濱海核電廠冷卻水排水建筑物布置的應(yīng)用研究

李波，湯東升

（廣東省電力設(shè)計研究院，廣東 廣州 510663）

核能發(fā)電是新能源開發(fā)的一項重要措施，目前我國有大亞灣核電站、嶺澳一期、二期核電站、秦山一期、二期、三期核電站、田灣核電站共7座核電站14臺核電機組建成投產(chǎn)，核電總裝機容量突破1000萬kW，其中嶺澳核電站二期采用的CPR1000機組于2010年9月投入商業(yè)運行，標(biāo)志著我國百萬千瓦級核電廠整體自主化設(shè)計又上了一個新臺階，全面總結(jié)濱海核電廠排水建筑物布置設(shè)計是核電廠水工建筑物布置設(shè)計自主化應(yīng)用研究的重要課題。

1 排水建筑物平面布置設(shè)計

1.1 冷卻水排放方式選擇

濱海電廠排水口一般設(shè)置在排水明渠與海床連接處，排水口型式應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)條件、消能及抗沖刷和散熱要求等因素確定。排水明渠和溝道宜按規(guī)劃容量一次建成。設(shè)計渠、道時應(yīng)考慮原有地面排洪設(shè)施的改變對附近場地和建筑物的影響。

濱海電廠直流冷卻水系統(tǒng)多采用水面冷卻，其設(shè)計總體方案因廠址條件不同，各方案的投資費用也差別很大，許多廠址還考慮與碼頭、港池結(jié)合設(shè)計。由于核電廠的重要性，因此在選址初期需要進行總體規(guī)劃，并隨著工程設(shè)計階段的推進，不斷進行深入研究和優(yōu)化，最終確定安全、合理、經(jīng)濟的方案。

冷卻水系統(tǒng)排放方式根據(jù)工程冷卻方式、取水條件、海岸和海底地形、波浪、海域海生物及環(huán)境保護要求等因素，可分為表層排放和淹沒排放。溫排水的排水口以渠道或溝道排到海水自由表面層為表層排放，當(dāng)要求溫排水摻混水量盡可能少時，采用低流速的表層排放，當(dāng)表層排放的排水口靠近航道布置時，排水流速宜按0.3～0.5m/s，當(dāng)布置在港口時宜按0.2～0.3m/s；溫排水的排水口通過管道排放到海水水體表層以下為淹沒排放，淹沒排放通過高速出流產(chǎn)生卷吸作用，使出流與受納水體強烈摻混，從而使水體表面水溫大大降低，可以使超溫范圍減小，淹沒排放的排水口流速一般不小于2m/s。

根據(jù)距離排水口的遠(yuǎn)近或水流在不同區(qū)域范圍內(nèi)的運動特性，將接納溫排水的水域分為近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)。

1）近區(qū)指緊鄰排水口出流部分的局部海域。由于出流熱水的動量，將受納水體的冷水卷吸入射流中，而使熱水與冷水產(chǎn)生強烈摻混，水溫驟降，溫降可達(dá)到排水溫差的60%～70%。在良好的淺水淹沒射流的情況下，冷水摻混量可達(dá)出流量的10倍，則溫降更大。近區(qū)的典型流態(tài)是表層水輻向內(nèi)匯，在該區(qū)形成冷熱水質(zhì)量、熱量的交換中心。近區(qū)熱量遷移主要是通過摻混作用將排入熱量帶向遠(yuǎn)區(qū)。與遠(yuǎn)區(qū)相比，近區(qū)范圍較小，但近區(qū)是溫排水的重點控制區(qū)和環(huán)境評價的主要對象。

2）遠(yuǎn)區(qū)指近區(qū)以外的廣闊海域，近區(qū)與遠(yuǎn)區(qū)間存在的過渡區(qū)一般歸入近區(qū)。在該區(qū)內(nèi)溫排水的流速及溫度沿程變化均較緩慢。從近區(qū)帶到遠(yuǎn)區(qū)的熱量通過以下途徑散發(fā)：

①環(huán)境水流的輸移：江河水流、風(fēng)成水流及潮汐流將熱量向流動方向輸送；

②由水平方向的水的密度梯度產(chǎn)生浮力，使熱量輸移；

③環(huán)境水流產(chǎn)生電動紊動擴散；

④通過自由水表面蒸發(fā)及對流向大氣散發(fā)。

由于溫排水表層排放和淹沒排放這兩種排放方式的近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)水力、熱力特性迥異，設(shè)計中盡可能利用水域的固有水文地形條件和水流動能特性，結(jié)合工程實際分析研究后確定其排放方式。表1列舉了濱海核/火電廠冷卻水排水工程實例。

表1 冷卻水排水工程一覽表

1.2 冷卻水排水口平面布置

冷卻水取排水口布置遵循“差位式布置”理念，取排水口的平面距離在取水溫升允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡量縮短，方便水工建筑物施工與維護，節(jié)省工程投資和運行費用。判斷取排水口的平面距離以避免和減少溫排水對取水水溫的影響為原則，通過數(shù)值模擬和物理模型試驗優(yōu)化后確定，在投資合理的條件下，優(yōu)先采用深層取水、表層排水的布置方式，當(dāng)受到近區(qū)環(huán)境條件限制時，可采用淹沒排放。必要時，可以采用導(dǎo)流堤、擋熱墻、截冷墻等工程措施。避免和減少冷卻水溫排水對取水水溫的影響措施主要有：

1.2.1 保證取排水口的平面距離

方案研究階段，溫排水對取水影響可通過以下經(jīng)驗公式判斷：

1）取排水口在同一海灣或較為平直的海岸，判斷取水口是否在溫排水回流影響范圍以外的距離按：

式中：L為取排水口的距離，m；Q為電廠取水流量，m3/s。

2）取排水口布置在封閉型同一入海口內(nèi)，所需要的冷卻水面面積為：

式中：A為對象水域的水面面積，m2；Q為電廠取水流量，m3/s。

1.2.2 分層取、排水

即采用深層取水、表層排水。排水口向外排放流速一般不大于0.5m/s，使排放流速均勻，從而表層和深層海水水溫不同而形成的密度分層盡可能保持相對穩(wěn)定。

表層排水在排水口處可設(shè)置擴散段或潛水堰。排水口設(shè)置擴散段的擴散角應(yīng)保持?jǐn)U散段內(nèi)水流均勻，保護出流平穩(wěn)擴散，不產(chǎn)生旋渦流，擴散角一般可取6°～10°，單側(cè)不宜大于15°；潛水堰的作用：1）由于潛水堰抬高了排水水位，從而減小和均化排水流速；2）調(diào)整排水出流流態(tài)，消除折沖水流；3）阻擋下層低溫水入侵摻混。潛水堰的高度經(jīng)計算確定，如潮位變幅較大，可設(shè)置2道或2道以上潛水堰。

1.2.3 其他工程措施

1）排水和取水導(dǎo)流堤：增大溫排水的擴散范圍和方向。

2）擋熱墻：一般平行于表層水流向，阻擋表層熱水，利于取下層冷水。

3）截冷墻：與冷水來流方向成大角度修建，利于取下層冷水。

4）排水通過較長的管、溝引入其他海域或外海。

總體來說，溫排水排出后在海水中摻混和擴散，對取水水溫產(chǎn)生影響不僅取決于取排水口的距離，還與排水口的排出型式、排出角度、出口流速、漲落潮流速及方向、海水余流的流速和流向、風(fēng)向和風(fēng)速、氣溫、海岸形狀等多種因素有關(guān)，與取水口的取水方式和取水深度也有關(guān)系，決非一個簡單的平面距離估算公式就能完全概括。實際工程設(shè)計中應(yīng)根據(jù)不同階段，進行冷卻水?dāng)?shù)值模擬和物理模型試驗才能分析溫排水對取水水溫的影響，合理確定取排水口布置。

2 排水建筑物高程布置設(shè)計

1）虹吸井排水溢流堰的高程設(shè)計應(yīng)符合以下要求：

①防止水流倒灌入冷卻水系統(tǒng)；

②堰上水位相對固定（或受控制）；

③防止系統(tǒng)停運時循環(huán)水管溝內(nèi)的水被自流排空；

④核電廠最終熱阱與虹吸井合建時，重要廠用水系統(tǒng)排放口宜設(shè)置在虹吸井溢流堰下游。

2）由于核電廠工程的重要性，排水建筑物設(shè)計波浪標(biāo)準(zhǔn)高于一般港口建筑物的設(shè)計波浪重現(xiàn)期，設(shè)計潮位標(biāo)準(zhǔn)高于火電廠，例如嶺澳核電站排水建筑物波浪設(shè)計重現(xiàn)期采用百年一遇，設(shè)計高水位采用百年一遇高潮位，設(shè)計水位采用多年平均潮位，設(shè)計低水位采用百年一遇低潮位，校核高水位采用最高天文潮+百年一遇增水，在設(shè)計高水位時，不允許建筑物出現(xiàn)任何破壞。

3）場地排水與循環(huán)冷卻水合排時，應(yīng)保證在百年一遇高潮位和百年一遇洪水相疊加時，排水渠涌高應(yīng)符合明渠安全要求，并且不超過最終熱阱的自由出流水位。

在防波堤后側(cè)布置排水明渠時，排水明渠內(nèi)由于越浪造成的波高不宜大于1m。防波堤在校核高水位與設(shè)計波浪重現(xiàn)期組合工況條件下不應(yīng)有成層水體越過堤頂。

4）排水與取水交叉構(gòu)筑物可采用交叉口交疊箱涵、支墩式渡槽和交叉口倒虹吸方式，宜經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。

5）排水口的淹沒水深。

①表層排放的排水明渠宜設(shè)置擴散段，并根據(jù)出口水位與設(shè)計低水位平射銜接確定出口底部高程。當(dāng)由于地形或其他條件限制而不能滿足此要求時，可設(shè)置潛水堰。

②淹沒排放的排水口可采用岸堤淹沒孔式、平行或T形擴散管式及排水塔式等，淹沒水深一般低于多年平均潮位 3～4m。

③核電廠低放射性廢水宜與溫排水合并排放，排水口的淹沒水深和流速應(yīng)通過低放射性廢水?dāng)?shù)值模擬和物理模型試驗確定。我國北部沿海冬季嚴(yán)寒地區(qū)需設(shè)置獨立排放口時應(yīng)有防止冰屑和冰絮阻塞出口的措施，東南沿海夏熱冬暖地區(qū)宜設(shè)置抑泡、消減鹽霧措施，必要時通過物理模型試驗確定。

6）排水口與冷卻海域水面銜接方式。

排水口與冷卻海域水面的銜接方式有平射出流、淹沒出流、跌落出流。

對于要求形成溫差異重流的冷卻水域水面，排水口的底部標(biāo)高應(yīng)使排水口水位與冷卻水域水面最低水位相同，保持平射銜接，熱水出流平靜，摻混作用較弱。根據(jù)溫差異重流形成條件計算合適的排水口出口流速，從而保持較大的出口流速，增加溫排水摻混水量，使冷卻水域水面平均溫度降低。但出口流速較大時，將引起排水口處海床沖刷，因此在排水口處設(shè)置一擴散段，在最不利的設(shè)計條件時不致與岸壁分離形成回流。當(dāng)由于地形或其他條件限制而不能滿足擴散段要求時，可在排水口前沿適當(dāng)范圍內(nèi)設(shè)置潛水堰，堰頂高程可按平射出流控制。

如需加大排水口局部區(qū)域的溫排水降溫幅度時，可采取淹沒或跌落出流的銜接方式，加大局部摻混作用。在潮汐入?？诤秃巢贾玫呐潘?，出口流速不受溫差異重流形成條件限制。必要時，排水口前沿寬度可通過冷卻水物理模型試驗確定。

3 排水建筑物檢修設(shè)備設(shè)計

1）冷卻水排水虹吸井出口宜設(shè)置檢修閘門，閘門數(shù)量可按同時檢修1臺機組排水暗涵確定。當(dāng)虹吸井與排水口之間采用暗涵、隧洞過渡時，在其進口和出口宜分別設(shè)置檢修人孔和閘門井。

2）閘門井應(yīng)設(shè)置檢修和起吊設(shè)置，一般可采用汽車式起吊，必要時可設(shè)置固定式啟閉裝置。

3）根據(jù)已建成的大亞灣核電站、嶺澳核電站一期和二期運行經(jīng)驗，虹吸井通過設(shè)置壓力式消能工溢流堰等水力消能設(shè)施達(dá)到抑泡、消減鹽霧目的，廣東臺山火電廠等大型火電廠也采用了類似的消能措施，由于采用了較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)型式，一般考慮每5 a進行1次大修，因此在排水口之前有必要設(shè)置檢修閘門。

4 結(jié)語

綜上所述，濱海核電廠冷卻水排水建筑物布置是核電廠廠址選擇和水工建筑物設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，不僅確保了濱海核電廠冷卻水系統(tǒng)運行功能的完整性，同時為保護核電廠免受風(fēng)暴潮危害影響發(fā)揮著安全保障作用，核電廠排水建筑物設(shè)計具有安全合理，環(huán)境相容，因地制宜的顯著特點，主要體現(xiàn)在以下方面：

1）冷卻水系統(tǒng)排放方式應(yīng)根據(jù)工程冷卻方式、取水條件、海岸和海底地形、波浪、海域海生物及環(huán)境保護要求等因素，采用表層排放式淹沒排放，合理選擇排水口形式。

2）冷卻水取排水口平面布置設(shè)計遵循“差位式布置”理念，以避免和減少溫排水對取水水溫的影響為原則，在初步判斷取排水口的方位和平面距離的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬和物理模型試驗優(yōu)化后確定。

3）排水建筑物高程布置設(shè)計應(yīng)根據(jù)排水口設(shè)計波浪和潮位標(biāo)準(zhǔn)，合理確定虹吸井排水溢流堰高程和排水口淹沒水深，確保水力過渡和水面銜接安全可靠。此外，排水暗涵宜設(shè)置檢修閘門設(shè)備。

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