劉文靜 謝世奇 侯明瑞

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011)

·水利工程·

火/核電廠溫排水研究進展

劉文靜 謝世奇 侯明瑞

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011)

結(jié)合各國學(xué)者從不同角度對火/核電廠溫排水問題的研究成果，從溫排水的政策監(jiān)管、溫排水?dāng)U散規(guī)律的物理模型試驗、數(shù)值模擬、生態(tài)影響及余熱利用等方面對現(xiàn)有主要研究成果進行了歸納，并對該領(lǐng)域今后的研究方向提出了若干建議。

溫排水，模型試驗，數(shù)值模擬，余熱利用

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，對能源的需求越來越迫切，因此修建了大量的火/核電廠?；?核電廠在冷卻過程中可能引起三類問題：首先，溫排水所形成的溫度場可影響到電廠冷卻水的取水溫度，進而直接影響電廠的發(fā)電效率(取水溫度升高2 ℃，冷卻效率將降低約1%[1])；基于上述可能造成的危害，世界各國從多方面多層次對溫排水進行了深入研究。本文將對主流研究及近年來涌現(xiàn)出來的新方法新思路等進行梳理，并以此為基礎(chǔ)提出對今后一個時段內(nèi)的研究建議。

1 溫排水的政策及監(jiān)管研究

溫排水物理機制的研究具有長期性和復(fù)雜性。然而從現(xiàn)實角度，則亟需在較短時間內(nèi)對其危害進行有效控制。因此，宏觀層面的溫排水政策及管理方面的探索成為溫排水研究的重要組成部分。日本采取的措施[2]為：對溫排水主要技術(shù)指標(biāo)發(fā)布國家行政指導(dǎo)文件并要求電廠方與地方政府簽訂減小溫排水協(xié)議，同時電廠方還需提供環(huán)境評價報告并對實際運行中溫排水?dāng)U散范圍內(nèi)的區(qū)域提供補償。加拿大及英國等國家則是根據(jù)電廠溫排水的排放量、初始溫升、余氯含量等指標(biāo)征收一定數(shù)額的排污費。相對于上述國家僅通過行政文件或較籠統(tǒng)的經(jīng)濟手段控制方式，還有一些國家則頒布了比較明確的溫排水排放標(biāo)準(zhǔn)。例如，美國在有關(guān)電廠溫排水標(biāo)準(zhǔn)[3]中指出：“在ZPH區(qū)，最大溫升不能超過5 ℃，DO濃度不小于5 mg/L，夏季最高溫度不超過28.33 ℃”。印度制定的溫排水標(biāo)準(zhǔn)[4]中，對溫排水的pH值及所含的余氯、油脂、總銅、總鐵、鋅、總鉻、磷酸鹽等給出了最大濃度限值，同時還對冷卻水排放溫升進行了限制(新建電廠≤7 ℃，已建電廠≤10 ℃)。

2 溫排水物理模型試驗研究

對溫排水運動機理與規(guī)律的研究最早是從物理模型試驗開始的，并且直到現(xiàn)在仍然是其重要研究手段。與常規(guī)的水工及河工試驗相比，由于增加了溫度這一關(guān)鍵性變量，因此除滿足運動和動力相似外，還需要通過進一步設(shè)置適當(dāng)?shù)乃缑鏌峤粨Q等邊界條件，達(dá)到溫度場相似。然而，溫度場相似不僅僅是簡單增加了一個相似比尺，而可能引起某些物理量無法同時滿足其他相似要求而使試驗的設(shè)計和實施無法進行。對于這一問題，陳惠泉等[5，6]舍棄必須滿足所有相似條件的要求，引入了臨界流量Qcr、自然水溫T∞及水面綜合散熱系數(shù)K等“綜合參數(shù)”，并且發(fā)現(xiàn)只需符合這些“綜合變量”相似即可使試驗滿足工程要求精度，這種處理方式相當(dāng)于使相似條件變得更加“松弛”，巧妙地解決了溫排水試驗相似條件這一關(guān)鍵性問題。溫排水的受納水體往往具有較大的水面且暴露于大氣中，因此對風(fēng)吹效應(yīng)的模擬至關(guān)重要。陳惠泉等[7，8]設(shè)計了兩層模型以考慮風(fēng)吹剪切力引起的風(fēng)生水流以及風(fēng)對水面散熱強度兩方面影響，即：液面以上利用大型封閉低速風(fēng)洞構(gòu)建幾何正態(tài)的氣流模型，而液面之下則是水力熱力變態(tài)模型，同時模型風(fēng)速按水流流速比進行縮小。通過在唐山陡河發(fā)電廠溫排水試驗中的應(yīng)用，證明了這種處理方法的有效性。

3 溫排水?dāng)?shù)值模擬研究

如上所述，溫排水的物理模型試驗中，相似性問題以及風(fēng)吹與冰凍等特殊效應(yīng)的模擬是物模成敗的關(guān)鍵和難點，雖然許多學(xué)者已在這些方面進行了有益的探索，但主要還是通過“松弛”有關(guān)相似條件來實現(xiàn)的，還未從根本上解決此問題。而另一方面，隨著計算機硬件及數(shù)值模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，利用數(shù)值計算方法進行溫排水相關(guān)問題的模擬，不僅相對于物模成本更加低廉，更重要的是可以避開物模尚未解決的比尺問題，短時間內(nèi)即可為工程設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型的研究國外起步較早。英國Harleman等[9]在20世紀(jì)60年代首先對Browns Ferry核電站溫排水熱擴散的穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)流動規(guī)律進行了探討。McGuirk[10]及Rodi[11]則注意到紊動對溫排水溫度分布的重要影響，最早將深度平均的κ—ε紊流模型引入到溫排水模擬中，并對岸邊排放的溫度場分布進行了初步模擬。Leendertse[12]將計算水域劃分為多層，在每一層中將三維淺水方程沿水深積分，使之轉(zhuǎn)化為二維問題，并最終用ADI算法進行了計算。之后Kim等[13]同樣利用固定分層法對三維方程進行處理，并且增加了海灣三維潮流及鹽度模型。我國的溫排水?dāng)?shù)值模擬研究起步略晚于國外。20世紀(jì)80年代中后期，有學(xué)者開始將原來單純模擬水流運動的數(shù)學(xué)模型引入到溫排水領(lǐng)域。例如：吳江航[14，15]提出擴散模型分步雜交法，模擬了熱電廠冷卻水系統(tǒng)在潮汐作用下的取水溫度和水環(huán)境溫度，對其水力熱力特性和水環(huán)境污染進行了預(yù)測。吳碧君等[16]將二維熱量輸運平衡方程和二維流場控制方程進行耦合，應(yīng)用分裂算子法對陽宗海電廠溫排水對于湖水溫度的影響進行了一維估算和二維數(shù)值模擬，并分析了湖水溫升對水生生物的影響。溫排水的數(shù)值模擬研究在近幾十年有了長足進步，且經(jīng)歷了從一、二維的大區(qū)域溫升分布模擬到取排水口局部三維模擬，從早期的有限差分方法過渡到滿足質(zhì)量守恒的有限體積方法，從常規(guī)的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格發(fā)展到能夠更好適應(yīng)岸線彎曲的曲線網(wǎng)格和貼體坐標(biāo)系統(tǒng)的發(fā)展歷程。今后的研究方向則是將水質(zhì)模型、生態(tài)模型等引入并融合到溫排水模型中，以實現(xiàn)對溫排水影響全面評估的技術(shù)需求。

4 結(jié)語

溫排水相關(guān)研究在近幾十年有了長足進步，但也存在一些問題仍未得到較好解決。首先是物理模型試驗雖然通過引入綜合變量等方式在一定程度上“繞過了”相似比尺問題，但畢竟是一種近似方法，其中可能丟棄了部分真實的溫排水運動規(guī)律，因此加強溫排水相似理論研究仍是十分必要的。其次，由于溫排水的運動規(guī)律除了水流外，還包括溫度場、潮汐、波浪、異重流、泥沙等多種因素的綜合作用，規(guī)律極其復(fù)雜，因此應(yīng)將溫排水?dāng)?shù)值模擬、物

理模型試驗及現(xiàn)場原型觀測緊密結(jié)合，在不同典型河段或海域建立有針對性的專門模型。另外，在溫排水余熱研究方面，應(yīng)從一般性的低效的余能利用研究轉(zhuǎn)向以熱泵技術(shù)為代表的高效綜合利用研究，而在具體實施方面，則應(yīng)建立一套多部門多行業(yè)協(xié)作的余能利用構(gòu)建和管理體系，從而使溫排水余能能夠在工農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)系統(tǒng)以及人類生活系統(tǒng)中流動，以使該資源的重復(fù)利用最大化。

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Summary of study of thermal discharge from thermal/nuclear power plants

LIU Wen-jing XIE Shi-qi HOU Ming-rui

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450011,China)

Combining with the various aspects of experts at home and abroad on the thermal charge at heat-engine or nuclear plants, the paper sums up the main research results from the policy supervision of the thermal charge, the physical modeling experiments of the diffusion law of the thermal charge, the numeric simulation, the ecological influence and the waste-heat utilization, and points out some suggestions for the following research on the field.

thermal charge, modeling experiment, numeric simulation, waste-heat utilization

1009-6825(2014)13-0249-02

2014-02-26

劉文靜(1987- )，女，在讀碩士； 謝世奇(1987- )，男，在讀碩士； 侯明瑞(1988- )，女，在讀碩士

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