电厂废热扩散研究

摘要：电厂发电过程中有超过一半的输入热量被当成废热排放，因此其废热的大气扩散行为不仅使环境评估的重点项目，也是电厂规划阶段的重要考虑因素。本文回顾比较过去的评估计算方式，并重点对FDS4（Fire Dynamics Simulator， Version 4）的模式进行了深入分析。

关键词：电厂；废热；扩散；FDS4

中图分类号：TU995 文献标识码：A 文章编号：1673-8500（2013）02-0049-01

一、引言

中国在2009年11月26日正式对外宣布控制温室气体排放的行动指标，到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～50%，已作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。

电力工业为了实现“十一五”能源消耗和主要污染物排放总量控制目标实施“上大压小、节能减排”的能源政策，积极鼓励建设大容量、高参数抽凝式热电机组。但是，这一类热电联产机组为保证安全运行必须通过冷却塔向热电厂周围环境排放大量低温废热，该废热数量巨大，可占到机组额定供热量的30%以上。因此，应当对电厂废热扩散模式进行有效的改进，提升废热的利用率。

二、电厂废热扩散模式演进

用于计算电厂废热大气扩散的模式，大致上可分为高斯烟流模式、热平衡模式以及计算流体力学三大类，这些模式都是“开放来源”可自由下载使用，有完善的文件说明，并由政府单位负责持续维护，具有很高的应用价值。

（一）高斯烟流模式

早期国内评估电厂废热的大气扩散模式，大多使用ISCST3模式，这是假设大气对流对“污染物质”的扩散系数，和对“能量”的扩散系数是相同的前提下进行推算的，因此物质质量的混合稀释比例可应用在计算烟流排放单位时间废热（kcal/s），用起除以比热及密度后即为“增温”。近年来由美国环保署所发展的AERMOD模式可以很好的替代ISCST3，这在地面浓度的模拟将会有更好的表现。然而，由于增温并非我国环保法所管制的项目，相关法规并没有建议使用高斯模式来计算增温，且其方程式没有考虑水汽在环境中的变化、热辐射现象、与建筑物的热交换现象等等，因此，现有的理论与实践中均并不鼓励使用高斯模式。

（二）热平衡模式

SACTI模式的发展，主要应对大型电厂的冷却塔。这些冷却塔经常排放大量的水汽，在环境中不能消散，造成能见度技艺环境质量的降低，因此当时的美国电力研究所委托Argon国家实验室环境评估部门，发展能用在不特定厂址的评估模式。基本上SACTI模式是以先进的积分方式，来求得大气扩散方程式的解析解，在烟流的上升高度上，考虑水汽以及液滴重量所造成的漂移现象，且因液滴的形成，烟流中心线会有重力沉降的现象，因此会略低于原来无水汽状况下所推估的高度。这个水汽的模式可以考虑环境中的温度、相对湿度以及水汽中的固体物质而调整其凝结或蒸发的程序。而且因液滴的粒径改变之后的行为，也以弹道轨迹来加以预测。

（三）计算流体力学模式

25年来NIST为应对建筑材质测试及火灾应变相关设施，包括侦温与侦烟感应器、风扇及风量、烟水器的审查，以及火场的事后责任归属的鉴定工作，发展了以FDS4数值模式进行测试的机制。FDS4为2006年3月推出新产品，包括了模式程序码、执行程序以及绘图程序。由于FDS4应用在火灾的计算，因此除了积分奈史流体方程式之外，特别对低风速状况下火灾中的热量传输现象、烟气热扩散现象、水汽的蒸散与凝结等，有很好的处理。

三、FDS4模式简介

FDS4模式为计算流体力学模式，只需输入边界与初始条件，即能自行计算，简述如下。

（一）模式输入项目

1.边界的设定包括了表面SURF、通风口VENT、阻体OBST、孔洞HOLE。

2.大气环境方面的条件设定归类在MISC。

3.其他如模拟范围的网格、时间与初始化（PDIM、TIME、INIT、TRNX）。

4.模拟物质的性质（SPEC、REAC、RADI、PART）。

5.侦测设备、洒水设备、输出控制条件（ISOF、PL3D、SLCF）。

（二）模式输出项目

1.包括模拟时间与空间内的空气的温度、流速、压力、密度，和空气中的二氧化碳、一氧化碳、氮气、水汽、水滴的浓度，以及烟雾与能见度、热量释放率等。

2.固体表面及内部的温度、热通量、燃烧速率、单位面积的水滴数量。

3.所有模拟范围内的总热量释放率、洒水器与侦测器的开关时间、经过开口或固体表面的能量与质量通量（Flux）。

（三）模式的理论内涵

1.几何形状：使用矩形网络，可以接受许多网络系统。

2.边界条件：所有固体表面的热传导特性（温度）都需要给定，固体表面间的质传与热传均采用经验式的估计。

3.气流动力模式：本模式解析的奈史方程式为低流速、适用于热对流计算的版本，特别强调热传导以及烟流的计算。以外显式预测-修正程序予以数值化，对流模式采用LES（Large Eddy Simulation）模式。这种模式已经广泛应用在行星边界的计算上。

4.辐射模式：模式假设所有的气体都是非散光性的“灰色气体”，具有放射与吸收辐射的能力，在特定条件下，可以设成宽频辐射模式，而非灰色气体模式。辐射模式以有限体积法求解，将空间里三成100个固定的辐射角度，在整体模式中花费约15%的计算资源，由于水滴会吸收大量的辐射热，在模块中也有所考虑到，吸光模式采用Mis理论。

5.燃烧模式、侦测与防灾设施。

（四）模式的应用与限制

FDS4已经被广泛应用在任何因为高温所造成的低风速流场与温度场包括密闭与开放的空间，越有半数为火灾防治设计。另外一半为火场重建与鉴定，由于大气环境中需要详细评估温度的议题并不多，因此相关案例较少。FDS4模式在环境中应用的限制如下：

1.流速的限制：排除喷流、爆炸、近音速的流场。

2.方向几何形状：曲线形将会因解析度的限制而有误差。

3.辐射方面的计算：烟气的吸收与辐射系数只是浓度的函数，而非温度的函数。辐射的角度是固定的，对偏远的位置可能会有误差。

4.发火程序、燃烧等火灾方面的限制。

参考文献：

[1]张鹏飞.水源热泵回收电厂循环冷却水废热进行集中供热的探讨[J].科技风.2011，（01）：257.

[2]张京奉.水源热泵回收电厂冷却水废热供热工程实例[J].煤气与热力.2008，（06）：14-15.