長(zhǎng)興島某電廠溫排水?dāng)?shù)值模擬研究

陳雪峰，劉 松

（大連大學(xué)土木工程技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)中心，大連116622）

長(zhǎng)興島某電廠溫排水?dāng)?shù)值模擬研究

陳雪峰，劉 松

（大連大學(xué)土木工程技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)中心，大連116622）

在沿海水域冷卻水工程中需滿足機(jī)組對(duì)冷卻水水量和水質(zhì)的要求，并且對(duì)水域水環(huán)境影響做出評(píng)價(jià)。文章依托大連長(zhǎng)興島某電廠為背景資料，建立平面二維潮流數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。在水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上，選取四種典型工況，對(duì)潮汐潮流作用下的電廠排水口溫排水熱擴(kuò)散特性進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)計(jì)算結(jié)果探究溫排水在水域內(nèi)輸運(yùn)、擴(kuò)散規(guī)律并預(yù)測(cè)溫度場(chǎng)最大溫升包絡(luò)線分布及取水口溫升，分析取排水口布置方案的合理性。

溫排水；溫升分布；取水口溫升

電廠排水溫度比周圍環(huán)境水域水溫高，大量溫水排放對(duì)局部地區(qū)造成熱富集，降低水體自凈能力［1］，同時(shí)會(huì)引起受納水體多種理化性質(zhì)變化，對(duì)魚(yú)類、浮游生物、底棲生物等造成不同程度影響。取水口附近的冷卻水水溫直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行效率，當(dāng)水溫超過(guò)一定限度，還會(huì)形成水循環(huán)的短路，影響機(jī)組安全［2］。

數(shù)學(xué)模型理論發(fā)展已經(jīng)較為成熟，成為研究水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要手段，而且數(shù)值模擬具有研究費(fèi)用低、速度快、不受試驗(yàn)場(chǎng)地影響、周期短等優(yōu)點(diǎn)成為研究溫排水方面的主要途徑。國(guó)家海洋局第三海洋研究所李燕初等［3］用二維淺水方程，采用交替方向隱式差分（ADI）方法，對(duì)廈門(mén)港和汕頭港潮汝潮流及污染物擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬；郝瑞霞等［4］采用浮力修正的k?ε瑞流模型，三維離散型邊界擬合坐標(biāo)變換下的控制體積法，進(jìn)行了濱海電廠冷卻水工程的潮沒(méi)水流和熱傳輸?shù)娜S數(shù)值模擬研究；孫艷濤等［5］采用平面二維水流溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)池州電廠二期工程的溫排水排放進(jìn)行了數(shù)值模擬，在流速吻合良好的基礎(chǔ)上對(duì)溫排水的影響進(jìn)行了預(yù)測(cè)；McGuirk和Rodi［6］采用深度平均形式k?ε的紊流模型計(jì)算冷卻水岸邊排放近區(qū)的溫度分布。

丹麥水力學(xué)研究所（DHI）研制的Mike21流體運(yùn)動(dòng)模塊在國(guó)內(nèi)外水環(huán)境研究領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。例如劉海成等［7］和王慶改等［8］分別采用Mike21 FM模型的三角形網(wǎng)格和混合網(wǎng)格對(duì)溫排水問(wèn)題進(jìn)行研究；秦曉［9］通過(guò)對(duì)溫排水計(jì)算領(lǐng)域重要影響參數(shù)的研究，提出更加適宜的模型邊界處理與參數(shù)取值方法、范圍，對(duì)電廠溫排水排放環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)報(bào)。上述文獻(xiàn)均是利用Mike21的FM模塊對(duì)某海域進(jìn)行溫排水計(jì)算，并給出較為理想的預(yù)報(bào)結(jié)果，所以本文擬采用Mike21 FM無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，基于潮流場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證較好的基礎(chǔ)上，模擬大連長(zhǎng)興島某電廠附近海域水流規(guī)律及溫排水輸運(yùn)、擴(kuò)散規(guī)律。

1 Mike21 FM數(shù)學(xué)模型

控制方程

式中：t為時(shí)間；x、y為笛卡爾坐標(biāo)的坐標(biāo)軸；h為水面高程；總水深為h=h+d；d為水深；為總水深對(duì)應(yīng)于x、y的垂線平均速度分量；f為柯氏力參數(shù)；γ為密度；γ0為相對(duì)密度；pa為大氣壓力；tsx、tsy為x、y方向的風(fēng)應(yīng)力；tbx、tby為底部切應(yīng)力；sxx、sxy為x方向的底坡及能坡；syx、syy為y方向的底坡及能坡；Txx、Txy、Tyx、Tyy為側(cè)向應(yīng)力；g為重力加速度；S為源匯項(xiàng)流量（us、vs為源匯項(xiàng)對(duì)應(yīng)的速度分量）；Tˉ為沿垂向平均的溫度；FT為溫度擴(kuò)散系數(shù)；為大氣熱量交換源項(xiàng)；Ts為源項(xiàng)的溫度。

2 水動(dòng)力模型

2.1 工程背景及工程區(qū)域自然條件

大連長(zhǎng)興島位于渤海中部東海岸，包括葫蘆山灣和長(zhǎng)興島西北海岸。葫蘆山灣灣口向西，寬約10 km，水深約20 m，南北兩岸分別為西中島和長(zhǎng)興島。長(zhǎng)興島西北海岸從馬家咀到高腦山一帶沿岸水深在-10 m 到-20 m左右，為開(kāi)敞水域（如圖1）。

圖1工程概況Fig.1 General situation of project

據(jù)海洋站某年氣溫資料統(tǒng)計(jì)該區(qū)域月平均氣溫最高為23.7°C（8月）、最低為-3°C（1月），全年中以12月～翌年2月為月平均氣溫較低月份，以6～8月為月平均氣溫較高的月份。太平洋潮波由北黃海經(jīng)渤海海峽口傳入灣內(nèi)，分別向渤海灣、遼東灣、萊州灣推進(jìn)。本海域位于渤海灣灣口北側(cè)。潮汐性質(zhì)屬于不正規(guī)半日混合潮型，即一潮汐日內(nèi)出現(xiàn)二次高潮和二次低潮，潮差相差比較大，時(shí)間不等。海域潮流屬于不規(guī)則半日淺海潮流性質(zhì)，且漲、落潮流具有往復(fù)流的性質(zhì)。在流速變化上該海域呈現(xiàn)有大潮流速大、小潮流速小、表層流速大、底層流速小的變化規(guī)律。漲、落潮平均歷時(shí)隨季節(jié)、位置的變化略有不同。

2.2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分

本研究采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分，使用三級(jí)嵌套網(wǎng)格，對(duì)工程區(qū)域附近進(jìn)行重點(diǎn)加密，保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性（如圖2）。整個(gè)模型共包括52 235個(gè)節(jié)點(diǎn)和103 071個(gè)單元，其中在工程區(qū)域內(nèi)三角形最小邊長(zhǎng)為60 m，在工程區(qū)域外適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，可以節(jié)省模型計(jì)算時(shí)間，并且滿足工程需要。

2.3 參數(shù)設(shè)置

式中：u0、v0、η0分別為初始流速和初始潮位。在本研究中，初始流速為0 m/s，初始潮位為0 m。

邊界條件：開(kāi)邊界采用潮位邊界條件，固邊界采用干濕邊界條件。

計(jì)算參數(shù)：柯氏力系數(shù)根據(jù)地形文件及柯氏力計(jì)算公式由Mike21 FM自動(dòng)計(jì)算出計(jì)算域不同位置處的柯氏力系數(shù)，并應(yīng)用到模型的計(jì)算中。水平渦粘系數(shù)采用Smagorinsky方程計(jì)算，模型中采用推薦值0.3。底摩阻由曼寧系數(shù)確定，采用推薦值32 m1/3/s。

圖2 模擬海域網(wǎng)格劃分Fig.2 Computing grid of simulation section

圖3 臨時(shí)潮位站、潮流站工程布置圖Fig.3 Engineering plan of temporary tide level station and tide station

圖4 馬家咀測(cè)站潮位驗(yàn)證Fig.4 Validation results of tide level in Majiaju

2.4 模型驗(yàn)證

根據(jù)大連海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心某年夏季及冬季測(cè)驗(yàn)資料，有4個(gè)潮位測(cè)站可驗(yàn)證計(jì)算域內(nèi)夏季（大潮、小潮）和冬季（大潮、小潮）潮位過(guò)程，潮流驗(yàn)證有8個(gè)測(cè)流點(diǎn)的垂向平均流速及流向進(jìn)行驗(yàn)證（見(jiàn)圖3）。潮位測(cè)站和潮流點(diǎn)的分布表明此模型可以很好地反映出該海域內(nèi)的潮流特性。為節(jié)省篇幅，圖4僅給出位于工程附近的馬家咀潮位站（39°33′0.6″N，121°14′52.5″E）夏季小潮潮位實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻和較好。圖5給出了6#潮流點(diǎn)（39°35′25″N，121°15′10″E）、8#潮流點(diǎn)（39°30′28″N，121°12′16″E）的流速、流向驗(yàn)證結(jié)果，從圖中可以看出，流速的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好。綜上所述，溫排水?dāng)?shù)值模擬可以在此水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算。

圖5 6#、8#潮流流速、流向驗(yàn)證結(jié)果（夏季小潮）Fig.5 Validation results of 6#、8#current velocity and current direction

3 溫排水?dāng)?shù)值模擬

3.1 計(jì)算工況及參數(shù)

基于潮流場(chǎng)潮位和流速吻合較好的基礎(chǔ)上，對(duì)長(zhǎng)興島某電廠沿岸溫排放進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算工況分別為：夏季（大潮、小潮）和冬季（大潮、小潮）四種典型工況條件。

定解條件：在Mik21 FM模型中采取相對(duì)溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模式對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，初始溫升及邊界溫升設(shè)為0，排水口附近溫升采用溫度升高值，即排放口水溫與自然水溫之差。溫排水水溫冬季低，夏季高，與受納水體的溫差夏季小、冬季大，在本研究中夏季排水口設(shè)計(jì)溫升為10℃，冬季排水口設(shè)計(jì)溫升為15℃。

擴(kuò)散系數(shù)：擴(kuò)散過(guò)程主要包括水流流速梯度引起的剪切流動(dòng)、分子運(yùn)動(dòng)和紊動(dòng)引起的物質(zhì)擴(kuò)散。在溫度場(chǎng)模型中由于缺少溫度擴(kuò)散系數(shù)率定，此處采用比例系數(shù)，即模型軟件中的Scaled eddy viscosity formulation選項(xiàng)下Scaling factor采用推薦值1.1［10］。

熱交換項(xiàng)：根據(jù)系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

本研究根據(jù)排水口位置不同，采用兩種方案。方案一采取1#排水口（39°34′45″N，121°15′36″E）單口排放方式，方案二在方案一的基礎(chǔ)上增加了2#排水口（39°33′38″N，121°14′22.56″E），取水口（39°34′21.36″N，121°15′12.96″E）位置保持不變，取、排水口工程平面位置如圖6所示。表1分別給出了各方案下不同排水口排水量。

表1 排水口方案Tab.1 Scheme for water outfall

3.2 溫升分布及取水口溫升

溫排水主要是研究電廠在不同季節(jié)、不同潮型條件作用下溫排水排放對(duì)工程區(qū)域及鄰近海域影響范圍及取水口影響。沿海電廠溫排水輸運(yùn)擴(kuò)散規(guī)律除受電廠排水口尺寸、排放方式、排水口附近地形條件影響外，還取決于潮汐動(dòng)力等因素的影響。

根據(jù)模型計(jì)算潮流分布結(jié)果可以看出，漲、落潮憩流一般發(fā)生在高、低潮前后，最大流速一般發(fā)生在半潮；復(fù)州灣漲、落潮流向呈東北—西南向，基本沿灣岸流動(dòng)；葫蘆灣漲、落潮流向除灣頂也呈東北—西南向外，灣口水域流向基本呈北—南向。

圖6 取排水口位置Fig.6 Location of water intake and outfall

圖7 方案一溫升包絡(luò)線Fig.7 Envelope diagram for temperature rise in scheme 1

圖8 方案二溫升包絡(luò)線Fig.8 Envelope diagram for temperature rise in scheme 2

圖7、圖8分別給出了夏季小潮期不同方案下的溫升分布，可以看出，漲潮時(shí)溫水受潮汐潮流作用緊貼岸線進(jìn)入復(fù)州灣，在高潮位時(shí)范圍達(dá)到最大，落潮時(shí)溫水向相反的方向進(jìn)入葫蘆山灣，由于受葫蘆山灣落潮流影響，溫水并未完全進(jìn)入葫蘆山灣，一部分繼續(xù)向南移動(dòng)，在低潮位時(shí)溫水范圍最大，溫水在潮周期內(nèi)沿岸線作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，符合本地潮流性質(zhì)。

表2 方案一各工況條件下最大溫升包絡(luò)面積Tab.2 Envelope area for the maximum temperature rise under several operation conditions in scheme 1km2

葫蘆山灣地處工程海域附近，灣口向西偏南，灣口以內(nèi)呈葫蘆形，水深較淺。在落潮期，受潮汐潮流的影響，溫水會(huì)向葫蘆山灣附近聚集?！逗Ｋ|(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB 3097-19976》按照海域的使用功能和保護(hù)目標(biāo)，海水水質(zhì)分為四類，規(guī)定在一、二類地區(qū)人為造成的海水溫升夏季不超過(guò)1℃，其它季節(jié)不超過(guò)2℃，在三、四類地區(qū)人為造成的海水溫升不超過(guò)4℃［11］。根據(jù)最大溫升包絡(luò)線可以看出，夏季小潮期1℃最大溫升包絡(luò)線只到達(dá)灣口而并未進(jìn)入灣里，因此這兩種方案都沒(méi)有對(duì)葫蘆山灣海域水環(huán)境產(chǎn)生較大影響，滿足水質(zhì)要求。

表3 方案二各工況條件下最大溫升包絡(luò)面積Tab.3 Envelope area for the maximum temperature rise under several operation conditions in scheme 2km2

表4 方案一取水口溫升Tab.4 Temperature rise for water intake of scheme 1℃

表5 方案二取水口溫升Tab.5 Temperature rise for water intake of scheme 2℃

研究溫升場(chǎng)最大溫升包絡(luò)面積有利于對(duì)取排水口優(yōu)化布置及對(duì)環(huán)境影響作出評(píng)價(jià)，最大溫升包絡(luò)面積與水深、流速關(guān)系密切。表2、表3給出了各典型工況條件下兩種方案的溫排水最大溫升包絡(luò)面積。由表2、表3可以看出，在小潮潮型條件下，夏季最大溫升包絡(luò)面積均比冬季大；大潮潮型條件下，夏季最大溫升包絡(luò)面積比冬季要小。在各潮型期夏季均比冬季取水口平均溫升高，主要原因在于夏季溫排水水溫高，冬季溫排水水溫低的原因。

隨潮位過(guò)程的變化，取水口溫升在不同時(shí)刻變化明顯。溫升進(jìn)入海域后，先經(jīng)歷初始摻混，溫升高低取決于水量的大小。由于取水口在排水口上游，溫水會(huì)進(jìn)入到取水口。漲潮初期階段，溫水主要向東北方向移動(dòng)，同時(shí)在排水口周圍進(jìn)行擴(kuò)散。隨著潮流流速增大，溫水大部分流向取水口，在潮流達(dá)到高潮位時(shí)，取水口溫升達(dá)到最大。漲潮轉(zhuǎn)化為落潮階段，溫水流向排水口附近，并繼續(xù)沿岸線向南移動(dòng)。落潮流速逐漸增大，溫水遠(yuǎn)離取水口，進(jìn)入葫蘆山灣海域，此時(shí)取水口溫升最小。表4、表5分別給出了方案一、方案二在不同工況條件下取水口平均溫升和最大溫升，兩種方案都符合電廠設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

應(yīng)用Mike21 FM建立水深平均二維水動(dòng)力和溫度場(chǎng)模型模擬了長(zhǎng)興島某電廠溫排水附近水域水流規(guī)律及溫排水的輸運(yùn)、擴(kuò)散，通過(guò)對(duì)各典型工況條件下溫排水最大溫升包絡(luò)面積及取水口溫升分析，模型模擬結(jié)果較好地反應(yīng)了該海域水力熱力特性，并對(duì)工程區(qū)域附近環(huán)境影響作出了正確評(píng)價(jià)。

（1）模型采用無(wú)結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，很好地?cái)M合邊界地形，并且對(duì)工程區(qū)域進(jìn)行局部加密，水動(dòng)力模型驗(yàn)證結(jié)果表明此模型良好地反映了工程區(qū)域附近水力特性。

（2）分析、比較電廠溫排水輸運(yùn)、擴(kuò)散規(guī)律，得出各典型工況條件下的溫升包絡(luò)線分布。夏季小潮期最大溫升包絡(luò)面積均比冬季大，冬季大潮期最大溫升包絡(luò)面積比夏季要大。在各潮型期取水口平均溫升夏季均比冬季高。兩種方案條件下，取水口溫升都符合設(shè)計(jì)要求。

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Numerical simulation for the plant of Changxing Island in Dalian

CHEN Xue?feng,LIU Song
（Dalian University R&D Center of the Civil Engineering Technology,Dalian 116622,China）

The machine set met the demands of water yield and water quality in the cooling water project of coastal waters,and the assessment of the influence on water environment was made.Based on the background of the plant of Changxing Island in Dalian in this paper,the two?dimensional tide mathematical model was established, and according to the measured data,the model was validated.On the basis of hydrodynamic model,four typical con?ditions were chosen,and the diffusion feature of the cooling water of the power plant was numerically simulated un?der the action of the tide and tidal current.According to the calculation results,the rules of the transportation and diffusion of the cooling water were studied,then the envelope program of the maximum temperature rise and the tem?perature rise of water intake were predicted,finally the rationality of the arrangement schemes of water intake and drainage exit were analyzed.

thermal discharge;temperature distribution;temperature rise for water intake

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2016）03-0269-06

2015-10-27；

2015-12-29

陳雪峰（1973-），女，遼寧省大連人，教授，主要從事近海工程研究。

Biography：CHEN Xue?feng（1973-），female，professor.