火电厂污染物扩散模型研究

卢颖

（沈阳工程学院 电力学院 辽宁 沈阳 110136）

1.引言

目前研究节能减排的电力系统优化调度问题大部分都是针对于发电厂排放出的污染物的总量。但是排出的空气污染物总量多不一定代表着对人类生产生活影响就大。如果发电厂在城市的下风向，发电厂排出的污染物气体大部分扩散到人烟稀少的空旷地方，那么这些发电厂在其排出的污染物满足一定空气质量标准的前提下，可以适当多发一些电；而那些在城市上风向的发电厂，发电厂排放的污染物气体大部分扩散到人口密集城市中，那么这些发电厂就需要适当少发一些电，来满足城市空气质量的约束。

鉴于上述问题，就要求清楚气体污染物的扩散运动是受哪些因素影响和其扩散运动的特点，从而建立污染物气体的扩散模型，进而对电力的负荷分配提供环境因素的参考。

2.影响气体扩散的因素

火力发电厂排放的污染物在空气中的扩散运动主要与以下因素相关：

（1）排放污染物的性质

影响气体扩散的基本条件就是其本身的状态和属性，比如污染物的存在状态、排放的总量、污染物排放后与空气接触而发生的物态变化、发电厂烟囱处的几何尺寸等，这些都是影响气体扩散运动的基本因素。不同的污染物气体对人体的危害程度是随着接触时间变化而变化的，所以各种气体的限值浓度也不同。

（2）地理情况

地表的开阔平坦或者高低起伏等地形的差异会使气体扩散运动状态不同。地表作为热的不良导体，所以近底层的冷却和加热作用从白天到晚上，变化都是非常快的。例如山谷中，起风了就会形成区域的闭塞环流，大气会一直在这个封闭的区域内滞留，不利于扩散。湖波或海洋却会因为其表面被风或者是自然对流气流所扰动，使得热量上下混合从而变化慢得多。海洋的特性也会对气体的扩散运动产生一定的影响，海陆风会形成局部的区域环流，抑制污染物向远方扩散，使其只能在局部区域内存在，使得污染物的浓度降低不明显，造成严重污染。

（3）大气因素

发电厂排放的污染物气体在空气中的扩散与大气稳定度有着密切的关系。大气稳定度是指在大气中的某一个气团在垂直方向上是否容易发生对流的程度。大气中的一团气体受到某种外力作用而产生下降或上升运动。

3.高斯数学扩散模型

研究火电厂污染物扩散特性的模型需要具有实时性强，计算比较准确的特点，这样才能及时调整发电计划，达到限制污染物排放浓度的标准。本文中采用的高斯烟团扩散模型[14]（Gaussian puff diffusion model）符合这些要求。

在不考虑存在污染物背景值浓度的情况下，高斯烟团扩散模型可以写成

式中 Gi(t,t' ;x,y)——第i个发电厂，t时间段排放的单位质量的污染物，在t' 时间段，(x,y)地理位置的(传1)递函数；

C(t' ;x,y)——在t' 时间段，(x,y)地理位置的污染物浓度；

x，y——监测点的地理坐标；

Qi(t)——第i个发电厂，t时间段产生的污染物总质量；

t' ——测量污染物浓度的时间段；

t——发电厂排放出污染物的时间段；

N——发电厂的个数。

传递函数G(·)呈正态分布,表达式为

式中 σx(t,t')，σy(t,t')，σz(t,t')——x，y，z方向上的扩散系数；

xc(t, )，yc(t, )，zc(t, )——t时间段排放出的污染物烟团在t' 时间段时，该烟团中心的空间位置，见图1。

其中t和t' 之间可以分成若干时间区间Δk（例如Δk=1小时，k=1,2…）。这样污染物烟团中心的空间坐标位置变化可以表示为

式中 wx(k)，wy(k)，wz(k)——在时间区间Δk内，空间坐标x，y，z正方向上的风速平均值；

xs，ys，zs——发电厂烟囱口的空间坐标。

当在t至 之间的时间段里，如果大气比较稳定，那么可以近似认为扩散系数σ的对数与 和t之差的对数之间呈线性关系。关系式可以表示为

4.结论

本文在讨论影响气体污染物扩散运动的因素的基础上，论述了气体污染物的扩散运动受污染物本身的性质、地理条件、大气因素和风速风向影响，其中以风速风向影响为主。对比了4种扩散模型的优缺点后，选择了实时性强，计算速度快，适合应用到电力系统中的高斯扩散模型。

[1]霍志磊.火电二氧化硫排放预测建模与减排对策研究[D].成都：成都理工大学硕士学位论文，2012：1-2.

[2]范玉宏，张维，韩文长.区域电网节能发电调度模式研究[J].电力系统保护与控制，2009，16(7)：107-111.

[3]艾琳，华栋.电力系统节能发电调度研究[J].华东电力，2008，36(9)：85-89.

[4]王超.四川电网节能减排发电实时调度优化模型的研究[J].四川电力技术，2008，31(1)：66-69.

[5]焦莉，陈艺华.日发电计划环节中落实节能调度的思路[J].陕西电力，2008，38(3)：10-13.

卢颖，女，1970年，副教授，辽宁沈阳人，主要从事电力系统自动化相关研究工作。