1-125992

نشريه مهندسي دريــا سال نهم/ شماره 71/ بهار و تابستان1392(15-36)

تحليل ميدان توزيع دما در مجاورت خروجي و ورودي نيروگاه حرارتي ساحلي
(نيروگاه پرهسر)
سيده صفورا صديق مروستي1* ، سعيدرضا صباغ يزدي2 ، امير حسين جاويد3

دانشجوي دكتري فيزيك دريا، دانشكده علوم و فنون دريايي، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد علوم و تحقيقات، تهران؛ safoora.seddigh@gmail.com
دانشيار دانشكده مهندسي عمران، دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي؛ SYazdi@kntu.ac.ir
26045169788644

5364429788644

دانشيار دانشكده علوم و فنون دريايي، دانشگاه آزاد واحد علوم و تحقيقات تهران؛ Ahjavid @gmail.com

چكيده

جانمايي صحيح آبگير نيروگاه جهت عدم آبگيري از آب گرم تخليه شده و در نتيجه افزايش راندمان از مهمترين مسائل در طراحي است. در اين تحقيق مطالعات پخش گرما در نيروگاه پره سر با استفاده از شبيه سازي عددي انجام شده است. نرم افزار NASIRكه تاكنون ماجولهاي متنوع آن براي تحليل كامپيوتري مسائل علمي و صنعتي مختلفي مثل جريانات دريائي و ساحلي و يا جريان ناشي از ورودي رودها، تبخير، چرخش زمين و باد بكار برده شده اند، ميتواند براي تحليل دماي آب در اثر شرايط مختلف زماني و مكاني استفاده شود .اين مدل براي يك نيروگاه نمونه با اعمال شرايط مرزي ورود جريان مناسب و جريان جت خروجي براي پيش بيني ميدان دما در محيط آبي مجاور نيروگاه ارزيابي ميشود. در اين تحقيق آلودگي گرمايي ناشي از نيروگاه حرارتي پره سر با مدل فوق مورد بررسي قرار گرفته است و محدوده اي كه تحت تأثير آلودگي گرمايي قرار ميگيرد با قوانين و استانداردهاي سازمان حفاظت محيط زيست مقايسه مي شود.
اطلاعات مقاله

تاريخچه مقاله:
تاريخ دريافت مقاله: 12/90/1391 تاريخ پذيرش مقاله: 92/50/1392 تاريخ انتشار مقاله: 13/60/1392

كلمات كليدي:
NASIR
نيروگاه ساحلي حجم محدود توزيع دما

Analytical Evaluation of the Thermal Diffusion near the Intake/Outlet of a
Coastal Thermal Power Plant (PARESAR Power Plant)

SeyedehSafoura Seddigh Marvasti1*, Saeed Reza Sabbagh-Yazdi2 , Amir Hosein Javid3

1PhD Student, Faculty of Marine Science and Technology, Science and Research Branch, Islamic Azad University; safoora.seddigh@gmail.com
2Associate Professor, Civil Engineering Department, KNToosi University of Technolog; SYazdi@computermail.net
3Associate Professor, Marine Science Faculty. Science and Research Branch, Islamic Azad Universit; Ahjavid@gmail.com

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Article History:
Received: 11 Dec. 2012
Accepted: 20 Aug. 2013
Available online: 22 Sep. 2013

Keywords:
NASIR
Coastal power plant
Finite volume
Diffusion equations In this study, NASIR program is implemented to numerically simulate the temperature field near the intake/outlet of Paresar thermal power plant and assess the environmental provisions. According to low depth of coastal regions, two-dimensional depth-average governing equations and convection and temperature diffusion relationships are considered and solved by a finite volume method in NASIR program. Coastal boundary condition, currents and out-let discharges of the power plant are considered in the modeling and the performance of the numerical method is estimated in the coastal region near the thermal power plant to assess the excess water temperature. According to the current environmental provisions, the efficiency of the intake/outlet system is evaluated.

مقدمه
شناخت و مطالعه مشخصات جريان در رودخانهها و سواحل درياها يكي از موضوعات مهم است كه در طراحي انواع مختلف سازه هاي مرتبط با آنها و همچنين طرحهاي ساماندهي كاربرد دارد .يكي از مسائل مهم و كاربردي در حوزة جريانهاي با سطح آزاد در سواحل و درياها، مطالعة چگونگي پخش موادي است كه از طريق سازه هاي دريايي وارد آب دريا ميشوند. در اين حالت يكي ديگر از عوامل مهم روي جريان هاي دريايي رفتار سيال با شناوري و اندركنش آن با جريانهاي دريايي است. از جملة موارد مشابه م يتوان به مسأله نيروگاه هاي حرارتي اشاره نمود. در نيروگاه هاي حرارتي، آب گرم خروجي سيستم خنك كنندة نيروگاه توسط كانالي به عمق مورد نظر در دريا منتقل شده و سپس از طريق لوله هاي تعبيه شده تخليه ميگردد و سبب شكلگيري فرآيندي نسبتاً پيچيده از ديدگاه هيدروديناميك ميشود. حل دقيق اين فرايند از چند جنبه مورد توجه است. در وهلة اول به سبب وجود ضوابط محيط زيستي مرتبط با حداكثر افزايش دماي مجاز آب ،اطلاع از ميزان افزايش دماي آب براي برآورده ساختن اين ضوابط مورد نيازاست. در وهلة دوم اطلاع از مكانيزم دقيق برخورد آب خروجي از نيروگاه با آب پذيرنده براي محاسبة دقيق ميزان كاهش دماي آب خروجي نسبت به آب ورودي براي به حداكثر رساندن راندمان نيروگاه، مورد نياز است و از پارامترهاي اصلي طراحي نيروگاه محسوب ميگردد.
مدل سازي آلودگي حرارت در اطراف پخشانندهها هم بصورت دوبعدي و هم بصورت سه بعدي مي تواند صورت گيرد. با عنايت به كم عمق بودن منطقه مورد بررسي در اين مطالعه، معادلات حاكم بر جريان به همراه معادلة انتقال و پخش دما با بكارگيري مدل عددي دو بعدي نرم افزار 1NASIR در صفحة افقي با بهره گيري از روش حجم محدود حل شده و بكار گرفته شده اند[ 1]. در اين تحقيق از آزمايش هاي كه توسط كيم و سيو( 2000) براي مطالعة خصوصيات اختلاط پخشانندة چند تايي انجام شده است استفاده گرديده و جوابها با نتايج آن مقايسه شدهاند[ 2].

مروري بر مطالعات انجام شده
اغلب مقالات موجود در مورد اين موضوع مربوط به مدلسازي عددي است كه در آنها مطالعة آلودگي حرارتي در اطراف يك پخشاننده چند تايي هم بصورت دو بعدي و هم بصورت سه بعدي انجام شده است. در چند سال اخير نگرش جديد به اين موضوع باعث رشد تحقيقات در اين زمينه شده است. همچنين بعضي افراد به صورت آزمايشگاهي در اين مورد كار كرده اند. اما بررسي اين موضوع به صورت اندازه گيري هاي ميداني بدليل پيچيدگي زياد آن ،انجام نشده است.
اكثر تحقيقات انجام شده قبلي را مي توان به چهار دسته كليتقسيم نمود:
1.مدلسازي عددي سه بعدي
2.مدلسازي عددي دو بعدي در صفحة قائم
3. مدلسازي عددي دو بعدي در صفحة افقي
4.مطالعه به روش آزمايشگاهي
در زمينه مدلسازي عددي سه بعدي پلومهاي گرمايي نيروگاهي ،سو( 2001) تحليل عددي در ميدان نزديك با استفاده از نرم افزار سه بعدي كرمكس2 در ميدان دور با استفاده از روش اجزاي محدود (دو بعدي ميانگين عمقي) انجام داده و با داده هاي اندازه گيري مقايسه نموده اند[ 3]. جيانگ و همكاران( 2002)، مدلسازي خروجي هاي خنك كننده آب از ايستگاهي در كانادا را با استفاده از يك نرم افزار سه بعدي با روش تفاضل محدود انجام داده و با داد ههاي اندازهگيري مقايسه نمودند[ 4]. شفيعي فر و همكاران (2006)، مطالعات پخش حرارت در نيروگاه سيكل تركيبي نكا را در ميدان نزديك با استفاده از نرمافزار سه بعدي فلونت3 و در ميدان دور با استفاده از نرم افزار مايك 214 انجام داده اند[ 5]. در زمينه مدلسازي عددي دو بعدي در صفحة قائم و افقي، بوفن و همكاران( 2006)، تحليل عددي به روش تفاضل محدود انجام داده كه مدل سازي آنها در صفحه قايم صورت گرفته است[ 6]. عباس پور و همكاران( 2005)، مدلسازي آلودگي حرارتي در مناطق ساحلي نيروگاه بندرعباس را با استفاده از نرم افزار دو بعدي مايك 12 انجام داده اند[ 7].
رزاقي (1378)، مدل دوبعدي پيشبيني توزيع حرارتي ناشي از نيروگاه اتمي بوشهر را با استفاده از روش تفاضل محدود ارائه داده است[8].
در زمينه مطالعه به روش آزمايشگاهي، مندزدياز و جيركا( 1996)، فلومي با مشخصات طول، عرض و عمق به ترتيب برابر 88/0، 77/0 و02 متر را در يك كانال داراي آب ساكن آزمايش نمودند كه پخشاننده ها بصورت ارابه متحرك است كه در طول كانال حركت مي كند. شيب خط مركزي انواع پلوم و ثبت ويديويي انواع پلومها از جمله پارامترهايي بود كه موفق به اندازه گيري آن شدند[ 9].
كيم و سيو( 2000)، در تحقيقي با عنوان مدلسازي اختلاف آب گرم خروجي از پخشاننده هاي چندتايي مستغرق، فلومي با مشخصات طول، عرض و عمق به ترتيب برابر 53/0، 5/3 و 15متر را با پخشاننده هاي چندتايي كه شامل خروجي هايي در يك جهت و موازي است، را تهيه نموده و كنتورهاي بدون بعد دماي سطحي را در شرايط هاي مختلف رسم نمودند[ 2].

شكل 1- (a) پلوم با انحراف كم( ،b) پلوم با انحراف زياد[ 2]

3- انتخاب روش مدلسازي بر اساس فيزيك پلوم گرمايي
پخش سيال شناور به دو حالت جت منفرد يا پخشاننده صورت م يگيرد. اما همانطور كه در جيركا( 1996) آمده است پلومهاي حاصل از يكي شدن جتهاي منفرد به دو دسته طبقه بندي شده اند (شكل 1) [9].
پلوم هايي كه انحراف آنها كم است( 0.6 <Fa ) و پلومهايي كه انحراف آنها زياد است( 1.0>Fa .( Fa عدد فرود است كه هم به آب محيط و هم به آب جت خروجي مربوط مي گردد:
515103115847

Fa= ua jo13 (1)

ua سرعت جريان در كانال و oj شار شناوري در واحد طـ ول اسـتكــــه برابــــر اســــت بــــاjo = uogo′B ، در ايــــن رابطــــ هgo′ = g(ρo −ρa)/ρa شــتاب جاذبــه مــؤثر اســت كــه در آنρ چگالي آب سيال خروجي و ρaچگـالي آب داخـل محـيط اسـت .
161546678645

ou سرعت جت خروجي و B عرض معادل پخشاننده است. در هـردو حالت خط مركزي پلوم خط صافي است اما شيب آنهـا متفـاوتبوده و با توابع مختلفـي بـهFa بسـتگي دارد.ايـن موضـوع از ايـنحقيقت ناشي مي شود كه سرعت قائم پلوم ثابت و متناسب بـا 13oj است كه منجر به يك مسير با خط صاف مي گـردد. در حالـت كلـيشيب خط مسير براي پلومي كه با يك جريان محيطي ua منحرف شده است از رابطه زير بدست ميآيد:

dz = uc (2)
dxua

uc سرعت خط مركزي پلوم ،z محور قائم و ua سرعت محـيط درجهت افقي است.
2907768231652

براي حالت منحرف شده ضعيف سرعت خط مركزي پلوم متناسـببا 13oj و شيب خط بصورت زير است:

96013100518

dz = c1 jo1/3 (3)
dxua

كه با توجه به رابطهFa م يتوان نوشت:

dz = c1c1 = 0.36 (4)
dxFa
و در حالتي كه پلوم انحرافش زياد است، سرعت خط مركزي برابر است با:

40538525648

jo 12 uc =( ) (5)
ua

به همين ترتيب شيب خط برابر است با:

609767203

dz = c322c2 < 0.24 (6)
dxFa

در نيروگاه پره سر خروجيها مطابق شكل 2 از 4 دريچه به عرض 9/0متر و ارتفاع 2/1 متر تشكيل شدهاند.

شكل 2- دريچه هاي خروجي آب نيروگاه

براي محاسبه عرض معادل پخشاننده( B) لازم است كه سطح پخشاننده هاي منفرد با يك شكاف طولي معادل شوند بدين منظور سطح كل خروجي (A) بايد بر طول پخشاننده( L) تقسيم گردد تا عرض آن( B) بدست آيد. بنابراين 4.32 = 0.9××4 1.2 =A و
0.635B = =A خواهد بود.
L
اگر با توجه به روابط، پارامتر بدون بعدFa را براي منطقة پـره سـر
74676018272

2074164230101

ب ا ف رض س رعت جري ان مح يط ua = 0.1 m s و س رعت ج ت خروجــــــــــي uo = 5 m s محاســــــــــبه شــــــــــود،0068. = 0635.×0021.×5 = oj و 0.24 = 006813. 0.1 =Fa خواهــد شد. در اين حالت، چون مقدارFa از 6/0 كوچكتر اسـت. لـذا پلـومگرمايي حاصل در منطقه پره سر در دسته اول يعني پلوم هـايي كـهانحراف آنها كم است، قرار ميگيرد.
با توجه به شكل 3، ميتوان محدودة ميدان نزديك را بدست آورد .
با توجه به اينكه مقدار Fa براي منطقه 42/0 محاسبه شده است و همچنين با توجه به عمق منطقه كه 5/5 متر مي باشد ميتوان مقدار x را برابر 76/3 متر بدست آورد و دو برابر اين مقدار همان برابر 33/7 متر محدودة ميدان نزديك است كه در اين محدوده دما روي جريان تأثير مي گذارد و ماهيت سه بعدي دارد و بعد از اين محدوده ديگر دما روي جريان تأثير ندارد و جوابهاي دوبعدي قابل قبول است.

شكل3- محاسبة محدوده ميدان نزديك در اطراف خروجي نيروگاه پره سربا توجه به شكل پلوم

با توجه به اينكه محدودة ميدان نزديك (حدود 7 متر) نسبت به ابعاد منطقه در مدلسازي (حدود 5 كيلومتر در 7 كيلومتر) اندك است، از اثر ميدان نزديك صرفنظر ميگردد و در ميدان دور جريان دو بعدي با لايهبندي حرارتي وجود دارد.
بطور كلي فرآيند پخش دما در نزديكي پخشاننده ها بدليل خروج آب بصورت جت تلاطمي كه داراي سرعت و دبي بالا بوده و همچنين بدليل گرمتر بودن آن كه باعث اختلاف چگالي ميگردد ،گراديان سرعتها و نيز گراديان چگالي در پلان و در عمق بسيار شديد بوده و نمي توان از جريان هاي چرخشي در عمق و پلان صرفنظر كرد بنابراين رفتار حاكم بصورت سه بعدي است. علاوه بر آن باد و جريانات دريايي نيز از عوامل تاثير گذار برالگوي پخش دما در اطراف خروجيها مي باشند، از طرفي مدلسازي اين محدودة وسيع بصورت سه بعدي نيازمند زمان اجراي زياد براي مدل ها بوده و داراي هزينة محاسباتي زيادي است. براي حل اين مشكل يكي از تكنيك هاي متداول، تفكيك محدودة مورد مطالعه به دو بخش جدا از هم يعني ميدان نزديك و ميدان دور است. از آن جايي كه تئوري حاكم بر اين دو محدوده متفاوت بوده و تحليل اين دو محيط ،فرضيات مختلفي را مي طلبد نحوة حل آن ها نيز متفاوت خواهد بود .در اين تكنيك حل دقيق تر سه بعدي در ناحية نزديك به خروجي انجام مي شود و بعد از كاهش ماهيت سه بعدي جريان محدودة تحت بررسي كه معمولاً محدودة بسيار بزرگتري است به روش دو بعدي كه از نظر محاسباتي داراي راندمان وسرعت بالاتري است انجام مي پذيرد. در اين مطالعه با توجه به اين نكته كه تعداد المان هاي اندكي در محدوده ميدان نزديك قرار مي گيرند و تعدادآنها در مقايسه با تعداد المانهاي محدوده ميدان دور بسيار كمتر است از اثر اين محدوده صرفنظر كردهايم و كل ميدان حل را بصورت دو بعدي و با استفاده از حل ميانگين عمقي مدلسازي كرده ايم. همچنين با توجه به بررسي پارامتر بدون بعدFa و تشخيص شكل پلوم گرمايي به اين نتيجه ميرسيم كه ميتوان منطقه مورد مطالعه را به دو محدوده ميدان دور و نزديك تقسيم بندي نكرد و كل محدوده را بصورت دوبعدي مدلسازي نمود.

4- معادلات ميانگين عمقي5
معادلات ميانگين عمقي پايستگي حجم6 و معادلات تراكم ناپذير7 جريان آب به همراه معادله پخش-انتقال8 حرارت در مدل حاضر بكار گرفته شده است. معادلات حاكم بصورت برداري به شكل زير نوشته شده است:

11938717340

∂∂ c∂ c∂ d∂ d

S
hv hu 
2 h 
Gc =huvhv 2o c hu  ,W =hu 
hvT  ,F =huv hvhT
huT 
0qz

hνh ∂∂uy − gh ∂η+ hvfcx −τbxw +τρwxw 
∂xρ
1345699-77743

d S = (7)
1970539100773

600457-252794

G =hνh ∂v − gh ∂η−hufcy −τby +τwy 

∂y ∂yρw ρw 

hνTh ∂T Sc

∂y 
0

∂u 
600456-14580



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید