火電廠污染物擴散模型研究

盧穎

（沈陽工程學院 電力學院 遼寧 沈陽 110136）

1.引言

目前研究節能減排的電力系統優化調度問題大部分都是針對于發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人類生產生活影響就大。如果發電廠在城市的下風向，發電廠排出的污染物氣體大部分擴散到人煙稀少的空曠地方，那么這些發電廠在其排出的污染物滿足一定空氣質量標準的前提下，可以適當多發一些電；而那些在城市上風向的發電廠，發電廠排放的污染物氣體大部分擴散到人口密集城市中，那么這些發電廠就需要適當少發一些電，來滿足城市空氣質量的約束。

鑒于上述問題，就要求清楚氣體污染物的擴散運動是受哪些因素影響和其擴散運動的特點，從而建立污染物氣體的擴散模型，進而對電力的負荷分配提供環境因素的參考。

2.影響氣體擴散的因素

火力發電廠排放的污染物在空氣中的擴散運動主要與以下因素相關：

（1）排放污染物的性質

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

（2）地理情況

地表的開闊平坦或者高低起伏等地形的差異會使氣體擴散運動狀態不同。地表作為熱的不良導體，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，起風了就會形成區域的閉塞環流，大氣會一直在這個封閉的區域內滯留，不利于擴散。湖波或海洋卻會因為其表面被風或者是自然對流氣流所擾動，使得熱量上下混合從而變化慢得多。海洋的特性也會對氣體的擴散運動產生一定的影響，海陸風會形成局部的區域環流，抑制污染物向遠方擴散，使其只能在局部區域內存在，使得污染物的濃度降低不明顯，造成嚴重污染。

（3）大氣因素

發電廠排放的污染物氣體在空氣中的擴散與大氣穩定度有著密切的關系。大氣穩定度是指在大氣中的某一個氣團在垂直方向上是否容易發生對流的程度。大氣中的一團氣體受到某種外力作用而產生下降或上升運動。

3.高斯數學擴散模型

研究火電廠污染物擴散特性的模型需要具有實時性強，計算比較準確的特點，這樣才能及時調整發電計劃，達到限制污染物排放濃度的標準。本文中采用的高斯煙團擴散模型[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，高斯煙團擴散模型可以寫成

式中 Gi(t,t' ;x,y)——第i個發電廠，t時間段排放的單位質量的污染物，在t' 時間段，(x,y)地理位置的(傳1)遞函數；

C(t' ;x,y)——在t' 時間段，(x,y)地理位置的污染物濃度；

x，y——監測點的地理坐標；

Qi(t)——第i個發電廠，t時間段產生的污染物總質量；

t' ——測量污染物濃度的時間段；

t——發電廠排放出污染物的時間段；

N——發電廠的個數。

傳遞函數G(·)呈正態分布,表達式為

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

xc(t, )，yc(t, )，zc(t, )——t時間段排放出的污染物煙團在t' 時間段時，該煙團中心的空間位置，見圖1。

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

式中 wx(k)，wy(k)，wz(k)——在時間區間Δk內，空間坐標x，y，z正方向上的風速平均值；

xs，ys，zs——發電廠煙囪口的空間坐標。

當在t至 之間的時間段里，如果大氣比較穩定，那么可以近似認為擴散系數σ的對數與 和t之差的對數之間呈線性關系。關系式可以表示為

4.結論

本文在討論影響氣體污染物擴散運動的因素的基礎上，論述了氣體污染物的擴散運動受污染物本身的性質、地理條件、大氣因素和風速風向影響，其中以風速風向影響為主。對比了4種擴散模型的優缺點后，選擇了實時性強，計算速度快，適合應用到電力系統中的高斯擴散模型。

[1]霍志磊.火電二氧化硫排放預測建模與減排對策研究[D].成都：成都理工大學碩士學位論文，2012：1-2.

[2]范玉宏，張維，韓文長.區域電網節能發電調度模式研究[J].電力系統保護與控制，2009，16(7)：107-111.

[3]艾琳，華棟.電力系統節能發電調度研究[J].華東電力，2008，36(9)：85-89.

[4]王超.四川電網節能減排發電實時調度優化模型的研究[J].四川電力技術，2008，31(1)：66-69.

[5]焦莉，陳藝華.日發電計劃環節中落實節能調度的思路[J].陜西電力，2008，38(3)：10-13.

盧穎，女，1970年，副教授，遼寧沈陽人，主要從事電力系統自動化相關研究工作。