文摘
数值模拟水温的拉普拉塔河河和蒙得维的亚的海湾是使用有限元素的数值模型RMA-10 2 d的垂直整合模式。参与配方的参数的热与大气交换调整使用的测量水体的水温在几个位置。校准模型之后,它被用来代表一个发电厂的操作位于蒙得维的亚的海湾。这个中心将水从海湾也为了冷却发电机和排放高温水湾。的正确表示温度的水摄入量和放电工厂反映了模型能够代表中央的操作。几个分析是研究热羽流的影响排水进水口的发电厂,和对环境变量的影响研究区像电流一样。
1。介绍
国家电力公司(UTE)热电厂在蒙得维的亚,位于蒙得维的亚湾(图1),被称为中央巴特列。这个电厂的水蒙得维的亚湾和排放到海湾的冷凝器降温后再使用它。更准确地说,内部的放电点位于蒙得维的亚端口。
电流在蒙得维的亚湾主要是由风引起的各种速度和方向,这是高度可变的,潮汐,盐度,从一个较小的程度上的楔形的航道。
远场的水温度主要受空气温度和太阳辐射的影响。风也影响其空间变化。在近场热羽流在通道出口的影响主要由出口水温度和流量。出口水温度11°碳14°C以上远场水温度,根据不同的季节。流量和温差电站进水口和放电的修改流模式在这两个领域,因此,影响电流和温度场。
数值模型是简化的数学表示物理系统和过程。一个数值模型可以构造成一个,两个,或按照三维模型主要空间方向的物理过程1- - - - - -3]。在这项研究中,一个三维模型对整个水体将计算挑战。发现一个二维模型对整个水体将妥善解决水平附近水温的变化和远场区域。
一个动态模型用于考虑电流和温度的前提条件。这两个参数是影响长期的物理过程,如风速、方向,热输入。的主要机制的形成激烈的废水是其周围的温度场与周围的水或混合在一起,换句话说,稀释。
研究从电厂冷却水排放到水体已经多年的兴趣(4- - - - - -7]。不仅是重要的理论的研究热排放水的转移和运动,还有巨大的经济价值。没有合适的管理方法,热废物可能不利于周围的水生态健康的地区。
因此,数值模型已经开发了蒙得维的亚湾学习洋流的变化和温度场由于冷却水的进水和排水和识别如果温度水的摄入一些扩展的影响放电加热水的港口。
2。研究区域
乌拉圭位于南美洲的东海岸阿根廷和巴西之间。它有一个面积176215公里2和346万居民。大部分的政治限制水体包括河流、河口、湖泊和大西洋。西南,与阿根廷的极限,位于拉普拉塔河。之间的水体位于34°00′-36°10′南纬55°00′-58°10′西经,南美洲的第二大盆地(3.170.000公里2)在亚马孙(图1)。巴拉那河和乌拉圭河流提供超过97%的大陆进水口的年平均流量22.000米3/ s。其他一些小的河流和小溪排放在拉普拉塔河的沿海海岸。淡水与海水混合创建区咸水水域的拉普拉塔河microtidal河口的行为。流动态拉普拉塔河和海上面前非常复杂,由于地形变化的河流和大陆流动的影响,天文和气象潮来自海洋,和当地的风。水位变化产生的天文潮汐产生的低于风和海浪。
蒙得维的亚位于拉普拉塔河的中心地带,在盐度显示显著的波动作为一个函数的季节,新鲜的水流、潮汐。蒙得维的亚的沿海地区包括几个海滩,硬点,一个大湾(蒙得维的亚的海湾),航道。蒙得维的亚湾是一个巨大的封闭水体和占地面积约12公里2。水深达到5米外湾的一部分,但平均深度是1米到1.5米之间的内在部分。航道约11米深。湾接收市政废水和两个受污染的河流,Pantanoso和Miguelete,多个行业排放。此外,大型热电发电站和旁边的主要炼油厂位于海湾。
3所示。现有的发电厂和操作
建于1930年,电站由不同的单位,根据运行的能源需求。第一单元进入操作被称为第六单元,可以产生125兆瓦的最大功率。当这个单位还不足以满足需求,第五单元,其发电能力达到80兆瓦,是打开的。有时这种操作顺序颠倒;5日派遣的方式,然后6日如果必要的。以来,已运营单位5和6 1970年和1976年,分别。
连续流冷却淡水需要吸收热量从汽轮机冷凝器。进水和排水的电厂流取决于操作时间表,即单位正在运行。第五单元需要冷却流量的3.9米3/ s,而第六单元有一个更高的流量,等于4.4米3/ s。排放点位于南约600米的水摄入量在蒙得维的亚的码头港口。
水下多端口扩散器通常被认为是最有效的手段来处理的快速初始稀释热排放,因为热水是解除许多间隔的港口在高速度,形成紊流射流进入接收水体(见,例如,4])。然而,中央巴特列发电站排放在蒙得维的亚港口通过一个较低的明渠初始混合。排放点的水深约为6米。
电厂政府一直自动监测温度的水摄入量和放电区自2003年以来持续30分钟的时间频率,包括时期工厂关闭。分析进水和排水的温度数据记录在电厂显示了一个行为被(3.1)。冷却水的温度越高,越热输出到湾对于一个给定的流量。电容器的额定热负荷单位代表的平均热量输出电容器单元 在哪里=输出温度的发电厂,电厂=输入温度,A和B是参数。
数据从2003年9月到2007年3月被选中的调优参数调整(3.1植物的不同的操作方案。
的情况下,两个单位(5和6)一起派遣,(3.1)调整考虑进口和出口温度的平均每个单元输入和出口温度,分别。
结果是一组参数a和B的函数操作的图,仅第五单元操作,第六单元操作,和这两个单位合作,在桌子上1一起参数。图2显示了一个示例的调整的温度数据图的操作单元。注意的质量适合在所有情况下获得的。
4所示。材料和方法
的一个很好的描述地形变化和海岸线需要模拟水动力蒙得维的亚湾的细节。此外,由于复杂的流分布沿着海湾的嘴,流的模拟在拉普拉塔河和海上前也需要适当代表湾的水动力。因此,计算域包括嘴的主要支流,其西部边境的巴拉那河和乌拉圭河流,大陆架的大西洋。
有限元模型RMA-10 [8),设计分析系统使用3 d浅水方程,应用。模型的空间密度变化引起的盐度和温度梯度的水动力计算。这使得模型来模拟盐水楔和热羽流等现象。RMA-10之前已经应用于这种研究;见,例如,高德Associates 20019]。
由于海湾的深度很浅,没有分层可以开发,系统也可以被混合。RMA-10是用于垂直平均模式但保持速度的盐度和温度梯度之间的耦合速度场和温度场模型。考虑到限制隐含的深度平均的更深层次的外部区域的一部分拉普拉塔河,结果在这个领域必须认真分析。
4.1。模型描述
模型解决方程组来自雷诺的组合形式的n - s方程,连续性方程的体积,盐度或温度平流扩散方程的运输,和一个状态方程有关的水密度盐度和温度。在笛卡尔坐标系中,控制方程如下:
动量方程
连续性方程
平流扩散方程 和状态方程 在哪里=笛卡尔坐标系统,=在笛卡尔速度方向,=,=水压力,=涡流扩散系数,=湍流涡系数,=重力加速度,=水密度,=外力组件,=盐度、=温度,=盐度的源/汇/温度。
的基本方程,以适当的边界和初始条件,使用有限元素法集成数值。垂直分量的动量方程简化后静压近似,因此其垂直整合决定了压力场,,反过来,取代的横向压力梯度水平分量的动量方程。水平turbulence-closure方案用于动态组涡流粘度在运输中的动量方程和水平扩散系数方程。Smagorinsky方法描述水平涡流粘度和扩散系数系数使用mesh-element速度梯度和地区的泛化混合长度表示为这些条款。模型还维护一个热预算为每个元素,占热量输入和损失。这些热量预算包含净短波输入,长波辐射、长波辐射,蒸发和传导与大气。可以找到更详细的模型描述(10,11]。
模拟温度分布,有必要考虑通过水面热交换。这种交流包括辐射传输和扩散过程。上表面边界条件是制定与热通量。RMA-10州这个条件根据以下公式: 在哪里=热通量(KJ / m2人力资源),=传热系数(KJ / m2人力资源°C),=水表面温度(°C),=平衡温度(°C)。平衡温度和传热系数(BTU /英国《金融时报》2dia°F)是由以下表达式: 在哪里=平衡温度(°F),=短波净太阳辐射(BTU /英国《金融时报》2dia),=露点温度(°F),=经验风速的函数(BTU /英国《金融时报》2天mmHg) (),= 2米风速温度的函数(毫米汞柱/°F)
4.2。模型的实现
图3(爆发)显示水平配置使用的有限元网格,和图3(右上)显示了一个网格细节在蒙得维的亚湾。这是结构化的基础上一个东西和南北坐标系统。图显示了三角形网格有限元素。网格大小取决于所需的精度在域的不同部分。总共有7462个元素和15526个节点,与元素大小范围从10公里的海洋边界50米内湾。
域的深度测量法是由映射信息从拉普拉塔河的航海图表和大陆架。图3(下)显示的细节蒙得维的亚湾的深度测量法。它清楚地显示了最深处对应端口,洛杉矶Teja频道,防波堤。
模拟了考虑河道流量的颞可变性,潮汐、风。水面高度开放边界条件的规定。输入流分离的两个部分,一个的乌拉圭和巴拉那河Guazu河流和第二个的Parana-Las帕尔马斯河。每日数据从阿根廷水资源研究所(INA)使用以及风速和风向在蓬布拉瓦车站记录。常量值指定为35 ppt盐度的海洋边界,和一个恒定的水温20°C是应用于水边界,河流和海洋。流的贡献从Miguelete Pantanoso流也认为通过意味着平均的规范值,0.54米3Pantanoso和1.593米/秒3Miguelete / s。
此外,热模需要冷却水进口和出口管信息流速影响近场流循环条件:电厂冷却水出口温度的通道,与流率,确定排放热量的数量和近场热扩散、蒸发系数(A和B)对整个水面积来确定大气热量损失,冷却水的身体和云层的高度来计算太阳的热量输入,和干、湿球气温计算水面和大气之间的热交换。从气象台气象时间序列得到的布拉瓦,由海洋、水文和气象服务的军队(SOHMA)。
4.3。模型校准
在这项研究中使用的方法校准RMA10模型与模拟的结果和实地测量尽可能观察通过调整参数要求校准在可接受的范围。
模型校准过程总结如下。(我)第一步是调整曼宁的值校准水动力模型和弥散系数(涡流粘度)校准盐度运输。(2)第二步调整一些常量校准热模块远场的水温。(3)第三步是校准的模型电厂摄入量和放电。
4.3.1。水动力校准
模拟进行确定水面高程,电流,和大陆的盐度场相互作用产生的河道流量的潮流进入海洋,风,和盐度梯度。大气的热量交换和电厂的操作引起的温度场是不包括在这个阶段。
盐度向上仿真进行了从2003年8月到2004年1月。校准周期是2004年2月和3月,验证是对2004年4月完成的。水动力执行校准比较模型与水动力数据结果。水面高程的比较,每小时记录水面水平在车站的鸽子,蒙得维的亚,殖民地,布宜诺斯艾利斯。电流的比较是基于测量的速度表现在两点蒙得维的亚海岸。他们获得使用当前分析器(ADCP)声。没有可用的盐度数据在仿真时间。然而,盐度是校准前研究[11]。测量站的位置呈现在图4。
4.3.2。热校准
水温的变化域建模包括交换与大气。以下信息需要在这一步:蒸发系数(A和B)来确定热损失的大气、云层计算太阳的热量输入湾和干、湿球气温计算大气的热量交换。
热模型校准调整是由两个参数。一个是大气衰减因子代表大气的拦截能力的一些太阳辐射穿过它,和第二个参数是一个太阳能消光系数代表的速度减少吸收的辐射水深度增加。比较这些参数测定的温度登记和计算模型的两个控制点,在测量模拟期间可用。一组数据对应的数据收集气象台的一天两次的布拉瓦,和第二个对应于收集的数据输入通道的发电厂在蒙得维的亚湾。仿真时间,2004年2月1日至3月15日,是故意选择在电厂的并没有在工作(这样的测量温度湾电厂不受影响的数据)。站的位置呈现在图4。
校准后,45天的2004年冬季模拟(2004年7月20日至8月20日)来评估模型的能力代表期间温度场温度更低的用于校准。观察到的一个精确的表示温度控制点在验证期间允许我们来验证模拟变量的调整。
4.3.3。电厂校准
最后,模型校准有关电厂收入和放电。现有的条件在蒙得维的亚湾电厂模拟实际使用流量数据。流量取决于电容器单元和泵的操作。正如我们上面提到的,第五单元需要流量的3.9米3/ s,第六单元4.43/秒,两个单位一起总水量8.33/ s。
RMA-10模型可以模拟电厂冷却水循环使用。放电的模型计算水温根据摄入的水,流和植物的力量。然而,正如我们上面提到的,植物的收集的数据表明,植物中热量交换依赖于进气温度和水流。所以,制定包括在RMA-10取代了配方得到的数据(3.1参数表中给出1)。
选中的校准周期延长从3月19日到7月16日,2004年。在此期间,电厂运行几乎不间断的虽然与交流计划的单位派遣。
模型验证与比较的水温建模和测量发电厂排放区域。由于温度变化之间的海湾温暖和寒冷的季节,时间代表的季节都是模拟的。
4.4。模型的应用
模型校准和验证之后,几个分析是研究热羽流的影响排水进水口的发电厂,和对环境变量的影响研究区像电流一样。3月19日至7月16日,2004年,被模拟。在那段时期,电厂工作几乎没有中断虽然用不同的操作方案。
为了评估的影响电厂冷却水排放对环境,模拟了两次:一个与电厂操作和第二个电厂。
温度差异的仿真植物开启-关闭的工厂()计算确定矫揉造作的程度由工厂排放的温度在海湾和植物水的摄入量。因此,温度升高的时间频率和空间分布进行了分析。
几个控制点被定义在海湾和端口,包括植物的进水和排水,为进一步分析结果的模型(图3)。点位于水摄入的植物,和B点代表电厂的流出。点E、F、G、K, J,位于港区和L, C和D都位于接近电厂的摄入量,H和我靠近港口区域,和M, N, O和P位于远离发电厂的流出。
分析生成的摄入量和外流的影响电厂水动力场,定向电流频率分布仿真计算,与植物。定向分析是考虑到8航海的方向。均值和最大速度值为每个控制点的仿真计算。
5。结果
5.1。模型校准和验证
5.1.1。水动力校准
校准过程后,发现水动力模型准确地代表了时间的水位变化和电流。作为一个例子,图5(一个)水位测量和建模提供了一个比较表面拉普拉塔河的四站。结果表明,模型结果复制记录水位的时间变化,特别是在蒙得维的亚区域。此外,模型之间的比较和观察到的速度呈现在图5 (b)。结果再次显示一个好的协议。
(一)
(b)
5.1.2中。热校准
的比较的测量和建模的温度时间2004年2月至4月在蓬布拉瓦站呈现在图6。这表明该模型再现了一般行为和观察到的主要波动温度。例如,在2月和3月的月,测量通常介于21°C和25°C之间,以及22°C之间的模型表示的温度和24°C。它进一步指出,在3月,气温降低,和模型繁殖行为。图7显示的比较的测量和建模的温度点电厂取水。这表明模型再现了温度模拟期间,也显示水温的日常周期。在一些天,有差异的测量温度和从模型获得,但一般不超过4°C。
(一)
(b)
结果在验证阶段的热模型(图8)表明,在不改变模型参数,温度建模的质量维护,繁殖水温变化拉普拉塔河沿海地区和在蒙得维的亚湾。
(一)
(b)
5.1.3。水动力验证
在第二次校准步骤,加上温度验证了动态模型。表面水位和水流计算与模型与观测值进行了比较。结果显示(图9),水动力模型观察和建模数据之间保持良好的协议。
(一)
(b)
(c)
5.1.4。电厂的验证
大多数时候,电站使用5日和6日单位同时操作。使用参数,操作计划,电站的良好表示温度对放电的影响与模型得到。例如,数据10和11显示温度测量和建模的比较两个时期的单位都是跑步。模型正确地再现了进水温度的整体行为,在放电,在温暖个月气温是20°C和25°C之间,就像在寒冷的几个月的6月和7月的平均温度在海湾的价值15°C。
图12显示测量和建模之间的对比温度的水摄入量和流出工厂只有第五单元操作,和图13显示了相同的比较,但在第六单元操作。这两种情况下表现出良好的表示模型的水温与植物相关的区域。
羽流温度附近的卸货区和摄入量和流出的电流产生的植物提出了数字14和15。这些图像显示不同时间拍摄对应不同季节和电厂操作方案。他们清楚地表明摄入的面积和排出的水从工厂更高的水温和流量强度在放电区域,目前的港口直接摄取植物区。
(一)
(b)
(一)
(b)
5.2。电厂的摄入量和放电效应
5.2.1。影响放电的摄入量水温
图16显示水温的时空变化与电厂的摄入量计算植物打开和关闭。这表明计算值是不同的在这两种场景中,这意味着温度的水摄入量电厂排放的影响。温差的频率分布对应控制点位于进水口附近显示,26.5%的时间,温度增量小于0.2°C, 53.7%的时间,它是小于0.6°C,和70.7%的时间小于1°C(只有29.3%的时间温度增量高于1°C)。这个结果是非常重要的,因为它可以改变涡轮的工作点,由此而导致的缺乏效率。在仿真期间气温上升的最大价值是2.3°C。
(一)
(b)
(c)
水温度的时间演化动力装置打开和关闭的直方图在数据点提出了H和J17和18,分别。值得注意的是,有一个更大的对水温的影响港口地区的点所代表的J比外面的区域代表的H。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
图19介绍了温度增量的剩余价值。这表明温度的平均值增加电厂取水口附近约0.75°C。
5.2.2。影响冷却流的摄入量流出在海湾循环
电厂冷却水摄入量的影响放电的循环模式可以获得比较电流的方向分布两种情况下控制点的发电厂的开启和关闭。发现电厂有更大的影响在点C和D除了摄入和流出点A和b图20.显示点C和D的结果与大多数频繁流动方向朝南的电厂关闭。但是在电厂的情况下打开,北部速度增加频率,反相残留的方向流动。残余流动的结果呈现在图21证实这一发现。
(一)
(b)
(一)
(b)
关于流强度,结果也显示该地区的增长速度与分C和d表2介绍了均值和最大流量强度得到与模型模拟。
最后,图21介绍了剩余流量分布两种情况下(发电厂开启和关闭)。这表明发电厂关闭时,流动方向是从海湾港口,但当电厂,方向是反向流动,流动的港湾。
6。结论
的良好表示时间的温度变化在蒙得维的亚湾得到实现,校准和验证的有限元模型RMA-10在其垂直整合的二维模式。
模型可以正确表示水温在摄入和工厂的排放。比较的结果与电厂开启和关闭模式,可以确定电厂对温度场的影响。
这项工作的目标之一是确定的大小和空间分布产生的热羽流发电厂排放。这个研究显示的计算机模型预测领域的热羽流(或混合区)的温度足够接近的远场值降低温度。利用这些信息,研究表明下面讨论的结论。(我)空间分布。各种模拟执行2004年夏季和冬季的显示空间分布的热羽流是可变的。3月30日,热羽流扩展向北方向,达到植物水的摄入量。在其他场合,如6月17日(图14),羽毛长窄区域的港口。然而,有时,羽也延长超过一公里以外的放电。热羽流的空间分布无疑是受风力影响模式和其他现象(即如潮汐影响。自然发生的来回运动的水导致水位不断变化和速度)。(2)进水温度。研究显示,3月19日至7月16日期间,2004年,28.5%的时间,水的温度达到水摄入量增加至少1°C,而温度的最大值增加模拟期间为2.3°C。
模型模拟提供有价值的信息关于大小、空间分布和位置的热混合区。正如前面所讨论的,大小和空间分布的混合区往往相差很大从一天到另一个。然而,在一般情况下,热羽流的大小延伸到西部,北部和南部的放电点。图19显示了时间平均温度场(从3月19日到2004年7月16日)获得平均瞬时差异获得的温度场与电厂取水口附近。温度升高的平均值是0.75°C。
Discharge-induced混合通常定义为放电柱的领域活跃的混合和稀释水的发生。除此之外,混合变得更被动的或随机的,而羽变得更加分散。考虑到这些特征,模型结果表明,discharge-induced混合通常停止就在西区的码头位于港口和海湾之间,所以,这种基因混合区域局限于一个狭窄的区域附近的放电点。
此外,它是观察到的修改引起的环流模式冷却水的进气流量仅限于热羽流区。然而,发现剩余电流时产生电厂运行表现出非常独特的模式。在这种情况下,流通模式显示了主要从放电区流向海湾和电厂取水。电厂时,循环模式相反,也就是说,从海湾港口。