LNG碼頭冷排水對取水口溫降影響研究

奚 泉 王青松

(1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650000；2.云南省能源投資集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650000)

液化天然氣(LNG)接收站是碼頭儲存液化天然氣再向外輸送的裝置。接收站主要包括LNG碼頭、LNG儲罐、LNG汽化器和LNG運(yùn)輸泵。LNG汽化器廣泛使用開架式水淋汽化器進(jìn)行天然氣汽化[1]，其原理是使用海水作為加熱介質(zhì)，高溫海水進(jìn)行換熱后作為冷廢水排出，稱為LNG冷排水。LNG接收站的冷廢水排入海洋，會導(dǎo)致接收水體的水溫發(fā)生改變，不僅影響到海水生態(tài)平衡、造成海域環(huán)境污染，更有可能作用于取水口水溫，產(chǎn)生溫降，使LNG的汽化效率大大降低。十年來，亞洲對于LNG的需求居高不下，LNG碼頭的建設(shè)也是如火如荼[2]，更準(zhǔn)確地評估接收站冷排水對其取水口的溫降影響，成為接收站規(guī)劃及建設(shè)的重要課題之一。目前關(guān)于LNG冷排水對海洋環(huán)境的影響已經(jīng)展開了大量的研究工作[3-4]，本文以廣東珠海LNG碼頭為工程實(shí)例，采用水動力三角形網(wǎng)格[5]及溫度對流擴(kuò)散模擬方法對此接收站的冷排水進(jìn)行數(shù)值模擬，得出排水口水溫的影響范圍，提出取水口溫降影響的減輕措施。

1 溫度場計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

溫度對流擴(kuò)散計(jì)算采用丹麥水力學(xué)研究所開發(fā)的數(shù)值模型TS(Temperature/Salinity)模塊[5]，此模型在原三維水動力控制方程的基礎(chǔ)上增加了溫度T的輸運(yùn)方程：

(1)

(2)

式中Dh,Dv——水平和垂向擴(kuò)散系數(shù)；

TS——溫度源項(xiàng)；

FT——水平擴(kuò)散項(xiàng)。

水平和垂向擴(kuò)散系數(shù)可表示為與渦黏系數(shù)和普朗特常數(shù)σT的關(guān)系：

(3)

溫度的邊界條件為

(4)

(5)

式中Qn——水面凈熱通量；

cp——水的比熱；

水面凈熱通量(Qn)包括顯熱通量(qc)、潛熱通量(qv)、短波和長波輻射(qsr,net,qlr,net)等物理作用，可表示為

Qn=qv+qc+βqsr,net+qlr,net

(6)

式中β——水面光能吸收系數(shù)，一般在0.2～0.6之間，可取為0.3。

潛熱通量可根據(jù)Dalton公式計(jì)算，經(jīng)整理后得到

(7)

式中Pv=4310J·K/m3;K=5418;

TK=273.15(K為開氏溫度)；

R——相對濕度；

W2m——海面上2m處的風(fēng)速;

a1,b1——計(jì)算常數(shù);

Tair,Twater——海面上空氣的溫度和水的溫度。

顯熱通量可根據(jù)下式計(jì)算:

(8)

式中ρa(bǔ)ir——空氣密度;

cair——空氣比熱，cair=1007J/(kg·K);

cwater——水比熱，cwater=4186J/(kg·K);

cc——顯熱傳遞系數(shù)，cc=1.41×10-3;

W10——海面上10m處的風(fēng)速。

2 數(shù)值模型及模型驗(yàn)證

2.1 項(xiàng)目概況

廣東LNG項(xiàng)目接收站位于高欄島西側(cè)，北側(cè)毗鄰一座LPG碼頭(見圖1[6])。接收站汽化裝置采用開架式汽化器，冷卻水排放采用直排方式。取/排水口工程是LNG接收站的一個重要組成部分，直接關(guān)系到ORV汽化工藝的正常運(yùn)行。接收站瀕臨南海，屬北回歸線以南低緯度地區(qū)的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，海域的常風(fēng)向?yàn)镹向，次常風(fēng)向?yàn)镋SE向。工程海域潮汐屬不規(guī)則半日混合潮型，海域?qū)偃醭眳^(qū)，潮差相對較小。其海流為往返流，漲潮流速小于落潮流速，漲潮歷時大于落潮歷時，且表層流速大于底層流速。

圖1 取排水工程平面布置

2.2 網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格，可以很好模擬岸線和工程建筑物，并在工程附近海域進(jìn)行局部加密(見圖2)。網(wǎng)格在垂向上均勻劃分為3層，模型計(jì)算水域面積約890km2，工程局部的最小網(wǎng)格邊長約為1.5m，模型計(jì)算時間步長為0.05s。

圖2 工程模型網(wǎng)格劃分與局部加密

2.3 結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證潮流模型的準(zhǔn)確性，數(shù)值模型模擬了大潮期間的潮位、流速和流向，并與西斷面處的實(shí)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(見圖3～圖5)。

圖3 典型點(diǎn)潮位計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證(實(shí)線為計(jì)算值，散點(diǎn)為實(shí)測數(shù)據(jù))

圖4 典型點(diǎn)流速計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證(實(shí)線為計(jì)算值，散點(diǎn)為實(shí)測數(shù)據(jù))

圖5 典型點(diǎn)流向計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證(實(shí)線為計(jì)算值，散點(diǎn)為實(shí)測數(shù)據(jù))

由以上驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果可以看出，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果有較好的吻合性，所建立的潮流模型較好地反映了工程區(qū)附近海域的潮流流動規(guī)律，可以用于分析工程前后的海域流場變化及取排水過程中工程附近的溫度場模擬。

3 溫度場計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

從流場計(jì)算結(jié)果可以得出工程附近以往復(fù)流為主，在工程位置和南側(cè)防波堤之間形成的灣內(nèi)流速較小，漲潮期間存在明顯回流現(xiàn)象，不利于冷排水的對流擴(kuò)散。冷排水計(jì)算結(jié)果表明，排水口排出的冷水一方面受回流影響在南側(cè)灣內(nèi)擴(kuò)散，另一方面在漲落潮期間擴(kuò)散的冷水受往復(fù)流影響在取水口附近近岸水域形成扁長狀沿岸低溫帶。

數(shù)值模擬夏季大潮及冬季條件下大中小潮的最大溫降包絡(luò)線見圖6，取水口附近各工況的垂向平均溫降隨潮位變化過程見圖7。在垂直于護(hù)岸方向的斷面上漲落潮期間取水口附近的垂向溫降分布見圖8，取水口處垂向平均溫降統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 取水口處溫降 單位：℃

圖6 各工況最大溫降包絡(luò)線 (單位：℃)

圖7 溫降隨潮位變化過程線 (單位：℃)

圖8 大潮取水口斷面溫降垂向剖面分布

由表1可以看出冬季情況下冷排水?dāng)U散在垂直于水流方向略大于夏季，但沿水流方向略小。同時，夏季大潮情況下冷排水的溫降和擴(kuò)散面積均小于冬季，考慮到夏季取水條件好于冬季，且夏季環(huán)境水溫較高，對LNG循環(huán)水的取水是有利的，因此，在冷排放的計(jì)算中重點(diǎn)關(guān)注冬季計(jì)算結(jié)果。

3.2 結(jié)果分析

由不同工況下的計(jì)算結(jié)果看，總體來說冷排水的擴(kuò)散范圍隨著潮流動力的加強(qiáng)和冷排水的流量增加而逐漸擴(kuò)大，由模擬結(jié)果來看，-5～-3℃的溫降擴(kuò)散范圍不大，-2℃溫降范圍小于1km2，-1℃的溫降范圍小于4km2，-0.5℃的溫降范圍變化較大，最大出現(xiàn)在中潮條件下，為11.83km2；由圖7和表1可以看出，取水口附近在夏季大潮、冬季大潮、中潮和小潮條件下的最大垂向平均溫降分別為-0.9℃、-1.2℃、-0.8℃和-0.2℃，最大溫降均出現(xiàn)在漲潮期間，此時潮流流向?yàn)槠毕?，冷排水由排水口擴(kuò)散后受漲潮流影響而運(yùn)動到取水口附近，但由于在一個潮周期內(nèi)最大溫降出現(xiàn)時間較短，大部分時間內(nèi)溫降波動不大，因此，平均溫降不大，夏季大潮、冬季大潮、中潮和小潮條件下的平均溫降分別為-0.2℃、-0.3℃、-0.3℃和0℃。此外由取水口附近垂向溫降分布圖8可以看出，由于受取水口附近往復(fù)流影響，在漲潮期間冷排水在潮流帶動及本身的擴(kuò)散作用下運(yùn)動到取水口附近，由于冷排水溫度降低，密度增加，因此水溫的垂向分層較為明顯，底部水溫要低于上部水溫，若考慮波浪引的起溫度在垂向分布上的對流擴(kuò)散，則溫降應(yīng)介于最低溫降與垂向平均溫降之間；落潮期間冷排水受落潮水流影響被沖向下游遠(yuǎn)離排水口，因此落潮期間取水口剖面處溫度變化不大，垂向分層不明顯，溫降不超過0.5℃。

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬和分析，可得出以下結(jié)論：此LNG接收站碼頭排水口與取水口之間距離應(yīng)該設(shè)置較長，漲潮期間受取水口附近往復(fù)流影響較大，建議取水口位置盡量遠(yuǎn)離排水口；從冷排水?dāng)U散趨勢可以看出，取水口附近為扁長的低溫帶，如將取水口盡量遠(yuǎn)離岸線可進(jìn)一步改善取水條件。