海上平臺(tái)換流站溫排水?dāng)?shù)值模擬

楊 勇，王加龍※，許 偉，樂(lè) 波，晁 陽(yáng)，魏杰儒

（1.國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 102200；2.廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣州 510663；3.中電普瑞電力工程有限公司，北京 102200）

0 引言

隨著海上能源的不斷發(fā)展，海水冷卻技術(shù)的需求日益增長(zhǎng)。海水冷卻系統(tǒng)以海水直流冷卻的方式將設(shè)備發(fā)熱量傳遞給海水，最終將溫度升高后的海水排放到大海中去。廢熱的排入必然會(huì)造成海水溫度升高。對(duì)相應(yīng)海洋水域的海洋水質(zhì)、海洋生態(tài)環(huán)境等多個(gè)方面產(chǎn)生影響。因此，研究溫排水的排放分布規(guī)律有著極其重要的意義。

海上溫排水與傳統(tǒng)的火電廠、電站溫排水不同，其離海岸較遠(yuǎn)，主要受所處海域洋流的影響，排水口的布置形式也更加自由。溫排水進(jìn)入所處海域的水體后，相當(dāng)于三維熱射流過(guò)程[1-2]，只有建立三維數(shù)學(xué)模型才能更加準(zhǔn)確地計(jì)算出溫度場(chǎng)分布。因此本文通過(guò)建立溫排水三維模型，對(duì)溫排水的影響規(guī)律進(jìn)行計(jì)算分析，為實(shí)際工程提供一定的參考價(jià)值。

Onishi[3]研究了向深層排放溫排水的水力學(xué)；Mc-Guirk[4]將平均水深與與紊流模型結(jié)合得到了岸邊排放高溫冷卻水的溫度分布；Kim等[5]將某海灣海水流速的三維模型與固定分層法進(jìn)行比較分析，得到了更為準(zhǔn)確的海水流速三維模型；Gibsno[6]應(yīng)用浮力切向力與熱力學(xué)的相互聯(lián)系，將某海域的水文條件精確地表示出來(lái)；Suh SW[7]模擬了沿海地區(qū)表面的熱量擴(kuò)散，近場(chǎng)熱色散特性由CORMIX模型描述，遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算采用二維調(diào)和有限元流體力學(xué)模型（TEA）和歐拉-拉格朗日輸運(yùn)模型（ELA），計(jì)算結(jié)果與可用的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果吻合性較好；Schreiner SP[8]對(duì)馬里蘭州4個(gè)發(fā)電廠的熱羽流進(jìn)行模擬研究，將模擬將結(jié)果與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行定性和定量比較，結(jié)果表明，對(duì)于簡(jiǎn)單排放，CORMIX模型表現(xiàn)最佳。對(duì)于復(fù)雜的排放和復(fù)雜的環(huán)境，CORMIX模型通常會(huì)過(guò)快地混合羽流，從而產(chǎn)生比測(cè)量值溫度更低、范圍更小的羽流。Carlos E Romero[9]研發(fā)出一套可用于控制溫排水排放的軟件，該軟件基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)理論，將溫排水與控制系統(tǒng)很好地結(jié)合起來(lái)。

我國(guó)學(xué)者從20世紀(jì)80年代開(kāi)始著溫排水?dāng)?shù)值模擬的研究。趙士清[10]通過(guò)固定分層方法建立了水體流動(dòng)的三維數(shù)值模型，模擬了長(zhǎng)江口南槽河口外海域的水文特征；王麗霞[11]根據(jù)Kolmogoron和Prandtl假設(shè)，引入次網(wǎng)格能量概念，從而可計(jì)算出質(zhì)量、熱量、動(dòng)量，最后將均勻流體的黏性與局部能量結(jié)合，建立了封閉三維湍流模型；江洧[12]通過(guò)數(shù)值模擬得出了某工程海域流場(chǎng)分布情況，通過(guò)該模擬結(jié)果給出了最優(yōu)排水具體布置方案和工程海域熱污染范圍；安金英[13]比較了3種沙角發(fā)電廠工程實(shí)例，得出取排水口布置方式的優(yōu)劣，為后續(xù)工程項(xiàng)目的實(shí)施提供指導(dǎo)；崔丹、金峰[14]通過(guò)建立非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)流體進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析了三維水流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與溫度梯度之間的關(guān)系，結(jié)果表明該數(shù)值模型穩(wěn)定性及收斂性均較好，且模擬結(jié)果與工程項(xiàng)目實(shí)測(cè)值吻合性較好；顏鈺等[15]利用三維有限元模型模擬熱電廠附近海域海水溫升場(chǎng)的分布，數(shù)值模擬結(jié)果表明，通常采用的基于垂向平均的二維溫排水?dāng)?shù)值模型無(wú)法精確模擬溫度分層，只有建立三維模型才能對(duì)溫排水引起的溫升場(chǎng)進(jìn)行精確模擬；梁賢金等[16]針對(duì)菲律賓某濱海電站循環(huán)水取排水工程的實(shí)際特點(diǎn)，建立水流數(shù)學(xué)模型和溫升場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)其溫排水?dāng)U散過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。模擬結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案下，向海中排放的溫排水不會(huì)對(duì)所在海域環(huán)境造成明顯影響，符合當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門(mén)3℃溫升范圍要求。

雖然前人在溫排水的布置及溫排水熱影響方面已經(jīng)有較深入的研究，數(shù)值模擬技術(shù)等都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。但是，研究重點(diǎn)都是諸如電廠之類的近海岸，對(duì)遠(yuǎn)海如海上平臺(tái)的溫排水研究甚少，因此，研究三維水域環(huán)境下海上換流站溫排水工程的特點(diǎn)是很有必要的。

1 溫排水及基本理論及熱擴(kuò)散特征

1.1 溫排水基本理論

海上平臺(tái)換流站工作時(shí)，換流站內(nèi)各零部件工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的廢熱，為使廢熱及時(shí)排出，環(huán)流站內(nèi)部必須配有對(duì)應(yīng)的冷卻系統(tǒng)，海上換流站直接利用海水作為冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)，將低溫的海水從附近水域中抽取進(jìn)入冷卻系統(tǒng)中，在換熱裝置中低溫海水與廢熱進(jìn)行熱交換，換熱后的海水溫度升高并排入周?chē)Ｓ?，這種攜帶大量廢熱并排放至鄰近水域，使水域溫度升高的熱水稱之為溫排水。

溫排水的熱量不僅會(huì)引起大氣近水面及近岸地面層氣溫升高，而且諸多熱量進(jìn)入受納水域后，使水體溫度升高，水溫是水體的一個(gè)物理屬性，跟污水所含污染物質(zhì)的其他物性一樣，超過(guò)正常值的一定范圍，便屬于污染，可能對(duì)水體中的生態(tài)系統(tǒng)造成一定的影響。

1.2 溫排水熱擴(kuò)散特征

溫度較高的水體以溫排水的形式進(jìn)入海水以后，在二者的互作用下，會(huì)形成羽流狀的水體狀態(tài)，二者的混合過(guò)程可分為3個(gè)階段。第一階段為均流過(guò)程，即在溫排水離開(kāi)排水口后，會(huì)以熱射流的方式與周?chē)芗{水體進(jìn)行傳熱傳質(zhì)并且逐漸擴(kuò)散。當(dāng)溫排水的初始動(dòng)量與受納水體浮力的相互作用逐漸消失之后，此時(shí)二者間其他作用力逐漸增強(qiáng)，開(kāi)始進(jìn)入第二階段擴(kuò)散過(guò)程，如果尚未擴(kuò)展到河流的全斷面，則高溫水體將隨著受納水體的水流繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，并由于受納水體的湍流動(dòng)能而持續(xù)向遠(yuǎn)處傳播擴(kuò)散。當(dāng)溫排水所產(chǎn)生的熱射流截面上流速相對(duì)于受納水體流速度很小甚至為零時(shí)，此時(shí)混合會(huì)進(jìn)入最后的離散階段，隨著水流方向擴(kuò)散直至穩(wěn)定。上述3個(gè)混合階段所形成的區(qū)域按照各自特點(diǎn)亦可將其分為近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)。根據(jù)上述分析可將近區(qū)可看作是由初始溫排水特征和受納水體水文特性控制的區(qū)域。而遠(yuǎn)區(qū)則是由受納水文條件控制的區(qū)域。

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

海上溫排水排放過(guò)程屬于熱射流的一種，實(shí)質(zhì)上都是不受固壁直接影響的自由湍流運(yùn)動(dòng)。由于研究主要是溫排水離開(kāi)排水管道之后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，受相關(guān)海域水體的流速及水溫影響較大，因此需要采用海水流動(dòng)速度與水溫作為熱射流的簡(jiǎn)化模型。

假設(shè)熱射流排放到無(wú)限大水域，熱射流為定常充分發(fā)展的湍流，海洋環(huán)境來(lái)流為不可壓縮流體，根據(jù)流體流動(dòng)的基本控制方程，采用湍流模型，得到三維數(shù)學(xué)模型[17-18]如下。

連續(xù)性方程：

式中：ρ為流體密度；v為流體速度。

能量方程：

式中：T為溫度；k為湍動(dòng)能；sT為耗散源項(xiàng)；cp為常數(shù)。

三維溫度對(duì)流擴(kuò)散模式為[5]：

式中：T為溫度；Kh為垂向擴(kuò)散系數(shù)；FT為水平擴(kuò)散項(xiàng)。

溫度方程下σ坐標(biāo)系下的變換形式[6]：

式中：T為溫度；Kh為垂向熱擴(kuò)散系數(shù)；為短波輻射熱通量。

水平擴(kuò)散項(xiàng)DFT可以進(jìn)行如下近似[7]：

式中：Ah為水平熱擴(kuò)散系數(shù)。

2.2 軟件簡(jiǎn)介

FLUENT軟件是目前國(guó)內(nèi)外使用最廣泛、最流行的商業(yè)軟件之一，用于模擬和分析在復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)與熱交換問(wèn)題的專用CFD軟件。FLUENT自帶的網(wǎng)格劃分軟件用于劃分計(jì)算網(wǎng)格，要求被劃分水體模型邊界閉合；FLUENT利用已劃分的網(wǎng)格，選定求解器類型，并設(shè)置控制參數(shù)，建立流場(chǎng)模型，計(jì)算水體的各項(xiàng)水力特性圖和特征值。Fluent軟件功能強(qiáng)大、適用面廣，高效、省時(shí)，具有多種計(jì)算模型，同傳統(tǒng)的CFD計(jì)算方法相比，穩(wěn)定性好、精度提高，可達(dá)二階精度，是數(shù)值模擬研究的核心軟件之一。FLUENT軟件是國(guó)外開(kāi)發(fā)的一種數(shù)值模擬核心軟件，目前在國(guó)內(nèi)研究溫排水方面應(yīng)用較少。

2.3 基本假設(shè)及邊界條件

2.3.1 基本假設(shè)

本文使用FLUENT軟件對(duì)溫排水熱特性進(jìn)行分析，需對(duì)計(jì)算模型做出如下假設(shè)：

（1）海水在流動(dòng)過(guò)程中為不可壓縮狀態(tài)；

（2）流體屬性不隨溫度變化而變化；

根據(jù)系統(tǒng)需求,濾波器性能指標(biāo)如表1所示,可以看到系統(tǒng)對(duì)濾波器的遠(yuǎn)端抑制(≥25 dB@5.95～10 GHz)要求較高。

（3）海水在管道流道內(nèi)壁面無(wú)相對(duì)滑移，即壁面處的流速為零；

（4）海水屬性：不考慮海域內(nèi)海水的流速分層與水溫分層。

2.3.2 模擬條件及參數(shù)設(shè)置

模擬參數(shù)如表1所示。

表1 模擬參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

2.3.3 仿真模型

由于本次模擬主要研究的是排水與海域水體的相互影響，故可將不必要的部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的仿真模型如圖1所示。

圖1 仿真模型Fig.1 Simulation model

2.3.4 仿真工況設(shè)置

表2 模擬工況Tab.2 Simulation condition

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 不同工況溫度云圖

根據(jù)上述仿真條件及假設(shè)，通過(guò)模擬分析得到4種工況下海域內(nèi)溫度分布，如圖2~5所示。

圖2 況1體積云圖Fig.2 Condition1 contour

圖3 工況2體積云圖Fig.3 Condition2 contour

圖4 工況3體積云圖Fig.4 Condition3 contour

圖5 工況4體積云圖Fig.5 Condition4 contour

3.2 結(jié)果分析

通過(guò)上述溫度分布云圖可得到4種工況下不同溫升的包絡(luò)面積，如表3所示。

表3 不同溫升的包絡(luò)面積Tab.3 Temperatureenvelopearea

4種工況的溫度分布圖及折線如圖6所示，由圖可知，工況2中溫排水?dāng)U散面積最大。故可知，在溫排水所處受納水體流速一定的情況下，溫排水?dāng)U散的面積隨流量的增加而增大。其中，溫度較高的區(qū)域主要集中在近區(qū)，即分布在排水口附近，各工況下高溫區(qū)形成的包絡(luò)面積相差不大；隨著溫排水逐漸向遠(yuǎn)區(qū)的擴(kuò)散流動(dòng)，溫排水與受納水體間的溫差逐漸減小，另一方面，二者溫差對(duì)應(yīng)的溫升等值面的包絡(luò)面積是逐漸增加的，且最大包絡(luò)面積出現(xiàn)在溫升1~2℃時(shí)。通過(guò)工況1及工況3對(duì)比可知，在固定的排水流量下，受納水體的流速越快，溫升擴(kuò)散面積越小，從而對(duì)受納水體區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境的影響越小。值得注意的是，環(huán)境流速存在一個(gè)極值，并不是越大越好，當(dāng)流速過(guò)大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)十分明顯的湍流紊亂現(xiàn)象，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)流動(dòng)變得極其復(fù)雜，會(huì)出現(xiàn)例如貼壁等現(xiàn)象，這類現(xiàn)象的出現(xiàn)對(duì)溫排水的換熱極其不利，因此在實(shí)際工程中會(huì)嚴(yán)格地選擇受納水體水文條件。

圖6 溫升與各工況溫升包絡(luò)面積Fig.6 Temperature rise envelope area

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用FLUENT軟件對(duì)海上溫排水的排放過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論。

（1）排水口排放流量相同時(shí)，溫排水受納水體流速越大，溫排水與水體間的相互作用越強(qiáng)烈，加快熱交換速度，從而大大降低對(duì)受納水域生態(tài)環(huán)境的影響。

（2）溫排水受納水體水流流速一定時(shí)，溫排水的擴(kuò)散面積與排水流量成正比，排水量是影響擴(kuò)散面積的直接因素。

（3）近區(qū)高溫升包絡(luò)面積較大，且排水流量及受納水體的流速對(duì)其影響較小，隨著混合后的水流向遠(yuǎn)區(qū)擴(kuò)散，水體溫升逐漸減小，對(duì)應(yīng)的等值面包絡(luò)面積逐漸增加，且最大包絡(luò)面積出現(xiàn)在溫升1~2℃內(nèi)。

（4）本次模擬未考慮潮汐潮流、風(fēng)動(dòng)力、水體鹽度及密度等影響因素，僅假設(shè)水體水文屬性不變，因此在將來(lái)的模擬研究中應(yīng)將上述影響因素納入考慮因素中，得到的模擬結(jié)果會(huì)更加接近實(shí)際，更加準(zhǔn)確可信。

數(shù)值模擬結(jié)果可用來(lái)預(yù)測(cè)最佳排水方案，為今后海上溫排水工程的優(yōu)化和選擇提供了一種新穎的理論分析方法。