越南某電廠溫排水?dāng)?shù)值模擬

李紹武，韓 飛，陳漢寶

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津 300456)

越南某電廠溫排水?dāng)?shù)值模擬

李紹武1，韓 飛1，陳漢寶2

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津 300456)

為了解越南某電廠新建一期三期工程對已投入運(yùn)行的二期工程取水口溫升的影響，采用MIKE 21中的潮流和溫度輸運(yùn)模塊進(jìn)行了潮流和溫度場的數(shù)值模擬。選取冬季和夏季兩種氣象背景，模擬了典型大潮、小潮情況下一、二、三期工程同時運(yùn)行時的溫度場擴(kuò)散過程，得出不同工況下的溫升包絡(luò)圖。模擬結(jié)果表明：一期和三期工程投入運(yùn)營后，二期工程取水口溫升不超過1℃，符合使用條件。針對工程中的透水防波堤，文章提出了杜比公式與MIKE模型相結(jié)合的模擬方法，并根據(jù)計算結(jié)果分析了防波堤的透水性對溫度場擴(kuò)散的影響。結(jié)果表明，防波堤透水性對溫度場擴(kuò)散影響顯著。

MIKE21；溫排水；透水防波堤；杜比公式

數(shù)值模擬方法是一種工程中廣泛采用的較為成熟的研究溫排水運(yùn)動過程的常規(guī)方法[1-5]，既有效且經(jīng)濟(jì)，許多開源程序或商業(yè)軟件中都有淺水和溫排模塊，但無法直接處理透水堤情況。一般斜坡式防波堤由于拋石孔隙率較大，難以阻擋潮流的穿透，而透過堤身的溫排水對港內(nèi)水體的溫度影響相當(dāng)顯著。MIKE軟件是在國內(nèi)外應(yīng)用十分普遍的水動力數(shù)值模擬軟件。本文提出一種將杜比公式與MIKE21模型相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了透水防波堤溫度場輸運(yùn)過程的模擬。

1 模型理論

1.1淺水波水動力模塊

質(zhì)量守恒方程

(1)

(2)

(3)

1.2溫度模塊

MIKE21 FM的溫度模塊的控制方程為二維熱輸運(yùn)方程[6]

(4)

2 工程概況

圖1 電廠布置及水文測點Fig.1 Plane layout of the power plant and location of observation stations for tide and current

越南某燃煤電廠工程位于越南南部。電廠包括：一期2×600 MW 二期2×600 MW 和三期2×1 000 MW，其中二期工程已投入運(yùn)行，一期與三期工程正在建設(shè)。電廠循環(huán)水系統(tǒng)采用海水直流循環(huán)冷卻系統(tǒng)，排水口設(shè)置在電廠防波堤外側(cè)，取水口設(shè)置在港池內(nèi)部，采用港池明渠取水方案，一、三期工程共用取水明渠(圖1)。

廠址附近海域的潮汐類型屬于不規(guī)則全日潮，全日分潮占主導(dǎo)，其間夾雜不規(guī)則半日潮，每月有6～7 d呈半日潮特征。海平面變化在雨季較小，符合海平面的月際變化規(guī)律，最高潮位一般出現(xiàn)在10月，最低潮位出現(xiàn)在8月。由實測流速資料分析可知，該海域流場為從東北到西南方向的單向流，漲潮時流速較大，落潮時流速較小。根據(jù)1981～1991年的水溫統(tǒng)計資料，該地區(qū)屬于熱帶氣候，年內(nèi)各月的平均水溫變化不大，在26.4～28.0℃，多年平均水溫為27.4℃，最高水溫為32.4℃，最低水溫為22.3℃ 。年內(nèi)各月平均氣溫在25.2～28.4℃，多年平均氣溫為26.7℃，最高氣溫為37.2℃，最低氣溫為16.7℃ 。

3 數(shù)值模型的建立及計算結(jié)果討論

3.1計算區(qū)域和網(wǎng)格劃分

2-a計算區(qū)域地形 2-b計算區(qū)域網(wǎng)格剖分圖2 計算區(qū)域地形及網(wǎng)格劃分Fig.2 Numerical domain and meshes

根據(jù)電廠周邊區(qū)域的岸線特點，結(jié)合電廠取排水工程布置及地形情況，確定模型計算區(qū)域(圖2)，面積約為234.9 km2。采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，節(jié)點數(shù)9 811，網(wǎng)格單元數(shù)19 110，并對取水口、排水口及進(jìn)港航道進(jìn)行網(wǎng)格加密，分辨率最小約12 m。

3.2模型的初始和邊界條件

潮流場計算的初始條件采用零啟動條件，即全場流速給定為零。岸邊界采用滑移陸地邊界?；顒舆吔绮捎酶蓾窬W(wǎng)格法，干網(wǎng)格、半淹沒網(wǎng)格和濕水網(wǎng)格截斷水深分別為0.005 m、0.05 m、0.1 m，當(dāng)水深小于干水深時視為干網(wǎng)格，水深大于濕水深時視為濕網(wǎng)格，水深處于干水深與濕水深之間時不計算動量方程，只計算連續(xù)方程。水邊界采用潮位和流速過程。

溫度場計算的初始條件為環(huán)境水體溫度，冬季取30.8℃，夏季取32.4℃。陸邊界采用絕熱條件，對于開邊界，水流流出，邊界溫度由計算給出，水流流入，邊界溫度為環(huán)境水體溫度。排水口溫度與取水口溫度關(guān)聯(lián)，為取水溫度加排水溫差，一期工程循環(huán)水流量為61 m3s，二、三期工程循環(huán)水流量均為56 m3s，取、排水溫差為7℃ 。

3.3模型參數(shù)設(shè)置

水流和溫排模型參數(shù)主要包括底部糙率和熱交換系數(shù)。海床底部糙率根據(jù)實測水文資料，通過模型調(diào)試確定。本次計算取曼寧系數(shù)為27～50 m13s。水體與大氣的熱量交換主要包括潛熱通量、可感熱通量、短波輻射、長波輻射4個基本物理過程，取決于赤緯角、與太陽的距離、緯度、地外輻射、風(fēng)速、蒸發(fā)量、云量、氣溫、相對濕度等[7]。模型中指定電廠所在時區(qū)為東七區(qū)?？紤]電廠最不利條件，夏季和冬季氣溫分別取月平均氣溫37.2℃、35.3℃，相對濕度分別取為88%和83%，其他相關(guān)系數(shù)通過模型率定確定。

表1 模擬工況Tab.1 Cases of simulation

3.4模擬方案

本次模擬根據(jù)二期工程單獨運(yùn)行和一、二、三期工程同時運(yùn)行、冬季和夏季、典型大潮和典型小潮等不同情況共設(shè)置8種不同計算工況(表1)，其中二期工程單獨運(yùn)行工況用來驗證模型，一、二、三期工程同時運(yùn)行工況用來預(yù)測一、三期工程投入運(yùn)行之后對二期取水口溫升的影響。

圖3 WL1大潮潮位驗證圖 圖4 WL1小潮潮位驗證圖 圖5 CS1大潮流速驗證圖Fig.3 Verification of water surface elevation for spring tide at WL1 Fig.4 Verification of water surface elevation for neap tide at WL1 Fig.5 Verification of velocity for spring tide at CS1

圖6 CS1小潮流速驗證圖 圖7 CS2大潮流速驗證圖 圖8 CS2小潮流速驗證圖Fig.6 Verification of velocity for neap tide at CS1 Fig.7 Verification of velocity for spring tide at CS2 Fig.8 Verification of velocity for neap tide at CS2

3.5模型驗證

3.5.1 潮位和流速驗證

潮位驗證點為WL1，流速驗證點為CS1、CS2(圖1)。通過模型調(diào)試，水位及流速模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比分別如圖3～8所示，實測與模擬值吻合良好。

3.5.2 溫升

電廠產(chǎn)生的熱水源源不斷地由排水口排入環(huán)境水體，并隨著潮流向周圍輸移，造成周圍水體溫度升高。在相同的動力-熱力強(qiáng)迫條件下，有溫排水與無溫排水模式計算的溫度場之差為增溫場。根據(jù)穩(wěn)定后的增溫場做出的最大溫升包絡(luò)圖，可以得出模型區(qū)域范圍內(nèi)的任何位置可能出現(xiàn)的最大溫升值。8種情況得出的最大溫升包絡(luò)圖如圖9～16所示。

由圖9～12可以看出，溫排水輸移的情況與模型區(qū)域流場情況相對應(yīng)，由于流場以單向流為主，所以溫度場為單方向輸移。防波堤在溫排水的輸移過程中起到較好的阻隔作用，在夏季情況下，較少的溫排水進(jìn)入港池內(nèi)部從而對取水口水溫產(chǎn)生影響，在冬季情況下，從口門處進(jìn)入港池的溫排水較夏季增加，但0.5℃等溫升線仍未到達(dá)二期工程取水口位置，對取水口水溫的影響仍然較小。二期工程的數(shù)值模擬結(jié)果與實際情況基本吻合。

圖9 大潮夏季二期溫升包絡(luò)圖 圖10 小潮夏季二期溫升包絡(luò)圖Fig.9 Temperature rising envelope of spring tide in summer for PhaseⅡ Fig.10 Temperature rising envelope of neap tide in summer for PhaseⅡ

圖11 大潮冬季二期溫升包絡(luò)圖 圖12 小潮冬季二期溫升包絡(luò)圖Fig.11 Temperature rising envelope of spring tide in winter for PhaseⅡ Fig.12 Temperature rising envelope of neap tide in winter for PhaseⅡ

圖13 大潮夏季一二三期溫升包絡(luò)圖 圖14 小潮夏季一二三期溫升包絡(luò)圖Fig.13 Temperature rising envelope of spring tide in summer for PhaseⅠ,Ⅱ and Ⅲ Fig.14 Temperature rising envelope of neap tide in summer for PhaseⅠ,Ⅱ and Ⅲ

圖15 大潮冬季一二三期溫升包絡(luò)圖 圖16 小潮冬季一二三期溫升包絡(luò)圖Fig.15 Temperature rising envelope of spring tide in winter for PhaseⅠ,Ⅱ and Ⅲ Fig.16 Temperature rising envelope of neap tide in winter for PhaseⅠ,Ⅱ and Ⅲ

由圖13～16可以看出，當(dāng)一二三期工程同時投入運(yùn)營之后，由于單位時間內(nèi)排放到環(huán)境水體的溫排水大量增加，造成較多的溫排水通過口門進(jìn)入港池內(nèi)部，在夏季情況下，港池內(nèi)部溫升均超過0.5℃，部分區(qū)域達(dá)到1℃，在冬季情況下，港池內(nèi)部大部分溫升超過了1℃，但由于二期工程取水口位于港池最內(nèi)側(cè)，1℃等溫升線仍未到達(dá)二期工程取水口位置。

由圖9～16可以看出，由于典型大、小潮的平均流速比較接近，溫度場的輸移與潮型關(guān)系不大，且由于冬季水溫相對較低，有利于溫排水的輸移，導(dǎo)致較多的溫排水進(jìn)入港池，使港池內(nèi)部溫升增大。

表2 不同工況下二期工程取水口溫升特征值Tab.2 Numerical results of water temperature rise at intakes of Phase Ⅱ for each case

不同工況下二期工程取水口的溫升值如表2所示。由表2可以看出，在一二三期工程同時運(yùn)行的情況下，取水口的最大平均溫升為0.7℃，最大溫升為0.9℃，均小于1℃，符合使用要求。

3.6透水防波堤的模擬

斜坡式拋石堤有一定透水性，港外溫排水在港內(nèi)外水位差影響下可以向港內(nèi)滲透，從而引起港內(nèi)取水口處水溫升高，影響機(jī)組冷卻效果。MIKE21 FM水流模型中沒有直接考慮結(jié)構(gòu)透水性的方法。為此，提出以下近似處理方法。

根據(jù)杜比公式[8]，滲流速度可表示為

(5)

圖17 簡化滲透模型示意圖Fig.17 Sketch of permeable model

圖17為水平地基上的防波堤示意圖，防波堤外側(cè)液體通過邊界AB滲入堤內(nèi)，在堤內(nèi)形成自由表面光(浸潤面)AC，C點為逸出點，ABCD區(qū)域為滲流區(qū)。防波堤滲流采用“分段法”進(jìn)行計算，A′B′GC為外側(cè)段(將上游楔形體ABE用矩形體AEB′A′取代)，內(nèi)側(cè)段為GCD。

等效矩形體的寬度

(6)

由杜比公式可以推導(dǎo)得出水平不透水層上防波堤的滲流計算公式

防波堤外側(cè)

(7)

防波堤內(nèi)側(cè)

(8)

式中：m1,m2分別為防波堤外側(cè)和內(nèi)側(cè)的邊坡；H1,H2分別為防波堤外側(cè)和內(nèi)側(cè)的水位；hk為逸出點高度；q為滲流單寬流量；k為滲透系數(shù)。

通過式(6)、式(7)、式(8)三式聯(lián)立即可求出防波堤的單寬滲流量和逸出點高度。

首先，在模型中將透水堤按不透水考慮，得到堤內(nèi)外的水位和水溫的變化過程；再假設(shè)滲流不引起堤內(nèi)外水位變化，利用式(6)、式(7)計算出單寬滲流量的變化過程。以單寬滲流量作為流量源，以防波堤內(nèi)外測的水溫差作為熱源，加入到模型中進(jìn)行二次計算，即可求出防波堤的透水性對溫度場擴(kuò)散的影響。

由于防波堤地基和堤身填土材料的差異，滲透系數(shù)也有所不同[9]。本文選取靠近取水口1 100 m長的兩段防波堤(圖1)按透水堤處理，分別取滲流系數(shù)為0、0.2、0.4和 0.6 cms共4種情況進(jìn)行計算，得到不同透水性對二期工程取水口溫升的影響(表3)。

表3 不同滲透系數(shù)下二期工程取水口溫升特征值Tab.3 Numerical results of water temperature rise at intakes of Phase Ⅱ for different permeability coefficient

從表3可以看出，防波堤的滲透性對取水口的溫升有顯著影響。拋石堤的堤心石一般為10～100 kg的塊石，其透水系數(shù)目前尚無較準(zhǔn)確的取值方法。本研究參照卵石滲透系數(shù)取0.2 cms。

由上述可知，對于取水口處于溫排口下游的情況，若防波堤結(jié)構(gòu)選用斜坡式拋石堤結(jié)構(gòu)，對于兼做隔熱和防波雙重作用的斜坡式拋石堤，應(yīng)考慮采取適當(dāng)?shù)姆罎B措施，以免影響取水口取水的水質(zhì)。

4 結(jié)論

本文采用MIKE21FM模型對越南某電廠的潮流場和溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬。計算結(jié)果表明，在增加一、三期工程之后，二期工程取水口最大溫升值均未達(dá)到1℃，符合工程要求。在考慮防波堤的滲透性時，本文提出了杜比公式與MIKE21FM模型相結(jié)合的方法，并對不同滲透系數(shù)下防波堤透水性對溫排水過程的影響進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，防波堤的透水性對港池內(nèi)部水體溫升的影響顯著，并且隨著滲透系數(shù)的增大而增大，在進(jìn)行與溫排水相關(guān)的工程建設(shè)時，建筑物的透水性應(yīng)該引起高度重視。

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Numerical simulation study on the thermal water discharge of one power plant in Vietnam

LIShao-wu1,HANFei1,CHENHan-bao2

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety,TianjinUniversity，Tianjin300072,China; 2.TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering，NationalEngineeringLaboratoryforPortHydraulicConstructionTechnology,KeyLaboratoryofEngineeringSediment,MinistryofTransport,Tianjin300456,China)

In order to understand the effect of the newly-built Phase I and III project on the Phase II project of one power plant of Vietnam, a hydrodynamic and transport model of MIKE 21 were adopted to simulate tidal flow field and water temperature field. The thermal water diffusion process in the synchronizing operating case of Phase I, II and III, for both the case of spring tide and neap tide, summer and winter, were simulated. The simulation results show that the rise of water temperature around the water intakes in Phase II project does not exceed 1℃ after the Phase I and II projects putting into operation, which meets the requirements of operation. A combination method of Dupuit formula and MIKE 21 model was proposed to simulate the permeable breakwater, based on which, the effect of the permeability of the rubble mound breakwater on thermal water diffusion was evaluated. The results show that the permeability of breakwater has a great effect on thermal water diffusion.

MIKE 21; thermal discharge; permeable breakwater; Dupuit formula

TM 621;O 242.1

：A

：1005-8443(2017)04-0361-07

2016-09-30;

：2016-10-27

李紹武(1962-)，男，山東萊州人，教授，主要從事海岸動力學(xué)及岸灘演變、海岸建筑物波浪數(shù)值模型研究。

Biography： LI Shao-wu (1962-) , male, professor.