（流体机械及工程专业论文）电厂取排水问题的数值模拟及优化.pdf

华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 采用自然水面直流冷却方式的电厂，其取水口和排水口需合理布置，以 期达到好的冷却效果。本文首先从理论上阐述电厂取排水工程的基本设计原 则，对分列式，重叠式和差位式等取排水方案进行分析。然后通过c f d 软件 进一步分析重叠式布置的特性以及影响其取水温度的各种因素，得到一系列 取水温升随参数的变化规律并分析其中的原因。通过对重叠式和分列式两种 布置方式的取水温度进行对比，证实重叠式优于分列式的客观存在性，得到 其优越性存在的部分条件。最后对电厂取排水问题的优化措施及性能进行分 析，提出若干新的见解。 关键词：重叠式，分列式，取水温度，数值模拟 a b s t r a c t f o rt h ep o w e r p l a n t st h a ta d o p to n c e t h r o u g hc o o l i n gw a t e rs y s t e md r a w i n g c o o l i n gw a t e rf r o mn a t u r a lw a t e rs p a c e ，i ti si m p o r t a n tt oa r r a n g et h ei n l e ta n dt h e o u t l e tf o rg o o dc o o l i n ge f f e c t i nt h i sp a p e r ，t h eb a s i cd e s i g np r i n c i p l e so ft h e c o o l i n gw a t e rp r o je c t a r ef i r s t p r e s e n t e d ；s o m ei n t a k e o u t l e tm e t h o d s s u c ha s m a r c h p a s tm e t h o d ，d i f f e r e n t i a lm e t h o da n de c l i p s e df o r mm e t h o da r ea n a l y z e d t h e n ，t h ef l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c so fe c l i p s e df o r ma r r a n g e m e n ta r ea n a l y z e da n d t h ee f f e c t so fs o m em a i nf a c t o r so ni n l e tt e m p e r a t u r ea r ei n v e s t i g a t e d t h el a w so f t h ei n l e tt e m p e r a t u r ev a r y i n gw i t ht h ep a r a m e t e r sa r eo b t a i n e da n dt h er e a s o n sf o r t h a t a r ed i s c u s s e d b yc o m p a r i n gt h ei n l e tt e m p e r a t u r eo fm a r c h p a s tm e t h o da n d e c l i p s e df o r m ，t h es u p e r i o r i t yo ft h el a t t e ra n d i t se x i s t e n tc o n d i t i o n sa r ea n a l y z e d f i n a l l y ，t h eo p t i m i z a t i o nm e a s u r e sf o rt h ec o o l i n gw a t e ri n t a k e o u t l e tp r o j e c to f p o w e rp l a n ta r ei n v e s t i g a t e da n ds o m en e w i d e a sa r ep u tf o r w a r d y i n gb o f e n ( f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o lc h e n gy o u l i a n g k e yw o r d s ：e c l i p s e df o r m ，m a r c h p a s tm e t h o d ，i n l e tt e m p e r a t u r e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 声明 本人郑雹声明：此处所提交的硕士学位论文电厂取排水问题的数值模拟及 优化是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：焘遮查 日 期 砷0 6s 1 9 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盘熊鲞 日期：垫! ：! ：堡 导师签名：程逝i k 日期：碰：! 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 经济发展，电力先行，目前中国的电力事业迅猛发展，电力建设仍然以火力发 电为主，核电站的建设也在不断增加。众所周知，绝大多数的火核电厂都需要大 量冷却水作为发电系统的冷源，除了采用冷却塔进行循环冷却，开式冷却也仍然是 电厂冷却的主要方式之一，即利用各种水域自然水面的热量交换进行直流冷却。尤 其建于海岸一带的电厂，由于海水水量充足，水费便宜，利用海水直流冷却成为优 先考虑的冷却方案。冷却水由取水口引进，经过机组受热后，水温升高8 1 2 ， 再由排水口排放。我国火电厂装机容量有近一半是利用河、湖、港、库等自然水面 进行冷却。在这些电厂的规划设计中，都会遇到取得最佳冷却效果的水工布置优 化问题。电厂的冷却水工程布置是电厂安全性和经济性的一项重要指标。随着电厂 的装机容量的不断增大，冷却水的需求量也在不断增大，要维持电厂冷源的正常工 作，1 0 0 0 m w 的火电厂，约需4 0 m 3 s 流量的冷却水”1 ，核电站需要的流量更大。如此 大量冷却水的取用和排放，不但工程较大，技术亦十分复杂，除了会影响电厂运行 的安全性和经济性，对环境也会造成一定的影响。随着节水理念的逐步深入以及对 环保要求的不断提高，电厂的取排水布置方案越来越受到关注，为了节省电厂的工 程投资，增强冷却效果，选择设计合理的取排水方案是十分重要的。 这里所研究的取排水问题主要是指电厂取水口和排水口的柿置及相对位置。尽 管电厂的热水直接排入水域会对环境和生态造成影响，但是目前为止，这仍然是电 厂废热处理的主要方式之一。因此，有关这方面的研究很有现实意义。在规划设计 这类冷却水工程时，要求解决的问题可归结为确定最优工程布置、预估工程冷却效 果。工程布置的核心是对冷却水取水口及排水口的安排，特别是两者平面及立面上 的相对位置。它直接影响到整个电厂的水工投资、经济运行和冷却水受纳水域的水 面开发及利用效率，有时还关系到电厂总体规划，其中包括厂址和最终装机容量的 选定。电厂的热水排放有异于一般的污水排放，它和冷水吸取同时存在并相互联系， 共同对冷却水受纳水域造成影响，其取水口和排水口的布置需要综合考虑，而取水 水温和水质是判定工程效果的重要因素。研究冷却水取排水工程布置，实际上就是 研究不同工程布置在不同条件下热负荷的输移、分布、转化和由此带来的热效应问 题。冷却水工程的主要研究对象是取水口排水口在同一工程中存在以及两者在水力 热力上的相互影响。往往是取排水口在一起的整体布置左右着受纳水域的冷却水运 动特性及其冷却效果，特别在取、排水口相距较近的情况。事实上，正是为了缩小 取排水口间距、减少昂贵的输水管道投资同时又能取得更好工程效果的要求，不断 1 华北电力大学硕士学位论文 推动着电厂取排水口布置方式的研究。 电厂常见的取排水方式一般来说有分列式，差位式和重叠式等。评价- i 十取排 水方式的优劣，其标准有许多方面，其中取水水温的高低可以综合反映出冷却水工 程措施的最终效果。工程中需根据不同的水域特点和实际情况，因势利导，选用合 理的布置方式，使取水温度尽量低，从而提高电厂的效益。 随着水动力学理论的不断深入研究和数值模拟技术的不断发展，用数值模拟的 方法来模拟和预测电厂的冷却水的取排水情况是很好的个办法。传统的实验方法 不仅需要配置实验设备，而且实验历时长，存在某些参数和条件很难控制等缺点， 而数值模拟在这些方面有着其独特的优越性，因此受到越来越多的应用。通过数值 模拟得到的结果，对实际的工程能够起到一定的指导和参考作用。 1 2 研究现状 选择取水是研究电厂的取排水方式的一个出发点，美国和日本早在5 0 年代就己 经开始重视选择取水问题，美国哈力曼教授，借助盐、淡水密度差的水槽试验研究， 提出了分层选择取水的经验公式，据此可设计挡表层热水的挡热墙”1 。易家训“1 从 流入线汇的二维分层流出发，对分层流体的选择取水问题进行了分析。牛午生“根 据国外试验研究资料，叙述了水库水温成层特性以及选择取水设计中一些参数值的 计算公式和取值范围，供设计中参考。 目前电厂的取排水方式，在我国及世界各国，绝大部分电厂的水面冷却系统都 采用传统的“分列式”布局，即冷却水的取水口和排水口在平面上要保持一个相当 大的距离，目的是避免温排水很快进入取水口。水科院己故专家岳钧堂在1 9 6 5 年提 出了重叠式的取排水布置方式，此后国内也做过一些类似的物理模型试验。陈惠泉 ”针对重叠式布置工程的水力热力特性，在水槽中进行了系统的试验，初步总结 了排水密度弗劳德数、取排水口垂直间距比等参数对取水水温的影响，介绍了重叠 式、差位式等各种取排水口布置的规划指导思想，并通过具体的工程实例来阐明。 李振海”1 对鸭河口电厂重叠式取排水口的运行特性进行了调查、观测与研究，进一 步介绍了重叠式取排水口的概念及其在电厂工程中的应用，基于原体的观测数据及 调查结果，对重叠式取排水口的运行特性及温排水的运行规律进行了研究分析。在 数值模拟方面，倪浩清等”1 “分别运用应力代数模型、扩展的t s 湍流模型及双流体 湍流模型对二维重叠式取排水工程进行了数值计算。江春波等”2 1 运用代数应力模型 和有限元法，对热水排入明渠表面的情况进行了数值模拟。郝瑞霞“3 1 等结合冷却水 排放问题，应用浮力修正的k - x f f 方程湍流模型及控制容积法，对有横向来流条件下 的表面湍浮力射流进行了数值模拟，预测了由温度引起的分层流现象。曹继文“”。 对明渠岸边横向取水方式进行了研究，通过对取水口水域的详尽三维流速量测和相 华北电力大学硕士学位论文 应的数值模拟，对这种取水水流结构进行了深入分析，揭示了其特有的水力特性。 x i ez u o t a o 等”7 1 采用有限体积法，提出了广义曲线坐标系下的一种二维模型，用来 模拟冷却水排入弯曲航道和天然河槽中的运动规律。但以上的数值研究多是排水口 或取水口孤立存在的情况，对重叠式的模拟也只是限于二维的情况，很少涉及取水 和排水的三维综合效应。喻乾昌“”根据宽浅型通航河道电厂冷却水取排水规划布 置的特点，提出了取水口倾向上游，排水口倾向下游的y 型取排水口布置，认为此 种布置能够达到更好的冷却效果。国外有关重叠式的研究相对较少，苏联在1 9 7 0 年 有文提出应作取、排水口放置一起研究的努力，并进行了性质类似重叠式的工程模 型试验”0 1 ，美国也已注意到了这类工程布置的优越性，进行了相应的水槽试验研究 2 i 】 近五十年来，随着沿海大型电厂的迅速建设，潮汐水域冷却水工程的试验研究 增多。7 0 年代初，岳钧堂开始研究感潮水域中冷却水的运动规律，8 0 年代初在处理 长江感潮河段的谏壁电厂扩建工程中，涨潮、落潮不同工况对取排水口安排的要求 不同，第一次提出了差位式工程布置的新设想，之后有不少人致力于研究感潮水域 中冷却水的运动规律，在大量原型观测、模拟感潮水域的冷却水物理模型试验、数 值模拟计算及温差水力学有涨、落潮的水槽试验的基础上，差位式布置的概念和理 论又有了进一步的开拓和发展，并已用于工程实践。岳钧堂。1 、陈惠泉。”结合我国 沿海水域火核电厂冷却水工程的工程特点，介绍了差位式理论及其工程应用，对 感潮水域冷却水的运动及工程布置进行了研究。李瑞生。”、安金英o ”针对沙角电厂 冷却水工程的特点，结合沙角a ，b ，c 厂工程实例，对沙角电厂冷却水工程进行了 研究，介绍了利用感潮水域冷却的火力发电厂取排水口布置的设计运行情况，并对 分列式取排水口与差位式取排水口布置型式的优劣进行了分析比较。江洧。”1 对惠 州l n g 电厂的循环冷却水工程进行了研究，分别用数值模型和物理模型对工程海域 流场进行了预测，并在此基础上提出了电厂取排水口方案的布置原则，提出了较优 的取排水口布置方案，并就工程海域热影响问题进行了有益的探讨，为设计和环境 评价部门提供了依据。 另外电厂的热排放很多时候都涉及到对水环境的影响程度等环保方面的要求， 对电厂废热利用的研究也越来越多，尤其国外对这方面更加重视。日本的i k o k a j i “。 对核电站的热排放现状进行了研究，以t a k a h a m a 核电站为例，阐述了冷却水取用和 排放的有关规定以及环境保护要求的主要方面，对电站热排放对环境的影响进行了 评估并提出了废热利用的设想。z e n gp i n g 。”用f u l 卜f i e l d 相似物理模型，二阶修 正的迎风格式的平均深度的女一8 紊流模型，研究了核电站废热在海岸水体中的传输， 并用实际观测对模型进行了证实。t g r i n g g e r “”调查研究了位于马里兰的c a l v e r t c l i f f s 核电站的冷却水取水对水生生物的冲击和影响。j m h a m r i c k ”描述了一种 3 华北电力大学硕士学位论文 三维表层水模型系统，对p e a c hb o t t o m 原子能发电厂对c o n o w i n g op o n d 的水温影响 进行了分析。 1 3 本文主要研究内容 基于以上的研究背景和现状，论文的主要研究工作开展如下： 本文重点研究电厂的取排水问题，具体来说，是指电厂冷却水工程中的取水口 和排水口的布置方式，研究内容主要包括三个方面。第一，阐述电厂取排水工程基 本设计理论，对分列式，差位式和重叠式等电厂取排水方案从理论上进行分析。第 二，使用c f d 软件f i u e n t 6 2 ，通过建立合理的水槽模型，对重叠式取排水方式的温 度场和流场等进行数值模拟，考察一些主要参数对其取水温度的影响，并对结果进 行分析和探讨，将重叠式与分列式布置方式就取水温度进行比较和分析。第三，对 电厂取排水问题的若干优化措施进行分析，如y 型取排水口布置、下排上取重叠式 布置的优化性能，以及分析了分层水域中的冷却水工程布置等。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章电厂取排水方式基本理论 2 1 电厂的循环冷却水 火、核电厂汽轮发电机组绝大多数为凝汽式，蒸汽经汽轮机全部叶轮做功后， 成为乏汽，排至排汽缸，进入汽机冷端凝汽器。凝汽器大都采用水作为冷却工 质。按供水方式的不同，可分为一次冷却供水和二次冷却供水。供水来自江河湖海 等天然水源，排水仍排回其中的，称为一次冷却供水，或开式供水。供水来自冷却 塔进行循环使用的，称为二次冷却供水，或闭式供水”。”1 。在特别缺水的地区，则 可采用空气作为冷却工质，空气冷却受地域影响极大，且效率较低，一般较少使用。 电厂的凝汽器以循环水作为冷却工质，将排汽凝结为水，在凝汽器内形成高度 真空，使蒸汽能膨胀到尽可能低的压力，从而增大机组的理想比焓降，提高其热经 济性。凝汽器真空降低，会使汽轮机的汽耗量增加。汽轮机装置中的凝汽设备是起 了一种热力学中“冷源”的作用，降低冷源的温度就能提高循环的热效率。其中循 环冷却水的取水温度是影响凝汽器真空的重要因素之一，当汽轮机负荷和冷却水量 不变时，凝汽器的真空将随冷却水进口温度的降低而升高。图2 1 为某凝汽器的压 力随冷却水进水温度的变化曲线。“，可见进水温度越高，凝汽器内压力越高，真空 降低，越不利于机组的经济运行。 肜 肜 ， 么 么纱 矿 一 ，一 亡 3 1 ，、 - 7 冷却水进水温度 下限压力点上限压力点 图2 - 1 凝汽器压力随进水温度变化曲线 4 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l o n靛翊u蛊_r嗤稚醛 华北电力大学硕士学位论文 此外，真空下降造成机组汽耗率增加，煤耗增大。对于1 0 0 m w 以上的再热机组， 排气压力每升高1 k p a ，机组煤耗升高约2 4g ( k w h ) 。因此如何抽取到更低温的 冷却水，以提高冷却效果维持凝汽器真空，从而降低煤耗，提高机组运行的经济性， 是电厂冷却水工程致力研究的重要问题之一 3 3 ) o 电厂是用水大户，对1 0 0 0 m w 火电 汽轮机组，循环玲却水量约3 5 4 5 m 3 s ，接近于目前排入日本东京市区l o 个污水 处理厂的污水总量，核电机组循环水量是火电机组的1 2 1 5 倍，如何取到大量 的低温水并将循环冷却水中携带的废热弃于环境又不致引起环境热影响超标，是冷 却水工程研究的宗旨o 。 由于开式循环系统比较简单，无需建造水塔，所以循环水系统的基建工程造价 远低于有水塔的电厂。此外采用开式循环冷却的凝汽器真空往往好于闭式循环冷却 的同类机组，因此发电煤耗低。据估算，华能丹东电厂采用海水开式循环冷却比采 用闭式循环淡水冷却同类机组发电煤耗低1 5 k g ( k w h ) ，年节约标准煤约7 1 9 万 吨。因此在水源充足的地区，开式循环得到了广泛的应用。然而冷却水受纳水域既 要提供大量冷水，又要承受温排水的巨大热负荷，冷却水取排水口的布局需精心研 究和设计。开式供水系统中，凝汽器的进水温度除了取决于自然条件，取排水口的 合理布置也是重要决定因素。一般而言，汽轮机组冷却水取水水温不得高于3 3 。c ”“， 若当地自然水域夏季的水温本身就接近3 3 ，规划设计此类地区电厂取、排水工程 方案时，为使所抽取的水温能降低1 2 ，火电厂或核电厂的厂址选择更需深入研 究，要保证取到3 3 以下的新水、又不致造成过高的工程投资( 如过远地设置取水 口，虽有利于避开热水区，但管道长，吸水泵功率大，造价高，运行费用亦大) ， 则决非易事。 2 2 电厂取排水方式及其设计理论 2 2 1 电厂取排水方式概述 前面已经提到，采用水面冷却开式供水的电厂冷却水取排水方式一般可分为分 列式、重叠式、差位式三种。 分列式。取排水口布置在同一岸线，取水口布置在上游，排水口布置在下游， 温排水的热量利用取排水口之间的水面空间消散或者通过环境水流带往下游。 重叠式。取排水口布置在同一垂线上，它们之间的水平间距为零，取水口设在 下部，排水口设在上部。利用水体温度分层的现象，下层冷取，表层热排。 差位式。取排水之间的距离主要在同一河道断面垂直水流方向的法向间距上， 取水口在河道中间，排水口在岸边；或排水口在河道中间，取水口在岸边。 若简单地以岸线为x 方向，垂直水流为z 方向，水深为y 方向，那么在三维坐标系 6 华北电力大学硕士学位论文 中，各种取排水口布置方式的示意如图2 2 所示。 v 图2 - 2 不同取排水口布置示意 众多的工程实践表明，在单向流的河道上常采用分列式布置；在受潮汐影响的 感潮河段常采用差位式布置，重叠式布置投资较少且运行管理方便，但要求水域有 一定的容积和水深等条件，其应用在温差分层的水域效果较好。电厂取排水方式的 选择应当根据工程具体条件通过数学模型计算或物理模型试验，进行多方案的优化 比较确定满足电厂取水和水环境要求的最优方案。为了更好地将这三种取排水方式 进行比较，将它们的有关特点制成简表如表2 一l ”3 。 表2 - 1 不同取排水方式比较 取排水口间距 型式 各注 4 三( 水流方向)a ”( 垂直水流方向) ah ( 水深方向) 取水口置上游，排 分列式 较大很小。0 或很小 水口置下游 具备一定的容积和 重叠式 00适当 水深等条件 特殊地形，往复流、 差位式较小 适当较小 潮汐流等 7 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 平面流理论 早年的冷却池水力学设计，不考虑热水排放的温差效应，水工布置沿用3 0 年 代苏联的思别尔纳德斯基提出的平面流理论来规划设计。其要点是：温排水在冷 却水域中的流动，主要表现为水平方向的二维流，电厂温排水从排水e l 排出后扩散 至取水口，在流动过程中，靠热水的扩散及水面与大气的热交换得到冷却。别氏从 平面流基本方程出发，作适当简化处理，得到描述热水扩散特性的方程“ 6 ，：b o _ h op 】，| ) 1 ( 2 一1 ) 以 式中6 0 、 o 分别为温排水起始断面上的水流宽度和水深，工表示温排水主流轴线上 某点与排水口的距离，b 。，亿分别为x 处断面上的水流宽度和水深，h 为水流的平均 深度，e 为自然对数的底，g 为重力加速度，n 为满宁( m a n n i n g ) 粗糙系数。 式( 2 - 1 ) 给出的设计原则是：在相同的水文气象条件下，要获得较大的冷却 水面面积主要靠加大排、取水口的平面间距及出流宽度b o 值。一般是加大水流方向 的平面间距，目的是避免温排水很快进入取水口，在我国及世界各国，绝大部分电 厂的水面循环冷却系统都采用这种布局。这种取排水口分隔较远两处的布置，即为 分列式布置。日本规定取排水口间距( m ) 需大于2 0 0 的经验关系，q ( i n a s ) 为 冷却水流量”1 。一般情况下，这个距离要保持在l k m 以上，伴随着昂贵的输入管道、 渠道或防波堤的增长和占地的增加。至于加大出流宽度的方法，实际中并不多见， 时桂萱”3 7 3 提出以齿状长堰均匀过水的方式拓宽出流前沿的办法，将点源热水转换 成面源，同时热水流经堰面的途中也加速了热量的散发，提高了散热效率，并降低 了进入环境水域的热水水温。 2 2 3 分层流及温差异重流理论 在湖泊、水库、海洋等水域中由于温度、盐度或密度往往沿深度分层变化，使 流体的运动规律不同于均匀密度流体的运动规律，流体在这种情况下的运动即为分 层流。对于分层流体的选择取水问题，易家训把它归结为流入线汇的二维分层流， 从二维无粘不可压缩分层流基本方程出发，对流入线汇的分层流进行了详细的数学 描述。 为了更好地对问题进行分析，我们引入密度弗劳德数，它与速度的平方成正比， 与水深d 成反比，它的定义式 ( 2 - 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 其中u 为水流速度，p o 为底层流体密度，p 1 为水面流体密度，d 为水深。 当f 小于某一临界值时，实验观察表明会出现阻塞现象。这时，上层水保持不 动，仅下层水流入线汇，这样便达到了选择取水的目的。图2 - 3 说明了不同密度弗 劳德数的流动图景。 ( a ) d ，疋， 图2 - 3 不同密度弗劳德数的流动 ( b ) f r ， 当受热水域出现冷热分层的温差异重流现象时，由平面流引出的冷却水工程指 导原则便不再正确。5 0 年代后期，我国与美国相继提出温差异重流理论，浚理论是 基于分层流理论之上的，其要点是：电厂排水与环境水域存在温差，排、取水口问 形成明显的分层流动，受纳水域的水力热力特性，与平面流的情况迥异，冷却水并 非直接从排水口流向取水口，热水在表层流动，冷水在底层流动，流型十分复杂。 取排水口工程布置也与平面流的布置有着本质区别。工程规划的指导思想是促进温 差分层的出现和温差异重流的形成，从水域下层取得低温水。陈惠泉、陈燕茹提出 了温差异重流形成的条件o ” 呒。 2 0 后，河宽对_ 的影响可不 予考虑。把以上结果同文献 1 中的试验结果进行比较，如图3 1 7 ，可以看到数值 模拟的结果与试验结果基本符合。因此用该模型进行的模拟计算，认为其结果是可 信的。 图3 1 4 河道宽深比对口的影响 图3 1 5 不同河宽下的流动迹线图 2 7 ( b ) b h 3 8 5 华北电力大学硕士学位论文 ( a ) 日i 日2 4( b ) b h = 8 5 图3 一1 6 不同河宽下的表层温度分布 图3 1 7 与试验结果的比较 3 a z h o 对口的影响 、 图3 一1 8 为d = l c m ，b = 4 0 c m 时，目随a z h o 的变化曲线，由图可以看到，当a z h o 取值较小时，口随a z h o 的增大而迅速减小，随着a z h o 的增大，其对”的影响逐步 减弱，直至a z h o 增至某一临界值时，_ 不再随a z h o 发生变化，此时的临界值( 位他o ) 。， 约等于5 。 以上是d = l c m 不变，总水深日随止变化的情况。然而实际的规划设计中还有 一种情况就是水域的总水深h 基本不变，底槛高度d 随止的变化而变化，通过选 择合适z 来布置取水口，从而满足取水水温的要求。图3 1 9 为总水深h = 1 7 c m 保 持不变，不同的a z h o 情况下”随几。变化的情况。a z h o 由2 增至2 5 时，口迅速降 9 7 8 7 6 5 4 3 o o o o o o o 华北电力大学硕士学位论文 低；而a z h o 由2 5 增至5 时，口的变化非常小，两条曲线基本接近重合，a z h o 继续 增大，r 已基本不再变化，可以认为此时的( a z h o ) 。即为2 5 。因此，实际的工程中， & 并不是越大越好，合适就行，超过( a z h o ) 。以后，冷却效果增强极不明显，一味 地追求较大的比既耗费工程投资，对降低取水水温并没有多大的意义。 357 位9 图3 1 8h 随a z h o 的变化曲线 图3 1 9 日不变时的”a z h o 曲线 4 d 对”的影响 以上都是上游无来流的情况，当a g o 时，通常式中的咒用来流温度瓦来代替 即 佰嘶踮巧蛎 0 c ；0 m o 吼0 n o m 0 华北电力大学硕士学位论文 行：墨二量 。 五一乙 ( 3 1 0 ) 图3 2 0 为a z h o = 2 5 ，b h = 4 时，_ 随a 的变化曲线，可以看到，取水温度随 着来流流量的增大而减小，a 增至一定值以后，取得的水基本上来自上游来流，温 排水来不及回归到取水r 2 就已经被来流冲走，理论上 可达到o 。因此，有定来 流对电厂冷却水工程的布置是很有益的。 3 4 重叠式与分列式的比较 3 4 分列式数值模拟 图3 2 0 口g 曲线 重叠式布置作为一种比较新型的电厂取排水口布置方式被提出，除了能节省工 程投资、方便管理以外，其冷却效果和水力热力特性也必定有优于分列式的方面， 评价一种取排水方式的优劣，其标准有许多方面，本次模拟主要围绕两种方式的取 水水温进行对比，因为取水水温的高低可以综合反映出冷却水工程措施的最终效 果。在电厂规划中，一般来说水域的冷却能力是有限的，取水温度越低的话，可建 的装机容量就越大。 为了便于比较，假设分列式与重叠式布置中的取排水口型式和尺寸完全相同， 只是取排水口的相对位置不同，即分列式的取水口和排水1 ：3 均布置在沿河岸的表 层。图3 2 1 为分列式布置的模型网格图。 3 0 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 2 1 分列式计算模型及网格 设分列式中取水口和排水口的距离为三，则分列式布置的三h 也是影响分列 式取水温度的重要参数。图3 2 2 为a l h = 1 0 ，f a o = 3 1 ，a = o 时，分列式布置的表 层速度分布，可以看到，取水1 3 附近区域的水流很大一部分直接来源于排水1 3 水流 的扩散，或者热水顶冲对岸后折回再进入取水口，热水很大程度上影响着取水温度。 图3 2 3 为分列式布置表层的等温线图，可见若减小上，取水口受热水的影响会更 大，对取水水温是相当不利的，因此实际中为了获得好的冷却效果，往往分列式布 置的取排水口相隔甚远。 图3 2 2 分列式表层速度分布 图3 2 3 分列式表层等温线图 华北电力大学硕士学位论文 3 4 2 重叠式与分列式取水温度比较 对重叠式和分列式的取水温度进行比较，其模拟条件应控制在“一定条件”下， 这种“一定条件”对两者都基本合理和等价，不宣对重叠式特别有利( 如5 z h o 过 大) 或特别不利( 如d z h o 过小或b h 过小) ，因此整个对比过程中，取用a z h o = 2 5 ， 4 b h o 2 时，y 型布嚣的取水温度开始比原有重叠式 低，然而相差并不是很明显，y 型布置的优势非常弱。如图( b ) ，n = 0 2 时底层的 高温区仍然存在，只是由于上游来流的作用，高温区略微向下游移动，使对取水口 的影响减弱。 这个结论打破了我们习惯上的认识，究其原因，我们可以从以下的角度来分析。 3 5 华北电力大学硕士学位论文 上下平行的取排水口布置，它的热水排放和冷水吸取在同一轴线上，水流相互制约， 更有利于促进及稳定温差分层流动，上层热水不易下潜。对取水口而言，由于上面 排水口掺混汇的作用，加强了抽引远处下层冷水的能力，在一定参数范围内造成有 利的水力热力条件，较多地引取底层低温水。而y 型布置的表层热水受到取水汇的 制约作用减小，更容易扩散到下层。 08 5 0 8 0 7 5 0 7 f o 6 5 0 6 o5 5 o 5 01 01 52 0 f 0 图4 - 2 两种重叠式的口凡。曲线 ( a ) a = 0 3 6 华北电力大学硕士学位论文 ( b ) d = 0 2 图4 - 3 取水口附近温度分布比较 图4 4 和图4 5 是a = o 时相同出流条件下两种重叠式布置的流动迹线图，显示了 从排水口出发的流体质点的行程。y 型重叠式的热水排出后，在取排水口近区的水深方 向上便产生强烈的下掺、紊动和漩涡，有很大一部分热水随之进入取水口，因此取水温 度偏高。而原有重叠式的热水排出后，如图4 - 5 ，在近区热水下掺很少，基本上在表面 流动，虽然最后有少量进入取水口，也是经过了较长的行程才到达，其间的散热相对来 说也比较充分，这也是最初提出重叠式的一个重要依据之一。 图4 4y 型重叠式流动迹线圈 3 7 华北电力大学硕士学位论文 图4 - 5 原有重叠式流动迹线图 4 1 2 分列式y 型取排水口布置 y 型布置用于重叠式中，其降低取水温度的优化效果并不是很明显，我们再来 研究其用于分列式的情况。分列式y 型取排水口布置的示意图如图4 6 。 日红一一， 图4 - 6y 型分列式取排水示意 研究发现，分列式y 型取排水口布置的取水水温恒比原有分列式低，即使在上 游无来流的情况下，其取水温度也明显低于原有分列式，图4 7 为两种分列式取排 水口附近的温度分布比较。可见y 型分列式使取排水涉及的流动和散热空间更大， 温排水上溯的距离明显变小，对岸回流区也相对缩小，它的优势是显而易见的。图 4 8 和图4 9 是a = o 时相同出流条件下两种分列式布置的流动迹线图，显示了从排水 口出发的流体质点的行程。显然与原有分列式相比，y 型分列式进入取水口的热水较少， 3 8 华北电力大学硕士学位论文 而且这部分热水在由排水口到达取水口的过程中，行程较长，散热比较充分，上述分析 充分说明了y 型分列式的优点。在上游有来流的情况下，显然y 型布置的顺流取水能 够更多地取得来流较低的水温，而其顺流排水能够将排放的热水更多地带往下游。 y 型分列式取排水口布置是改善冷却水取水温度的一项重要优化措施，尤其是 在上游有来流的情况下，采用这种分列式能够大大缩短取排水口之间的距离址，甚 至三可以很小，从而降低工程投资，是电厂的冷却水工程规划可以借鉴的有效优 化措施之一。 ( a ) 口= 0 ( b ) = 0 2 图4 7两种分列式温度分布比较 3 9 华北电力大学硕士学位论文 图4 - 8y 型分列式流动迹线图 图4 - 9 原有分列式流动迹线图 华北电力大学硕士学位论文 4 2 上取下排方案可行性分析 我们通常都是考虑下层取水，表层排水，然而在通航河道或者其它对水体表面 的环境有特殊要求的水域，热水直接排入水域表层会引起水体水面超温过于严重。 因此我们做下层排水，表层取水重叠式的设想，由于实际中这种布置并不常见，也 未见有人对这种布置做过类似的研究。那么这种设想是否可行，我们这里通过数值 模拟的手段，仅针对其是否能满足取水温度的要求来进行研究。 我们还是利用第三章的重叠式模型，选取a z h o = 2 5 ，b h = 4 的情况，只是把 原来的取水口和排水口互换。不同f a o 下的计算结果表明，在该河道条件下，上取 下排与下取上排重叠式的取水温度非常接近，甚至下排上取方案的口有更低的趋势， 两种方式下口随玩。的变化如图4 1 0 所示。数据表明下排上取方案的取水温升 可 比下取上排的情况减小0 3 3 ，取水温度上具有微弱的优势，而其水面的温度显 然较低，在一定的条件下，其优点是明显的。 图4 - 1 0 下排上取方案取水温升曲线 出现这种现象的原因是多方面的，我们试着从以下几个方面来分析。排水口位 于水域下层，排出的热水与周围的冷水掺混剧烈，相当于两种流体的混合换热，换 热效果较好，而热水排于表层时，热水与水域上方大气的对流换热相当于两种流体 的表面换热，效果不如混合换热好。另外，在电厂冷却水取排水的温度范围内，热 水和冷水的密度相差不是很大，一般相差在8 以内，热水受到的浮力极小，再加 上有初动量的驱使，热水不容易上升到水域表层，从而表层的取水不容易受到下层 热水的作用，图4 - 1 1 和图4 1 2 分别是下排上取方案的速度和温度剖面图，由此我 们也可以看到下层热水的上涌趋势比较微弱，对取水造成的影响也不会比上排下取 4 1 华北电力大学硕士学位论文 的更大。 以上数值模拟的结果表明，在自然水体温度分布均匀的情况下，下排上取方案 与上排下取方案的取水温度基本相当，因此一定条件下也可以作为设计规划的相应 方案。在这个思想的指导下，若a z h o 满足要求，适当增加排水口的出水淹没水深s ， 由于排水口位于水体内部，也相应地能够降低取水温升。同时也能一定程度上解决 由于水域水位变化可能引起的问题，如排水口水域的水位低于排水口出水水位，出 水与受纳水域将属于跌水衔接，则上下层掺混严重加剧，取水水温恶化，因此设计 中也要充分考虑到水域水位的变化。 图4 - 1 1 下排上取方案速度剖面图 图4 1 2 下排上取方案温度剖面图 4 2 华北电力大学硕士学位论文 除了改变与河道的衔接角度，以及本文提到的上取下排的设想，电厂冷却水工 程的取排水口布置的优化还有许多其它措施，工程优化的出发点是：充分利用水域 面积，促使热水的热量通过各种渠道消散，加强吸取冷水的能力并延长热水由排水 口最终流入取水口的行程历时，从而降低取水水温。常用的方法还有加装挡热墙、 潜水堤及导流堤等等。另外，当地的气候条件也是需要重点考虑的，水面的风吹效 应及气温的高低是影响取水温度的重要因素。一般来说，炎热的夏天对电厂的冷却 水工程来说是个严峻的考验，有许多电厂由于冷却水工程的取排水布置方式设计不 当，夏天取水超温，因而不得不降低负荷，甚至有的电厂不惜另建一个冷却塔，让 排出的热水经冷却塔冷却后再行排入水域，采用所谓的混流冷却方式，投资相对较 大”“1 。因此，为了解决电厂冷却水工程中的诸多问题，需要进一步研究新的优化 措施。 以上分析的是水域水体本身的温度分布是均匀的情况，若水域本身就存在分 层，表层水温高，底层水温低，这种情况采用下排上取的方案显然是不理想的，表 层水就算不受热水排放的影响，取得的也是温度较高的水。 4 3 分层水域中的重叠式应用 4 3 1 分层水域的特点及判别 电厂的温排水可使取排水口附近的水域产生水温分层，从而可以利用温差分层 的原理来布置重叠式取排水口。而很多时候水域本身就是分层的，比如深的江河、 湖泊、水库、海港等水域，往往因为日照的作用使温度随深度发生变化，形成所谓 的分层水域，水温在表层温度较高，在一定深度以下保持较低的温度。在分层水域 中采用上排下取的重叠式布置显然是有利的。 以水库为例，根据水库水温沿水深分布的特性，可将水库分为分层型、中间型 和混合型3 种。分层型水库表层水的温度高，水温随着水深的加深而降低，即水库 中的水温形成明显分层状态。分层型水库有利于重叠式取排水1 3 的布置，然而并不 是每一座水库的水温都是分层的，影响水库水温垂直结构形态的因素非常复杂，需 要综合判断。 判别水库类型的方法有许多种，如最常用的有径流库容比数法( 或称库水替 换次数指标判别法) ，以及水库宽深比判别法，弗劳德数判别法，热平衡因子判别 法等等“2 。”。日本经过多年的研究，在径流一库容法的基础上，规定用表4 一l 来判 定水库的水温分层特性“1 。 4 3 华北电力大学硕士学位论文 表中 表4 1 水库分层特性判定表 类型 yy 7 分层型 l o 5 o 0 5 ，：鱼 7 形 n = 譬 耻格 式中q 厂一全年入库总7 j ( n ( m 3 ) ； q 7 一一7 月份入库水一、m 3 ) ； 一一水库的库容( m 3 ) ；三一一水库的长度( m ) ； q 一一年平均流量，q = q ，( 3 6 5x8 6 4 0 0 ) ( m 3 s ) 凰一一水库平均水深( m ) ；p 厂一水的标准密度( t m 3 ) ； 一d 眦z 一一平均密度梯度( t m 4 ) ；一一水库内的平均弗劳德数： 当判定电厂的冷却水受纳水域为分层型时，则可以重点考虑重叠式取排水口布 置。在