CN102359146A - 选择性进流水温平抑装置及其水温数值模拟预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种选择性进流水温平抑装置，包括：蓄水池、拍板门进流装置和取水建筑物，拍板门进流装置和取水建筑物分别设置在蓄水池的两侧，取水建筑物的底部连接有取水涵管。本发明还公开了一种水温数值模拟预报的方法。采用本发明，使作为电厂安全厂用水水源的外部海水经过此装置实现在较高潮位、外海水温较低时进流，进一步经过较充分的冷热水掺混、表面散热后再输送到安全厂用水冷却水取水泵房，这样所取用到的安全厂用水取水温度较之外海取水口水温的变化梯度和峰值明显减小，可实现平抑取水温度高峰值的效果，还可以预报使用该系统装置后安全厂用水水温的降低幅值，为建造选择性平抑水温装置提供设计参数。

Description

选择性进流水温平抑装置及其水温数值模拟预报方法

技术领域

本发明涉及冷却水取排水技术领域，具体说，涉及一种选择性进流水温平抑装置及其水温数值模拟预报方法。

背景技术

修建在滨海潮汐水域的核电厂多采用海水直流冷却方式，对用于核电厂核心部件冷却的安全厂用水，其取水温度是影响核电厂安全运行的重要因素，设计时有阈值限制。受滨海经济开发和全球气候变暖的影响，滨海潮汐水域核电厂取水温度面临日渐增高的趋势，尤其异常天气频繁出现导致取水温度存在异常高值的风险。

滨海潮汐水域核电厂采用海水直流冷却方式时，核电厂安全厂用水系统通过取水通道将海水引至取水泵房，再由安全厂用水取水泵将水源输送至板式热交换器，用于核岛内重要设备(如核岛主泵等)冷却，然后通过排水沟管排回大海。正常运行工况下安全厂用水取水温度有阈值限制，水温超过阈值时核岛内主泵等重要设备得不到正常冷却，这在正常运行工况下是不允许的。近年来，随着全球气候变暖，夏季极端高温天气频发，海域水温持续攀升，存在海域取水温度高于设计阈值的可能性，这将会影响电厂正常安全运行。常规的降低取水温度的做法是将位于海边的取水口向深海延伸，以取到更低温度的海水，但专门针对单机组需水量仅为1m³/s的安全厂用水而延长伸向深海的取水设施，费效比太低，不如采取其他的辅助措施，如中国专利公开号为201514775U的一种核电厂重要厂用水系统，公开了解决取水温度高于设计阈值的装置，其技术措施是在安全厂用水取水通道上增加旁路冷却系统，内设新的辅助冷却源，当安全厂用水取水温度高于设计阈值时，开启旁路冷却系统，安全厂用水取水进入旁路冷却系统被冷却至设计阈值以下水温后再回到原有取水通道上供核岛内重要设备冷却使用。

现有技术中设置旁路冷却系统提高了整个生产成本，而且在建造一次投资之外，旁路冷却系统运行时还需要耗费额外的电力成本。更为重要的是，旁路冷却措施的系统结构较复杂，其自身的运行稳定性和安全性保障也是个难题。作为以海水为冷却水源的核电厂，安全厂用水受潮流往复运动的影响，取水温度随潮波动幅度较大，尤其是在夏季高温期间，取水温度在一个潮周内可能出现如2℃以上的变幅，存在短时段内安全厂用水取水温度高于设计阈值的风险，旁路冷却系统会时启时停，易于造成其运行不稳定的问题及其安全性方面的问题。

由于正常运行工况下安全厂用水的取水温度存在上限阈值，在取水通道上采用冷却系统时，其冷却能力设计需要通过典型水文气象条件下的水温预报来确定；在出现持续极端高温情况现有冷却能力可能出现不足时，对安全厂用水取水温度进行提前预报，让运行人员有充分时间来作应急准备对确保核电厂安全十分重要，这也需要通过水温预报来实现。因此设计针对极端高温情况下安全厂用水的取水温度预报方法十分必要。

现有设置旁路冷却系统的技术中对装置的冷却能力及降温幅值没能给出精确的计算方法，对出现旁路冷却系统不能满足冷却需求的极端情况也缺乏预警能力。而现有的冷却水取水温度预报方法只针对附加排放热源(如：电厂自身温排放等)带来的循环水取水温度升高情况进行模拟预报，所采用的气象条件为长周期的典型气象特征值(如：季节平均或月平均的恒定值等)。可反映实时变化(如：逐小时变化等)的气象条件等对安全厂用水取水温度影响，预测不利水文、气象等条件下安全厂用水取水温度的实时变化过程的精细预报方法还未见报导。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种选择性进流水温平抑装置，解决了现有技术中安全厂用水水温峰值过高的缺陷，并克服了增设旁路冷却系统时存在的运行稳定性和安全性方面的缺陷。

技术方案如下：

一种选择性进流水温平抑装置，包括取水建筑物，还包括蓄水池和拍板门进流装置，所述拍板门进流装置和所述取水建筑物分别设置在所述蓄水池的两侧，所述取水建筑物的底部连接有取水涵管。

进一步，所述蓄水池包括：一号蓄水池、斜坡过渡段和二号蓄水池，所述一号蓄水池和所述二号蓄水池之间通过所述斜坡过渡段相连接，所述一号蓄水池的底部设计高程为低于所述蓄水池正常运行最低水位5～12m；所述二号蓄水池的底部设计高程为低于所述一号蓄水池底高程0～3m；所述斜坡过渡段坡度范围为不大于1∶5。

进一步，所述取水涵管包括：一号取水涵管、二号取水涵管、三号取水涵管和四号取水涵管，所述一号取水涵管和二号取水涵管供一台机组使用；所述三号取水涵管和四号取水涵管供另一台机组使用，所述取水涵管头部的顶部设计高程在蓄水池正常运行最低水位以下4～11m之间。

进一步，所述拍板门进流装置包括：一号拍板门进流装置和二号拍板门进流装置，所述一号拍板门进流装置和所述二号拍板门进流装置各设置有2个拍板门，所述拍板门进流孔口底板高程为拍板门前最低进流潮位以下0～2m。

进一步：还包括导墙，所述导墙设置在所述拍板门进流装置出口附近，所述导墙的挑流方向指向远离所述取水建筑物的远端，所述导墙为折线形或直线形。

本发明所解决的另一个技术问题是提供一种水温数值模拟预报方法，可以精确预报选择性进流平抑水温装置的降温效果，可作为建造选择性进流平抑水温装置时提供设计参数的技术手段，并为核电厂在极端高温情况下运行提供预警信息。

技术方案如下：

一种水温数值模拟预报方法，包括：

选取三维数学模型及求解模式模拟水流运动和水体内的物质输运，所述三维数学模型包括水流连续方程、动量方程、温度输运方程、紊动输运方程；

选取所述选择性进流平抑水温装置中的所述蓄水池为模拟计算域，所述拍板门进流装置和所述取水建筑物别为进、出口控制边界，在计算域内划分计算网格。

选取一定计算时间段tn内的气象条件和水文条件随时间变化的数值系列，并将其作为所述三维数学模型流场和温度场求解的输入边界条件；

确定与所述气象条件对应的计算时间段tn内拍板门进流口水温随时间变化的数值系列，并将其作为所述三维数学模型中温度场求解的输入边界条件；

以Δt为时间步长，从t＝0开始根据所述三维数学模型模拟蓄水池内流场和温度场变化过程；计算拍板门进流流量并将其作为所述三维数学模型中水流流场求解的边界条件；

根据所述三维数学模型中水流连续方程、动量方程及紊动输运方程模拟蓄水池内水流流场和水位变化过程；蓄水池水流流场中的计算边界包括：蓄水池入流边界、出流边界和蓄水池自由表面边界；所述入流边界取所述拍板门进流流量，所述出流边界取核电站安全厂用水取水流量，所述蓄水池自由表面边界选取蓄水池水表面和所述气象条件中蒸发和降雨两个源项；

计算蓄水池水体自由表面热交换并将其作为所述三维数学模型中温度场求解的输入条件，所述热交换数值计算时所采用的气象数据由所述气象条件时间系列中插值得到t时刻的数值；

根据所述三维数学模型中的温度输入方程模拟蓄水池内的温度场，得到蓄水池内的水温空间分布和安全厂用水取水温度变化过程。

进一步：所述三维数学模型中所采用的所述气象和水文条件是随时间t变化的以时为单位的系列数值，其值采用历史已有的极端高温时间过程或现时的预报时间过程数值。

进一步：所述计算时段tn的取值大小，与蓄水池容积和取水流量有关，为消除蓄水池初始水位和水温边界条件的影响，计算时段tn应不小于蓄水池内水体完成一次交换的时间，且计算时段应延续至比外海极端高水温持续天数长1～2天，至安全厂用水取水温度达到峰值为止。

进一步：所述拍板门进流口水温包括：外海自然水温、核电厂周边海域环境影响和核电厂自身温排水引起的外海取水口温升值。所述拍板门进流口水温中，所述外海自然水温采用所述气象条件值对应的时间内的预测值或历史已有典型高水温时段监测值，为以时为单位的随时间t变化的量，所述核电厂周边海域环境影响及核电厂自身温排水引起的外海取水口温升值随时间t变化过程通过海域温排水数模计算给出。

进一步：所述拍板门进流为间断单向由外海向蓄水池进流过程，由拍板门进流装置在水压差作用下自动控制，在拍板门前后水位差大于给定正值时有进流，进流流量值是随时间t变化的量，其值由经验公式计算给出，拍板门前后水位差小于或等于给定正值时无进流，进流流量值为零；拍板门前水位为t时刻实测或预报的外海潮位扣除取水隧洞内水头损失后的值，拍板门后水位为上一时步计算的蓄水池水位。

技术效果如下：

1、本发明采用一套选择性进流平抑水温装置，使作为电厂安全厂用水水源的外部海水经过此装置实现在较高潮位、外海水温较低时进流，进一步经过较充分的冷热水掺混、表面散热后再输送到安全厂用水冷却水取水泵房，这样所取用到的安全厂用水水温较之外海进流水温的变化梯度和峰值明显减小，可实现平抑取水温度峰值的效果。

2、本发明提供了极端天气条件下对选择性进流平抑水温装置进行水温数值模拟预报的方法，对极端天气条件下的电厂运行有预警指导作用，以往未见有此类方法应用于安全厂用水取水温度预警。通过建立数学模型，输入气象水文参数，可以预报使用该系统装置后安全厂用水水温峰值的降低幅值，为建造选择性平抑水温装置提供设计参数。

3、本发明基于安全厂用水取水流量小、供水安全性要求高的特点，在安全厂用水输水系统中设置一套主要由拍板门和蓄水池组合而成的选择性进流、平抑水温装置，不需要增设新的冷却设施，利用系统内水体自身流动、掺混和散热影响等特性，削减外海来流水温波动，并延迟海域高温水体进入取水泵房的时间，即通过水温削峰和错峰达到降低安全厂用水取水温度峰值的目的。

4、本发明具有较好的费效比。主要投资为建造蓄水池和拍板门装置的一次性投入，结构简单、安全可靠性高，运行时基本不需要额外耗费电力等成本，运行成本低，具有良好的安全性与经济效益。

5、本发明采用拍板门进流装置有选择性间断向蓄水池供水，并阻断蓄水池内水体向外海回流，蓄水池水流不会出现随潮往复运动现象，水温变化平缓，不随外海水温发生剧烈的随潮波动，有效削减外海海水随潮波动产生的水温峰值对蓄水池水温的影响。采用拍板门装置只在高潮位时进水，在夏季有利于取到高潮位、水深较大时温度相对低的海水，降低进入蓄水池的热量。

6、本发明的蓄水池具有较大的容量与适宜的形状、面积。与核电厂安全厂用水取水流量相适应，满足蓄水池水体的最短交换时长大于极端高温天气持续天数，如5天以上。所设计的蓄水池能够通过水体在蓄水池内沿程掺混、稀释以及散热效应，有效地削减进入蓄水池的外海高温水体对安全厂用水取水温度峰值的影响，延迟安全厂用水取水温度峰值出现时间，并降低由于极端持续高温天气造成的水温高峰，起到平抑水温的作用。

7、本发明的蓄水池内具有足够的水深形成稳定的水温分层。拍板门进入蓄水池的“热水”(相对蓄水池内水体水温而言)会在温差浮力作用下上浮到表层散热，进入蓄水池的“冷水”则下潜到底层，始终保持较冷的水先到达蓄水池底层。安全厂用水取水涵管高度接近蓄水池底高程，取用蓄水池底层的冷水，进一步降低取水温度。

8、本发明的蓄水池内拍板门出口侧设置导墙将进入蓄水池的水流挑向远离安全厂用水取水建筑物的远端水域，充分利蓄水池面积掺混和散热。

9、本发明预报方法采用以时为单位的气象水文时间系列数据，精细模拟蓄水池内的温度场和安全厂用水取水温度，其精度可达到0.2℃，可以精确预报选择性进流平抑水温装置的降温效果。

10、本发明解决了现有技术中安全厂用水水温峰值过高的缺陷，并克服了增设旁路冷却系统时存在的运行稳定性和安全性方面的缺陷。对选择性进流水温平抑装置进行水温数值模拟预报的方法可以精确预报选择性进流平抑水温装置的降温效果，可作为建造选择性进流平抑水温装置时提供设计参数的技术手段，并为核电厂在极端高温情况下运行提供预警信息。

附图说明

图1是本发明中选择性进流水温平抑装置的平面结构示意图；

图2是本发明中选择性进流水温平抑装置的剖面结构示意图；

图3是本发明中选择性进流水温平抑装置的取水温度曲线图；

图4是本发明中选择性进流水温平抑装置的水温数值模拟预报方法的流程图；

图5是本发明中应用水温预报方法计算的蓄水池水位与实测水位变化过程对比图；

图6是图1中蓄水池内固定点1上水温预报方法计算的水温值与实测水温变化过程对比图；

图7是图1中蓄水池内固定点2上水温预报方法计算的水温值与实测水温变化过程对比图；

图8是本发明中水温预报方法计算的安全厂用水取水温度与实测取水温度变化过程对比图；

图9是本发明中水温预报方法的历史极端气象条件下水温变化折线图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例，对本发明的技术方案做详细说明。

如图1和图2所示，本发明中，选择性进流水温平抑装置包括：蓄水池5、拍板门进流装置和取水建筑物6，拍板门进流装置和取水建筑物6分别设置在蓄水池5的不同侧部，取水涵管连接在取水建筑物的底部。

蓄水池5包括：一号蓄水池12、斜坡过渡段14和二号蓄水池13。蓄水池5正常运行时的水面下容积满足拍板门不进流，安全厂用水取水时蓄水池内水体的交换时长大于一般极端高温持续时间，如3天，交换时长上限值为电厂设计采用的最长极端高温持续时间，如7天。本优选实施例中，蓄水池5正常水位运行时有效库容满足蓄水池水体的最短交换期时长为5天。一号蓄水池12的底部设计高程要保证蓄水池5内的水体有足够的深度形成稳定的水温分层，底层水温受太阳辐射影响日变化较小，其底部高程设计范围一般可在蓄水池正常运行最低水位以下5m～12m之间，即满足水深在5m～12m之间，其深度下限值可根据水面冷却池设计中的深、浅型冷却池判别标准取深、浅池型之间的分界值来确定，深度上限值根据太阳辐射热的穿透厚度来确定。二号蓄水池13的底部设计高程低于一号蓄水池0～3m以满足取水涵管高程布置需求。一号蓄水池12和二号蓄水池13之间通过斜坡过渡段14相连接，过渡段的坡度应不大于1∶5以保证一号蓄水池12和二号蓄水池13之间水流均匀过渡。本优选实施例中，一号蓄水池底部设计高程在蓄水池正常运行最低水位以下5.5m，二号蓄水池底部设计高程低于1号蓄水池2m，一号蓄水池和二号蓄水池之间的斜坡过渡段坡度为1∶5。

取水建筑物6设置在二号蓄水池13的侧部，为了保证取水水质，取水建筑物6还放置有加氯设备和清污设备。取水涵管连接在取水建筑物6的底部，取水涵管包括：一号取水涵管7、二号取水涵管8、三号取水涵管9和四号取水涵管10，一号取水涵管7和二号取水涵管8一备一用，供一台机组使用；三号取水涵管9和四号取水涵管10一备一用，供另一台机组使用，正常运行工况下每台机组的取水流量为1m³/s。取水涵管头部的设计高程以实现取用蓄水池5底层低温水体为准，取水涵管头部的顶部设计高程一般应位于蓄水池正常运行最低水位以下4～11m范围，此设计高程设计还需满足取水涵管的尺寸和淹没深度要求。取水涵管的设计尺寸以保证进流流速不超过30cm，淹没深度不小于1.5倍设计洞径，取水涵管头部的底板高程需高于其连接的蓄水池底部高程0.5～2m作为备淤深度。本优选实施例中，取水涵管头部的顶部设计高程低于蓄水池正常运行最低水位4m，其底板高程高于二号蓄水池底部设计高程1.5m。

在一号蓄水池12的侧部且与取水建筑物6相对处设置有拍板门进流装置，拍板门进流装置包括：一号拍板门进流装置3和二号拍板门进流装置4，一号拍板门进流装置3和二号拍板门进流装置4各设置有2个拍板门，均是一备一用。拍板门进流孔口的底板设计高程可位于设计的拍板门前正常运行最低进流潮位以下0～2m，使拍板门为淹没进流以降低水头损失，并尽可能使进流位于偏上层水体内，减小对蓄水池内水温分层的破坏。本优选实施例中，拍板门进流孔口的底板设计高程与设计的拍板门前正常运行最低进流潮位相等。拍板门为单向间断进流，只有当外海水位高于蓄水池5水位一定程度时，海水才能克服拍板门门体自重进入蓄水池5，潮位较低时拍板门门体关闭，蓄水池5内水体不外流。

在一号蓄水池12中的拍板门进流装置出口附近，设置有导墙11，导墙11的作用是将进入蓄水池的水体挑向远离取水建筑物6的远端，使水体从拍板门进流装置进入蓄水池5到流入取水涵管的距离足够远，充分利用蓄水池5的所有水面积进行散热和掺混。本优选实施例中，导墙11为折线形。

为了将外海海水输送至拍板门进流口前，还设置有输水建筑物与拍板门进流装置相连接，本优选实施例中，输水建筑物为取水隧洞，包括：一号取水隧洞1和二号取水隧洞2，一号取水隧洞1与一号拍板门进流装置3相连接，二号取水隧洞2与二号拍板门进流装置4相连接。

如图3所示，是本发明中潮汐水域核电厂选择性进流平抑水温装置的取水温度曲线图。图3中实线为外海取水口水温，虚线为安全厂用水取水温度，应用了本发明中潮汐水域核电厂选择性进流平抑水温装置后，可以看出外海取水口水温虽然有明显的起伏，但是安全厂用水取水温度一直是平稳的，避免了极端天气状况下，安全厂用水取水温度随外海取水口水温波动的问题。同时，安全厂用水取水温度的峰值比外海取水口水温明显要低，出现时间上也滞后2天，说明在气温持续上升期间，安全厂用水取水温“错峰”和“削峰”的效果十分显著。

如图4所示，是本发明中水温数值模拟预报方法的流程图；

水温数值模拟预报方法包括以下步骤：

1、选取三维数学模型；

在平面曲线正交、垂向可伸缩坐标系及Boussinesq和垂向静水压力假定下的三维水动力学方程组，三维水动力学方程组包括：连续方程、动量方程、温度输运方程和紊动输运方程，三维水动力学方程组如下：

连续方程：

$\frac{\∂\left(\mathrm{m\ζ}\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(m_y\mathrm{Hu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(m_y\mathrm{Hv}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{mw}\right)}{\∂z}=0$

式中u、v、w为三个坐标方向的流速，x、y、z分别表示变化后的坐标，由于采用了σ坐标转化，因此转换后：

z＝(z^*+h)/(ζ+h)

$w=w^{*}-z(\frac{\∂\mathrm{\ζ}}{\∂t}+\frac{u}{m_x}\frac{\∂\mathrm{\ζ}}{\∂x}+\frac{v}{m_y}\frac{\∂\mathrm{\ζ}}{\∂y})+(1-z)(\frac{u}{m_x}\frac{\∂h}{\∂x}+\frac{v}{m_y}\frac{\∂h}{\∂y})$

z^*和w^*为系统坐标转换前的物理量，-h和ζ分别表示的是物理边界中河床(海床)和自由水面的高程，对应在σ坐标系统中为z＝0和z＝1，m_x、m_y为平面正交曲线坐标变换后的拉梅系数，m＝m_xm_y，H为总水深，H＝h+ζ。

动量方程：

$\frac{\∂\left(\mathrm{mHu}\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(m_y\mathrm{Huu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(m_x\mathrm{Hvu}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{mwu}\right)}{\∂z}-(\mathrm{mf}+v\frac{\∂m_y}{\∂x}-u\frac{\∂m_x}{\∂y})\mathrm{Hv}$

$=-m_{y}H\frac{\∂(\mathrm{g\ζ}+p)}{\∂x}-m_y(\frac{\∂h}{\∂x}-z\frac{\∂H}{\∂x})\frac{\∂p}{\∂z}+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{m}{H}{A}_v\frac{\∂u}{\∂z}\right)+Q_u$

$\frac{\∂\left(\mathrm{mHv}\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(m_y\mathrm{Huv}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(m_x\mathrm{Hvv}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{mwv}\right)}{\∂z}+(\mathrm{mf}+v\frac{\∂m_y}{\∂x}-u\frac{\∂m_x}{\∂y})\mathrm{Hu}$

$=-m_{x}H\frac{\∂(\mathrm{g\ζ}+p)}{\∂y}-m_x(\frac{\∂h}{\∂y}-z\frac{\∂H}{\∂y})\frac{\∂p}{\∂z}+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{m}{H}{A}_v\frac{\∂v}{\∂z}\right)+Q_v$

$\frac{\∂p}{\∂z}=-\mathrm{gH}\frac{\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_0}{{\mathrm{\ρ}}_0}=-\mathrm{gHb}$

式中A_v为是垂向紊动粘滞系数，Q_u、Q_v是动量源汇项，b为相对浮力，b＝(ρ-ρ₀)/ρ₀，ρ为绝对密度，ρ₀为参考密度。

温度输运方程：

$\frac{\∂\left(\mathrm{mHT}\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(m_y\mathrm{HuT}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(m_y\mathrm{HvT}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{mwT}\right)}{\∂z}=\frac{\∂}{\∂z}\left(m\frac{A_b}{H}\frac{\∂T}{\∂z}\right)+Q_T$

式中，T为水温，A_b为垂向紊动扩散系数，Q_T为水温的源汇项。

垂向紊动粘滞扩散系数A_v和垂向扩散系数A_b通过求解紊动能量q²和紊动尺度l确定：

A_v＝0.4(1+36R_q)^-1(1+6R_q)^-1(1+8R_q)ql

A_b＝0.5(1+36R_q)^-1ql

式中

q和l由Mellor和Yamada的2.5阶紊流模型求解，紊动输运方程如下：

$\frac{\∂\left({\mathrm{mHq}}^2\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(m_y{\mathrm{Huq}}^2\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(m_x{\mathrm{Hvq}}^2\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left({\mathrm{mwq}}^2\right)}{\∂z}=\frac{\text{\∂}}{\∂z}\left(\frac{m}{H}{A}_q\frac{\∂q^2}{\∂z}\right)+Q_q$

$+2\frac{m}{H}{A}_v[{\left(\frac{\∂u}{\∂z}\right)}^2+{\left(\frac{\∂v}{\∂z}\right)}^2]+2\mathrm{mg}{A}_b\frac{\∂b}{\∂z}-2\frac{\mathrm{mH}}{B_{1}l}{q}^3$

$\frac{\∂\left({\mathrm{mHq}}^{2}l\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(m_y{\mathrm{Huq}}^{2}l\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(m_x{\mathrm{Hvq}}^{2}l\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left({\mathrm{mwq}}^{2}l\right)}{\∂z}=\frac{\text{\∂}}{\∂z}\left(\frac{m}{H}{A}_q\frac{\∂q^{2}l}{\∂z}\right)+Q_l$

$+2\frac{m}{H}{E}_{1}l{A}_v[{\left(\frac{\∂u}{\∂z}\right)}^2+{\left(\frac{\∂v}{\∂z}\right)}^2]+\mathrm{mg}{E}_1{E}_3{A}_b\frac{\∂b}{\∂z}-\frac{\mathrm{mH}}{B_1}{q}^3{(1+\frac{E_2}{\mathrm{\κL}})}^{-2}{l}^2$

式中L^-1＝H^-1[z^-1+(1-z)^-1]，q²为二倍的紊动能，l为混合长，A_q为垂向扩散系数，常等于垂向紊动粘性系数A_v，Q_q、Q_l为源汇项，B₁、E₁、E₂、E₃为经验常数，分别取值为0.92、1.8、1.33、1.0。

对于天然水体，密度ρ是温度T、盐度S和压力p的函数，对密度变化范围较小的浮力流，忽略盐度和压力对密度的影响，密度变化可表示为温度变化的线性函数：

$\mathrm{\Δ\ρ}=\left(\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂T}\right)\mathrm{\ΔT}=-\mathrm{\β}{\mathrm{\ρ}}_0\mathrm{\ΔT}$

式中，

为热膨胀系数，ρ₀为参考密度。

2、将三维数学模型离散求解；

方程变量在网格上交错布置，假定在垂向方向共分有K层，首先考虑垂向方向的离散，连续方程离散形式为：

$\frac{\∂\left(m{\mathrm{\Δ}}_k\mathrm{\ζ}\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(m_{y}H{\mathrm{\Δ}}_k{u}_k\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(m_{y}H{\mathrm{\Δ}}_k{v}_k\right)}{\∂y}+m(w_k-w_{k-1})=0$

动量方程离散形式为：

$\frac{\∂\left(\mathrm{mH}{\mathrm{\Δ}}_k{u}_k\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(m_{y}H{\mathrm{\Δ}}_k{u}_k{u}_k\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(m_{x}H{\mathrm{\Δ}}_k{v}_k{u}_k\right)}{\∂y}+{\left(\mathrm{mwu}\right)}_k-{\left(\mathrm{mwu}\right)}_{k-1}$

$-(\mathrm{mf}+v_k\frac{{\∂m}_y}{\∂x}-u_k\frac{{\∂m}_x}{\∂y}){\mathrm{\Δ}}_k{\mathrm{Hv}}_k=-0.5m_{y}H{\mathrm{\Δ}}_k\frac{\∂(p_k+p_{k+1})}{\∂x}-m_{y}H{\mathrm{\Δ}}_{k}g\frac{\∂\mathrm{\ζ}}{\mathrm{ax}}$

$+m_y{\mathrm{H\Δ}}_k{\mathrm{gb}}_k\frac{\∂h}{\∂x}-0.5m_y{\mathrm{H\Δ}}_k{\mathrm{gb}}_k(z_k-z_{k-1})\frac{\∂H}{\∂x}+m{\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}\right)}_k-m{\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}\right)}_{k-1}+{\left(\mathrm{\Δ}{Q}_u\right)}_k$

$\frac{\∂\left(\mathrm{mH}{\mathrm{\Δ}}_k{v}_k\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(m_{y}H{\mathrm{\Δ}}_k{u}_k{v}_k\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(m_{x}H{\mathrm{\Δ}}_k{v}_k{v}_k\right)}{\∂y}+{\left(\mathrm{mwv}\right)}_k-{\left(\mathrm{mwv}\right)}_{k-1}$

$-(\mathrm{mf}+v_k\frac{\∂m_y}{\∂x}-u_k\frac{\∂m_x}{\∂y}){\mathrm{\Δ}}_k{\mathrm{Hu}}_k=-0.5m_{x}H{\mathrm{\Δ}}_k\frac{\∂(p_k+p_{k-1})}{\∂y}-m_{x}H{\mathrm{\Δ}}_{k}g\frac{\∂\mathrm{\ζ}}{\∂y}$

$+m_{x}H{\mathrm{\Δ}}_k{\mathrm{gb}}_k\frac{\∂h}{\∂y}-0.5m_{x}H{\mathrm{\Δ}}_k{\mathrm{gb}}_k(z_k-z_{k-1})\frac{\∂H}{\∂y}+m{\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}\right)}_k-m{\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}\right)}_{k-1}+{\left({\mathrm{\ΔQ}}_v\right)}_k$

$p_k=\mathrm{gH}(\underset{j=k}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ}}_j{b}_j-{\mathrm{\Δ}}_k{b}_k)$

式中，Δ_k表示每一层的厚度，τ_xz，τ_yz分别为层与层之间的紊动剪切应力：

${\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}\right)}_k=\frac{2{\left(A_v\right)}_k(u_{k+1}-u_k)}{H({\mathrm{\Δ}}_{k+1}+{\mathrm{\Δ}}_k)}$

${\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}\right)}_k=\frac{2{\left(A_v\right)}_k(v_{k+1}-v_k)}{H({\mathrm{\Δ}}_{k+1}+{\mathrm{\Δ}}_k)}$

模型采用过程分裂法进行离散，将求解过程分为内外两种模式，首先通过对连续方程和动量方程离散形式在垂向各层求和，得到外模式求解方程，在该模式中求解潮波传播的物理过程(自由表面的水位和垂向平均的水平流速分量)，然后根据得出的水位，求解三维模型作为内模式，计算潮流的垂直结构(三维流速、紊动变量及物质输运浓度等)。在内外模式相结合时，以

$\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ}}_k{u}_k=\stackrel{\‾}{u},$ $\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ}}_k{v}_k=\stackrel{\‾}{v}$

作为衔接的限制条件。

如果存在风应力作用时，在水体表面：

${\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}\right)}_K=C_D^a{\mathrm{\ρ}}_a{U}_{\mathrm{fx}}\sqrt{U_{\mathrm{fx}}^2+U_{\mathrm{fy}}^2},$

${\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}\right)}_K{=C}_D^a{\mathrm{\ρ}}_a{U}_{\mathrm{fy}}\sqrt{U_{\mathrm{fx}}^2+U_{\mathrm{fy}}^2}$

式中，

为风拖曳系数，ρ_a为空气密度，U_fx、U_fy分别为风速在x，y方向的分量。

3、选取选择性进流平抑水温装置中的蓄水池作为水流和水温模拟的计算域，拍板门进流装置出水端和取水建筑物中的取水涵管头部分别作为进、出口边界，在计算域内进行网格划分，平面网格尺寸应满足计算稳定性，垂向网格尺寸应能反映拍板门进流装置进流高程和取水建筑物出流高程位置不同引起的蓄水池内水体在不同水深处的流态差别，以及由于温差引起的水温垂向分布。优选实施例中，平面网格尺寸为5m×5m，垂向上分为4层或9层。

4、选取极端高温天气情况下一定计算时间段tn内以时为单位的气象和水文条件随时间变化的数值系列，并将其作为三维数学模型流场和温度场求解的输入边界条件；所选极端高温天气情况可以是历史已有的极端高温时间过程或现时的预报时间过程，所述气象条件包括风速、风向及气温、湿度、太阳辐射、蒸发和降雨；所述水文条件包括潮位和外海自然水温。

5、确定与所述气象条件对应的计算时间段tn内拍板门进流口水温随时间变化的数值系列，并将其作为三维数学模型中温度场求解的输入边界条件。所述拍板门进流口水温包括：外海自然水温、核电厂周边海域环境影响和核电厂自身温排水引起的外海取水口温升值。

外海自然水温变化过程可采用第4步中选取的过程值；核电厂周边海域环境影响及核电厂自身温排水影响造成的取水温升值可通过海域温排水数模计算给出。

6、从t＝0开始，以Δt为时间步长，对三维数学模型求解，模拟蓄水池内流场和温度场；t＝0时刻蓄水池初始水位取蓄水池起始点实测值或平均潮位，根据起始时间点安全厂用水实测进水温度(缺少时可采用外海取水口水温代替)来初始化蓄水池水温。

7、拍板门进流流量计算，当外海水位高于蓄水池水位一定程度时，海水通过拍板门进入蓄水池5，即拍板门前后水位差大于某一给定正值时进流，小于或等于该值时无进流，该水位差给定正值是克服拍板门重力及其门轴转动摩擦力矩等所需要的水压力，可由试验或计算给出。计算t时刻的拍板门进流流量，并将其作为三维数学模型中水流流场求解的边界条件；

拍板门进流流量基本公式为：

Q＝K·ΔH^1/2

式中，Q为拍板门的进流流量，ΔH为拍板门前后水位差，K为流量系数，根据调试取为2.2。拍板门前水位为外海潮位扣除隧洞水头损失后的值，外海潮位通过第4步中选取的潮位时间系列插值得到t时刻的值，隧洞水头损失可根据设计或运行资料给定。拍板门后水位为上一时刻计算的蓄水池水位。

8、蓄水池内水流流场模拟，通过求解三维数学模型中水流连续方程、动量方程及紊动输运方程，模拟蓄水池内水流流场和水位变化过程；

模拟蓄水池内水流流场时，蓄水池水流流场中的计算边界包括：蓄水池入流边界、出流边界和蓄水池自由表面边界；所述入流边界取所述拍板门进流流量，所述出流边界取核电站安全厂用水取水流量，所述蓄水池自由表面边界选取蓄水池水表面和所述气象条件中蒸发和降雨两个源项。

9、计算蓄水池水体自由表面热交换，并将其作为三维数学模型中温度场求解的输入条件；

水体散热主要是通过热交换进行，水体吸收的热量来源于太阳辐射热量和大气辐射热量，水体往外传输热量主要通过水体辐射热量、蒸发热量和对流散热量。计算热通量时气象水文数据由第4步中的气象条件时间系列中插值得到t时刻的数值，蓄水池表面水温值采用上一时间步计算值，各分项热通量计算公式如下：

9.1、辐射热量

包括太阳辐射热量、大气辐射热量、水体向外辐射热量。

水体吸收的太阳辐射热量的计算公式为：

φ_sn＝0.97φ_sc(1-0.65c²)

其中φ_sn为水体吸收的太阳辐射热量，φ_sc为太阳辐射热量，c为云量系数，其中φ_sc选用厂址附近气象站实测值。太阳辐射分为长波辐射和短波辐射，长波辐射热量输入到表层水体，短波辐射会透射到下层，并随水深指数衰减，短波辐射对底层水体温度影响较大，经过调试长短波辐射比例系数均为0.5。

冷却水计算中常用的大气辐射通量计算公式为：

φ_an＝5.15×10^-13(θ+273)⁶(1+0.17c²)

其中φ_an为大气辐射热量，θ为水面上2m高处气温，c为云量。

水体辐射热量计算公式为：

φ_w＝ε·σ·(t_s+273)⁴

其中φ_w为水体对外辐射散热量，t_s为表面水温，ε为水体透明系数，σ为Stefan-Boltzmann常数，σ＝5.67×10^-8。

9.2、蒸发热量与对流散热量

由于本模型计算水域水温与常温水体接近，采用国内计算环境流水温常用的计算蒸发热量的公式(Brady，Grave and Geyer)：

φ_e＝(9.2+0.46·w²)(e_s-e_a)

与之对应的对流散热量公式为：

φ_c＝0.47·(9.2+0.46w²)·(t_s-θ)

式中φ_e、φ_c分别为水体蒸发热量和对流散热量，w为水面上10m高处风速(m/s)，t_s为表层水温，θ为水面气温，e_s为与t_s对应的饱和水汽压力，e_a为空气中水蒸气分压力。

9.3、表面热量交换总量

φ_n＝φ_sn+φ_an-φ_w-φ_e-φ_c

其中φ_n为表面热量交换总量。

10、求解三维数学模型中的温度输运方程，模拟蓄水池内的温度场和安全厂用水取水温度变化过程。

计算时第7步中计算的拍板门进流口为进口边界，进流口水温为第5步中确定的水温时间系列中t时刻的值，自由表面为散热边界，散热量为第9步中计算的值，此外自由表面还有降雨带来的热量变化作为源项处理，安全厂用水取水建筑物一侧为输出边界，水温采用梯度边界，即dT/dn＝0，其中T代表温度，n代表法向方向向量。

11、当t＝tn时，计算结束；当t＜tn时，返回第7步拍板门进流流量计算开始下一时间步循环计算。

输入初始水位与蓄水池实际水位有一定差别，一般计算一个潮周后蓄水池初始水位取值的影响消失。计算起始时间点蓄水池的初始水温与实际有一定差别，对热量计算结果有一定影响，计算时长大于蓄水池内水体完全交换一次所需要的时间时可以消除初始水温偏差影响。同时由于蓄水池内水温峰值相比外海水温峰值出现时间有延后，因此计算时长应比外海极端高水温持续天数延长1～2天至安全厂用水取水温度峰值出现。

如图5所示，是本发明中应用水温预报方法计算的蓄水池水位与实测水位变化过程对比图；如图6和图7所示，是在蓄水池内固定点1和固定点2上水温预报方法计算的水温值与实测水温变化过程对比图；

应用此水温预报方法计算的蓄水池内的水位变化过程和水温变化过程与实测值吻合良好。水位计算曲线与实测曲线的误差在0.15m以内，蓄水池内固定点上的表层水温计算值与实测值平均误差在0.1℃以内，最大误差在0.4℃以内，底层水温计算值与实测值平均误差在0.1℃以内，最大误差在0.2℃以内。底层水温由于变化平缓，预报精度相对更高一些。

如图8所示，水温预报方法可准确计算采用平抑水温装置后的安全厂用水取水温度，预报结果与实测结果间的最大误差在0.2℃以内，满足预报精度要求。使用本方法后，可以根据外海取水口水温值计算出使用潮汐水域核电厂选择性进流平抑水温装置后的安全厂用水取水温度值。

如图9所示预报实例，安全厂用水取水温度计算值在32℃以内，与实际测量值相符，并且符合核电厂冷却水的使用要求。

Claims (10)

1.一种选择性进流水温平抑装置，包括取水建筑物，其特征在于，还包括蓄水池和拍板门进流装置，所述拍板门进流装置和所述取水建筑物分别设置在所述蓄水池的两侧，所述取水建筑物的底部连接有取水涵管。

2.如权利要求1所述的选择性进流水温平抑装置，其特征在于，所述蓄水池包括：一号蓄水池、斜坡过渡段和二号蓄水池，所述一号蓄水池和所述二号蓄水池之间通过所述斜坡过渡段相连接，所述一号蓄水池的底部设计高程为低于所述蓄水池正常运行最低水位5～12m；所述二号蓄水池的底部设计高程为低于所述一号蓄水池底高程0～3m；所述斜坡过渡段坡度范围为不大于1∶5。

3.如权利要求1所述的选择性进流水温平抑装置，其特征在于，所述取水涵管包括：一号取水涵管、二号取水涵管、三号取水涵管和四号取水涵管，所述一号取水涵管和二号取水涵管供一台机组使用；所述三号取水涵管和四号取水涵管供另一台机组使用，所述取水涵管头部的顶部设计高程在蓄水池正常运行最低水位以下4～11m之间。

4.如权利要求1所述的选择性进流水温平抑装置，其特征在于，所述拍板门进流装置包括：一号拍板门进流装置和二号拍板门进流装置，所述一号拍板门进流装置和所述二号拍板门进流装置各设置有2个拍板门，所述拍板门进流孔口底板高程为拍板门前最低进流潮位以下0～2m。

5.如权利要求1所述的选择性进流水温平抑装置，其特征在于：还包括导墙，所述导墙设置在所述拍板门进流装置出口附近，所述导墙的挑流方向指向远离所述取水建筑物的远端，所述导墙为折线形或直线形。

6.一种水温数值模拟预报方法，包括：

选取三维数学模型及求解模式模拟水流运动和水体内的物质输运，所述三维数学模型包括水流连续方程、动量方程、温度输运方程、紊动输运方程；

选取选择性进流平抑水温装置中的蓄水池为模拟计算域，拍板门进流装置和取水建筑物别为进、出口控制边界，在计算域内划分计算网格。

选取一定计算时间段tn内的气象条件和水文条件随时间变化的数值系列，并将其作为所述三维数学模型流场和温度场求解的输入边界条件；

确定与所述气象条件对应的计算时间段tn内拍板门进流口水温随时间变化的数值系列，并将其作为所述三维数学模型中温度场求解的输入边界条件；

以Δt为时间步长，从t＝0开始根据所述三维数学模型模拟蓄水池内流场和温度场变化过程；计算拍板门进流流量并将其作为所述三维数学模型中水流流场求解的边界条件；

根据所述三维数学模型中水流连续方程、动量方程及紊动输运方程模拟蓄水池内水流流场和水位变化过程；蓄水池水流流场的计算边界包括：蓄水池入流边界、出流边界和蓄水池自由表面边界；所述入流边界取所述拍板门进流流量，所述出流边界取核电站安全厂用水取水流量，所述蓄水池自由表面边界选取蓄水池水表面和所述气象条件中蒸发和降雨两个源项；

计算蓄水池水体自由表面热交换并将其作为所述三维数学模型中温度场求解的输入条件，所述热交换数值计算时所采用的气象数据由所述气象条件时间系列中插值得到t时刻的数值；

根据所述三维数学模型中的温度输入方程模拟蓄水池内的温度场，得到蓄水池内的水温空间分布和安全厂用水取水温度变化过程。

7.如权利要求6所述的水温数值模拟预报方法，其特征在于：所述三维数学模型中所采用的所述气象和水文条件是随时间t变化的以时为单位的系列数值，其值采用历史已有的极端高温时间过程或现时的预报时间过程数值。

8.如权利要求6所述的水温数值模拟预报方法，其特征在于：所述计算时段tn的取值大小，与蓄水池容积和取水流量有关，为消除蓄水池初始水位和水温边界条件的影响，计算时段tn应不小于蓄水池内水体完成一次交换的时间，且计算时段应延续至比极端高水温持续天数长1～2天，至安全厂用水取水温度达到峰值为止。

9.如权利要求6所述的水温数值模拟预报方法，其特征在于：所述拍板门进流口水温包括：外海自然水温、核电厂周边海域环境影响和核电厂自身温排水引起的外海取水口温升值。所述拍板门进流口水温中，所述外海自然水温采用所述计算时间段tn内的时间系列过程值，所述核电厂周边海域环境影响及核电厂自身温排水引起的外海取水口温升值随时间t变化过程通过海域温排水数模计算给出。

10.如权利要求6所述的水温数值模拟预报方法，其特征在于：所述拍板门进流为间断单向由外海向蓄水池进流过程，由拍板门进流装置在水压差作用下自动控制，在拍板门前后水位差大于给定正值时有进流，进流流量值是随时间t变化的量，其值由经验公式计算给出，拍板门前后水位差小于或等于给定正值时无进流，进流流量值为零；拍板门前水位为t时刻实测或预报的外海潮位扣除取水隧洞内水头损失后的值，拍板门后水位为上一时步计算的蓄水池水位。

Images