滨海核电温排水试验研究.docx

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1、滨海核电温排水试验研究摘要：针对潮流具有顺岸往复流特征的海湾，以某核电厂为例，采用小变态物理模型开展了温排水输运特性的模拟研究。通过分析工程海域岸线、地形及潮流特点，结合设计与环保要求，根据差位式理论提出“近岸明渠分散取水、离岸明渠集中排水的取排水总体布局。采用全潮水文测验资料进行了定点潮位及潮流流速、流向的验证，在此基础上深化研究了温排水的随潮演变经过、温升分布特点及电厂取水温升变化规律。研究结果表明，温排水在顺岸往复潮流作用下热水带呈伴岸窄带型分布，采用差位式取排水布置对有效降低电厂取水温升、减小温排水对环境的影响具有明显效果。研究成果可为工程设计与环境影响评价提供科学根据。关键词：差位式

2、取排水布置；滨海核电；潮流；温排水；物理模型试验近我国核电建设进入快车道。截至，全国已建和在建核电厂个，其中投入商运机组台、在建机组台，核电分布呈滨海式布局。滨海核电绝大多数采用直流冷却方式，以海水作为冷却水源。核电运行时，取水口源源不断汲取较低温度的海水进入循环水管路，低温水经凝汽器热交换后水温升高，最终从排水口排入环境海域。每单台百万千瓦核电机组的循环水流量大约，伴随核电站温排水排出的还有余氯与放射性液态流出物。大量的含热废水排入海域随潮输运，一方面造成核电本身取水温升增高，降低电厂运行经济效益；另一方面长期作用于海洋生态环境，还会改变水体理化特性、加重富营养化、引发赤潮，甚至损害生态构造

3、和功能。取排水口工程布置是决定温排水水力、热力特性的关键因素，也是核电规划设计中必须解决的首要技术问题。火、核电厂常用的取排水布置有种类型：分隔式、重叠式与差位式。其中，差位式取排水布置在潮汐水域核电工程中应用最为广泛。因而，开展滨海核电差位式取排水布置下温排水的随潮输移扩散规律研究，对保障电厂取水安全、提高运行经济效益、减小环境影响具有重要的现实意义。对于感潮河段和以顺岸往复流为主的海湾，温排水从排口流出后随潮输运，热水带呈伴岸窄带型分布，顺潮流方向扩展较长，垂直于潮流方向较短。利用潮汐水域热水运动的上述特点，中国水科院在上世纪年代进行感潮河段谏壁电厂冷却水研究时，提出差位式取排水布置，即同

4、一过水断面上在取水口或者排水口前缘离岸一定距离设置排水口或取水口，使得取水口避开热水通道。随着沿海火、核电厂的快速发展，差位式取排水布置下温排水的输运特性遭到很多学者的关注。物理模型与数学模型是进行温排水模拟预报的主要手段。岳钧堂利用大亚湾核电工程海域潮流具有辐合辐散流的特征，根据差位式理论提出南取东排的取排水布置，通过物理模型试验研究了温排水随潮运动规律，发现涨、落潮经过中热水与冷水均可各行其道。华祖林采用二维水动力数学模型和物理模型比照研究了感潮河段电厂采用分隔式与差位式取排水布置时温排水扩散的差异，结果表明后者更优。陈惠泉采用全潮水力、热力模型开展了台山火电厂温排水随潮输移扩散研究，利用

5、厂址海域地形与潮流特点提出将取水口设在处于冷水通道的港池内，而将排水口设置防波堤外侧，模拟结果表明无论涨潮或落潮，热水均受防波堤阻挡而无法直接进入取水港池口门。徐世凯等通过局部正态模型研究谏壁电厂“浅取深排近区的温差异重流运动特性。郝青哲等选择紊流模型比照研究了概化水槽中差位式与重叠式取排水的扩散规律。张晓艳等针对潮流为往复流动的海湾，采用二维数学模型模拟了不同布置方案下温升分布特点，结果显示温升场呈带状分布、差位式布置具有明显优势。工程大概情况某滨海核电厂，规划总容量为，由台高温气冷堆、台压水堆、台压水堆组成。核电采用直流供水系统，以海水作为冷却水源。规划容量下循环水流量为，取排水温差为。厂

6、址附近海湾岸线呈“型，核电厂位于海湾中间岬角位置，东、北、南三面环海，东侧接近开阔大海，北侧与南侧各有一小浅湾图。近岸水域等深线与岸线大致平行，等深线离岸，等深线离岸。工程海域属不正规半日潮，平均涨潮历时与平均落潮历时比拟接近。潮差较小，典型大潮、中潮与小潮的最大潮差分别为，与。全潮水文测验资料显示，厂址海域潮流主要受岸线与地形控制，主潮流基本呈东北西南走向的往复流，涨潮流自至方向运动，落潮流基本相反。潮流较强，涨、落潮平均流速约。厂址南北侧两个凹湾水域存在回流区，回流区范围与外海潮流强度、流向有关。差位式取排水布置温排水在环境水体中的运动规律是布置取排水的基础根据。差位式取排水布置利用热水带

7、顺流窄长形分布的特点，将取排水口间距的着眼点从顺流向转移到垂直于水流方向，通过在垂直于潮流方向拉开取排水间距，使得取水位于冷水通道、排水位于热水通道。常见的差位式取排水布置有种形式：“远取近排与“近取远排图。“远取近排是温排水近岸排放，热水随潮沿岸流动，取水延伸至离岸较远区域汲取低温水。近取远排则相反，将温排水送至离岸较远的强潮主流区，利用环境潮流掺混稀释能力较强的特点，将热水高温升影响区域控制在较小范围。这种布置方式应用于实际工程时，需结合厂址海域的岸线与地形特点、水文气象条件、潮动力特征、环境保护要求等因素综合确定，同时方案能否合理可行还应经物理模型或数学模型论证。本工程海域潮流具有顺岸往

8、复流特征，知足差位式取排水布置所需基本条件。确定取排水方案时，一方面应保证核电本身取水安全经济，尽量降低取水温升，另一方面还应考虑海域环境敏感点对温升的要求。一般情况下，电厂取水温升限值为全潮最大不超过、平均不超过。本厂址近岸水域存在养殖区，为减小温排水对岸边养殖的影响，环保要求规划容量下以上温升不能贴岸。此外，根据核电厂总平面布置，高温堆与压水堆位于厂区北侧，压水堆位于厂区南侧，各机组分别从南、北两侧取水。基于上述因素，结合工程海域自然条件，能够发现：假如充分利用厂址海域“型岸线特点以及深水区离岸较近的优势，将温排水尽量输送到外海主潮流带上，避免温排水贴岸输移，不仅能够加大温排水自排水出口至

9、取水口之间的“流程，避免高温水直接进入取水水域，而且能够实现温排水与环境流的充分掺混，有利于降低高温升影响面积。为此，针对本工程提出“近岸明渠分散取水、离岸明渠集中排水的取排水总体布局。模型设计模型选择物理模型是模拟预报温排水运动规律的重要方法，能够比拟真实地反映近区温差浮射流卷吸掺混特性，便于直观显示各种取排水方案下温排水的三维水力、热力特征，直接反映取水温升随潮变化规律，在解决取排水口近区问题，如优化取排水工程布置方案、把握高温升区影响范围、确定垂向温升分布以及取水温升方面具有明显优势。根据水平比尺与垂向比尺能否一样，可将物理模型划分为正态模型与变态模型。对于滨海核电，温排水的受纳水体为海

10、域，环境水域具有水平尺度远大于水深尺度的特点。温排水模拟时往往要求同一模型同时考虑取水与排水，模拟区域需涵盖近区、过渡区与部分远区热影响。综合上述因素，目前滨海核电温排水物理模型多采用变态模型。但随之而来的问题是，模型水平与垂向尺度不同将对环境水体流场以及温排水的输移扩散产生一定影响。这一问题很早就遭到相关学者的关注。李瑞生通过比拟浮射流计算结果与水槽试验结果，得出变态使得热水层厚度变薄的结论。陈惠泉利用试验水槽开展了变态对温排水近区水力、热力特性的影响研究，以为变态率小于时对整体影响不明显，有时可以小于。此外，郝瑞霞、赵振国、徐世凯，袁方等也开展了温排水的变态影响问题研究。通过总结分析几十年

11、温排水模拟研究实践经历，为确保变态模型能够比拟真实地反映温排水运动的流场与温度场规律，（冷却水规程水力热力模拟技术规程）提出变态率宜小于的建议。基于上述分析，针对本核电厂温排水研究采用小变态全潮物理模型。类似准则温排水物理模型试验以类似理论为基础，但与常规水工模型试验相比，除了模拟水流运动外还需同时模拟热量传递经过。理论上，要完全复演原型中温排水的输运规律，必须同时知足几何类似、水流运动类似、动力类似和热力类似。但实际模拟时很难同时实现上述条件，因而必须进行合理假设与简化。陈惠泉在世纪年代提出个综合参数：自然水温、水面综合散热系数与临界流量，基本理念是进行水力、热力模型试验时不要求各个物理量类

12、似，但要保证上述综合变量类似。这一理念后来成为指导火、核电厂温排水模型试验的理论基础。利用这个综合参数，可得到几个简化的模型类似关系式。这些类似关系式看似简单，但仍然存在比尺矛盾，因而模型设计时需要捉住主要矛盾，放松一些条件的类似。对于全潮温排水小变态物理模型，模拟重点为温排水主影响区的水力、热力特性，应以重力与浮力类似为主，兼顾阻力类似、散热类似等条件。模型比尺及模拟范围滨海核电温排水运动具有排热量大、随潮非恒定输移的特点。为较好地反映取排水区域温排水在潮流作用下的水力、热力特性，模拟区域需要保证涨落潮流场具有相对完好的态势，同时根据相关规程要求，还要包含以上温升影响范围。模型试验一方面希望

13、模拟范围尽可能大，另一方面变态率又不能太大，为此模型设计时需要权衡两者的矛盾。此外，为避免外表张力的影响，模型水深还应大于模拟理论中最小水深要求。综合上述因素，本研究模型水平比尺、垂向比尺、模型变态率。模拟范围为以厂址为中心、包括整个型岸线在内的顺岸、离岸的海域，总面积约。潮流模拟验证结果采用海工模型自动生潮控潮系统实现潮流模拟。控潮方式为开边界给定流量经过、同步监测潮位的开环控制形式。模型验证资料选择年工程海域全潮水文测验数据，测点布置见图。模拟区域包括个潮位测站和个测流站。实测大潮的模拟与实测潮位经过比照见图，结果表明，潮位验证良好，高潮与低潮出现时刻一样、最高与最低潮位偏差不超过。个测流

14、站模型验证结果显示，各测站模拟的流速与流向随潮变化经过与实测资料符合较好，潮流转潮时刻基本一致，涨落潮平均流速与实测值误差在以内，流向偏差小于，模型能够反映工程海域涨落潮流场的总体特性，可据此开展温排水模拟预报。厂址近岸区域以及外海主流区测流站验证结果如图所示。温排水随潮输运特性取排水工程局部区域流态分析工程区域的水流流态便于把握温排水的运动规律。核电厂采用厂区“南北两侧近岸明渠分散取水、中间明渠离岸集中排水的取排水总体布局。物理模型试验经太多方案比选优化论证，提出最终取排水方案的排水明渠外延长度，一直延伸至等深线图。试验时，采用在排水中参加高锰酸钾示踪剂以及在取排水区域投放示踪粒子的方法研究

15、温排水随潮运动轨迹，发现取排水工程施行后外海主流区潮流仍然呈往复运动，潮流场总体特性没有改变；排水出口位于涨落潮主流区，温排水受强潮作用能够较快地与外海新鲜客水进行交换；厂址近岸局部区域受取、排水明渠岸线影响流态有所改变，主要表现为排水明渠南北两侧靠近浅湾区域出现明显回流流态；涨潮时回流呈顺时针旋转，且北侧回流区范围更大；落潮时则基本相反。温升分布随潮特性高于环境水温的温排水以一定速度从排口排入海域后，其运动经过遭到排水初始动量、温差浮力效应、环境潮流等因素的共同作用，表现为非恒定紊动浮力射流。排水近区是温排水水力、热力特性急剧变化的区域。在此区域，一方面，排水出流与周围环境水体发生强烈的卷吸

16、、掺混，环境低温水不断掺入，射流流量沿程增加，并在横向和垂向上扩展；另一方面，温排水高于环境水温，排水密度明显小于环境水体密度，温排水遭到浮力作用后向水体表层运动，构成温差异重流。近区的水温分布表现为：垂向上具有明显的温度梯度；平面上水温沿程急剧下降，具有较大的温降梯度。近区高温升影响范围是热污染控制的重点区域，目前环境影响评价中绝大多数以以上温升区作为监管混合区。本工程秉承差位式取排水布置理念，近岸取水、离岸深排。推荐取排水方案下，排水出口处于水深流急的外海主潮流通道，环境潮流与温排水的掺混稀释比拟充分，有利于将热水高温升范围控制在较小区域。针对实测大潮开展温排水物理模型试验，水体表层全潮最

17、大温升包络范围见图，排口前缘点涨急与落急时刻垂向温升分布见图与图。试验结果表明：排水出流流速约，环境潮流较强，最大涨、落潮流速可达，排口近区温降较快，规划容量下温升大于的混合区范围较小，全潮最大包络面积不超过；排水区域存在比拟明显的温度分层现象，排水出口前缘水体热水层厚度约，表底温差约。随着温排水在潮流挟裹下远离排口，其水力、热力特性变化逐步趋于平缓。温排水的出流初始动量与浮力效应消失殆尽，垂向层与层间的热量交换大为削弱，热水层厚度由于水体下掺沿程逐步变薄，温排水的运动受控于环境潮流，对流扩散作用以及水面散热成为影响水温分布的主要因素。试验研究结果表明：温排水随潮输移扩散，涨潮时向西南方向输运

18、，落潮时基本相反，热水带呈顺流窄带型分布，沿涨落潮主流方向扩展较远，而垂直于潮流方向相对较窄。在取水口附近水域，温差分层现象已不明显，表底温差减小至以内。温升全潮最大包络影响范围不超过，且温升线离岸大于，没有影响到岸边养殖区。电厂取水温升随潮变化规律本工程核电机组取水口分别位于厂址南北两侧近岸取水明渠根部，而排水则延伸至处的主潮流深水区。取水口与排水口离岸距离较远，位于温排水高温升影响带之外。这种取排水布置形式能够有效增加取水与排水之间的流程，避免热水短路现象，有利于降低取水温升。试验研究结果表明：温排水对南取水口的影响主要发生在涨潮至高平转落时段，对北取水口的影响则发生在落潮至低平转涨时段。

19、涨潮时，热水随潮南下，远离北侧取水，不会对北侧取水产生直接影响，在此经过中南侧取水温升有所升高。当潮流较强、高温升热水带较窄时取水温升相对较低，而潮流较弱，温升带离岸扩展较远时，取水温升略高，温升峰值发生在高平之后。落潮时相反，热水北上，远离南侧取水，北侧取水温升增大，峰值出如今低平过后左右。从水体表层全潮最大温升分布图能够看出，温升线尚未影响到取水明渠口门。提取一个完好潮周经过中南、北取水口逐时取水温升，统计最大值以及平均值，能够得到南取水口全潮最大与全潮平均取水温升分别为与，北取水口全潮最大与全潮平均取水温升分别为与，均知足设计要求。南、北两侧取水受温排水影响的程度较为接近，温升特征值相差不超过。结语差位式取排水布置是滨海核电工程最为常用的典型取排水布置形式。本文具体阐述了差位式取排水布置适用的潮流条件以及温升带分布形态。采用小变态全潮物理模型深化研究了某滨海核电厂的温排水随潮输运规律。研究结果表明，工程海区潮流呈现顺岸往复流特点，可利用差位式理论采用“近岸分散明渠取水、离岸集中明渠深排的取排水布置。推荐方案下，温排水从排口流入环境海域后，随潮顺流方向扩展较远、离岸方向扩展较窄。排水出流位于水深流急的主潮流通道，环境潮流与温排水掺混稀释充分，温升混合区范围较小。同时，远取近排的布置形式也有利于降低温排水对电厂本身取水以及岸边养殖区的热影响。