第一部分-环境与生态水力学 - IAHR中国分会

第 一 部 分 环 境 与 生 态 水 力 学
天 然 湖 泊 冷 却 容 量 论 证 计 算
王 晓 松 夏 庆 福 柳 海 涛 孙 双 科
( 中 国 水 利 水 电 科 学 研 究 院 水 力 学 研 究 所 北 京 100038 wangxs@iwhr.com)
摘 要 本 文 利 用 数 值 模 拟 方 法 就 某 电 厂 天 然 湖 泊 循 环 冷 却 水 源 的 冷 却 能 力 作 出 评 估 , 判 断 其
冷 却 能 力 是 否 满 足 机 组 增 容 扩 容 的 要 求 , 并 从 取 水 温 升 角 度 确 定 机 组 的 最 大 容 量 。
关 键 词 数 值 模 拟 ; 有 限 元 ; 冷 却 ; 取 水 口
1 引 言
湖 泊 、 水 库 水 温 的 研 究 经 历 了 不 同 的 发 展 阶 段 , 从 观 测 、 实 验 、 经 验 分 析 、 理 论 分 析 到
数 值 模 拟 , 相 互 促 进 , 相 互 补 充 。 其 中 数 值 模 拟 技 术 的 发 展 , 充 分 体 现 了 技 术 进 步 的 影 响 。
受 条 件 的 限 制 , 美 国 于 20 世 纪 60 年 代 末 提 出 了 模 拟 水 库 温 度 变 化 的 一 维 模 型 , 随 后 日 本 建
立 了 模 拟 温 度 分 层 的 模 型 , 前 苏 联 则 通 过 现 场 实 验 取 得 的 大 量 资 料 , 建 立 了 热 输 移 方 程 。 国
内 自 20 世 纪 50 年 代 就 开 始 进 行 水 库 水 温 观 测 研 究 ,70 年 代 中 期 以 来 , 预 估 水 库 水 温 的 经
验 类 比 法 不 断 出 现 。 近 来 来 , 随 着 计 算 技 术 的 发 展 , 基 于 质 量 、 动 量 及 能 量 守 恒 , 并 充 分 考
虑 对 流 、 辐 射 、 蒸 发 和 传 导 效 应 所 建 立 的 数 学 模 型 不 断 完 善 , 利 用 数 值 模 拟 技 术 预 测 湖 泊 、
水 库 水 温 分 布 及 变 化 规 律 的 各 类 数 学 模 型 已 得 到 普 遍 应 用 , 成 为 一 种 有 效 的 手 段 。
本 文 利 用 较 为 成 熟 的 数 值 模 拟 方 法 , 就 某 电 厂 厂 用 天 然 湖 泊 的 冷 却 容 量 进 行 了 论 证 计
算 。 该 电 厂 利 用 天 然 湖 泊 作 为 循 环 冷 却 水 源 , 取 排 水 系 统 主 要 由 人 工 导 流 堤 坝 、 护 岸 、 取 水
渠 道 及 排 水 渠 道 组 成 , 湖 面 的 面 积 近 8.5km 2 , 人 工 堤 坝 将 其 分 为 大 湖 、 小 湖 , 取 水 口 位 于 大
湖 的 东 面 , 多 个 排 水 口 视 夏 季 、 冬 季 不 同 的 循 环 方 式 而 选 用 , 夏 季 排 水 口 位 于 小 湖 东 面 , 采
用 大 循 环 取 排 水 方 式 。
业 主 根 据 未 来 的 发 展 规 划 , 准 备 扩 建 新 增 2×600MW 燃 煤 机 组 , 该 新 增 机 组 拟 仍 采 用 湖
水 作 为 循 环 冷 却 水 源 。 机 组 增 容 后 取 排 水 流 量 的 改 变 加 大 了 对 整 个 湖 区 温 度 场 的 影 响 , 对 湖
泊 冷 却 容 量 提 出 了 更 高 的 要 求 , 需 要 根 据 相 关 资 料 及 给 定 的 电 厂 运 行 方 式 及 最 大 取 水 温 升 的
限 制 条 件 , 就 现 有 湖 泊 的 冷 却 能 力 作 出 评 估 , 判 断 其 冷 却 能 力 是 否 满 足 机 组 增 容 扩 容 的 要 求 ,
并 从 取 水 温 升 角 度 确 定 机 组 最 大 容 量 。
由 于 温 排 水 在 环 境 水 体 中 的 输 移 扩 散 规 律 受 到 湖 区 形 态 、 导 流 堤 坝 、 湖 底 地 形 等 诸 多 因
素 的 影 响 , 问 题 非 常 复 杂 , 本 研 究 采 用 数 模 计 算 方 法 对 湖 区 温 度 场 进 行 数 值 计 算 , 评 价 电 厂
运 行 期 间 温 排 放 对 取 水 温 升 及 湖 区 温 度 场 的 影 响 , 为 新 增 规 划 容 量 (2×600MW) 电 厂 取 排 水
工 程 的 设 计 和 环 境 影 响 评 价 提 供 依 据 。
湖 区 所 在 位 置 位 于 高 纬 度 地 区 , 日 照 时 间 相 对 较 短 , 辐 射 相 对 较 弱 , 导 致 水 体 温 度 年 内
变 化 较 大 , 平 均 温 度 较 低 。 本 计 算 夏 季 自 然 水 温 取 值 为 27.5℃, 冬 季 自 然 水 温 值 为 2.8℃。
各 月 平 均 气 温 最 高 值 是 7 月 份 的 36℃, 最 低 值 为 12 月 份 的 -29 ℃, 多 年 来 平 均 气 温 值 为
4.8℃。 风 向 频 率 玫 瑰 图 表 明 主 导 方 向 不 明 显 , 且 频 率 较 低 。
2 求 解 方 法
控 制 方 程 采 用 浅 水 方 程 及 热 输 运 方 程 , 由 伽 辽 金 (Galerkin) 加 权 余 量 法 求 解 。 由 于 采
用 非 结 构 化 网 格 , 对 求 解 域 形 状 没 有 限 制 , 能 够 较 好 的 模 拟 不 规 则 边 界 , 适 应 各 种 复 杂 的 边
界 条 件 。 离 散 后 的 非 线 性 方 程 组 采 用 Newton-Raphson 迭 代 方 法 求 解 。
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