浅谈核电厂温排水模型试验

摘　要：直流供水核电厂温排水不断地排入受纳水体，造成水域温度升高，对自身取水影响较大，以及影响水体水质，危害水中生物的生长，对周围水域造成热污染。因此需依据工程规划、设计进度安排，分阶段采用适宜的数学模型计算、物理模型试验手段开展相应研究工作，为工程规划设计及其环境影响评价提供依据。

关键词：核电厂；温排水数值模拟试验；温排水物理模型试验
冷却水作为核电厂的机组冷源，经过热交换后，温度一般升高8℃～12℃，成为“温水”流出。冷却水的注入影响核电站取排水工程水体的水力热力特性，取水温升的高低直接关系到电厂机组效率，水温超过一定限度，还将被迫降低负荷，成为机组满发的巨大障碍，如何利用现有水源的冷却能力来满足工程取水温升的要求，成了冷却水水工设计中的关键问题。同时，电厂循环冷却水直接排入受纳水域也会对水质、水生物等产生许多连带影响，严重时会发生热污染现象。特别是核电厂冷却水中有时包含不同程度的低放射性物质，这对环境的影响更不容忽视。因此需依据工程规划、设计进度安排，分阶段采用适宜的数学模型计算、物理模型试验手段开展相应研究工作，以便合理地选择取排水口的位置和形式，为工程规划设计及其环境影响评价提供依据。
　　1.核电厂温排水模型试验种类
　　温排水模型试验须根据类比分析或热扩散预测研究的方法获得温升范围，目前常用的热扩散研究方法是数值模拟计算和物理模型试验。因此温排水模型试验种类分为：温排水数值模拟试验和温排水物理模型试验。
　　受潮汐影响水域的冷却水工程数值模拟技术经过近二十年的发展，在工程中已得到广泛应用。目前比较成熟的数值模拟方法(主要是平面二维模型)主要针对冷却水工程的远区问题，对近区热浮力流动的模拟计算离工程需要尚有一定距离，故在实际工程中仍常采用物理模型来研究排取水口的近区三维流动。通常采用数模和物模相结合的方法(复合模型)来确定电厂冷却水工程的布置方案，数模着重从总体上计算分析受纳水体的热容量和分析总体布置方案；物模则侧重于排取水口的近区热力流的模拟和具体工程布置方案、取排水口体形和尺寸的确定与优化。数学模型计算的结果可为物理模型提供必须的边界条件及制定相应的取排水口方案布置原则，并论证冷却水工程的可行性和初步分析不同的取排水方案。二者相辅相成，互为补充，应用得当可以取得经济可靠的研究成果。
　　2.温排水数值模拟试验
　　2.1概述
　　根据核安全导则和相关法规的要求，应用数值计算的方法对核电厂运行期间温排水进行研究和试验，分析温排水在海域内输运和扩散规律，评价核电厂在运行期间的温排放对取水口温升及厂址附近海域的影响，为核电厂取排水工程的设计和环境影响评价提供基础资料和科学依据。
　　2.2温排水数值模拟试验的主要目的与内容
　　2.2.1主要目的
　　温排水热扩散的数值模拟中采用的数学模型主要分为两类：一是对于浅水型水域的模拟，一般采用深度平均二维数学模型；二是对于排水口附近局部区域(包括离岸排放的排水口附近区域)的模拟，由于其水动力因素较为复杂，需要详细了解其稀释、扩散过程，一般采用准三维和三维数学模型。但是，无论采用何种模型均应能准确的模拟近区潮流场卷吸掺混特性，温度场分层流动以及多排放源的叠加累积效应，能准确模拟远区散热及各环境因子对热扩散的水动力稀释效应等。
　　三维模型在实际工作中因费用较高而使用较少，使用广泛的数值模拟是在平面二维深度平均数学模型的基础上引入考虑速度与温度(或浓度)的垂向分布不均匀性的流散影响，其特点是对热扩散远区温升分布的预测较好。三维模型曾应用到岭澳核电三期工程、海南昌江温排水数值模拟研究中。
　　温排水数值模拟试验结果主要是计算温排水的扩散范围。通过在扩散范围的基础上进行物理模型试验，计算出温排水的影响范围。
　　2.2.2主要研究内容
　　(1)建立合理的潮流场数学模型(这种数学模型应是对流场实测结果进行验证过的)，通过数学模型分析电厂建成前、后附近水域内的潮流场特性，描绘环境流场的时空变化和由于取排水系统运行引起的水文影响，同时为物理模型提供开边界条件和率定分析资料；
　　(2)由数学模型分析核电厂温排水在受纳水体中的扩散规律，并对包括水工设施等在内的水工构筑物对温排水的影响作出敏感性分析，预报大范围温度场及变化；
　　(3)根据不同的取排水方案和各期工程建成情况，按照各个季节不同(冬季、夏季)的典型潮型，以及风、沿岸流和余流等的影响，提供各期工程建成投运后、各典型潮型下的取水温升过程线和取水温升特征值；
　　(4)研究温排水在排放水域内的平面和垂向分布规律及其随潮型的变化情况。给出各季节(冬季、夏季)、各期工程建成后、不同典型潮型下的全潮最大温升和平均温升4、3、2、1℃的温升等值线图和相应各温升等值线所包络的海域面积，以及温升等值线相对应排水口的垂向距离和排水口两侧的顺岸距离；并给出受纳水体的温度随时空的变化，最大温升(和温降)、最高水温。给出不同潮型下全潮最大(平均)温升4、3、2、1℃的温升等值线图的控制点坐标(包括地理坐标)；
　　(5)通过数值模拟进行温排水热水回归对取水温升影响的分析评价；
　　(6)通过对比、分析各方案取水温升的高低和温升影响范围的大小，最终推荐合理的取排水方案。
　　3.温排水物理模型试验
　　3.1概述
　　温排水物理模型试验是对二元水体中温排水扩散和掺混运动的实体三维模拟。通过人工制造排放海域场地的模型，要求场地周围为隔热墙壁，保持室温和湿度。在应用物理模型试验对温排水进行环境影响评价时，除应满足物理模型所需要的几何相似、水流运动相似外，还必须满足温排水模型特定的浮力相似和热扩散相似等要求。模型的设计与验证、边界控制、控制设备与测量仪器的精度以及试验条件的合理选取是温排水物理模型试验结果合理、可信的重要保障。
　　3.2温排水物理模型试验的主要目的与内容
　　3.2.1主要目的
　　采用直流供水系统之核电厂冷却水携带有大量“废热”，此热量排入环境水域后必然引起环境水体温度的升高(热污染)以及取水温度的变化，为此需采取适当的方法、手段对温排水影响问题进行模拟研究，为可兼顾电厂取水、水环境保护要求的取排水工程方案的设计、优化提供 科学依据。整个研究工作在数模计算基础上采用物模试验进行研究的技术路线。
　　3.2.2主要研究内容
　　(1)对在温排水数模计算成果所提出的诸多取排水工程布置方案做进一步优化，提出最终优化的取排水口工程布置方案。包括取排水口形式、几何尺寸、平面布置和高程等；
　　(2)预报不同工况下温排水在取排水口附近水域中的水力、热力特性变化规律；
　　(3)预报在设计水文条件下最终优化方案的取水温升随潮变化过程及分析其形成机理；
　　(4)预报在设计水文条件下最终优化方案的温度场特征值及分析其形成机理。
　　4.结语
　　核电站温排水环境影响的研究对于有效提高核电站机组运行效率，防止热污染，保护海域水质和生态环境具有重要意义。在核电厂设计过程进行核电厂温排水模型试验，不仅可以了解核电站温排水对附近海域影响的深度和广度，为核电站的环境影响评价提供可靠依据；更重要的是对核电站新扩建核电项目的取、排水口的位置优化提供参考依据，指导核电站的设计和建设工作，保证核电站机组运行效率，并使其对环境的影响降至最低。