熱水通道［2］。隨著沿?；?、核電廠的快速發(fā)展，差位式取排水布置下溫排水的輸運特性受到許多學者的關注。物理模型與數(shù)學模型是進行溫排水模擬預報的主要手段。岳鈞堂利用大亞灣核電工程海域潮流具有輻合輻散流的特征，依據(jù)差位式理論提出南取東排的取排水布置，通過物理模型試驗研究了溫排水隨潮運動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)漲、落潮過程中熱水與冷水均可各行其道［3］。華祖林采用二維水動力數(shù)學模型和物理模型對比研究了感潮河段電廠采用分隔式與差位式取排水布置時溫排水擴散的差異，結果表明后者更優(yōu)［4］。陳惠泉采用全潮水力、熱力模型開展了臺山火電廠溫排水隨潮輸移擴散研究，利用廠址海域地形與潮流特點提出將取水口設在處于冷水通道的港池內，而將排水口設置防波堤外側，模擬結果表明無論漲潮或落潮，熱水均受防波堤阻擋而無法直接進入取水港池口門［5］。徐世凱等通過局部正態(tài)模型研究諫壁電廠“淺取深排”近區(qū)的溫差異重流運動特性［6］。郝青哲等選擇k－ε紊流模型對比研究了概化水槽中差位式與重疊式取排水的擴散規(guī)律［7］。張曉艷等針對潮流為往復流動的海灣，采用二維數(shù)學模型模擬了不同布置方案下溫升分布特點，結果顯示溫升場呈帶狀分布、差位式布置具有明顯優(yōu)勢［8］。

1 工程概況

某濱海核電廠，規(guī)劃總容量為8 000MW，由1臺高溫氣冷堆、4臺AP1000壓水堆、2臺CAP1400壓水堆組成。核電采用直流供水系統(tǒng)，以海水作為冷卻水源。規(guī)劃容量下循環(huán)水流量為435m3／s，取排水溫差為8.3℃。

廠址附近海灣岸線呈“W”型，核電廠位于海灣中間岬角位置，東、北、南三面環(huán)海，東側瀕臨開闊大海，北側與南側各有一小淺灣（圖1）。近岸水域等深線與岸線大致平行，－5m等深線離岸300～500m，－10m等深線離岸1 500～2 500m。工程海域屬不正規(guī)半日潮，平均漲潮歷時與平均落潮歷時比較接近。潮差較小，典型大潮、中潮與小潮的最大潮差分別為1.86，1.44與1.03m。全潮水文測驗資料顯示，廠址海域潮流主要受岸線與地形控制，主潮流基本呈東北－西南走向的往復流，漲潮流自NNE至SSW方向運動，落潮流基本相反。潮流較強，漲、落潮平均流速約60cm／s。廠址南北側兩個凹灣水域存在回流區(qū)，回流區(qū)范圍與外海潮流強度、流向有關。

圖1 工程海域潮流流速分布Fig.1 Tidal current distribution in the project sea area

2 差位式取排水布置

溫排水在環(huán)境水體中的運動規(guī)律是布置取排水的基礎依據(jù)。差位式取排水布置利用熱水帶順流窄長形分布的特點，將取排水口間距的著眼點從順流向轉移到垂直于水流方向［5］，通過在垂直于潮流方向拉開取排水間距，使得取水位于冷水通道、排水位于熱水通道。常見的差位式取排水布置有2種形式：“遠取近排”與“近取遠排”（圖2）?！斑h取近排”是溫排水近岸排放，熱水隨潮沿岸流動，取水延伸至離岸較遠區(qū)域吸取低溫水。近取遠排則相反，將溫排水送至離岸較遠的強潮主流區(qū)，利用環(huán)境潮流摻混稀釋能力較強的特點，將熱水高溫升影響區(qū)域控制在較小范圍。這2種布置方式應用于實際工程時，需結合廠址海域的岸線與地形特點、水文氣象條件、潮動力特征、環(huán)境保護要求等因素綜合確定，同時方案是否合理可行還應經(jīng)物理模型或數(shù)學模型論證。

本工程海域潮流具有順岸往復流特征，滿足差位式取排水布置所需基本條件。確定取排水方案時，一方面應保證核電自身取水安全經(jīng)濟，盡量降低取水溫升，另一方面還應考慮海域環(huán)境敏感點對溫升的要求。一般情況下，電廠取水溫升限值為全潮最大不超過2℃、平均不超過1℃。本廠址近岸水域存在養(yǎng)殖區(qū)，為減小溫排水對岸邊養(yǎng)殖的影響，環(huán)保要求規(guī)劃容量下1℃以上溫升不能貼岸。此外，依據(jù)核電廠總平面布置，高溫堆與AP1000壓水堆位于廠區(qū)北側，CAP1400壓水堆位于廠區(qū)南側，各機組分別從南、北兩側取水?；谏鲜鲆蛩?，結合工程海域自然條件，可以發(fā)現(xiàn)：如果充分利用廠址海域“W”型岸線特點以及深水區(qū)離岸較近的優(yōu)勢，將溫排水盡量輸送到外海主潮流帶上，避免溫排水貼岸輸移，不僅可以加大溫排水自排水出口至取水口之間的“流程”，避免高溫水直接進入取水水域，而且可以實現(xiàn)溫排水與環(huán)境流的充分摻混，有利于降低高溫升影響面積。為此，針對本工程提出“近岸明渠分散取水、離岸明渠集中排水”的取排水總體布局。

圖2 差位式取排水布置圖Fig.2 Outlet in／outside intake layout

3 模型設計

3.1 模型選擇

物理模型是模擬預報溫排水運動規(guī)律的重要方法，能夠比較真實地反映近區(qū)溫差浮射流卷吸摻混特性，便于直觀顯示各種取排水方案下溫排水的三維水力、熱力特征，直接反映取水溫升隨潮變化規(guī)律，在解決取排水口近區(qū)問題，如優(yōu)化取排水工程布置方案、掌握高溫升區(qū)影響范圍、確定垂向溫升分布以及取水溫升方面具有明顯優(yōu)勢。根據(jù)水平比尺與垂向比尺是否相同，可將物理模型劃分為正態(tài)模型與變態(tài)模型。對于濱海核電，溫排水的受納水體為海域，環(huán)境水域具有水平尺度遠大于水深尺度的特點。溫排水模擬時往往要求同一模型同時考慮取水與排水，模擬區(qū)域需涵蓋近區(qū)、過渡區(qū)與部分遠區(qū)熱影響。綜合上述因素，目前濱海核電溫排水物理模型多采用變態(tài)模型。但隨之而來的問題是，模型水平與垂向尺度不同將對環(huán)境水體流場以及溫排水的輸移擴散產(chǎn)生一定影響。這一問題很早就受到相關學者的關注。李瑞生通過比較浮射流計算結果與水槽試驗結果，得出變態(tài)使得熱水層厚度變薄的結論［9］。陳惠泉利用試驗水槽開展了變態(tài)對溫排水近區(qū)水力、熱力特性的影響研究，認為變態(tài)率小于3時對整體影響不明顯，有時也可小于5～6［10］。此外，郝瑞霞［11］、趙振國［12］、徐世凱［13］，袁方等［14］也開展了溫排水的變態(tài)影響問題研究。通過總結分析幾十年溫排水模擬研究實踐經(jīng)驗，為確保變態(tài)模型能夠比較真實地反映溫排水運動的流場與溫度場規(guī)律，《冷卻水規(guī)程水力熱力模擬技術規(guī)程》［15］提出變態(tài)率宜小于5的建議。基于上述分析，針對本核電廠溫排水研究采用小變態(tài)全潮物理模型。

3.2 相似準則

溫排水物理模型試驗以相似理論為基礎，但與常規(guī)水工模型試驗相比，除了模擬水流運動外還需同時模擬熱量傳遞過程。理論上，要完全復演原型中溫排水的輸運規(guī)律，必須同時滿足幾何相似、水流運動相似、動力相似和熱力相似。但實際模擬時很難同時實現(xiàn)上述條件，因此必須進行合理假設與簡化。陳惠泉在20世紀70年代提出3個綜合參數(shù)：自然水溫、水面綜合散熱系數(shù)與臨界流量，基本理念是進行水力、熱力模型試驗時不要求各個物理量相似，但要保證上述綜合變量相似［16］。這一理念后來成為指導火、核電廠溫排水模型試驗的理論基礎。利用這3個綜合參數(shù)，可得到幾個簡化的模型相似關系式。

重力相似：

浮力相似：

溫度分布相似：

散熱相似：

式中，F(xiàn)r為弗汝德數(shù)；Ri為理查森數(shù)；H為水深；V為流速；ρ為環(huán)境水體密度；Δρ為排水與環(huán)境水體密度差；T，T1，Te分別代表溫排水影響區(qū)任意點溫度、排水水溫以及自然水溫；Qm為模型流量；Qcr為臨界流量；K為表面綜合散熱系數(shù)；L為模型水平比尺；底標r代表原型與模型的比值。

這些相似關系式看似簡單，但仍然存在比尺矛盾，因此模型設計時需要抓住主要矛盾，放松一些條件的相似。對于全潮溫排水小變態(tài)物理模型，模擬重點為溫排水主影響區(qū)的水力、熱力特性，應以重力與浮力相似為主，兼顧阻力相似、散熱相似等條件［16］。

3.3 模型比尺及模擬范圍

濱海核電溫排水運動具有排熱量大、隨潮非恒定輸移的特點。為較好地反映取排水區(qū)域溫排水在潮流作用下的水力、熱力特性，模擬區(qū)域需要保證漲落潮流場具有相對完整的態(tài)勢，同時依據(jù)相關規(guī)程要求，還要包含1℃以上溫升影響范圍。模型試驗一方面希望模擬范圍盡可能大，另一方面變態(tài)率又不能太大，為此模型設計時需要權衡兩者的矛盾。此外，為避免表面張力的影響，模型水深還應大于模擬理論中最小水深要求。綜合上述因素，本研究模型水平比尺Lr＝400、垂向比尺Hr＝150、模型變態(tài)率ε＝Lr／Hr＝3.2。模擬范圍為以廠址為中心、包括整個W型岸線在內的順岸18km、離岸14km的海域，總面積約252km2。

4 潮流模擬驗證結果

采用海工模型自動生潮控潮系統(tǒng)實現(xiàn)潮流模擬。控潮方式為開邊界給定流量過程、同步監(jiān)測潮位的開環(huán)控制模式。模型驗證資料選擇2006年工程海域全潮水文測驗數(shù)據(jù)，測點布置見圖1。模擬區(qū)域包括1個潮位測站和12個測流站。實測大潮的模擬與實測潮位過程對比見圖3，結果表明，潮位驗證良好，高潮與低潮出現(xiàn)時刻相同、最高與最低潮位偏差不超過10cm。12個測流站模型驗證結果顯示，各測站模擬的流速與流向隨潮變化過程與實測資料符合較好，潮流轉潮時刻基本一致，漲落潮平均流速與實測值誤差在10%以內，流向偏差小于15°，模型能夠反映工程海域漲落潮流場的總體特性，可據(jù)此開展溫排水模擬預報。廠址近岸區(qū)域D07以及外海主流區(qū)D08測流站驗證結果如圖4所示。

圖3 大潮期間潮位驗證結果Fig.3 Tidal elevation verification at spring tide

圖4 大潮期間流速、流向驗證結果Fig.4 Velocity and direction verification at spring tide

5 溫排水隨潮輸運特性

5.1 取排水工程局部區(qū)域流態(tài)

分析工程區(qū)域的水流流態(tài)便于掌握溫排水的運動規(guī)律。核電廠采用廠區(qū)“南北兩側近岸明渠分散取水、中間明渠離岸集中排水”的取排水總體布局。物理模型試驗經(jīng)過多方案比選優(yōu)化論證，提出最終取排水方案的排水明渠外延長度600m，一直延伸至7.0m等深線（圖5）。試驗時，采用在排水中加入高錳酸鉀示蹤劑以及在取排水區(qū)域投放示蹤粒子的方法研究溫排水隨潮運動軌跡，發(fā)現(xiàn)取排水工程實施后外海主流區(qū)潮流依然呈往復運動，潮流場總體特性沒有改變；排水出口位于漲落潮主流區(qū)，溫排水受強潮作用可以較快地與外海新鮮客水進行交換；廠址近岸局部區(qū)域受取、排水明渠岸線影響流態(tài)有所改變，主要表現(xiàn)為排水明渠南北兩側靠近淺灣區(qū)域出現(xiàn)明顯回流流態(tài)；漲潮時回流呈順時針旋轉，且北側回流區(qū)范圍更大；落潮時則基本相反。

圖5 取排水近區(qū)溫排水流態(tài)Fig.5 Flow regime of thermal effluent in the sea area around the intake－outlet project

5.2 溫升分布隨潮特性

高于環(huán)境水溫的溫排水以一定速度從排口排入海域后，其運動過程受到排水初始動量、溫差浮力效應、環(huán)境潮流等因素的共同作用，表現(xiàn)為非恒定紊動浮力射流。排水近區(qū)是溫排水水力、熱力特性急劇變化的區(qū)域。在此區(qū)域，一方面，排水出流與周圍環(huán)境水體發(fā)生強烈的卷吸、摻混，環(huán)境低溫水不斷摻入，射流流量沿程增加，并在橫向和垂向上擴展；另一方面，溫排水高于環(huán)境水溫8.3℃，排水密度明顯小于環(huán)境水體密度，溫排水受到浮力作用后向水體表層運動，形成溫差異重流。近區(qū)的水溫分布表現(xiàn)為：垂向上具有明顯的溫度梯度；平面上水溫沿程急劇下降，具有較大的溫降梯度。近區(qū)高溫升影響范圍是熱污染控制的重點區(qū)域，目前環(huán)境影響評價中絕大多數(shù)以4℃以上溫升區(qū)作為監(jiān)管混合區(qū)。本工程秉承差位式取排水布置理念，近岸取水、離岸深排。推薦取排水方案下，排水出口處于水深流急的外海主潮流通道，環(huán)境潮流與溫排水的摻混稀釋比較充分，有利于將熱水高溫升范圍控制在較小區(qū)域。針對實測大潮開展溫排水物理模型試驗，水體表層全潮最大溫升包絡范圍見圖6a，排口前緣A點漲急與落急時刻垂向溫升分布見圖6b與圖6c。試驗結果表明：排水出流流速約0.2～0.3m／s，環(huán)境潮流較強，最大漲、落潮流速可達0.9～1.0m／s，排口近區(qū)溫降較快，規(guī)劃容量下溫升大于4℃的混合區(qū)范圍較小，全潮最大包絡面積不超過4.5km2；排水區(qū)域存在比較明顯的溫度分層現(xiàn)象，排水出口前緣水體熱水層厚度約2～3m，表底溫差約3.0～4.0℃。

隨著溫排水在潮流挾裹下遠離排口，其水力、熱力特性變化逐漸趨于平緩。溫排水的出流初始動量與浮力效應消失殆盡，垂向層與層間的熱量交換大為削弱，熱水層厚度由于水體下?lián)窖爻讨饾u變薄，溫排水的運動受控于環(huán)境潮流，對流擴散作用以及水面散熱成為影響水溫分布的主要因素。試驗研究結果表明：溫排水隨潮輸移擴散，漲潮時向西南方向輸運，落潮時基本相反，熱水帶呈順流窄帶型分布，沿漲落潮主流方向擴展較遠，而垂直于潮流方向相對較窄。在取水口附近水域，溫差分層現(xiàn)象已不明顯，表底溫差減小至0.2℃以內。1℃溫升全潮最大包絡影響范圍不超過35.6km2，且1℃溫升線離岸大于200m，沒有影響到岸邊養(yǎng)殖區(qū)。

圖6 取排水工程布置及溫升分布Fig.6 Intake－outlet layout and temperature increment distribution

5.3 電廠取水溫升隨潮變化規(guī)律

本工程核電機組取水口分別位于廠址南北兩側近岸取水明渠根部，而排水則延伸至600m處的主潮流深水區(qū)。取水口與排水口離岸距離較遠，位于溫排水高溫升影響帶之外。這種取排水布置形式能夠有效增加取水與排水之間的流程，避免熱水短路現(xiàn)象，有利于降低取水溫升。試驗研究結果表明：溫排水對南取水口的影響主要發(fā)生在漲潮至高平轉落時段，對北取水口的影響則發(fā)生在落潮至低平轉漲時段。漲潮時，熱水隨潮南下，遠離北側取水，不會對北側取水產(chǎn)生直接影響，在此過程中南側取水溫升有所升高。當潮流較強、高溫升熱水帶較窄時取水溫升相對較低，而潮流較弱，溫升帶離岸擴展較遠時，取水溫升略高，溫升峰值發(fā)生在高平之后2～3h。落潮時相反，熱水北上，遠離南側取水，北側取水溫升增大，峰值出現(xiàn)在低平過后3h左右。從水體表層全潮最大溫升分布圖可以看出，2℃溫升線尚未影響到取水明渠口門。提取一個完整潮周過程中南、北取水口逐時取水溫升，統(tǒng)計最大值以及平均值，可以得到南取水口全潮最大與全潮平均取水溫升分別為1.2℃與0.9℃，北取水口全潮最大與全潮平均取水溫升分別為1.3℃與1.0℃，均滿足設計要求。南、北兩側取水受溫排水影響的程度較為接近，溫升特征值相差不超過0.1℃。

6 結語

差位式取排水布置是濱海核電工程最為常用的典型取排水布置形式。本文詳細闡述了差位式取排水布置適用的潮流條件以及溫升帶分布形態(tài)。采用小變態(tài)全潮物理模型深入研究了某濱海核電廠的溫排水隨潮輸運規(guī)律。研究結果表明，工程海區(qū)潮流呈現(xiàn)順岸往復流特點，可利用差位式理論采用“近岸分散明渠取水、離岸集中明渠深排”的取排水布置。推薦方案下，溫排水從排口流入環(huán)境海域后，隨潮順流方向擴展較遠、離岸方向擴展較窄。排水出流位于水深流急的主潮流通道，環(huán)境潮流與溫排水摻混稀釋充分，溫升混合區(qū)范圍較小。同時，遠取近排的布置形式也有利于降低溫排水對電廠自身取水以及岸邊養(yǎng)殖區(qū)的熱影響。

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