摘要:寒冷地区火、核电厂的取水口或取水流道在严冬季节易受到冰块或水内屑冰堵塞,电厂将因取不上水或取水量不够而被迫停产或减负荷运行。本文探讨利用电厂自身排出的含废热的温排水缓解取水口及取水流道上的冰情,给出了温排水的融冰能力估算方法,并以我国丹东电厂温排水缓冰工程为例进行了试验研究,所得结论可用于寒带地区的火、核电厂及其他工业用水的取水口工程的防冰、缓冰设计。

关键词:取水口防冰;浮冰;温排水;废热;研究方法

寒冷地区火、核电厂循环水取水口或其他工业用水取水口在冬季运行时往往受到冰块和屑冰的威胁。冰块堆积堵塞取水口或水中屑冰粘附于取水口滤网减少其通流面积均可阻断或锐减取水口的通流量。对发电厂而言,其后果是迫使电厂停厂或限负荷运行,其损失可想而知。如何保障取水口安全运行,即如何防止或缓解浮冰、屑冰的侵袭,在国外已有不少论述,其中也有利用废水余热融冰的方法,但这些报导多系某种工程途径、经验或某些概数的介绍。国内也曾有过北方地区利用温排水余热防止港口冰冻的试验研究,但此项研究仅从试验成果预报了温排水引入港区后不冻区域的位置及范围,尚未考虑外海流冰随潮涌入不冻区后对该区的影响。本文以作者所做‘华能丹东电厂取水口利用温排水余热缓冰工程研究’为实例,论述废水余热防冰、缓冰工程研究的一种新方法。

1　研究思想利用废热防冰、缓冰的原则: (1)利用温排水提高取水口近区及进水流道处水体水温使之不致封冻,水中屑冰脱离活跃态而不会粘附取水口滤网; (2)外水域流冰进入取水域后,其消融耗热不致使已不冻水域水温降到冰点而再出现冰冻; (3)温排水排出口的布置应尽可能利用温排水余热量,有效地提高水域水温及取水口近区水温;利用排出水流动能及热量防止流冰在浅、窄流道上堆积冻结。此原则是温水排放口位置及温水排放量优化研究中应依据的。采用的研究途径: (1)实体模型试验:模拟原型温排水在自然水域中的水力、热力特性,即温排水的流动及温度分布,以确定不冻水域范围,缓冰排口布置最佳方案及大致排放流量; (2)温排水融冰能力估算:外水域流冰涌入不冻水域后,因其融化耗热可使该水域水温降低,应对流冰实际消融量的耗热量与排出温水可供热量作出比较,以确定温排水流量。(3)融冰能力估算应与实体模型试验紧密结合,估算中一些初始数据难于从原始资料中得到时,应进行相应的模拟试验以求获得。例如取水口近区受纳温排水后水温的增长值、外水域来冰涌入取水口近区的流冰冰量……。(4)较为精确的浮冰运动及消融的预报可借助双流体的紊流数值预报模型,其中流冰块消融计算模式与(2)项估算模式相同。但数值模型仍难以模拟流冰块的粘结、堆积和对流道的阻塞以及水中屑冰吸附于进水滤网进而淤塞网孔等现象,仍需根据地形地势、历年冰情及温水排入后受纳水域的水温等做冰塞形成可能性分析;甚至不排除假设进水流道部分阻塞、在潮汐水位较低,蓄水库(池)出现断流时的供水能力分析。以上所述的整体思路及途径可用以下流程框图示之。

图1　防冰工程研究的思路与途径流程框图

2　实体模型试验研究要在模型中实现水域的结冰、融冰现象,在没有专用的大型人造气候实验室中是不可能的。但如注意到因电厂温排水注入水域而使受纳水域不出现冰冻现象,则对不冻水域而言,模拟中可不考虑冰冻物理过程,而能在一般正气温的冷却水水力、热力模型中模拟原体负气温条件下电厂温排水注入水域后的温度场。基于以上思路,文献[1]推导了“非负气温试验条件下冷却水运动冰冻预报模型的相似准则”。该准则从运动相似提出了:浮力相似准则,即(Ri)r= 1,其中Ri=v/(Δρ/ρe)•gH;重力相似准则,即(Fr)r=1,其中:Fr=v/gH;模型水流满足紊流条件的最小流量,即Qm>Qcr,Qcr为模型临界流量。角标r表示原体值与模型值之比;Δρ为温差所对应的水密度差;ρe为环境水密度;H为水深,v为水流流速。从热平衡相似提出: (T1-Te)r= (T1-Ta)r= (T-Ta)r= 1;(ΦA/ρCpQ)r= (KA/ρCpQ)r= 1的要求。其中,T1为排水温度,Te为环境水温,Ta为气温,T为水域中任一点处水温;Φ为单位水面积的净入射幅射量,A为水域面积,K为水面综合散热系数,Cp为水的定压比热,Q为温排水流量。在选定模型水平长度比尺Lr后,由原体和实验室有关气、水参量推算出相对密度差比(Δρ/ρe)r及水面综合散热系数比Kr,则可由上述相似要求推导出模型的各项比尺,其计算式如下:水深比尺:Hr=K2/3r•L2/3r/ (Δρ/ρe)1/3r;流速比尺:Vr= (Δρ/ρe)1/2r•H1/2r;流量比尺:Qr= (Δρ/ρe)1/2r•H3/2r•Lr;时间比尺:tr=Lr/ [ (Δρ/ρe)1/2r•H1/2r];温差比尺: (T-Ta)r=1或(T-Te)r=1;辐射比尺:Φr=Kr;温控条件: (Te-Ta)r=1及(T1-Te)r=1。本文所借以为例的丹东电厂缓冰工程试验是在北京的实验室内进行,按照温控条件,在室温5℃情况下,模型中的环境水温Tem应为:Tem=Tam+(Tep-Tap)电厂附近海域环境水温取为海水冰点温度,海水含盐量20‰,则约为-1•1℃,冰情严重的一月份多年月平均气温为-6•7℃,则Tem=5+[-1•1-(-6•7)]=10•6。原、模型环境水温差Δ=Tep-Tem=-1•1-10•6=-11•7℃。再依据(T1-Te)r=1的要求,确定模型排水温度T1m:T1m=T1p-Δ=10-(-11•7)=21•7℃。在计算相对密度差时,注意到原体是盐度S=20‰的海水,试验用淡水,则(Δρ/ρe)r=Δρp/Δρm= (ρ10℃-ρ-1•1℃)s=20‰/ (ρ21•7℃-ρ10•6℃)s=0‰=0•67。可见,原型、模型的Δρ/ρe值相差较大。鉴于蓄水库水深大,温排水的浮力效应不忽视,模型相似律应以浮力相似为主,即(Ri)r=1。因(Δρ/ρe)r≠1,放弃重力相似要求。

模型其他比尺均按上述比尺计算式求得,试验过程中注意温控条件。模型温度场用下式转换成原体温度场:Tp=Tm+Δ=Tm-11•7。或按温差比尺(T-Te)r=1,即模型超温场直接对应原体超温场。水域超温小于或等于零的地方,可认为是结冰区;所有正超温区均为不冻水域。由实体模型试验可确立温排水排出口的优化布置,预报出在排出口排放一台机的温排水量时,可使取水库及水库与外海联通地段在冬季自身不会结冰;且水库水体平均温升在冰点之上1•5℃。取水水域不封冻仅解决了防冰问题的一部分。因为外海流冰随潮进入水库,其融化耗热要使库水水温下降,若水库蓄热不足,则可能因流冰进入而降温至冰点,水库重新结冰;此外,流冰块在流道上堆积,形成冰塞阻流,这些都是防冰问题的另一重要方面。排出口应排放多大流量的热水来融冰和防止冰塞形成,这是涉及温排水融冰能力和预报冰塞发生地点、规模的研究内容。由于实体模型试验难以模拟冰块在潮汐水流中的吸热融化过程,因此,这些问题的研究只能通过实体模型以外的手段来实现。为此,本研究在探索数值模拟的同时,还针对工程亟待要求回答的问题,进行了实体模型中取水域流冰进冰量模拟;融冰能力估算;冰塞形成可能性分析及出现冰塞后取水口运行后果分析等。限于篇幅,本文仅就流冰冰块在温排水受纳水域中融化量的估算做一介绍。

3　温排水融冰能力评估漂浮游于水流中的浮冰块的融消计算不同于冰盖的计算。一般冰河水力学中仅有对冰盖增长和融消的计算方法,如沈洪道的“冰河水力学”所介绍的方法[2]。流冰块在其上表面风应力和下表面水流拖曳力的作用下,在水流表层运动,冰下水流对流冰块的放热特性既不同于水流对冰盖的放热(作为管内水流对管固壁放热处理);更不同于冰、水之间无速度滑移时的导热(作为静水对固壁放热处理),估算时应充分注意水流对流冰块的放热特点。本文将水流对流冰块的放热处理为流体对平板的绕流放热,因此,首先需要求得冰、水之间的相对流速。

3•1　假设条件

(1)因风力和水流的拖曳作用,流冰块相对于水流有速度差,假设该速度差主要是由风对流冰块的作用所生成。(2)风对冰块的应力小于水流对冰块的拖曳力,故冰块总是偏向水流的方向运动,而可近似看作与水流同向。(3)风造成的冰块漂流速度与水面水的风生漂流速度相同。(4)风生漂流速度与水流平均速度可线性叠加。

3•2　融冰速率计算(以丹东电厂缓冰工程研究为例)

3•2•1　按假设条件　冰块与水相对速度Δu=u,u为风生漂流速度,据前人经验公式[3,4],u=0•028W,W为风速。丹东电厂蓄水库及大东沟流域风速W=3•2m/s (北风),风向与水流偏角约为40°,则Δu=W×cos40°×0•028 = 7cm/s设冰块水平尺度为20m×20m,水流对流冰块的相对雷诺数Re(特征长度L为冰块长度):Re=Δu×L/ν= 0•07×20/(1•72×10-6) = 8•1×105> 105式中ν为水的运动粘滞系数。可认为相对运动已是紊流状态。

3•2•2　按紊流平板绕流放热计算水流对冰块的放热通量qwiqwi=αwi(Tw-Tf)式中:Tw,Tf分别为水温和融冰温度;αwi为放热系数,可由努塞尔数Nu推出[5]Nu=αwi•L/λ= 0•037Re0•8Pr0•43(Pr/Pri)0•25式中:Pr为水流平均温度时的普朗特数;Pri为冰点时的普朗特数;λ为水的导热系数。由实体模型试验得知,温排水注入水域后,水库及东沟水体平均温升在冰点以上1•5℃,则Pr=ν/a=13•2,式中a为导温系数。估算中不考虑海冰特点,冰的全部特性参数均按淡水冰计(因未知海冰含盐度,按淡水冰物性参数计算,其结果偏于安全)。冰在融态时,其下表面恒为0℃,则Pri=13•8。Nu=0•037×(8•1×105)0•8×13•20•43×(13•2/13•8)0•25≈5•9×103。可求得放热系数:αwi=Nu•λ/L= 5•9×103×1•33×10-4/20 = 3•9×10-2(kcal/ms•℃)。水对冰的放热量qwi为:qwi=αwi(Tw-Tf) = 3•9×10-2×(1•5-0) = 5•9×10-2　(kcal/m2•s)。

3•2•3　流冰块的融化率　在Δt时段内流冰块厚度的改变量为[6]Δh≈ΔtρΩik(Tf-Ts)h-qwi式中:k为冰的导热系数, 0•00053kcal/m2•s•℃;h为冰的初始厚度(m);ρi为冰密度;Ωi为冰融化潜热。设冰上表面温度等于气温,即Ts=Ta(在大气降温过程中,冰块上表面温度约为气温的一半。此处仍采用传统的处理办法,认为冰块上表面温度等于气温,其估算结果应偏于安全);下表面恒为融点温度0℃,冰块初始厚度0•2m,通过冰块的热通量qi为:qi=k(Tf-Ts)h= 0•00053×(0-(-6•7))0•2= 1•8×10-2　(kcal/m2•s)Δh≈Δt920×80[1•8×10-2-5•9×10-2] =-5•6×10-7Δt　(m)　　以上计算中没有考虑冰块上表面的热交换,因盛冰期气温-6•7℃,上表面不会消融,故不予考虑。此外,经估算,太阳短波辐射穿透冰块进入水中的热通量较水对冰块放热通量小一个以上量级,对以上估算影响不大,故忽略不计。

3•2•4　按融冰率评估温排水量　按上述冰块消融厚度计算式,Δt=1h后的融化量:Δh=-5•6×10-7×3600 =-2•2×10-3　(m)对应于该融化量的全部进库面积冰量Ai的融化潜热:qi=Ωi•ρi•Αi•Δh=80×920×4•3×105×0•0022 = 7×107　(kcal)一小时内一台机的温排水量Q可提供热量qw为:qw=Cp•ρ•Q•ΔT=1×103×3•9×104×11 = 4•3×108　(kcal)比较qw和qi可知,同时段内温排水供热量比进库冰量的融化潜热高一个量级。故缓冰排口的流量对取水水域的自身不封冻和随潮进入该水域流冰量的部分融消是合适的。按研究流程,本项课题还进行了流冰的二维非恒定运动与融消的数值模拟,同时对冰块的阻塞问题进行了估算和分析[7,8],本文不再赘述。

4　小结

利用电厂温排水的废热缓解取水口或取水流道上的冰情,是一种变废为宝、保障取水安全行之有效的好办法。本文介绍了此类防冰工程研究的思路与方法。一般来说,应借助实体模型试验优化温排水口布置、预报不冻水域范围及其温度场;流冰对取水水域的影响及对策,则应通过温排水融冰能力的计算并对形成冰塞的可能性进行分析研究。较为准确地预报流冰块在水域中的运动及融消量,应进行数值模拟计算,本文提出的流冰块受热融消的计算模式适用于该数值模型。

参　考　文　献:

[ 1 ]　陈惠泉.非负气温试验条件下冷却水运动冰冻预报模型的相似准则[A]。见:水利水电科学研究院论文集(第33集) [C]. 1998, 10.

[ 2 ]　Shen HT. Hydraulics of River Ice [R]. Department of Civil&Environmental Engineering, Clarkson University. Pots-dam, NewYork, 1985.

[ 3 ]　库德里亚娃娅K N.海洋水文预报[M].赵知梅译,北京:科学出版社, 1959.

[ 4 ]　贺益英.风对二元温差异重流影响的试验研究[A].见:水利水电科学研究院论文集(第17集) [C],1984

[ 5 ]　杨世铭,陈大燮.传热学[M].北京:中国工业出版社, 1965

[ 6 ]　Shen HT, Cheng L A. Simulation of Growth and Decay of River Ice [J]. Journal of Hydraulic Eng, ASCE, 1984,110 (1)

[ 7 ]　贺益英.丹东电厂温排水缓冰工程研究报告[R].北京:中国水利水电科学院, 1995

[ 8 ]　曾平,段杰辉.二维流冰消融数学模型[J].水利学报, 1997, (5).