Ứng dụng mô hình mike 21fm đánh giá tác động của nước xả từ nhà máy nhiệt điện thăng long đến khu vực lấy nước

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 56-66 Ứng dụng mơ hình MIKE 21FM đánh giá tác động nước xả từ nhà máy nhiệt điện Thăng Long đến khu vực lấy nước Đặng Đình Đức1,*, Trần Ngọc Anh1,2, Trần Ngọc Vĩnh1 Trung tâm Động lực học Thủy khí Mơi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Khoa Khí tượng Thủy văn & Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Nhận ngày 08 tháng năm 2016 Ch nh s a ngày 26 tháng năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 12 năm 2016 Tóm tắt: Hiện có nhiều nhà máy nhiệt điện xây dựng nước, đặc biệt t nh có sẵn nguồn tài nguyên than đá Quảng Ninh, Thái Bình hay Ninh Thuận Việc nghiên cứu đánh giá lan truyền nhiệt cho nhà máy thực cần thiết nhiệt độ nước làm mát gây ảnh hưởng trực tiếp đến công suất nhà máy Bài báo thực nghiên cứu đánh giá lan truyền nhiệt tác động nước xả nhà máy nhiệt điện Thăng Long Trong thiết kế nhà máy [1, 2], đường ống xả nước nóng nhà máy đặt thượng lưu sơng Mằn, c a hút nước làm mát lại đặt hạ lưu sông Mằn – khu vực Vịnh C a Lục Vì vậy, nhóm nghiên cứu thực tính tốn đánh giá tác động lan truyền nhiệt phương pháp mơ hình hóa Nhóm tác giả s dụng cơng cụ MIKE 21FM kết hợp với thực địa khảo sát đo đạc yếu tố địa hình, thủy hải văn khu vực nghiên cứu Với biên độ nhiệt chênh lệch nước hút nước xả nhỏ 8oC coi bất lợi hiệu suất nhà máy, kết tính tốn cho thấy dịng nước nóng xả thượng lưu sông Mằn gây ảnh hưởng trực tiếp tới nhiệt độ nước vị trí c a hút, đặc biệt vào mùa hè triều rút Số lượng nước vị trí c a hút vượt ngưỡng tháng cao 153 vào tháng VII Từ khóa: Mike 21FM, lan truyền nhiệt, nhiệt điện Giới thiệu chung lại việc vận hành nhà máy vị trí c a lấy nước nằm khu vực ảnh hưởng Vấn đề đánh giá tác động môi trường từ nước xả đề cập nhiều nghiên cứu yêu cầu bắt buộc để xây dựng cơng trình Trong báo sâu trình bày khía cạnh tác động tới thân vận hành nhà máy Ví dụ Nhà máy nhiệt điện Thăng Long điển hình để làm tốn mẫu cho nhà máy nhiệt điện khác Theo thiết kế, nhà máy nhiệt điện Thăng Long (xã Lê Lợi, huyện Hồnh Bồ, Quảng Ninh) có vị trí c a xả nước nóng thượng lưu cầu Đá Trắng (trên sơng Mằn) c a hút nước phía 1.1 Đặt vấn đề Lan truyền nhiệt môi trường nước toán quan trọng thiết kế xây dựng cơng trình xả thải nước nóng mơi trường nói chung, nhà máy nhiệt điện nói riêng Nguồn nước nóng khiến nhiệt độ nước khu vực xả tăng lên kéo theo thay đổi môi trường đồng thời tác động trở _  Tác giả liên hệ ĐT.: 84-973758049 Email: dangduc@hus.edu.vn 56 Đ.Đ Đức nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 56-66 hạ lưu so với c a xả (gần khu vực luồng chính) [1, 2] Khoảng cách c a xả c a hút ch khoảng 2, km (theo đường sông), khoảng cách không xa, kết hợp với điều kiện thủy triều khu vực có biên độ lớn Do nguy khu vực c a hút chịu tác động dịng nước nóng xả nhà máy triều rút Hiện tượng tích nhiệt khu vực c a hút vấn đề liên quan trực tiếp tới công tác vận hành nhà máy, ảnh hưởng lớn tới hiệu suất làm việc 1.2 Khu vực nghiên cứu Dự án Nhà máy Nhiệt điện Thăng Long 600MW xây dựng xã Lê Lợi, nằm phía Đơng bắc huyện Hồnh Bồ, t nh Quảng Ninh (Hình 1) Thủ tướng Chính phủ cho phép đầu tư theo văn số 26/TTg-CN ngày 05 tháng 01 năm 2007 Theo thiết kế [1-3], nhà máy nhiệt điện Thăng Long có tổ máy, tổ máy có cơng suất 300MW, hoạt động nhà máy cần cung cấp lượng nước làm mát bình ngưng xả mơi trường nước nóng sau làm mát khoảng 99.440m3/h (tương đương 27.6m3/s, hoạt động đồng thời hai tổ máy) Nhiệt độ nước làm mát c a hút theo thiết kế khoảng 25-26oC, nguồn cấp nước lấy từ khu vực phía đơng băng tải xi măng, gần ngã sông Mằn vịnh C a Lục Nguồn xả nước nóng sau 57 làm mát bình ngưng thải sông Mằn, nhiệt độ nước xả theo thiết kế khoảng 34oC Nguồn nước nóng xả mơi trường gây nên gia tăng nhiệt độ cục vị trí c a xả, lượng nhiệt lan truyền xung quanh có nguy ảnh hưởng tới vị trí c a hút nước làm mát nhà máy Hiệu suất vận hành nhà máy phụ thuộc lớn vào trì nhiệt độ chênh lệch T tối đa nước cấp nước xả (T ≥ 8oC) Trong nghiên cứu này, nhiệt độ nước vị trí c a hút lớn 32oC gây bất lợi cho vận hành nhà máy Do cần phải có nghiên cứu đánh giá tác động nước xả tới nguồn cấp điều kiện trạng theo thiết kế đề xuất giải pháp nhằm ổn định nguồn nước mát c a hút Vị trí Nhà máy Nhiệt điện nằm cạnh lưu vực sông Mằn phía Bắc cầu Đá Trắng thuộc đường vành Đai phía Bắc nối với TP Móng Cái Khu vực nghiên cứu thuộc vùng hạ lưu sông Trới sông Mằn Khu vực thượng lưu sông ngăn đập nước ngăn mặn cấp nước sinh hoạt, nông nghiệp cho khu vực thượng lưu, cụ thể: sơng Trới có đập Đồng Ho có nhiệm vụ cung cấp nước cho người dân Thị trấn Trới vùng phụ cận, sơng Mằn đập Đá Trắng có nhiệm vụ ngăn mặn đồng thời cung cấp nước cho người dân khu vực xã Thống Nhất)[4] Hình Sơ đồ khu vực nghiên cứu tính toán đánh giá lan truyền nhiệt nhà máy nhiệt điện Thăng Long 58 Đ.Đ Đức nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 56-66 Phương pháp nghiên cứu tính tốn lan truyền nhiệt cơng cụ mơ hình tốn MIKE 21FM 2.1 Khái qt cơng cụ mơ hình MIKE 21FM Trên giới có nhiều mơ hình số để tính tốn, mơ q trình lan truyền nhiệt mơi trường nước khu vưc gần bờ, khu bãi tắm, khu nuôi trồng thủy sản tùy thuộc vào đối tượng, mục đích nghiên cứu, việc áp dụng loại mơ hình tính tốn khác Một số mơ hình phổ biến kể đến: MIKE Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), mơ hình POM, SMS Hoa Kỳ, Delft3D Đại học công nghệ Delft, Hà Lan… Ở Việt Nam, năm gần đây, hướng nghiên cứu, xây dựng s dụng mơ hình nghiên cứu thủy động lực – môi trường quan tâm Trong nghiên cứu, điều tra, tính tốn nhiễm môi trường vũng vịnh khu vực ven biển khu vực tâp trung chủ yếu hoạt động kinh tế người đã, tiến hành Có nhiều đề tài tính tốn q trình phát tán lan truyền nhiệt vùng sông, c a sông ven biển hay ngồi khơi có ý nghĩa lớn phục vụ khoa học dân sinh đề tài: “Tính tốn truyền nhiệt hệ thống sông Trà Lý t nh Thái Bình trung tâm điện lực Thái Bình lấy nước làm mát”, , “Ứng dụng mơ hình MIKE tính tốn lan truyền nhiệt cho nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch”, “Mơ q trình lan truyền nhiệt nước làm mát nhà máy nhiệt điện Ơ Mơn”… Phương trình MIKE 21/3 phương trình 2/3 chiều áp dụng cho chất lỏng không nén được, trung bình Reynolds phương trình Navier-Stokes với giả thiết Boussinesq áp lực thủy tĩnh Miền tính tốn rời rạc hóa s dụng phương pháp thể tích hữu hạn (Finite volume method) Theo chiều mặt phẳng phần t chia thành phần tam giác phần t tứ giác kết hợp hai lại phần t (lưới phi cấu trúcunstructured mesh) Theo chiều đứng phần t chia có cấu trúc dựa theo cao trình, địa hình kết hợp hai [5, 6] Trên sở nhiều đề tài khoa học s dụng kiểm chứng tính khoa học độ tin cậy kết mơ hình [7-13], nghiên cứu lựa chọn mơ hình MIKE FM Couple mơ hình MIKE Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) để tiến hành nghiên cứu, tính tốn lan truyền nhiệt cho khu vực nhà máy Nhiệt điện Thăng Long 2.2 Xây dựng mơ hình tính tốn lan truyền nhiệt khu vực nhà máy nhiệt điện Thăng Long Các bước thiết lập, xây dựng mơ hình tính tốn thủy động lực lan truyền nhiệt cho khu vực xả thải nhà máy Nhiệt điện Thăng Long miêu tả Hình Một đợt khảo sát Trung tâm Động lực học Thủy khí Mơi trường tổ chức nhằm khảo sát đo đạc bổ sung số liệu địa hình nước yếu tố thủy động lực học khu vực nghiên cứu thời gian từ 08/07/2015 đến 13/07/2015 Hình Khung thực tính tốn đánh giá lan truyền nhiệt cho khu vực xả cấp nước nhà máy nhiệt điện Đ.Đ Đức nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 56-66 59 Hình Bản đồ cao độ số khu vực nghiên cứu 2.2.1 Số liệu phục vụ tính tốn - Dữ liệu địa hình: Bình đồ địa hình khu vực nghiên cứu thu thập gồm có địa hình đáy biển tỷ lệ 1:50.000 [9] kết hợp với số liệu địa hình đo đạc thực tế qua đợt khảo sát bổ sung Một mơ hình số độ cao với độ phân giải 10x10m xây dựng cho khu vực tính tốn (Hình 3) - Dữ liệu khí tượng thủy văn: Số liệu dịng chảy: Dịng chảy sơng đổ vào Vịnh C a Lục: sông Mằn, sông Trới, Diễn Vọng lưu lượng thời kỳ đo đạc không lớn Đặc biệt, sông Mằn sông Trới có cơng trình đập ngăn gần sát với khu vực nghiên cứu Các đập ngăn có tác dụng ngăn mặn cấp nước (nước sinh hoạt, nông nghiệp) cho khu vực dân cư xung quanh, không mưa, lưu lượng sông đổ vào Vịnh C a Lục nhỏ, coi không Trong thời gian khảo sát xuất mưa vừa nhỏ (ngày 10/07), nhiên lượng nước từ sông đổ Vịnh không đáng kể (qua quan sát lượng nước tràn qua mặt đập) Do vùng tính tốn khơng có trạm thủy văn đo lưu lượng dịng chảy sơng Mằn, sơng Trới sơng Diễn Vọng nên nhóm nghiên cứu thực khơi phục dịng chảy sơng đến biên tính tốn mơ hình sông Việc khôi phục thực mơ hình mưa -dịng chảy, mơ đun tích hợp mơ hình MIKE DHI Mike NAM Bộ thơng số mơ hình kế thừa từ thơng số tính tốn cho lưu vực sông Cầu [6], lưu vực lân cận có điều kiện địa lý tự nhiên tương tự với khu vực nghiên cứu, phương pháp tương tự s dụng để tính tốn khơi phục dịng chảy, cung cấp biên đầu vào cho mơ hình Nhiệt độ: nhiệt độ khơng khí thời gian đo đạc dao động khoảng từ 27oC đến 35oC (hình 4) Nhiệt độ nước đo đạc vị trí cầu Bãi Cháy dao động từ 28oC đến 30oC (Hình 4) Sự phân tầng nhiệt độ theo độ sâu không đáng kể, cụ thể: vị trí Cầu Đá Trắng (với độ sâu 3m), chênh lệch nhiệt độ lớn tầng mặt tầng đáy thời kỳ quan trắc khoảng 1oC; vị trí cảng gần c a hút (độ sâu 4m) có nhiệt độ chênh lệch tầng đáy tầng mặt khoảng 1oC, tương tự với vị trí cầu Bãi Cháy 60 Đ.Đ Đức nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 56-66 Hình Nhiệt độ khơng khí nhiệt độ nước tầng cầu Bãi Cháy Số liệu hải văn: Mực nước triều thấp vị trí cầu Bãi Cháy H=-0,92m, cao H=+1,3m, độ lớn thủy triều dao động khoảng 1m từ ngày đến ngày 11, từ cuối ngày 11 đến ngày 13 có độ lớn khoảng 1,5-2m (Hình 5) Do vị trí cầu Đá Trắng cầu Bãi Cháy gần nhau, địa hình khơng chênh lệch nên chế độ mực nước vị trí tương đồng với (hình 5) Độ mặn vị trí cầu Bãi Cháy dao động khoảng 26-29 , chênh lệch độ mặn tầng nước khơng đáng kể, nhỏ 2‰ (Hình 6) Tại vị trí cầu Đá Trắng, độ mặn dao động khoảng 18-23‰, chênh lệch độ mặn tầng nước nhỏ khoảng 2‰ (Hình 7) Hình Độ mặn tầng nước cầu Đá Trắng Thời kỳ kiểm chứng mơ hình Số liệu dùng để kiểm chứng mơ hình gồm: số liệu mực nước, nhiệt độ, độ mặn vị trí cầu Đá Trắng cầu Bãi Cháy đo đạc qua đợt khảo sát tháng 7/2015 2.2.2 Thiết lập mơ hình lan truyền nhiệt Phạm vi miền tính Tổng diện tính miền tính tốn 89km2 Giới hạn phía sơng: sơng Mằn đập ngăn mặn (khoảng cách tới c a hút khoảng 11 km); sông Trới đập Đồng Ho (khoảng cách đến c a hút khoảng km), sông Diễn Vọng từ cầu Diễn Vọng (khoảng cách đến vị trí c a hút khoảng 13 km) Giới hạn phía biển: phía đơng đường vào đảo Tuần Châu Đảo Tuần Châu, phía Nam biên lỏng ngồi biển, cách trạm Hồng Gai 3.3 km.Một số công trình cảng nhà máy xi măng Thăng Long, kè băng tải nhà máy xi măng Thăng Long, kè băng tải nhà máy xi măng Hạ Long đưa vào lưới tính tốn Hình Số liệu mực nước thực đo cầu Bãi Cháy cầu Đá Trắng Hình Độ mặn tầng nước chân cầu Bãi Cháy Hình Lưới tính 2D MIKE 21FM Đ.Đ Đức nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 56-66 Thiết lập lưới tính tốn MIKE 21FM Lưới tính tốn phi cấu trúc dựa phần t tam giác tuyến tính, lưới tính chia thành 4644 lưới tam giác có diện tích phần t nhỏ 1.000m2, khoảng cách hai nút tính nhỏ khoảng 30m Khu vực ngồi biển có diện tích phần t nhỏ 15.000m2 (khoảng cách nút tính trung bình từ 100 – 500m)(Hình 8) Điều kiện biên & điều kiện ban đầu Điều kiện biên Biên mực nước (các biên phía biển): S dụng thủy triều trạm Hồng Gai năm 2015 (đối với trường hợp trạng) thủy triều dự tính với số điều hịa phân tích từ thủy triều trạm Hồng Gai Biên dòng chảy: dòng chảy sơng khơi phục mơ hình thủy văn MIKE NAM, gồm biên đập Đồng Ho, đập sông Mằn cầu Diễn Vọng Biên nhiệt độ độ mặn: S dụng số liệu trung bình cung cấp từ mơ hình dự báo tồn cầu Các số liệu tính tốn kịch thống kê từ số liệu nhiều năm trạm Bãi Cháy Các điều kiện khí tượng khác: nhiệt độ khơng khí, độ ẩm, lượng mưa, bốc trung bình tháng nhiều năm trạm Bãi Cháy s dụng kết tính tốn Đơn vị tư vấn thiết lập mơ hình ngồi trao đổi nhiệt nước, có xem xét tới trao đổi nhiệt với mơi trường khơng khí Điều kiện ban đầu Điều kiện ban đầu thiết lập mực nước trung bình, vận tốc dịng chảy nhiệt độ biên tính tốn mơ hình 2.2.3 Kiểm chứng mơ hình tính tốn lan truyền nhiệt Việc hiệu ch nh mơ hình thực so sánh kết tính tốn với kết thực đo yếu tố thủy lực (mực nước), nhiệt độ độ mặn nước địa điểm cầu Đá Trắng gần vị trí c a xả nước so với thiết kế cầu Bãi Cháy khoảng thời gian đo đạc khảo sát từ 08/07/2015 đến 13/07/2015 61 Hình Kết hiệu ch nh lưu lượng tính tốn trạm Bãi Cháy Hình 10 Kết hiệu ch nh mực nước tính tốn trạm Bãi Cháy Hình 11 Kết hiệu ch nh mực nước tính tốn cầu Đá Trắng Hình 12 Kết hiệu ch nh lưu lượng tính tốn trạm Bãi Cháy 62 Đ.Đ Đức nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 56-66 lớn điểm Do s dụng thơng số mơ hình để áp dụng cho tính tốn lan truyền nhiệt từ dịng nước xả nhà máy Nhiệt điện Thăng Long đến c a hút nhà máy Hình 13 Kết hiệu ch nh nhiệt độ nước tính tốn cầu Đá Trắng Hình 14 Kết hiệu ch nh nhiệt độ tính tốn đo trạm Bãi Cháy Hình 15 Kết hiệu ch nh độ mặn tính tốn trạm Bãi Cháy Hình 16 Kết hiệu ch nh độ mặn tính tốn cầu Đá Trắng Kết hiệu ch nh cho thấy (Hình 9-16): Đường q trình mực nước tính tốn mơ hình tương đồng xác với đường trình thực đo điểm cầu Đá Trắng cầu Bãi Cháy Đường q trình nhiệt độ tính toán sát với đường thực đo với biên độ chênh lệc nhiệt độ đường không 1oC điểm cầu Bãi Cháy không 1-1.5oC điểm cầu Đá Trắng Tương tự với độ mặn, kết tính tốn chênh lệch với thực đo khơng q Các kịch tính tốn đánh giá lan truyền nhiệt nhà máy nhiệt điện Thăng Long 3.1 Xây dựng kịch tính tốn Trên sở phân tích đặc điểm khí tượng thủy văn, địa hình, nguồn lấy nước làm mát vị trí đặt c a hút, c a xả nhà máy Các kịch tính tốn nhằm đánh giá lan truyền nhiệt, khuếch tán nhiệt đến vị trí c a hút nước làm mát theo tiêu chí: Tính tốn với hệ số khuếch tán gây bất lợi tới nhiệt độ c a hút theo yêu cầu thiết kế - Tính toán cho mùa năm (theo pha thủy triều khác nhau: triều cao, triều trung bình, triều thấp) chi tiết cho tháng năm điển hình (đây khơng phải năm cực đoan giá trị, điều kiện biên lấy trung bình tháng nhiều năm, điều kiện thực tế yếu tố đầu vào như: nhiệt độ mơi trường, nhiệt độ nước… lớn bất thường kết theo chiều hướng bất lợi ngược lại.) - Các giá trị vị trí thông số lượng xả, lượng hút nhà máy theo thông số thiết kế vận hành tổ máy: 99400m3/s (tương đương 27.6m3/s) Từ tiêu chí trên, kịch lựa chọn tính tốn sau: - KBA: Kịch địa hình trạng cơng suất hút/xả vận hành theo thiết kế nhà máy với hệ số khuếch tán khác để lựa chọn hệ số khuếch tán gây bất lợi tới nhiệt độ c a hút nước làm mát với số liệu thực đo khảo sát tháng 7/2015 - KBB: Kịch địa hình trạng cơng suất hút/xả vận hành theo thiết kế nhà máy với triều cao, triều trung bình, triều thấp thời gian mùa năm (xuân, hạ, thu đông) Mô lan truyền nhiệt kịch tính tốn Đ.Đ Đức nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 56-66 63 - KBC: Kịch địa hình trạng công suất hút/xả vận hành theo thiết kết nhà máy với năm điển hình (gồm pha triều cao, thấp, trung bình) Kịch C tính tốn với năm có thủy triều điển hình Trong chuỗi chu kỳ nhiều khoảng 18,61 năm có năm có triều điển hình Trong chuỗi số liệu mực nước Hồng Gai từ năm 1980 đến 2015 năm 2005 có mực nước triều điển hình 3.2 Kết thảo luận Kịch A tính tốn với số liệu địa hình trạng thiết kế nhà máy với số liệu đo đạc tháng năm 2015 (Hình 17) Chạy kịch với hệ số khác (hệ số khuếch tán dao động từ 0.001 đến 10), kết tính tốn cho thấy: với hệ số khuếch tán D=0,001 cho trường nhiệt độ bất lợi c a hút D=10 cho trường nhiệt độ bất lợi Tuy nhiên, dù trường hợp bất lợi hay bất lợi nhiệt độ c a hút bị ảnh hưởng dòng nước từ c a xả nhà máy nhiệt điện Thăng Long, xảy tình trạng tích lũy nhiệt, nhiệt độ tăng cao triều rút, đạt đ nh chân triều giảm dần pha triều lên Trong trường hợp bất lợi (Hình 18,19), nhiệt độ tính tốn cao c a hút 35.1oC, thời gian trì nhiệt độ c a hút cực đoan (biên độ