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滨海核电厂温排水相关若干问题研究

侯树强 汤本靖 王彦龙 李京 孙钦帮

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滨海核电厂温排水相关若干问题研究

    作者简介: 侯树强(1981-), 男, 河北唐山人, 高级工程师, 主要研究方向为核电厂取排水工程, E-mail:housq517@163.com;
    通讯作者: 孙钦帮(1977-), 男, 黑龙江穆棱人, 高级工程师, 主要研究方向为海洋工程环境影响评价, E-mail:qbsun@126.com
  • 基金项目: 中国水利水电科学研究院基础科研专项(HY0145B162018)
  • 中图分类号: X77

Study on several issues related to thermal discharge of coastal NPPs

  • 摘要: 温排水是核电厂环境影响评价、取排水工程方案确定及工程可行性论证中需考虑的重要因素。本文针对核电厂取排水工程中与温排水散热特性相关的若干重要问题进行了研究和论述。结合海南昌江核电厂取排水工程设计、温排水模拟和温度场原型观测成果,对取排水明渠或管道中的水温沿程变化、取排水岸上回流时间迟滞、海域水面散热计算、淹没深层排水的三维水力热力特性等问题进行了论述,总结了当前研究中需要改进的内容,并给出了进一步优化与水温相关的设计、科研等方面的方法。
  • 图 1  水面热交换与水温的非线性关系

    Figure 1.  Nonlinear relationship between the surface heat exchange and water temperature

    图 2  海南昌江核电现有机组排水头部布置及尺寸

    Figure 2.  The existing drainage head arrangement and size of Changjiang NPP

    图 3  深层排水口周缘±100 m范围内三维等流速图

    Figure 3.  Three-dimensional velocity contour diagram within ±100 m near the deep drainage outlet

    图 4  深层排水口周缘±100 m范围内三维等温升面分布图

    Figure 4.  Three-dimensional isothermal rise distribution within ±100 m near the deep drainage outlet

    图 5  深层排水口周缘±100 m范围内温升切面图

    Figure 5.  Section diagram of temperature rise within ±100 m near the deep drainage outlet

    表 1  若干电厂取排水渠道/涵管内水温变化

    Table 1.  Water temperature changes in drainage channels or culverts of power plants

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    表 2  2017年海南昌江核电岸边和海上气象条件及K值(根据规范公式计算,自然水温25.7℃)

    Table 2.  Coastal and marine meteorological conditions and K values of Changjiang NPP in 2017(According to formula in the specification, the natural water temperature is 25.7℃)

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-04
  • 录用日期:  2019-08-22
  • 刊出日期:  2019-12-20

滨海核电厂温排水相关若干问题研究

    作者简介:侯树强(1981-), 男, 河北唐山人, 高级工程师, 主要研究方向为核电厂取排水工程, E-mail:housq517@163.com
    通讯作者: 孙钦帮(1977-), 男, 黑龙江穆棱人, 高级工程师, 主要研究方向为海洋工程环境影响评价, E-mail:qbsun@126.com
  • 1. 中国核电工程有限公司, 北京 100840
  • 2. 国家海洋环境监测中心, 辽宁 大连 116023
基金项目: 中国水利水电科学研究院基础科研专项(HY0145B162018)

摘要: 温排水是核电厂环境影响评价、取排水工程方案确定及工程可行性论证中需考虑的重要因素。本文针对核电厂取排水工程中与温排水散热特性相关的若干重要问题进行了研究和论述。结合海南昌江核电厂取排水工程设计、温排水模拟和温度场原型观测成果,对取排水明渠或管道中的水温沿程变化、取排水岸上回流时间迟滞、海域水面散热计算、淹没深层排水的三维水力热力特性等问题进行了论述,总结了当前研究中需要改进的内容,并给出了进一步优化与水温相关的设计、科研等方面的方法。

English Abstract

  • 取排水温度是核电工程设计和运行期间的重点关切的参数之一。随着全社会对海洋生态环境的日益重视,滨海核电温排水对周缘海域的生态环境影响评估已成为目前核电厂规划及运行阶段海域使用论证和海洋环评的重要考察内容,温排水影响范围及程度直接影响电厂取排水海工布置方案,牵涉的投资成本巨大。此外,核电厂冷却水取水温度也受温排水影响,取水温升与核电运行的经济性直接关联[1],一般情况下,电厂取水温度每升高2℃,电厂冷却效率降低1%[2]

    囿于取水源和受纳水体充足、运行成本低、冷却效率高等考虑,我国滨海核电主要采用直流循环供水系统。根据厂址特点,取排水方式采用明渠、暗渠和管涵等海工构筑物,引堤明渠取排水、差位式取排水、离岸深取深排等方式均有所采用。不同的循环水取排水工程对设计、施工、投资、维修、水温、防污防堵塞等均有不同的表现[3]

    国内对温排水模拟研究开展多年,目前已经形成了物理模型、数学模型和原型观测相结合的温排研究方法。但是,当前温排水模拟研究中,在取排水温度变化、海面散热及数值模拟手段等方面仍有一些问题需要进一步研究。为了明确气象条件、管线长度等对取排水温的影响的程度和规律,为电厂的取排水工程设计提供科学依据,本文结合我国若干滨海电厂取排水工程设计、温排水模拟和温度场原型观测成果,对核电厂取排水工程中与水温相关的若干重要问题开展了研究论述。

    • 我国当前已建和在建核电厂均位于沿海,但受底质状况等选址条件限制,核岛、常规岛大多距离海岸线有一定距离。因而在取排水设计中一般都有一定长度的取水渠道或管涵,长度在几百米至数千米不等。如我国海南昌江核电厂,取水明渠海域段580 m长(200 m宽)+内陆暗涵2130 m长,排水采用平行双方管,边长4.4 m,排水涵管长达5.5 km(内陆和海域部分分别为2270 m和2260 m)。一般而言,水流流过较短的渠道、涵管不会产生明显的温度变化,但像该核电厂这类长达数千米的管路,水温是否会发生明显变化便是需要专门研究的课题,因此有必要对水温在长管道中的沿程变化开展研究。

      2017年11月,对海南昌江核电厂现行两台机组温排水开展原型观测。原观期间平均循环水流量为63.21 m3/s (-2.3%~+1.0%),平均排水温度为33.53℃,两台机组的平均循环水温升8.03℃。取水管涵入口(取水明渠末端)连续7 d水温观测发现:平均入口水温25.33℃,而取水管涵末端(凝汽器入口)水温平均值为25.50℃,表明该时段平均水温在经过2130 m管道后升高约0.17℃;2270 m内陆排水管道始末两端的温度观测表明,水温总计降低约0.21℃。

      2014年10月在海南东方火电厂海域明渠长850 m,陆域取水明渠长度共为770 m,取水明渠上下游原型观测结果表明,水温在夏日强辐射天气下水温沿程平均升高仅为0.10℃。

      珠海电厂2009年1月和2010年1月3次观测成果表明, 高于取水水温6℃的温排水经过宽60 m、长600 m明渠后, 经过水气交换和温水的蒸发后降温并不显著,平均温降仅为0.25℃,有观测时段甚至出现沿程温度升高[4]。廖培山对南宁电厂温排水降温设施研究中指出明渠表面自然冷却的效果很不明显, 当明渠水面宽度为20 m时,产生的温降不到0.15℃[5]

      总结而言,电厂取水明渠和管涵的水温沿程变化一般不大,可以忽略。排水管线和渠道的沿程温度变化,会与明渠水深,当地气象条件、土壤温度、排水温度有关。

      表 1  若干电厂取排水渠道/涵管内水温变化

      Table 1.  Water temperature changes in drainage channels or culverts of power plants

      管道内水温的变化主要来源于同管壁和土壤的热传导。Sinokrot和Stefan研究河流水温时提出水-床界面的热量交换qb计算方法[6],并发现:在统计超过一天的时间尺度上,河流水床界面的热量交换可以忽略。此计算方法属于总能量模型,从能量观点出发,考虑气温、太阳辐射、相对湿度、云量和风速等对水面热交换及与河床之间热传导的影响,对于水温模拟结果较好,应用较为广泛。故本文推荐对于管涵的避免热交换,可以参考此类方法:

      式中:Tb为管壁或土壤的温度;αd为管壁或土壤的热扩散系数;z为距离水/壁界面的法向距离。

    • 很多核电厂区距离海岸线仍有一定距离,因此配备了较长的取排水管路,冷却水从取水口流到排水口需要较长的时间:即在环境海域取到的水,流经一定时间后,才到达凝汽器热,经过凝汽器加热的高温水又流经一段时间后才从排水头部排回至受纳海域。由于滨海核电温排水输移扩散存在明显的感潮特征,温排水造成的取水温升也表现为明显的随潮变化特征,排水温度过程相比于取水温度过程存在时间滞后。可见,排水温度因此也是取水温度和岸上回流时间的函数。

      前人很多温排水数值模拟中并未考虑时间迟滞。直接以取排水口温度关联方式计算:

      式中:ΔT为凝汽器循环水温差;Tin为模拟域取水口处水温,这在本身冷却水环路时间较短时是可以接受的,但对于一些岸上水流环路较长的厂址,这种时间迟滞不宜忽略,应该修正为:

      式中:Δt为冷却水岸上回流时间。

      以海南昌江核电厂现行机组为例,2017年11月原观期间由于机组非满负荷运行,循环水泵节流,管涵中流速减小,约为1.63 m/s; 则2130 m的取水管涵加4.5 km排水管涵中冷却水的总循环时间可达Δt≈68.1 min;即使在循环水流量无节流的情况下,流速增大至设计流速2.11 m/s,总循环时间仍可达Δt≈52.7 min。由于取水温升明显与张落潮流存在联系,而一个小时左右的循环水历时可能在转潮时刻明显影响温排水温度及取水温升的模拟结果。对该核电现有装机夏季典型潮的模拟温排水模拟结果表明,考虑取排水岸上回路时间后,明渠取水温升峰值出现时间约滞后约45~65 min,最大取水温升变化幅度在-0.03℃和+0.13℃之间,1℃温升影响面积变化-0.4%~0.6%。可见,电厂取排水因此应该重视温排水数值模拟中的取排水温度关联时差现象。

    • 温排水数值模拟中,对水面散热处理目前多采用超温水体散热处理方式。超温水体的综合散热模式根据总热量平衡关系式,将水气间的热量净转移量描述为如下公式:

      式中:qloss为水面总散热量(W/m2);Ts超温水体的水面水温(℃);Te为平衡水温(equilibrium temperature),是指恒定气象条件下水面净热交换通量为零时的温度[7]。天然水体环境中气象条件不可能一直恒定不变,气象条件的日周期、季节周期、年周期性变化也导致了平衡水温的周期性波动,因此有了自然水温T的概念,是指一定气象条件下的平衡水温的统计特征值,根据统计时段可分为月、季、年自然水温。

      综合水面热交换系数K[W/(m2·℃)]综合体现水气交面对流、蒸发、向外辐射三种散热能力之和,定义为单位水面面积单位温差的散热量,目前已广泛采用。

      《冷却水工程水力、热力模拟技术规程》(SL160-2012)[8]已给出了推荐公式计算综合散热系数K:

      蒸发系数:

      式中:m=, , ; ε为水面发射率, ε=0.97;σ为Stafan-Boltzman常数,σ=5.6×10-8(W/m2·℃4);α为水面蒸发系数,W/(m2·hPa);Ts在热季一般选用连续3个最热月的10%保证率日平均值,冷季一般选用连续3个最冷月的月平均值;Ta水面1.5 m气温, 一般选用不同季节月平均值;es对应于水面温度Ts的饱和水汽压,hPa;ea对应于水面1.5 m处的水汽压,hPa;VW水面1.5 m风速, 一般选用不同季节月平均值;P水面1.5 m处大气压强(hPa)。

      规范推荐公式是基于超温水体的蒸发散热理论提出的。从推荐公式中可以看出,计算K的气象参数包含:风速、气温、相对湿度(或空气水气压)、大气压、水面温度Ts。这其中的关键参数之一是水面温度。

      目前对综合散热系数计算中,常与其他气象参数类似地选取一固定特征水温值,计算出的K值也为一常数。实际上,从超温散热理论可以看出,水面综合散热系数K本身是水体向外辐射、蒸发和对流三种散热能力之和[9],其中的辐射散热率与水表温度相关的(按Boltzman黑体辐射定律,应呈四次方关系),而蒸发及对流散热计算中蒸发系数、水汽压也是水面温度的非线性函数,因此K值必然是水表温度Ts的非线性函数,见图 1[10]

      图  1  水面热交换与水温的非线性关系

      Figure 1.  Nonlinear relationship between the surface heat exchange and water temperature

      温排水中,由于近区水温高、远区水温低,综合散热系数K也应是一个空间不均匀分布场。综上,公式(5)中Ts不宜采用单一特征值,而应是考虑了温升影响的实际表层水温,即Ts=TT。此时,水面散热通量计算表达为:

      由此可知,温排水的水面散热计算中,在控制气象条件确定的前提下,唯一需要输入的变量为具有代表性的当地自然水温T

    • 温排水模拟中自然水温是确定水面散热的一个重要数值,各厂址海域的自然水温T的取值需有代表性。我国现行《冷却水工程水力、热力模拟技术规程》给出建议值是:“热季一般选用连续3个最热月的10%保证率日平均值,冷季一般选用连续3个最冷月的月平均值”。

      近些年,有学者提出了根据气象条件推求自然水体平衡水温的方法[11]。基本思路是在输入气象条件和当地特征常数的前提下,利用通量叠加法,水面净热通量qtot包含太阳短波净辐射qsn、大气长波净辐射qan、水体返回辐射qwr、蒸发散热通量qev和对流散热通量qco五部分,令净通量的总和为零。

      建立以平衡水温Te为变量的非线性高阶方程,采用牛顿法求解。

      段亚飞等曾将通量叠加法线性离散化,提出响应实时气象条件变化的平衡水温计算方法[12]。温排水研究中,可借鉴此类“动量叠加置零法”利用当地典型气象条件计算平衡水温,进而复核各厂址依据规范选定的自然水温是否具有代表性。

      分别利用海南昌江核电温度场原观期间(2017年11月13日9:00-15日10:00)海面气象资料和岸边气象资料(包含总辐射、净辐射、相对湿度、风速、气温、气压、水盐度),蒸发系数按陈惠泉公式(7)计算,蒸发和对流热交换按公式(10)计算,

      式中p为大气压。

      依据上述方法,获得该时段的平衡水温的平均值约为25.42℃和25.58℃,与离岸4.45 km(基本不受温排水影响)的表层本底水温平均观测值25.70℃相比,计算结果较为接近。表明使用通量叠加置零法计算的工程海域逐时平衡水温并对其统计平均获得当地自然水温的思路是合理可行的。

    • 2017年11月对海南昌江核电厂开展的原型观测发现,海面气象要素和陆地岸边气象要素存在较为明显的差异。同时段海上和岸边测量对比可知:本厂址海面风速明显大于岸边陆域风速,与此相应,以往采用的基于陆域气象站特征风速计算给出的水面综合散热系数值将会明显偏小。从表 2可知,由于原观期间海面风速明显大于岸边气象站风速,同时由于该季节海面气温也略低,基于海面气象条件计算的水面综合散热系数平均值大约为岸边气象条件计算值的2倍。

      表 2  2017年海南昌江核电岸边和海上气象条件及K值(根据规范公式计算,自然水温25.7℃)

      Table 2.  Coastal and marine meteorological conditions and K values of Changjiang NPP in 2017(According to formula in the specification, the natural water temperature is 25.7℃)

      鉴于风速对水面散热影响较敏感,准确的获取工程水域特征风速等参数对温排水环境影响预报结果很重要,故此,建议今后类似工程宜开展海面气象与厂址岸边陆域气象间的相关分析专题研究,为温排水影响范围预报提供更具代表性的气象数据资料。

    • 近些年,为减小温排水近岸影响范围和降低电厂取水温升,越来越多滨海核电循环水排放采用离岸深排方式。受规范要求的排口出流最大流速的限制,深层排放一般采用底部多点多向排放形式,因此温排水近区会呈现明显的淹没有障碍物射流特征,水力、热力三维特性明显。对电厂开展温度场监测中,应掌握排水口近区的温排水三维分布特征,以合理地布设监测点。同时,在温排水近区模拟时,掌握其三维射流特性也可以更准确地预测近区温排水影响范围。

      为此,本文以海南昌江核电厂一期工程离岸深排工程为例,建立了排水涵管与受纳海水整体的真三维数值模型,研究其排水口近区的三维流场和温度场特性。核电厂排水头部采用双管涵各2口、各2向排水方式,管涵中心布置水平面高程分别为-20.9 m,排水口周缘100 m正方形范围海床基本水平,高程约为-16.7 m。具体头部尺寸见图 2

      图  2  海南昌江核电现有机组排水头部布置及尺寸

      Figure 2.  The existing drainage head arrangement and size of Changjiang NPP

      真三维模拟选择Fluent模型,针对不利潮时——平潮憩流时刻,以2017年11月14日的观测高平潮憩流时刻为原型,潮位为1.33 m(国家85高程基准);对应的垂向平均流速分别为0.0 m/s。模型选择k-ε双方程标准湍流模型,暗涵入口给定排水流速,外海给零相对压力出口边界。

      三维数学模型中的关键参数主要有糙率n、广义水平黏性系数H、广义水平扩散系数DH、广义垂向黏性系数V、广义垂向扩散系数DV及表面综合散热系数K。利用海南昌江核电厂址较丰富的潮流场和温度场实测资料验证,率定糙率取值0.013~0.02,水平黏性系数取值范围为1~10 m2/s,水平广义扩散系数整体取值设定0.5~15 m2/s的上下限,夏、冬季水面综合散热系数K分别为47.22 W/(m2·℃)、36.52 W/(m2·℃)。

      图 3给出了排口浮力射流的流场三维模拟结果,从图中可发现:高温水从8个排水窗口水平淹没射出,在初始时刻各股水流不交叉,形成8条接近对称的流束;末端顺向排口①出流量要比次末端②大约21.1%,主流迹线从中下层逐渐浮上表层;末端侧向排口③出流量要比次末端④大约9.3%,主流迹线主要集中于水体中下层。

      图  3  深层排水口周缘±100 m范围内三维等流速图

      Figure 3.  Three-dimensional velocity contour diagram within ±100 m near the deep drainage outlet

      图 4图 5给出了排口周缘温升场模拟结果,从图中可看出,高温水带分布与水流特征相符,在排口近区主要形成顺向、侧向共三股热水束,顺流向排出热水受浮力作用快速上浮扩展,侧向排出的高温水最初集中于中下水体层,随后慢慢上浮,形成较为明显的表底分层。

      图  4  深层排水口周缘±100 m范围内三维等温升面分布图

      Figure 4.  Three-dimensional isothermal rise distribution within ±100 m near the deep drainage outlet

      图  5  深层排水口周缘±100 m范围内温升切面图

      Figure 5.  Section diagram of temperature rise within ±100 m near the deep drainage outlet

      在进行温排水数值模拟计算中,二维数学模型和三维数学模型各有其特点:二维数学模型模拟范围大,热量守恒性较好,在水力、热力三维特性不明显的远区模拟上更占优势;三维模型对于排水口近区的模拟较好,但在远区已经与二维结果较为接近;分层三维则介于两者之间。以海南昌江核电厂温排水计算为例,三维数模的近区水面散热量比二维模型大,大约在1℃及更小温升影响区时,面积已比二维模型有所减小。由此可见,排水口近区温排水呈现明显的三维水力、热力特性,其中水平出流动量明显将热水向侧面和离岸方向输送,与二维及分层三维模拟有较大差别。

    • (1) 自然气象条件下的滨海核电厂取水渠道和管涵内水温沿程升高并不明显,每千米变幅基本在0.1~0.2 ℃以内;

      (2) 对于岸上水流线路较长的厂址,取排水口温度变化的时间滞后会对温排水影响范围和取水温度随潮变化过程,模拟中应予以考虑;

      (3) 温排水数值模拟中,建议考虑综合散热系数的时空分布场;对海域、陆域气象差别较大的厂址宜开展海面气象与厂址岸边陆域气象间的相关分析专题研究,为温排水影响范围预报提供更具代表性的气象数据资料;在自然水温选取可采用通量叠加置零法检验其代表性;今后应开展波浪对散热系数的影响的系统研究;

      (4) 深层排水附近的三维水力、热力特性明显,温排水近区模拟、原型观测研究中应重视其真三维特性。

参考文献 (12)

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