海南昌江核电厂温排水物理模型试验研究.pdf

1 海南昌江核电厂温排水物理模型试验研究海南昌江核电厂温排水物理模型试验研究 黄健东，罗岸，陆汉柱，付波，麦栋玲 （广东省水利水电科学研究院，广州，510610） 摘摘 要：要：海南昌江核电厂温排放试验是继我院承接的大亚湾核电站温排放试验后，又一大型的核电厂 温排放试验研究项目。随着国民经济的快速发展，我国对核电建设的要求也逐步提高。本次物理模型 试验内容除了按常规测试了电厂的取水温升，预测了电厂温排水对海域表面温升的影响范围与程度外， 还首次增加了热水流对海洋生物冲击影响的试验研究，并要求测试排水口局部区域的高温热水空间扩 散情况。试验成果可为工程设计与环境影响评价提供依据。 关键词：关键词：核电工程，温排水，海洋生物，空间扩散，海域 1 工程介绍工程介绍 海南昌江核电厂厂址位于海南省昌江县海头镇新港村西南面 2km 处的海滨，见下图 1。电厂 濒临北部湾，厂址东南距昌江县城约 29.5km，西南距东方市约 51km；东北距海口市约 160km。 电厂机组一次规划分期建设，总规模为 4650MWe，一期工程建设 2650MWe 机组。电厂机组采 用直流冷却系统，循环冷却水源取自北部湾，温排水排放后由潮流带至附近海域扩散。温排水流 量一期为 81.59m3/s，规划总流量为 163.18m3/s。 图 1 海南昌江核电厂地理位置 2 试验研究的目的试验研究的目的 结合工程特点以及厂址海域水文特性，建立温排水物理模型，针对核电厂一、二期工程不同 的取排水布置方案进行温排水试验研究，分析温排水在海域内输运和扩散规律，评价核电厂运行 期间的温排水排放对取水口温升及厂址附近海域的影响，为核电厂取排水工程的设计和环境影响 评价提供基础资料和科学依据。 3 试验研究的难点试验研究的难点 随着国民经济的快速发展，我国对核电的要求逐渐提高。本次物理模型试验比以往的试验增 加排水出流对海洋生物冲击的影响试验， 并增加了测试排水口局部区域的高温热水空间扩散情况， 开展这些内容研究，在我院尚属首次。另外，地质勘测返回的信息显示隧洞施工方案存在较大困 难，工程海域存在受国家保护的珊瑚礁，这些都给物模试验带来较大的困难。电厂的取排水工程 2 方案既要满足取水要求，更要满足海洋环境要求，是本工程研究的重点。 4 技术路线技术路线 （1）结合工程特点以及厂址海域水文特性，建立温排水物理模型； （2）结合数值计算成果，对数值计算提供的基本方案进行深入的试验研究，确立取排水口的 平面布置，并优化取排水的体型尺寸。提出优化的方案。 （3）测试电厂的取水温升，预测电厂温排水对海域表面温升的影响范围与程度； （4）测试排水水流的沿程衰减情况，分析对海洋生物冲击影响的范围。 （5）对数值计算及物模试验成果进行综合分析，为核电站取排水的经济安全运行提供科学依 据。 5 模型规划及试验潮型的选取模型规划及试验潮型的选取 模型规划：温排水整体变态模型要求能真实反映温排水热量累积效应，因此要求温排水不溢 出或少溢出开边界， 模型基本能覆盖 0.5温升线。 参考温排水与低放废水前阶段数值计算的结果， 从试验技术要求、模型规模、热水流量、模型变率以及模型最小水深等考虑，同时考虑到工程海 区潮流呈沿岸往复流特点、海区潮汐呈日潮以及水文站点分布等因素，结合大纲评审专家意见， 最终选取模型比尺为：Lr=400、Zr=100、e=4.0，模型截取范围水域面积约为 35km（南北向）9km （见图 2），模型规模约为 90m25m，模型截取范围内含 7 个水文观测站点。 排水口 取水口 海头港 03km6km N 昌化棋子湾 海尾 图 2 水文测验站点分布与模型截取范围图 试验潮型：依据天津水运工程勘察设计院海南昌江核电厂工程海域海洋水文观测及分析报 告，试验选取潮型为夏、冬季大中小潮。夏季大潮为 2008 年 7 月 3 日 17：002008 年 7 月 4 日 18：00；夏季中潮为 2008 年 6 月 30 日 15：002008 年 7 月 1 日 16：00；夏季小潮为 2008 年 7 月 10 日 02：002008 年 7 月 11 日 01：00；冬季大潮为 2008 年 12 月 26 日 04：002008 年 12 月 27 日 05：00；冬季中潮为 2008 年 12 月 19 日 05：002008 年 12 月 20 日 06：00；冬季 小潮为 2008 年 12 月 20 日 16：002008 年 12 月 21 日 15：00。 6 温排放试验条件温排放试验条件 模型试验分别对夏、冬季大中小潮各测站的流速、流态、以及潮位进行率定，率定结果表明， 模型能较好地复演原体潮流，在此基础上进行温排放工程方案试验，其成果是可信的。 试验控制与采集的主要设备由微机自动控制的三面生潮系统、温度量测系统、水位自动跟踪 升降架系统、热水系统等组成。其中，热水系统由微型泵、流量计、控制阀、电加热箱、电力调 压器等构成取水加热升温排水的闭路温控循环系统。试验采用这种循环系统根据不同工况施 放排水流量(温差为 8.0的恒温水)。 3 7 工程海区的潮汐潮流特性工程海区的潮汐潮流特性 由实测水文测验可知： (1)海南昌江核电厂工程海域潮汐属不正规全日混合潮，大潮和中潮的一个完整潮周内只有一 个高潮和一个低潮，而在小潮时，则出现两个高潮和两个低潮，且日潮不等现象明显，即高、低 潮不等较为明显。 (2)工程海区实测夏季最大流速涨潮约为 0.7cm/s；落潮约为 0.8cm/s。冬季涨潮最大约为 0.5cm/s；落潮约为 0.75cm/s。实测涨、落潮平均流速大潮分别为 0.36m/s 和 0.40m/s，中潮分别为 0.24m/s 和 0.29m/s，小潮分别为 0.09m/s 和 0.16m/s，落潮平均流速大于涨潮流速，其比值为 1.2。 (3)工程海域涨潮流主要由南部向北部推进，潮流运动形式基本呈往复流，涨落潮潮流流向基 本上与岸线一致。近岸潮流较弱，外海潮流较强。 (4)在海尾港与厂址之间的近岸水域（即排水口布置区域），存在一种较为不利的流态：涨潮 期，受外海潮流动力及岸线形态的影响，随着潮位的上涨和外海涨潮流速的增大，近岸水流存在 一种趋向岸区的水流流势。 8 温排水试验及成果分析温排水试验及成果分析 8.1 排水口的确定排水口的确定 根据以往温排水试验的经验， 排水口的确定主要考虑两个方面的因素： 排水口的平面位置 （包 括排水管长度）、排水口型式（包括出流方式）。 排水口的平面位置的确定：本工程的排水口平面位置主要受近岸珊瑚礁的制约，物模对数值 计算前期提出的排水口布置进行了验证试验，并对排水管进行不同长度的对比试验，最终形成了 取排水采用差位式，排水管离岸 2.2km 的方案。 排水口型式的确定：物模进行了蘑菇头、塔式四向排水和单向排水等多种出流方式的试验。 采用蘑菇头和塔式四向排水排放热水时，热水出流动量较小，是以排水口为中心向四周扩散，热 水易进入近岸水域，引起近岸水域的环境温升升高，不仅电厂的取水温升升高，而且影响 6 米水 深以浅海域的珊瑚礁，这种排水口型式应予以放弃；采用单向排水时，热水集中往离岸方向排放， 出流动量较大，温排水能够较好地向外海输移扩散，对降低电厂取水温升，减少热水对近岸水域 的影响有积极的作用。排水口处于强潮流区，本工程排水口采用底排出流比面排出流更有利于热 水与深层的低温水进行热交换。 8.2 取水口的确定取水口的确定 在不改变近岸往复流流场结构条件下，排水口与取水口间距必须有相当的距离（分列式）， 抑或取、排水口必须布置于不同流线区域（差位式），方能降低排水对取水的影响。根据本工程 的特点，排水口宜离岸远一些（离岸 2.2km），采用排水口离岸排放后，近岸水域的环境温升较 低，因此，采用近岸取水，电厂的取水温升也较低，方案是可行的。本工程在环抱式港池内取水， 既可以避免风浪的扰动影响，又可以减少口门区外的热水进入港池取水口，从而降低电厂的取水 温升。同时，港池内取水可节省工程投资、易于对取水的维护管理。 8.3 选用方案选用方案 J4-1 的温排水试验成果的温排水试验成果 通过数模计算和物模试验双模型的结合，进行了多方案的比较，分析电厂的取水温升、温排 水对工程近岸水域环境温升影响等因素，并结合设计单位及意见，试验确立 J4-1 为昌江核电厂取 排水工程的选用方案结合码头港池取水、离岸 2.2km 塔式三向排水，并对 J4-1 方案一期工况 条件进行了系统试验。 8.3.1 温排水流态 排水口离岸 2.2km 时，取、排水口间的间距较大，同时东向（朝岸方向）不设排水窗口，减 弱了热水向岸线的扩散，从而降低近岸水域的环境温升，对电厂取水有利。排水口处于强潮流区 4 域，有利于热水与潮流进行热交换。两季的大潮潮型基本相似，其潮流强度较强，从排水口排出 的热水，随涨、落潮流作南北向的往复运动，温排水不断得到稀释、散热，朝岸线扩散的热水量 少、流速较弱；两季的中潮潮型差别也不大，中潮的潮流强度比大潮相对弱一些，但热水朝岸线 扩散强度较大潮大，在初涨时段，潮流向岸线压迫，二次回归热水离岸线较近，近岸水域的环境 温升有所升高；夏季小潮主要呈现落潮流态，而冬季小潮表现为南北向往复流。两季的小潮，其 潮流强度较弱，热水借助初动量，向南北及西向扩散较远，温排水向岸线扩散的能力较弱，近岸 水域的环境温升较低。 8.3.2 取水温升试验 试验表明：在一期工况条件下电厂的温升过程线比较平稳，温升值在潮周内波动幅度不大， 取水过程较为平稳，变幅在 0.4左右。各潮型取水温升较大值基本上均出现在涨初时段。说明影 响取水温升的因素主要来自于环境水体热量累积后引起的环境温升， 同时最大值出现在涨潮初段， 也说明低低潮位时排水受涨潮流压逼有趋岸的现象。 各潮条件电厂的平均取水温升都较低（0.20.5），其中夏季大潮最低为 0.2，冬季中 潮最大为 0.5(见表 1)。 表表 8-1 J4-1 方案各试验组次取水温升特征值表方案各试验组次取水温升特征值表 温升特征值() 组次 潮型 装机容量 (MWe) 最大值 最小值 平均值 1 大 0.5 0.2 0.3 2 中 0.6 0.2 0.4 3 夏季 小 0.4 0.2 0.2 4 大 0.5 0.1 0.3 5 中 0.8 0.4 0.5 6 冬季 小 2650 0.5 0.3 0.4 备注：1. 取排水流量：81.59m3/s （2650MWe） ；2. 取排水温差：8.0。 8.3.3 表面温升分布 试验测得的温升面积统计见表 8-2。试验可看到，大潮的表面温升分布呈狭窄的带状；中潮的 温升分布也呈带状，但南北向的长度较大潮略短，东西向分布较大潮宽；夏季小潮为向南带状温 升分布形态。3.0水面温升面积均0.01km2，高于 2.0以上面积约在 0.78km2以内。 表表 8-2 J4-1 方案各试验组次水面温升面积统计方案各试验组次水面温升面积统计 水面温升面积(km2) 试验方案 潮型 装机容量 (MWe) 潮时特征 4 3 2 1 包络 0.01 0.43 6.5 夏季大潮 平均 0.01 0.15 1.88 包络 0.01 0.6 7.8 夏季中潮 平均 0.01 0.22 2.45 包络 0.01 0.72 9.8 夏季小潮 平均 0.01 0.28 3.2 包络 0.01 0.53 7.2 冬季大潮 平均 0.01 0.18 2.2 包络 0.01 0.78 10.5 冬季中潮 平均 0.01 0.3 3.59 包络 0.01 0.65 8.5 方案 J4-1 冬季小潮 2650 平均 0.01 0.25 2.51 5 8.3.4 近排水口区域的垂向温升分布 J4-1 方案的排放方式为底排，热水从排水口排出后，冷热水发生强烈的掺混，由于冷热水的 密度差，热水上浮较快，试验中可见到，热水射流呈 U 型向表层上浮，离排水口 50 米后热水已 基本上浮至表层，浮于表层的热水已冷却至 3以下。试验测得各方向不同水深的温升线离排水 口最大距离见图 35，统计的各水深层的温升特征值列于表 8-38-6。 -12.0 -11.0 -10.0 -9.0 -8.0 -7.0 -6.0 -5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 01020304050 L(m) h(m) 4 3 -12.0 -11.0 -10.0 -9.0 -8.0 -7.0 -6.0 -5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 020406080100120 L(m) h(m) 4 3 图 3 不同水深各温升线离排水口的最大距离（南向） 图 4 不同水深各温升线离排水口的最大距离（西向） -12.0 -11.0 -10.0 -9.0 -8.0 -7.0 -6.0 -5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 01020304050 L(m) h(m) 4 3 图 5 不同水深各温升线离排水口的最大距离（北向） 表表 8-3 水深水深 1m 温升分布特征值温升分布特征值 离排水口轴线处各向最大距离（m） 温升（） 面积（km2） 东向 西向 南向 北向 4 3 0.004 0 96 44 表表 8-4 水深水深 5m 温升分布特征值温升分布特征值 离排水口轴线处各向最大距离（m） 温升（） 面积（km2） 东向 西向 南向 北向 4 3 0.005 0 60 40 32 表表 8-5 水深水深 8m 温升分布特征值温升分布特征值 离排水口轴线处各向最大距离（m） 温升（） 面积（km2） 东向 西向 南向 北向 4 0.002 0 24 24 32 3 0.005 0 48 40 40 6 表表 8-6 水深水深 10m 温升分布特征值温升分布特征值 离排水口轴线处各向最大距离（m） 温升（） 面积（km2） 东向 西向 南向 北向 4 0.002 0 24 24 28 3 0.004 0 44 32 30 注：表中“”表示不出现该温升。 8.3.5 热水流对海洋生物冲击影响 根据国家核安全专家的意见，核电厂的排放水对海洋生物有一定的冲击影响，要求本项试验 热水流流速达到正常潮流流速前的影响范围，为对温排水对海洋生物冲击影响提供科学数据。 排水 J4-1 方案为离岸 2.2km 的塔式深层排水（排水窗口顶缘高程-10m），设计出口水流流速 为 1m/s。出口附近流速达到潮流正常流速的范围，对应于不同的潮流强度其差异较大。 大潮涨急或落急时段，潮流流速较大，与潮流方向垂直的热水出流后，向前推进约 4050m、 顺潮流方向飘移约 350m 水流达到潮流流速，影响面积约 0.07km2；中潮涨急或落急时段，与潮流 方向垂直的热水出流后，向前推进约 5060m、顺潮流方向约 550m 水流达到潮流流速，影响面 积约 0.13km2；小潮涨急或落急时段，与潮流方向垂直的热水出流后，向前推进约 70m、顺潮流 方向约 600m 水流达到潮流流速，影响面积约 0.17km2。 在落憩或涨憩时段，潮流速很弱，热水呈现扇形扩散，从排水口排出的热水移动约 500m 550m 流速与潮流流速基本一致，范围约 0.39km20.47km2。 从试验观察看，从排水口排出的热水出口流速较弱，仅为 1m/s，在深水中流速衰减较快，对 近区流态影响不大。 9 排水管长度最优方案的试验与分析排水管长度最优方案的试验与分析 中国核电工程有限公司于2009年10月30日在广东省清远市主持召开了海南昌江核电厂温排 水试验研究专题报告评审会。由于海洋部门是使用数模半月潮的成果，而物模试验受各种条件的 限制难以进行半月潮试验。从数模的计算成果可知，半月潮为对环境水域影响最不利潮型。与会 专家建议补充 J4-2 （离岸 2.0km、 塔式三向排水） J5-1 （离岸 1.8km、 单向排水） 、 J5-2 （离岸 2.0km、 单向排水）、J5-3（离岸 2.2km、单向排水）方案的物模夏季中潮一期工况的温排放试验。评审会 专家组的建议：根据物模补充试验的成果，并结合数模计算成果建立相关关系，分析物模夏季半 月潮的温升分布，以及排水管长度的最优方案。以下为分析物理模型夏季半月潮塔式三向排水及 单向排水方案的温升分布。 9.1 分析方法分析方法 根据评审会专家的建议，对补充方案进行了电厂取水温升及水面温升的物模试验，并根据此 成果及原有的物模和数模成果进行分析。 （1）分别建立数模夏季中潮和数模夏季半月潮的排水管不同长度 L 与 1温升线离-6m 等高 线最短距离 d 的相关关系； （2）建立物模夏季中潮与数模夏季中潮的排水管不同长度 L 与 1温升线离-6m 等高线最短 距离 d 的相关关系； （3）根据物模夏季中潮与数模夏季中潮的相关关系，以数模夏季半月潮为基础，分析物模夏 季半月潮的 1温升线离-6m 等高线最短距离的关系。 9.2 分析过程分析过程 通过分析一期工况、排水口离岸距离按 1.8km、2.0km、2.2km 组合的成果，对数模夏季半月 潮、数模夏季中潮、物模（单向排水）及物模（塔式三向排水）的夏季中潮成果进行相关的综合 分析。首先建立数模夏季中潮与物模（单向排水）夏季中潮（排水管不同长度 L 与 1温升线离 7 -6m 等高线的最短距离 d）的相关关系（见图 6），同时建立数模夏季中潮与物模（塔式三向排水） 夏季中潮（排水管不同长度 L 与 1温升线离-6m 等高线的最短距离 d）的相关关系（见图 7） 图 6 物模（单向排水）夏季中潮及数模 图 7 物模（塔式三向排水）夏季中潮及数模 夏季中潮 Ld 关系图 夏季中潮 Ld 关系图 由图 6 可看出，在相同条件下，两条曲线之间的间距存在一一对应关系，即 L=1.8km 时，间 距 d2 为 A1；L=2.0km 时，间距 d2 为 A2；L=2.2km 时，间距 d2 为 A3。 由图 7 可看出，在相同条件下，两条曲线之间的间距也存在一一对应关系，即当 L=2.0km 时， 间距 d2 为 B2；L=2.2km 时，间距 d2 为 B3。 为了推求物模夏季半月潮的成果，认为数值模拟计算与物模试验之间具有相似性，也就是说， 在排水管线长度相同的条件下，数模夏季中潮温升分布与物模夏季中潮温升分布两条曲