简要信息

【获奖类型】应用二等奖

【任务来源】江苏核电有限公司

【课题编号】HY201002033734

【课题起止时间】2008年8月～2010年8月

【完成单位】中国水利水电科学研究院

【主要完成人】陈小莉、纪  平、贺益英、袁  珏、赵懿珺、张  强、秦  晓

立项背景

田湾核电站工程位于江苏省连云港市东北方向的扒山头处，与连云港港区相距约6km。电厂规划建设8台百万千瓦级核电机组，其中一期工程2×1000MW核电机组已于2007年投产。核电站一期工程电厂循环冷却水采用隧洞＋暗涵取水方案，相应核电站安全厂用水采用前池取水方案，其补给水源自循环冷却水（前池通过拍板门与暗涵相连）。受港口建设以及核电站后期扩建工程多机组温排等因素的影响，现已运行的1、2号机组安全厂用水温度可能大幅度升高至超出安全限制值，这成为港口、核电扩建工程海工设计的重要控制因素之一。

基于安全厂用水采用前池供水方式，前池水体所特有的水力、热力特性对安全厂用水取水温度可能具有一定的正面影响。核电站现有运行水温资料表明：在连续多天气温升高时段，核电站安全厂用水取水温度一般均低于循环水取水温度，这与一期工程安全厂用水原设计取值（即：安全厂用水取水温度值直接采用循环水取水温度）有明显不同，具有一定的可资利用的潜力。

为更加准确地给出电厂现状一期工程安全厂用水温度特征值，江苏核电有限公司委托我院对此问题开展模拟研究工作，其主要目的是：采用三维数值模拟方式对设计工况下前池水体温度场以及安全厂用水取水温度进行研究，以确定核电站未来8台机运行、港口扩建条件下，以厂区前池作为水源的核电站现有一期工程（1、2号机）安全厂用水取水温度变化情况，为电厂扩建工程设计提供依据。研究成果对于降低后续工程投资、保障电厂运行安全具有重要意义。

详细科学技术内容

本项目所研究的是前池水体循环对以其作为水源的一期工程安全厂用水取水温度的影响，需要研究的问题包括：

（1）前池以拍板门方式进水，拍板门的实际进流情况影响到前池内的水位变化过程。因此正确模拟拍板门进流过程是首先需要解决的问题。

（2）前池内的水温分布变化过程及其与相应的水文气象条件之间有何关系，如何通过数学模型合理反映这些水文气象影响因素是本项目需要重点研究的问题。

（3）在解决前述问题基础上，如何选取合理的水文气象条件，提出有代表性、真实可靠的水温预报结果，是本项目需要解决的最终问题。

针对上述问题本项目采取了原型观测与三维数值模拟相结合的技术路线。研究分为两个子题，具体研究内容、方法如下：

（1） 子题一：一期工程进水前池水温原型观测分析

原型观测选择在夏季不利气象条件下进行，主要工作内容有：

· 由于电厂运行期间并无对拍板门前后水位的长期观测资料，原型观测期间连续24小时逐时观测拍板门前后的水位变化过程，并建立其与电厂进水口和泵房同步监测水位之间的相关关系，以此为基础分析取水系统各段的水头损失，推求其它时段的拍板门前后水位。

· 连续24小时逐时观测前池内各固定点的垂向水温分布、电厂取水隧洞入口前缘的垂向水温分布，以及位于前池末端的安全厂用水取水闸门井内的水温。将电厂取水口的水温和安全厂用水取水闸门井内的水温分别与厂区取水泵房内监测的循环水和安全厂用水取水温度进行比较，校准水泵房内的监测水温值。

· 收集历史已有的厂址气象站和连云港海洋站的观测资料，与原型观测资料和电厂运行监测数据进行比较，分析影响前池水温分布变化的原因和影响安全厂用水取水温度与电厂循环冷却水取水隧洞入口温度产生差异的原因，提取主要影响因子。

（2） 子题二：前池水温数值模拟计算

· 拍板门的进流与门前后水位差有关，在数学模型中嵌入拍板门进流流量与门前后水位差的函数关系，并通过实际观测资料进行率定，验证前池水位波动过程求解的正确性。

· 在模型计算中输入进流水温条件，并施加太阳辐射、温湿度、风场、降雨等各项气象条件时间系列过程以模拟水体表层的热量交换，通过对前池内水温的连续多天模拟确定太阳长短波辐射相关系数的取值和蒸发公式的选取，以及表面风场、降雨等影响因子的合理施加方式。

· 通过模型计算反演连续温升、温降期间的安全厂用水取水温度值的变化过程，以确认模型计算的正确性和稳定性，并印证对影响因素分析的合理性。通过原型观测期间计算和实测的前池内固定点水温分层变化过程比较验证模型对前池内水温三维特性的模拟精度。

· 通过对反演计算条件的分析确定水温峰值出现的条件，提出能有效消除初始水温条件影响并能获得安全厂用水取水温度峰值的模拟时段和时长，确定在历史水文气象条件下预报安全厂用水取水温度的计算模式。

· 对不同水文气象条件、岸线规划和核电站装机容量组合工况条件下的安全厂用水取水温度进行预报，给出不同工况条件下的安全厂用水取水温度值，对前池削减水温峰值的效应进行定量评价。

发明及创新点

（1）依据原型观测和核电站一期工程实际运行资料，分析研究了安全厂用水取水温度和前池内水温分布的主要影响因素，论证并确认了拍板门+前池进流方式对安全厂用水取水温度具有显著的平抑效应。

安全厂用水取水温度的变化受控于隧洞入口水温、拍板门进流情况以及气象因素变化等，其取水温度峰值的出现往往是连续多天拍板门进水水温持续上升和太阳辐射造成前池内水温持续上升的累积结果。前池对安全厂用水取水温度具有削峰填谷作用。与循环水取水温度相比，安全厂用水水温随潮变化规律不明显，取水温度峰值减小，且出现时间有一定滞后。

（2）将EFDC模型进行二次开发成功应用于拍板门+前池进流过程和前池水温分层的模拟。

拍板门仅在外海潮位高过前池水位一定程度时才进水，其余时间关闭，模型成功模拟了其进流过程，计算的前池水位与实测水位吻合良好。前池内的水温受太阳辐射和气温变化而出现昼夜分层变化，模型中全面考虑了太阳辐射、风速、气温和降雨等各种气象条件的随时变化过程，模拟得到的前池内测点的水温变化过程和安全厂用水的取水温度与实测结果吻合良好。

（3）成功地建立了安全厂用水取水温度峰值与循环水厂用水取水温度关联性的预报模式，并提出了适宜的边界条件、计算时段选择原则、方法。

据此进行的模型预报结果表明：在设计极端不利工况、核电站8台机运行情况下，前池削减安全厂用水取水温度峰值在0.4～1.3℃之间，削峰效果显著，据此得出的电厂一期安全厂用水取水温度不超过限制值。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

本项目研究前池水体循环产生的进出水温变化效应，是一个新的课题，类似研究在国内外文献中未见报导。研究所获得的成果具有很强的实用性和推广价值。

本项目采用原型观测和三维数值模拟相结合的方式模拟研究外部复杂水文、气象条件作用下的前池低流动水体内的水温，这在国内外同类研究中属于比较领先的水平。丰富的原型实测资料用于验证三维模型实属难得，更为加深对计算模型的认识，提高预报成果的可信性创造了有利条件。此外，本项模型计算中施加了太阳辐射、温湿度、表面风场、降雨等各种气象因子的逐时变化系列过程，这比一般的水库长期水温过程模拟研究更为精细，模拟难度也更大，计算取得了与实测资料吻合良好的结果，为三维模型在类似水温计算中的推广应用奠定了良好的基础。

成果应用情况及社会经济效益

研究成果已应用于田湾核电后期扩建工程之中，解决了困扰扩建工程的关键问题，节约了大量的改造工程投资。同时，研究成果具有重要的推广应用价值，为今后类似工程问题的研究解决提供了良好、有效的途径。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

（1）成果的提炼和系统化

安全厂用水特殊的“拍板门+前池”这种进流模式带来的削减水温峰值的效应需要进一步提炼和升华。通过进一步观测分析与系统研究，确定前池形状、体积、进出流量等对前池取水温度效应的影响，提出一套可兼顾安全供水、削减水温峰值的安全厂用水前池设计导则、建造模式和水温预报模式，这是成果转化和推广应用需要解决的问题。

（2）后期运行资料的持续验证分析、总结

随着后续工程的建设和气象条件的恶化，田湾核电站一期工程安全厂用水取水温度会逐渐发生改变，不断提取新的运行数据进行计算分析和模型校验，能为工程扩建和安全运行提供新的更准确的依据。同时也可为相应的模拟预报水平的提高提供宝贵的基础资料。