基于物理模型試驗(yàn)的電廠取排水口取排水方案優(yōu)化研究

基于物理模型試驗(yàn)的電廠取排水口取排水方案優(yōu)化研究

物理熱水溫度試驗(yàn)包括對(duì)火電工程和原子能處理廠的冷卻效果，對(duì)水和排水工程的配置進(jìn)行優(yōu)化，報(bào)告項(xiàng)目海域水體的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和沉積物的侵蝕變化。此外，通過對(duì)項(xiàng)目海域水體溫度變化的考慮，對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)。特別是對(duì)于具有潮流和波浪影響水文、地形條件復(fù)雜的電廠冷卻水問題,物理模型試驗(yàn)有著不可替代的作用。濱海電廠的冷卻水工程,一般具有以下特點(diǎn)。(1)冷卻水與潮流摻混、對(duì)流、擴(kuò)散,其運(yùn)動(dòng)有著高度的非恒定性。(2)岸邊水下地形,水下建筑物邊界條件,及海潮、波浪、泥沙運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的水體動(dòng)力條件比較復(fù)雜。(3)需要統(tǒng)一考慮輸煤、輸油碼頭,航道,防波堤等不同工程的要求,限制了工程布置的自由度。研究溫排水工程布置,實(shí)際上就是研究不同工程布置在不同條件下熱負(fù)荷的輸移、分布、轉(zhuǎn)化和由此帶來的熱效應(yīng)問題。影響水域冷卻效率、環(huán)境反應(yīng)和工程投資的不僅是取排水口本身的布置,還有取排水口的相對(duì)位置。受納加溫冷卻水排入的水域,往往也是冷卻水的供應(yīng)水域,正是同一連通水域中,在給定水文氣象條件下取排水口工程布置的不同,形成了不同的冷卻水水流循環(huán),導(dǎo)致不同的水面散熱能力、對(duì)流輸熱能力和最終的取水超溫。本文通過溫排水和泥沙兩個(gè)方面對(duì)萊州電廠一期無(wú)碼頭方案取排水工程布置型式進(jìn)行分析研究。1萊州電廠的自然環(huán)境和工程結(jié)構(gòu)1.1潮流場(chǎng)及余流方向調(diào)查萊州電廠為燃煤電廠,濱臨渤海海灣和萊州灣,見圖1。廠區(qū)地貌類型單一,地形總體為東南向西北逐漸降低,地形起伏大,地面標(biāo)高絕大部分地區(qū)在2.0～10.5m。廠址附近海域的潮流屬不規(guī)則半日潮型,有較明顯日不等現(xiàn)象,廠址附近潮流為典型的往復(fù)流。廠址附近海域是弱潮流區(qū),即使在大潮期間,最大流速也不超過0.5m/s;大潮流速大于小潮流速;潮流的主流方向基本為EN—WS。萊州電廠附近余流方向較為穩(wěn)定,表現(xiàn)為WSW向沿岸余流,大小隨著離岸距離的增加而減小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)泥沙取樣分析,取水口附近海岸為沙質(zhì)海岸,粒徑較粗,海岸穩(wěn)定。廠址附近海域底沙以粉沙質(zhì)為主,底沙粒徑有近岸粗化趨勢(shì),海域懸沙含沙量較小。1.2循環(huán)水口布置方案萊州電廠一期工程裝機(jī)容量為2臺(tái)機(jī)組(2×1000MW),冷卻水量為56.4m3/s,冷卻水溫升為8.9℃。電廠循環(huán)水采用海水一次循環(huán)直流供水系統(tǒng),一期工程循環(huán)冷卻水取自電廠北側(cè)的海域,取水口布置方案有兩種:①暗堤+喇叭口取水,渠底前沿位于海底高程-9.5m處;②暗溝+塔式取水,取水頭部位于海底高程-8.5m處。排水口位于電廠西側(cè),排水工程采用近岸淺排形式,排水口型式為喇叭口排水,兩種方案取排水口布置型式見圖2。2模型設(shè)計(jì)2.1水流相似河流根據(jù)研究?jī)?nèi)容和萊州電廠取排水口布置特點(diǎn),溫排水模型考慮的相似條件有水流相似和溫差水流相似。其中,水流相似又包括重力相似、阻力相似和水流雷諾數(shù)相似;溫差水流相似又包括密度佛汝德數(shù)相似和紊動(dòng)熱擴(kuò)散相似。在按重力相似設(shè)計(jì)的模型中,只要模型的雷諾數(shù)超過臨界雷諾數(shù),熱紊動(dòng)相似便自然得到滿足。泥沙模型既要保證水流運(yùn)動(dòng)相似,又要滿足泥沙運(yùn)動(dòng)相似,泥沙運(yùn)動(dòng)相似包括泥沙沉降相似和挾沙能力相似。2.2擬范圍和水面面積根據(jù)地貌特征、實(shí)測(cè)水溫資料和保證電廠溫排水?dāng)U散影響在研究范圍之內(nèi),確定模擬范圍為18km×4.5km,水面面積約為81km2。綜合考慮試驗(yàn)條件、取排水工程附近水域水流條件以及電站溫排水模擬流量、泥沙運(yùn)移等因素,選定模型平面比尺αL=250,垂向比尺αH=100,模型變率e=2.5。2.3測(cè)溫探傷的布置根據(jù)電站溫排水對(duì)水域影響程度的不同,共布設(shè)了190個(gè)測(cè)溫探頭,其中有測(cè)量表層水溫的,也有測(cè)量取排水口附近垂向水溫的,在工程近區(qū)水域進(jìn)行了加密量測(cè)。2.4模型沙的確定泥沙運(yùn)動(dòng)相似必須同時(shí)兼顧底沙運(yùn)動(dòng)相似和懸沙運(yùn)動(dòng)相似條件,模型沙選用聚氯乙烯粉,其容重γs=13.5kN/m3,穩(wěn)定干容重γs′=5.5kN/m3。這種模型沙物理化學(xué)性能穩(wěn)定,不板結(jié),可同時(shí)模擬底沙和懸沙運(yùn)動(dòng)。3種多排放系統(tǒng)復(fù)演的排水系統(tǒng)方案通過對(duì)大、中、小潮流速場(chǎng)的驗(yàn)證,表明模型具有良好的復(fù)演原體水流流態(tài)的能力。在此基礎(chǔ)之上針對(duì)兩種不同的取排水方案(方案1:暗堤+喇叭口取水、近岸淺排;方案2:暗溝+塔式取水、近岸淺排)進(jìn)行試驗(yàn)研究。3.1方案2:海北前算法表層溫度場(chǎng)的分布與潮流流態(tài)相適應(yīng),同時(shí)又明顯受到堆場(chǎng)和取水設(shè)施等水工建筑物的影響。漲潮時(shí)潮水經(jīng)取水口向西流去,對(duì)于電站取水比較有利,電站排出的熱水一部分和潮水相摻混,另一部分被潮流帶走,沿岸邊產(chǎn)生一個(gè)熱水帶;落潮時(shí)部分熱水在海北嘴灣內(nèi)形成回流區(qū),產(chǎn)生熱水貼岸流現(xiàn)象,大部分熱水經(jīng)過取水口向東流去,此時(shí)對(duì)于電站取水較為不利。受排水動(dòng)量的影響溫排水向西運(yùn)動(dòng)范圍較大,天然海北嘴地形形態(tài)形成“丁壩”效應(yīng),自然環(huán)境水體在排水口附近灣內(nèi)形成熱水回流區(qū),局部水體溫升較大。方案1和方案2全潮平均表層溫度場(chǎng)分布見圖3。方案1:一期2臺(tái)機(jī)組表層超4℃溫升等值線對(duì)應(yīng)的最大包絡(luò)面積為1.4km2,表層超4℃溫升等值線的最大順岸距離為2.0km,離岸距離為0.6km。方案2:一期2臺(tái)機(jī)組表層超4℃溫升等值線對(duì)應(yīng)的最大包絡(luò)面積為1.5km2,表層超4℃溫升等值線的最大順岸距離為2.2km,離岸距離為0.6km。全潮平均表層溫升等值線包絡(luò)面積見表1。3.2方案2:水溫升+潮流試驗(yàn)同一潮型、不同取水方案電站取水口的取水溫升隨潮變化的規(guī)律近似,都具有漲潮時(shí)取水溫升低、落潮時(shí)取水溫升高的特征。各潮型一期2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行工況下,方案1取水溫升平均值為0.6～0.7℃,方案2取水溫升平均值為0.7～0.8℃。兩種方案最大取水溫升都能達(dá)到1.5℃,但持續(xù)時(shí)間都在0.5h之內(nèi),兩種方案取水特征值見表2。不同工況下兩種方案工程近區(qū)水域中均存在溫度分層現(xiàn)象,溫升分層的強(qiáng)弱程度隨潮流變化。在潮流和電廠引水的綜合作用下,取水口頭部附近溫升分層現(xiàn)象比較明顯,見圖4。排水口附近水流紊動(dòng)較大,經(jīng)摻混后溫度分層現(xiàn)象并不明顯。綜合兩種方案的表層溫升擴(kuò)散范圍、電站取水溫升過程和取水口附近溫升垂向擴(kuò)散效果看來,兩方案差別不大,均能滿足電廠取水要求。4取試驗(yàn)結(jié)果，在堿性試驗(yàn)中轉(zhuǎn)移沉積物4.1暗溝+塔式取水法該海域泥沙來源主要是海岸侵蝕、海區(qū)來沙,且數(shù)量很少,泥沙輸運(yùn)的主要?jiǎng)恿κ遣ɡ?。試?yàn)結(jié)果如下。(1)暗堤+喇叭口取水方案,取水口附近泥沙沖淤變化較明顯。一期2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行工況下,取水明渠底部(-9.5m部位)年平均淤厚0.8～1.0m,兩側(cè)暗堤可以阻止沿岸泥沙在貼岸流作用下進(jìn)入取水口。(2)暗溝+塔式取水方案,取水口附近泥沙沖淤變化不大,泥沙在波浪、潮流往復(fù)作用下,時(shí)有沖刷,時(shí)有淤積,交替進(jìn)行。取水口經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)用,取水口前部分位置略有淤積,淤積強(qiáng)度不大,一期2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行工況下年平均淤厚0.10～0.15m。取水口布置在-8.0m水深處,窗底標(biāo)高為-7.5m,對(duì)防止泥沙淤積留有一定余幅,取水口窗頂標(biāo)高為-4.1m,在低潮位-2.36m時(shí)富余水深達(dá)1.8m,波浪對(duì)取水口運(yùn)行影響較小。試驗(yàn)表明,從取水防沙角度看,暗溝+塔式取水方案要優(yōu)于喇叭口+暗堤取水方案。4.2沖刷現(xiàn)象及范圍兩種方案排水口泥沙沖淤試驗(yàn)結(jié)果表明,排水口出口下游發(fā)生沖刷現(xiàn)象,最大沖深約為1.5m,沖刷范圍約為20m×60m。為保證排水口建筑物安全運(yùn)行,建議對(duì)其出口進(jìn)行局部防護(hù),如漿砌石護(hù)灘等。5暗溝+塔式取水方案方案(1)暗堤+喇叭口取水方案和暗溝+塔式取水方案均能滿足電廠引水溫升要求。各潮型暗堤+喇叭口取水方案取水溫升平均值為0.6～0.7℃,表層超4℃溫升等值線的最大順岸距離為2.0km,離岸距離為0.6km;暗溝+塔式取水方案取水溫升平均值為0.7～0.8℃,表層超4℃溫升等值線的最大順岸距離為2.2km,離岸距離為0.6km。(2)暗堤+喇叭口取水方案取水明渠附近泥沙沖淤變化較明顯,一期2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行工況下,取水明渠底部(-9.5m部位)年平均淤厚0.8～1.0m。暗溝+塔式取水方案取水口前部分位置略有淤積,一期2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行工況下年平均淤厚0.10～0.15m。從取水防沙角度看,暗溝+塔式取水方案要優(yōu)于喇叭口+暗堤取水方案。(3)試驗(yàn)成果表明,暗溝+塔式取水方案要優(yōu)于喇叭口+暗堤取水方案。由于泥