基于物理模型试验的电厂取排水口取排水方案优化研究

基于物理模型试验的电厂取排水口取排水方案优化研究

物理热水温度试验包括对火电工程和原子能处理厂的冷却效果，对水和排水工程的配置进行优化，报告项目海域水体的速度场、温度场和沉积物的侵蚀变化。此外，通过对项目海域水体温度变化的考虑，对建筑物的结构进行了优化试验。特别是对于具有潮流和波浪影响水文、地形条件复杂的电厂冷却水问题,物理模型试验有着不可替代的作用。滨海电厂的冷却水工程,一般具有以下特点。(1)冷却水与潮流掺混、对流、扩散,其运动有着高度的非恒定性。(2)岸边水下地形,水下建筑物边界条件,及海潮、波浪、泥沙运动相结合的水体动力条件比较复杂。(3)需要统一考虑输煤、输油码头,航道,防波堤等不同工程的要求,限制了工程布置的自由度。研究温排水工程布置,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。影响水域冷却效率、环境反应和工程投资的不仅是取排水口本身的布置,还有取排水口的相对位置。受纳加温冷却水排入的水域,往往也是冷却水的供应水域,正是同一连通水域中,在给定水文气象条件下取排水口工程布置的不同,形成了不同的冷却水水流循环,导致不同的水面散热能力、对流输热能力和最终的取水超温。本文通过温排水和泥沙两个方面对莱州电厂一期无码头方案取排水工程布置型式进行分析研究。1莱州电厂的自然环境和工程结构1.1潮流场及余流方向调查莱州电厂为燃煤电厂,滨临渤海海湾和莱州湾,见图1。厂区地貌类型单一,地形总体为东南向西北逐渐降低,地形起伏大,地面标高绝大部分地区在2.0～10.5m。厂址附近海域的潮流属不规则半日潮型,有较明显日不等现象,厂址附近潮流为典型的往复流。厂址附近海域是弱潮流区,即使在大潮期间,最大流速也不超过0.5m/s;大潮流速大于小潮流速;潮流的主流方向基本为EN—WS。莱州电厂附近余流方向较为稳定,表现为WSW向沿岸余流,大小随着离岸距离的增加而减小。根据现场泥沙取样分析,取水口附近海岸为沙质海岸,粒径较粗,海岸稳定。厂址附近海域底沙以粉沙质为主,底沙粒径有近岸粗化趋势,海域悬沙含沙量较小。1.2循环水口布置方案莱州电厂一期工程装机容量为2台机组(2×1000MW),冷却水量为56.4m3/s,冷却水温升为8.9℃。电厂循环水采用海水一次循环直流供水系统,一期工程循环冷却水取自电厂北侧的海域,取水口布置方案有两种:①暗堤+喇叭口取水,渠底前沿位于海底高程-9.5m处;②暗沟+塔式取水,取水头部位于海底高程-8.5m处。排水口位于电厂西侧,排水工程采用近岸浅排形式,排水口型式为喇叭口排水,两种方案取排水口布置型式见图2。2模型设计2.1水流相似河流根据研究内容和莱州电厂取排水口布置特点,温排水模型考虑的相似条件有水流相似和温差水流相似。其中,水流相似又包括重力相似、阻力相似和水流雷诺数相似;温差水流相似又包括密度佛汝德数相似和紊动热扩散相似。在按重力相似设计的模型中,只要模型的雷诺数超过临界雷诺数,热紊动相似便自然得到满足。泥沙模型既要保证水流运动相似,又要满足泥沙运动相似,泥沙运动相似包括泥沙沉降相似和挟沙能力相似。2.2拟范围和水面面积根据地貌特征、实测水温资料和保证电厂温排水扩散影响在研究范围之内,确定模拟范围为18km×4.5km,水面面积约为81km2。综合考虑试验条件、取排水工程附近水域水流条件以及电站温排水模拟流量、泥沙运移等因素,选定模型平面比尺αL=250,垂向比尺αH=100,模型变率e=2.5。2.3测温探伤的布置根据电站温排水对水域影响程度的不同,共布设了190个测温探头,其中有测量表层水温的,也有测量取排水口附近垂向水温的,在工程近区水域进行了加密量测。2.4模型沙的确定泥沙运动相似必须同时兼顾底沙运动相似和悬沙运动相似条件,模型沙选用聚氯乙烯粉,其容重γs=13.5kN/m3,稳定干容重γs′=5.5kN/m3。这种模型沙物理化学性能稳定,不板结,可同时模拟底沙和悬沙运动。3种多排放系统复演的排水系统方案通过对大、中、小潮流速场的验证,表明模型具有良好的复演原体水流流态的能力。在此基础之上针对两种不同的取排水方案(方案1:暗堤+喇叭口取水、近岸浅排;方案2:暗沟+塔式取水、近岸浅排)进行试验研究。3.1方案2:海北前算法表层温度场的分布与潮流流态相适应,同时又明显受到堆场和取水设施等水工建筑物的影响。涨潮时潮水经取水口向西流去,对于电站取水比较有利,电站排出的热水一部分和潮水相掺混,另一部分被潮流带走,沿岸边产生一个热水带;落潮时部分热水在海北嘴湾内形成回流区,产生热水贴岸流现象,大部分热水经过取水口向东流去,此时对于电站取水较为不利。受排水动量的影响温排水向西运动范围较大,天然海北嘴地形形态形成“丁坝”效应,自然环境水体在排水口附近湾内形成热水回流区,局部水体温升较大。方案1和方案2全潮平均表层温度场分布见图3。方案1:一期2台机组表层超4℃温升等值线对应的最大包络面积为1.4km2,表层超4℃温升等值线的最大顺岸距离为2.0km,离岸距离为0.6km。方案2:一期2台机组表层超4℃温升等值线对应的最大包络面积为1.5km2,表层超4℃温升等值线的最大顺岸距离为2.2km,离岸距离为0.6km。全潮平均表层温升等值线包络面积见表1。3.2方案2:水温升+潮流试验同一潮型、不同取水方案电站取水口的取水温升随潮变化的规律近似,都具有涨潮时取水温升低、落潮时取水温升高的特征。各潮型一期2台机组运行工况下,方案1取水温升平均值为0.6～0.7℃,方案2取水温升平均值为0.7～0.8℃。两种方案最大取水温升都能达到1.5℃,但持续时间都在0.5h之内,两种方案取水特征值见表2。不同工况下两种方案工程近区水域中均存在温度分层现象,温升分层的强弱程度随潮流变化。在潮流和电厂引水的综合作用下,取水口头部附近温升分层现象比较明显,见图4。排水口附近水流紊动较大,经掺混后温度分层现象并不明显。综合两种方案的表层温升扩散范围、电站取水温升过程和取水口附近温升垂向扩散效果看来,两方案差别不大,均能满足电厂取水要求。4取试验结果，在碱性试验中转移沉积物4.1暗沟+塔式取水法该海域泥沙来源主要是海岸侵蚀、海区来沙,且数量很少,泥沙输运的主要动力是波浪。试验结果如下。(1)暗堤+喇叭口取水方案,取水口附近泥沙冲淤变化较明显。一期2台机组运行工况下,取水明渠底部(-9.5m部位)年平均淤厚0.8～1.0m,两侧暗堤可以阻止沿岸泥沙在贴岸流作用下进入取水口。(2)暗沟+塔式取水方案,取水口附近泥沙冲淤变化不大,泥沙在波浪、潮流往复作用下,时有冲刷,时有淤积,交替进行。取水口经过长时间运用,取水口前部分位置略有淤积,淤积强度不大,一期2台机组运行工况下年平均淤厚0.10～0.15m。取水口布置在-8.0m水深处,窗底标高为-7.5m,对防止泥沙淤积留有一定余幅,取水口窗顶标高为-4.1m,在低潮位-2.36m时富余水深达1.8m,波浪对取水口运行影响较小。试验表明,从取水防沙角度看,暗沟+塔式取水方案要优于喇叭口+暗堤取水方案。4.2冲刷现象及范围两种方案排水口泥沙冲淤试验结果表明,排水口出口下游发生冲刷现象,最大冲深约为1.5m,冲刷范围约为20m×60m。为保证排水口建筑物安全运行,建议对其出口进行局部防护,如浆砌石护滩等。5暗沟+塔式取水方案方案(1)暗堤+喇叭口取水方案和暗沟+塔式取水方案均能满足电厂引水温升要求。各潮型暗堤+喇叭口取水方案取水温升平均值为0.6～0.7℃,表层超4℃温升等值线的最大顺岸距离为2.0km,离岸距离为0.6km;暗沟+塔式取水方案取水温升平均值为0.7～0.8℃,表层超4℃温升等值线的最大顺岸距离为2.2km,离岸距离为0.6km。(2)暗堤+喇叭口取水方案取水明渠附近泥沙冲淤变化较明显,一期2台机组运行工况下,取水明渠底部(-9.5m部位)年平均淤厚0.8～1.0m。暗沟+塔式取水方案取水口前部分位置略有淤积,一期2台机组运行工况下年平均淤厚0.10～0.15m。从取水防沙角度看,暗沟+塔式取水方案要优于喇叭口+暗堤取水方案。(3)试验成果表明,暗沟+塔式取水方案要优于喇叭口+暗堤取水方案。由于泥