火電廠污染物擴(kuò)散模型研究

盧穎

（沈陽(yáng)工程學(xué)院 電力學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110136）

1.引言

目前研究節(jié)能減排的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題大部分都是針對(duì)于發(fā)電廠排放出的污染物的總量。但是排出的空氣污染物總量多不一定代表著對(duì)人類生產(chǎn)生活影響就大。如果發(fā)電廠在城市的下風(fēng)向，發(fā)電廠排出的污染物氣體大部分?jǐn)U散到人煙稀少的空曠地方，那么這些發(fā)電廠在其排出的污染物滿足一定空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的前提下，可以適當(dāng)多發(fā)一些電；而那些在城市上風(fēng)向的發(fā)電廠，發(fā)電廠排放的污染物氣體大部分?jǐn)U散到人口密集城市中，那么這些發(fā)電廠就需要適當(dāng)少發(fā)一些電，來(lái)滿足城市空氣質(zhì)量的約束。

鑒于上述問(wèn)題，就要求清楚氣體污染物的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是受哪些因素影響和其擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，從而建立污染物氣體的擴(kuò)散模型，進(jìn)而對(duì)電力的負(fù)荷分配提供環(huán)境因素的參考。

2.影響氣體擴(kuò)散的因素

火力發(fā)電廠排放的污染物在空氣中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)主要與以下因素相關(guān)：

（1）排放污染物的性質(zhì)

影響氣體擴(kuò)散的基本條件就是其本身的狀態(tài)和屬性，比如污染物的存在狀態(tài)、排放的總量、污染物排放后與空氣接觸而發(fā)生的物態(tài)變化、發(fā)電廠煙囪處的幾何尺寸等，這些都是影響氣體擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的基本因素。不同的污染物氣體對(duì)人體的危害程度是隨著接觸時(shí)間變化而變化的，所以各種氣體的限值濃度也不同。

（2）地理情況

地表的開(kāi)闊平坦或者高低起伏等地形的差異會(huì)使氣體擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同。地表作為熱的不良導(dǎo)體，所以近底層的冷卻和加熱作用從白天到晚上，變化都是非常快的。例如山谷中，起風(fēng)了就會(huì)形成區(qū)域的閉塞環(huán)流，大氣會(huì)一直在這個(gè)封閉的區(qū)域內(nèi)滯留，不利于擴(kuò)散。湖波或海洋卻會(huì)因?yàn)槠浔砻姹伙L(fēng)或者是自然對(duì)流氣流所擾動(dòng)，使得熱量上下混合從而變化慢得多。海洋的特性也會(huì)對(duì)氣體的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的影響，海陸風(fēng)會(huì)形成局部的區(qū)域環(huán)流，抑制污染物向遠(yuǎn)方擴(kuò)散，使其只能在局部區(qū)域內(nèi)存在，使得污染物的濃度降低不明顯，造成嚴(yán)重污染。

（3）大氣因素

發(fā)電廠排放的污染物氣體在空氣中的擴(kuò)散與大氣穩(wěn)定度有著密切的關(guān)系。大氣穩(wěn)定度是指在大氣中的某一個(gè)氣團(tuán)在垂直方向上是否容易發(fā)生對(duì)流的程度。大氣中的一團(tuán)氣體受到某種外力作用而產(chǎn)生下降或上升運(yùn)動(dòng)。

3.高斯數(shù)學(xué)擴(kuò)散模型

研究火電廠污染物擴(kuò)散特性的模型需要具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，計(jì)算比較準(zhǔn)確的特點(diǎn)，這樣才能及時(shí)調(diào)整發(fā)電計(jì)劃，達(dá)到限制污染物排放濃度的標(biāo)準(zhǔn)。本文中采用的高斯煙團(tuán)擴(kuò)散模型[14]（Gaussian puff diffusion model）符合這些要求。

在不考慮存在污染物背景值濃度的情況下，高斯煙團(tuán)擴(kuò)散模型可以寫(xiě)成

式中 Gi(t,t' ;x,y)——第i個(gè)發(fā)電廠，t時(shí)間段排放的單位質(zhì)量的污染物，在t' 時(shí)間段，(x,y)地理位置的(傳1)遞函數(shù)；

C(t' ;x,y)——在t' 時(shí)間段，(x,y)地理位置的污染物濃度；

x，y——監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地理坐標(biāo)；

Qi(t)——第i個(gè)發(fā)電廠，t時(shí)間段產(chǎn)生的污染物總質(zhì)量；

t' ——測(cè)量污染物濃度的時(shí)間段；

t——發(fā)電廠排放出污染物的時(shí)間段；

N——發(fā)電廠的個(gè)數(shù)。

傳遞函數(shù)G(·)呈正態(tài)分布,表達(dá)式為

式中 σx(t,t')，σy(t,t')，σz(t,t')——x，y，z方向上的擴(kuò)散系數(shù)；

xc(t, )，yc(t, )，zc(t, )——t時(shí)間段排放出的污染物煙團(tuán)在t' 時(shí)間段時(shí)，該煙團(tuán)中心的空間位置，見(jiàn)圖1。

其中t和t' 之間可以分成若干時(shí)間區(qū)間Δk（例如Δk=1小時(shí)，k=1,2…）。這樣污染物煙團(tuán)中心的空間坐標(biāo)位置變化可以表示為

式中 wx(k)，wy(k)，wz(k)——在時(shí)間區(qū)間Δk內(nèi)，空間坐標(biāo)x，y，z正方向上的風(fēng)速平均值；

xs，ys，zs——發(fā)電廠煙囪口的空間坐標(biāo)。

當(dāng)在t至 之間的時(shí)間段里，如果大氣比較穩(wěn)定，那么可以近似認(rèn)為擴(kuò)散系數(shù)σ的對(duì)數(shù)與 和t之差的對(duì)數(shù)之間呈線性關(guān)系。關(guān)系式可以表示為

4.結(jié)論

本文在討論影響氣體污染物擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的因素的基礎(chǔ)上，論述了氣體污染物的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)受污染物本身的性質(zhì)、地理?xiàng)l件、大氣因素和風(fēng)速風(fēng)向影響，其中以風(fēng)速風(fēng)向影響為主。對(duì)比了4種擴(kuò)散模型的優(yōu)缺點(diǎn)后，選擇了實(shí)時(shí)性強(qiáng)，計(jì)算速度快，適合應(yīng)用到電力系統(tǒng)中的高斯擴(kuò)散模型。

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盧穎，女，1970年，副教授，遼寧沈陽(yáng)人，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化相關(guān)研究工作。