CN104751252A - 利用实测表面散热系数进行滨海电厂温排水预测的方法 - Google Patents
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Abstract
利用实测表面散热系数进行滨海电厂温排水预测的方法属于环境工程领域，尤其是在现场进行滨海温排放区气象观测并获得表面散热系数的方法。具体包括：收集气象观测数据；建立研究区域水动力模型；解算测量时段内的温排水表面散热系数序列；将温排水表面散热系数序列带入水动力模型的温度输运方程；对电厂温排水影响范围进行预测。本发明的优点在于：提供了一种新的实测表面散热系数的方法；利用实测表面散热系数进行滨海电厂温排水预测的方法；本发明同时提供了表面散热系数测量装置。
Description
技术领域
本发明利用实测表面散热系数进行滨海电厂温排水预测的方法属于环境工程领域，尤其是在现场进行滨海温排放区气象观测并获得表面散热系数的方法。
背景技术
近年来随着滨海核电站、火电站的兴建，电厂温排水排入近岸海域，使得海洋热污染问题逐渐突出，同时电厂取排水布置的合理与否也决定着电厂投资和运营费用。目前，比较成熟的用于热(核)电厂温排水的环境影响评价方法有现场实测、物理模型试验和数值模拟计算。数值模拟方法以其成本低、周期短而倍受电厂建设单位和设计单位青睐，目前通常在电厂初可、可研究阶段基本上是通过温排水数值模拟方法来进行电厂取排水口优化的。在预测温排水输移扩散的方法中，由于滨海电厂基本位于水深较浅的沿岸，温排水二维模型能较好地反映温排水的平流、扩散和累积等效果，能模拟计算水面热量损失的影响，理论基础和计算方法相对成熟，工程应用中最为普遍。
用海水冷却的滨海电厂只要发电机组不停止运行，温排水则一刻不停地将大量余热排入受纳水体，使得受纳水域局部水温升高、水质产生变化、水中生物的生长受到影响，如果情况继续恶化，可从根本上、整体上改变水生生态系统的结构和功能，我国目前尚未制定明确的温排水监管规定和接受准则，我国《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)和《海水水质标准》(GB3097-1997)对温排水引起的温升作了限值规定，对于拟建的用海水冷却的滨海电厂,如何准确的模拟预测将要建设的电厂温排水影响范围则显得至关重要，除了要对拟建电厂附近海域水动力状况较为准确的模拟外，对温排水数学模型及相关参数的较为合理的选取对温排水的计算结果影响极为重大。目前常用水面综合散热系数取值主要是参考国内外学者在实验室中获取的经验公式和经验参数，由于实验室与滨海电厂现场实际环境状况相差较大，如何用准确选取现场气象观测数据下水面综合散热系数对滨海电厂温排水数值模拟结果准确度的提高有非常实用的价值。对决定温排水计算结果正确与否的水面综合散热系数的取值是否合理、与拟建电厂的水文气象条件是否适宜的相关研究则显得非常薄弱。
发明内容
本发明的目的在于提出利用实测表面散热系数进行滨海电厂温排水预测的方法，弥补现有方法的不足。
具体而言本方法包括以下步骤：
1、收集研究区域附近的地形、观测海洋水文数据，获取现场气象观测数据；
所述的获取现场气象观测数据为：利用自记式小型气象站获取，采样频率为1次/s；
所述的自记式小型气象站采样数据包括：空气温度、空气湿度、光照强度、风速、雨量、大气压力、蒸发量；
2、利用上述资料建立研究区域水动力模型；
3、通过电厂温排水温降过程解算测量时段内的温排水表面散热系数序列；
4、将3中的温排水表面散热系数序列带入2中水动力模型的温度输运方程；
5、对电厂温排水影响范围进行预测。
所述的步骤3通过电厂温排水温降过程解算测量时段内的温排水表面散热系数序列，具体步骤包括：
3A，将表面散热系数测量装置放于研究区域拟建或已有的温排放口半径2km以内,空旷开敞区域；发明人发现当距离远于2km时，装置所处位置代表性降低，会影响测量精度；实施时，在半径2km范围内寻找利于装置固定的位置即可；
3B，对于已建的温排放口，测量距离温排放口2km～5km处的海水水温；
具体方法为：在距离温排放口2km～5km范围内，在水面下0.5m位置设置一个连续水温观测点，连续观测26h获取最低水温作为本底水温；
对于拟建的温排放口，测量距离温排放口2km内的海水水温；
具体方法为：在距离温排放口2km范围内，在水面下0.5m位置设置一个连续水温观测点，连续观测26h获取最低水温作为本底水温；
3C.将表面散热系数测量装置充入温水，具体充入温水如下所述：
对于已建的温排放口，直接在温排放口200m范围内取水充入表面散热系数测量装置；
对于拟建的温排放口，冬季(12月1日-次年2月29)，充入比本底水温高12～15摄氏度的海水；夏季(7月1日～9月30日)，充入比本底水温高8～10摄氏度的海水；其他时间，充入比本底水温高10～12摄氏度的海水；
上述充水量均达到箱内水深55cm；
3D.将表面散热系数测量装置观测时间设置为6～13h，其中高精度连续自记水温计采样频率设置为7次/s测温；高精度连续自记水温计采样所得数据进行时间平均，平均时长为1s；将8个高精度连续自记水温计时间平均后数据按照体积加权法进行空间平均；
3E.利用公式解算测量时段内的温排水表面散热系数序列，发明人经过反复试验和推导，得出上述公式，公式中：Ks为表面散热系数(J/(m2s))，Tn+1为t＝n+1时刻的温度(℃)，Tn为t＝n时刻的温度(℃)，Δt为计算时间步长(s)，ρ为水的密度(kg/m3)，Cp为水的比热(J/(kg℃))，Hn为t＝n时刻的表面散热系数测量装置水深(m)；
发明人在试验中得出，以上公式中Δt的取值范围为600s～3600s，其中最优值为600s；若计算时间步长Δt小于600s则每时间步长的温差(Tn+1-Tn)与表面散热系数测量装置测得的温度误差比较接近，造成Ks值波动较大，计算所得的Ks值会产生明显错误；若计算时间步长Δt大于3600s则其计算结果过于粗糙，不能反映整个温降过程中的表面散热系数变化规律。利用该公式和相应的取值范围算得温排水表面散热系数序列能够反映真实散热情况。
所述的表面散热系数测量装置包括：箱体、8个高精度连续自记水温计、电池、4台自记水位计；
所述的箱体为绝热材料制作，内径尺寸为118.4×46.4×58cm3(长宽高)，所述的绝热材料的导热系数小于0.006W/(mK)；
所述的8个高精度连续自记水温计固定箱体长边两段，每端固定4个，间距16cm，最下一个与箱底接近，最上一个与箱口接近；4台自记水位计置于箱体四角；
所述的箱体底面外侧四角设置调平螺栓。
本发明的优点在于：
1、提供了一种新的实测表面散热系数的方法；
2、利用实测表面散热系数进行滨海电厂温排水预测的方法
3、本发明同时提供了表面散热系数测量装置。
附图说明
图1本发明拟建电厂温排放口附近区域示意图；
图2表面散热系数测量装置俯视示意图；
图3表面散热系数测量装置正视示意图；
图4表面散热系数测量装置侧视示意图；
图5本发明拟建电厂温排水影响范围预测结果示意图；
图6本发明已建电厂温排放口附近区域示意图；
图7本发明已建电厂温排水影响范围预测结果示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例为滨海电厂拟建温排放口，包括以下步骤：
1、收集研究区域附近的地形、观测海洋水文数据，获取现场气象观测数据；
所述的获取现场气象观测数据为：利用自记式小型气象站获取，采样频率为1次/s；
所述的自记式小型气象站采样数据包括：空气温度、空气湿度、光照强度、风速、雨量、大气压力、蒸发量，研究区域图如图1所示；
2、利用上述资料建立研究区域水动力模型，其中包含温度输运方程；
3、通过电厂温排水温降过程解算测量时段内的温排水表面散热系数序列；
4、将3中的温排水表面散热系数序列带入步骤2中水动力模型的温度输运方程；
5、对电厂温排水影响范围进行预测。
所述的步骤3通过电厂温排水温降过程解算测量时段内的温排水表面散热系数序列，具体步骤包括：
3A，将表面散热系数测量装置放于研究区域拟建温排放口点1半径100m位置,空旷开敞区域，试验点3处；
3B，测量拟建温排放口点1处10米范围内的海水水温，该点作为本底水温点2；
具体方法为：在本底水温点2处，水面下0.5m位置设置一个连续水温观测点，连续观测26h获取最低水温作为本底水温，所获得的本底水温为18.4756摄氏度，测量时间为4月23日-4月24日；
3C.将表面散热系数测量装置充入温海水，充入海水后表面散热系数测量装置中测得的温度为29.3998摄氏度，比本底水温高10～12摄氏度，充水量达到箱内水深55cm；
3D.将表面散热系数测量装置观测时间设置为12h，其中高精度连续自记水温计采样频率设置为7次/s测温；高精度连续自记水温计采样所得数据进行时间平均，平均时长为1s；将8个高精度连续自记水温计时间平均后数据按照体积加权法进行空间平均；
高精度水位计的温度计算最终获得一个温度时间序列，计算过程及结果见下表所示，根据图2，图3，图4所示，其中在垂直方向上底部的两个传感器控制体积各为59.2×46.4×10.5cm3，中间四个传感器控制体积各为59.2×46.4×16cm3，顶部两个传感器控制体积各为59.2×46.4×15.5cm3；
相应的温度传感器编号及体积对应表
温度时间序列表
3E.利用公式解算测量时段内的温排水表面散热系数序列，发明人经过反复试验和推导，得出上述公式，利用该公式算得温排水表面散热系数序列能够反映真实散热情况，对于本实施例中第一时段公式表示为：
经上述计算得到以下表面散热系数序列计算表。
表面散热系数序列计算表
| ρ(kg/m3) | Cp(J/(kg℃)) | Hn(m) | Δt(s) |
| 999.97 | 4.18×103 | 0.55 | 600 |
| t(dd:hh:mm:ss) | 平均(℃) | (Tn+1-Tn)℃ | Tn(℃) | Ks(J/(m2s)) |
| 24:10:00:00 | 29.3889 | |||
| 24:10:10:00 | 29.0909 | -0.29803 | 29.3889 | -38.8554 |
| 24:10:20:00 | 28.5102 | -0.58066 | 29.0909 | -76.4785 |
| …… | …… | |||
| …… | …… | |||
| …… | …… | |||
| 25:00:30:00 | 18.84167 | |||
| 25:00:40:00 | 18.74166 | -0.10001 | 18.84167 | -20.3376 |
| 25:00:50:00 | 18.66057 | -0.08109 | 18.74166 | -16.5781 |
| 25:01:00:00 | 18.60998 | -0.05059 | 18.66057 | -10.3876 |
| 25:01:10:00 | 18.5432 | -0.06678 | 18.60998 | -13.7491 |
将以上结果代入步骤2中，得到电厂温排水影响范围预测结果如图5所示。
所述的表面散热系数测量装置包括：箱体、8个高精度连续自记水温计、电池、4台自记水位计；
所述的箱体为绝热材料制作，内径尺寸为118.4×46.4×58cm3(长宽高)，所述的绝热材料的导热系数小于0.006W/(mK)；
所述的8个高精度连续自记水温计固定在箱体长边两段，一端自上至下编号为：TSU1，TSM3，TSM5，TSD7，另一端自上至下编号为：TSU2，TSM4，TSM6，TSD8；
所述的TSU1处于顶部，其中心距水面7.5cm；所述的TSM3，TSM5处于中部，中心间距为16cm；所述的TSU1，TSM3中心间距16cm；所述的TSM5，TSD7，中心间距为16cm；所述的TSD7处于底部。
所述的TSU2处于顶部，其中心距水面7.5cm；所述的TSM4，TSM6处于中部，中心间距为16cm；所述的TSU2，TSM4中心间距16cm；所述的TSM6，TSD8，中心间距为16cm；所述的TSD8处于底部。
4台自记水位计置于箱体四角L9；
所述的箱体底面外侧四角设置调平螺栓S10。
实施例2
本实施例滨海电厂为已建电厂，包括以下步骤：
1、收集研究区域附近的地形、观测海洋水文数据，获取现场气象观测数据；
所述的获取现场气象观测数据为：利用自记式小型气象站获取，采样频率为1次/s；
所述的自记式小型气象站采样数据包括：空气温度、空气湿度、光照强度、风速、雨量、大气压力、蒸发量；研究区域如图6所示；
2、利用上述资料建立研究区域水动力模型，其中包含温度输运方程；
3、通过电厂温排水温降过程解算测量时段内的温排水表面散热系数序列；
4、将3中的温排水表面散热系数序列带入步骤2中水动力模型的温度输运方程；
5、对电厂温排水影响范围进行预测。
所述的步骤3通过电厂温排水温降过程解算测量时段内的温排水表面散热系数序列，具体步骤包括：
3A，将表面散热系数测量装置放于温排放口半径2km以内,空旷开敞区域；
3B，测量距离温排放口3.5km处的海水水温；
具体方法为：在距离温排放口3.5km处，在水面下0.5m位置设置一个连续水温观测点，连续观测26h获取最低水温作为本底水温；测得的本底温度为2.7686℃；
3C.将表面散热系数测量装置充入温水，具体充入温水如下所述：
对于已建的温排放口，直接在温排放口200m范围内取水充入表面散热系数测量装置，充水后测得温度为18.5120℃；
上述充水量均达到箱内水深55cm；
3D.将表面散热系数测量装置观测时间设置为6～13h，其中高精度连续自记水温计采样频率设置为7次/s测温；高精度连续自记水温计采样所得数据进行时间平均，平均时长为1s；将8个高精度连续自记水温计时间平均后数据按照体积加权法进行空间平均；测得的温度时间序列见下表：
3E.利用公式解算测量时段内的温排水表面散热系数序列，
对于本实施例中第一时段公式表示为：
经上述计算得到以下表面散热系数序列计算表,
| ρ(kg/m3) | Cp(J/(kg℃)) | Hn(m) | Δt(s) |
| 999.97 | 4.18×103 | 0.55 | 3600 |
表面散热系数序列计算表
| t(dd:hh:mm:ss) | 平均(℃) | (Tn+1-Tn)℃ | Tn(℃) | Ks(J/(m2s)) |
| 18:05:00:00 | 18.5120 | |||
| 18:06:00:00 | 17.8002 | -0.7118 | 18.5120 | -24.5543 |
| 18:07:00:00 | 16.8820 | -0.9182 | 17.8002 | -32.9409 |
| 18:08:00:00 | 15.5207 | -1.3612 | 16.8820 | -51.4898 |
| 18:09:00:00 | 14.9206 | -0.6002 | 15.5207 | -24.6949 |
| …… | …… | |||
| …… | …… | |||
| …… | …… | |||
| 18:21:00:00 | 2.9751 | |||
| 18:22:00:00 | 2.9459 | -0.0291 | 2.9751 | -6.2462 |
| 18:23:00:00 | 2.9256 | -0.0203 | 2.9459 | -4.4005 |
| 18:24:00:00 | 2.9057 | -0.0199 | 2.9256 | -4.3437 |
| 18:25:00:00 | 2.8870 | -0.0187 | 2.9057 | -4.1097 |
将以上结果代入步骤2中，得到电厂温排水影响范围预测结果如图7所示。
Claims (4)
1.利用实测表面散热系数进行滨海电厂温排水预测的方法，其特征在于包含以下步骤：
1)收集研究区域附近的地形、观测海洋水文数据，获取现场气象观测数据；
所述的获取现场气象观测数据为：利用自记式小型气象站获取，采样频率为1次/s；
所述的自记式小型气象站采样数据包括：空气温度、空气湿度、光照强度、风速、雨量、大气压力、蒸发量；
2)利用上述资料建立研究区域水动力模型；
3)通过电厂温排水温降过程解算测量时段内的温排水表面散热系数序列；
4)将3中的温排水表面散热系数序列带入2中水动力模型的温度输运方程；
5)对电厂温排水影响范围进行预测。
2.根据权利要求1所述的利用实测表面散热系数进行滨海电厂温排水预测的方法，其特征在于：所述的步骤3)通过电厂温排水温降过程解算测量时段内的温排水表面散热系数序列，具体步骤包括：
3A)将表面散热系数测量装置放于研究区域拟建或已有的温排放口半径2km以内,空旷开敞区域；
3B)对于已建的温排放口，测量距离温排放口2km～5km处的海水水温；
具体方法为：在距离温排放口2km～5km范围内，在水面下0.5m位置设置一个连续水温观测点，连续观测26h获取最低水温作为本底水温；
对于拟建的温排放口，测量距离温排放口2km内的海水水温；
具体方法为：在距离温排放口2km范围内，在水面下0.5m位置设置一个连续水温观测点，连续观测26h获取最低水温作为本底水温；
3C)将表面散热系数测量装置充入温水，具体充入温水如下所述：
对于已建的温排放口，直接在温排放口200m范围内取水充入表面散热系数测量装置；
对于拟建的温排放口，冬季，充入比本底水温高12～15摄氏度的海水；夏季，充入比本底水温高8～10摄氏度的海水；其他时间，充入比本底水温高10～12摄氏度的海水；
上述充水量均达到箱内水深55cm；
3D)将表面散热系数测量装置观测时间设置为6～13h，其中高精度连续自记水温计采样频率设置为7次/s测温；高精度连续自记水温计采样所得数据进行时间平均，平均时长为1s；将8个高精度连续自记水温计时间平均后数据按照体积加权法进行空间平均；
3E)利用公式解算测量时段内的温排水表面散热系数序列，公式中：Ks为表面散热系数(J/(m2s))，Tn+1为t＝n+1时刻的温度(℃)，Tn为t＝n时刻的温度(℃)，Δt为计算时间步长(s)，ρ为水的密度(kg/m3)，Cp为水的比热(J/(kg℃))，Hn为t＝n时刻的表面散热系数测量装置水深(m)。
3.根据权利要求2所述的利用实测表面散热系数进行滨海电厂温排水预测的方法，其特征在于：所述的公式中Δt的取值范围为600s～3600s。
4.根据权利要求2所述的利用实测表面散热系数进行滨海电厂温排水预测的方法，其特征在于：所述的表面散热系数测量装置包括：所述的表面散热系数测量装置包括：箱体、8个高精度连续自记水温计、电池、4台自记水位计；
所述的箱体为绝热材料制作，内径尺寸为118.4×46.4×58cm3(长宽高)，所述的绝热材料的导热系数小于0.006W/(mK)；
所述的8个高精度连续自记水温计固定箱体长边两段，每端固定4个，间距16cm，最下一个与箱底接近，最上一个与箱口接近；4台自记水位计置于箱体四角；
所述的箱体底面外侧四角设置调平螺栓。
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