基于塔式擴散模型的火電廠污染物排放監(jiān)測顯示方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及監(jiān)控領(lǐng)域，特別涉及污染物在大氣中的排放監(jiān)測，用于在電子地圖上 顯示火電廠排放的煙氣污染物在各區(qū)域的濃度。
【背景技術(shù)】
[0002] 環(huán)境污染問題日益嚴重，霧霾天氣不斷威脅人類的健康。近年來，國家電網(wǎng)公司 積極落實相關(guān)政策要求，大力開展了污染物排放系統(tǒng)功能平臺的建設(shè)工作，實現(xiàn)對固定污 染源排放的污染物進行連續(xù)地、實時地跟蹤測定，連續(xù)測定顆粒物、氣態(tài)污染物濃度和排放 率。
[0003] 現(xiàn)在的技術(shù)，只是通過表格或曲線、棒圖顯示當(dāng)前污染物排放量，不能直觀地反映 污染物排放對周邊環(huán)境的影響。
[0004] 大氣污染物擴散模式是模擬大氣污染物的擴散、迀移過程，預(yù)測在不同污染源條 件、氣象條件及下墊面條件下某污染物濃度時空分布的數(shù)學(xué)模型，是低層大氣中污染物迀 移和擴散規(guī)律的、簡單化的數(shù)學(xué)描述。根據(jù)不同的建模理論體系、污染物迀移、擴散過程以 及不同的描述對象，模式的形式也各不相同。
[0005] 受地形、氣象、大氣污染物的物理化學(xué)特征、污染源特征等多種因素的制約，不同 的擴散模式都有各自不同的考慮因素和適用范圍，選擇恰當(dāng)?shù)臄U散模式能較為準(zhǔn)確地模擬 污染物的擴散及分布。目前，已經(jīng)有許多發(fā)展成熟的污染物擴散模式應(yīng)用，國內(nèi)的相關(guān)研宄 中尤其以高斯類模式的應(yīng)用最為廣泛。
[0006] 高斯擴散模型一種經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，大量實驗?shù)據(jù)表明高斯分布是污染物在分布的較好 的近似形式，高斯模型數(shù)學(xué)形式簡單，通過大規(guī)模的實驗獲得模型計算的主要參數(shù)，可以在 各種氣象條件下選用，高斯擴散模型有兩個特點：濃度計算在垂直方向和水平方向都采用 高斯分布假設(shè)，湍流分類和擴散參數(shù)采用離散化的分類方法，它的優(yōu)點是僅用常規(guī)氣象觀 測資料就可以評估擴散參數(shù)。
[0007] 高斯擴散模型基于以下條件： 坐標(biāo)系：原點為地面源的排放點或高架源排放點在地面上的投影，右手坐標(biāo)系，x軸為 主風(fēng)向，y軸為橫風(fēng)向，z軸為垂直向。
[0008] 幾點假設(shè)：1、污染物濃度在y、z方向為正態(tài)分布，2、全部高度風(fēng)速均勻穩(wěn)定，3、源 強連續(xù)均勻，4、擴散中不考慮轉(zhuǎn)化，污染物是守恒的，5、x向上，平流作用遠大于擴散作用， 6、地面足夠平坦。
[0009] 無界空間連續(xù)點源擴散模式為： c(x,y,z) =q/ (2 31y〇y 〇 z)exp[- (y2/2 0 y2+z2/2 0 z2)] 高架連續(xù)點源擴散模式為： c(x,y,z,H) =q/(2 31y〇y 〇 z)exp(-y2/2 〇 y2) *{exp[-(z-H) 2/2 0 y2] +exp[-(z+H)2/20z2)]} 其中，y為平均風(fēng)速，q為源強，〇y、〇z為側(cè)向和豎向擴散參數(shù)，H為有效煙囪高度。
[0010] 具體到火電廠煙氣污染物排放，由于火電廠的特殊性，如污染物在出口的溫度較 高、污染物的組成比較復(fù)雜以及氣壓等因素，上述擴散模式預(yù)測此類污染物的擴散會產(chǎn)生 較大的偏差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 為了更加準(zhǔn)確地預(yù)測火電廠煙氣污染物的排放，實時在電子地圖上顯示污染物濃 度，提出了本發(fā)明。
[0012] 為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：基于塔式擴散模型的火電廠污染 物排放監(jiān)測顯示方法，基于火電廠污染物排放檢測系統(tǒng)實現(xiàn)，系統(tǒng)中包括主機，GIS服務(wù)器 和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接CEMS系統(tǒng)，關(guān)鍵在于：主機中存儲當(dāng)?shù)厝甑臍庀筚Y 料、每個煙囡的位置和高度信息；在每個煙囡內(nèi)部出口位置設(shè)置溫度傳感器，在室外設(shè)置溫 度傳感器，在每個煙囡頂端外側(cè)設(shè)置風(fēng)向風(fēng)速傳感器，所有傳感器編號并連接到數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)，主機采用塔式擴散模型計算污染物的擴散，塔式擴散模型的數(shù)學(xué)表達式為：
其中：x、y、z為空間坐標(biāo)，H是煙囪口距地面的高度，巾為擴散因數(shù)，y為風(fēng)速，t為擴 散時間，A為源強，a為顆粒屬性系數(shù)，0為高度系數(shù)，空間坐標(biāo)系是右手坐標(biāo)系，原點是 煙囪在地面上的投影，x軸為主風(fēng)向，y軸為橫風(fēng)向，z軸為垂直向； 主機計算各時間點不同位置的污染物濃度，并根據(jù)污染物濃度等級，以不同顏色顯示 在電子地圖上。
[0013] 顆粒屬性系數(shù)a如下表：
根據(jù)高度得到的高度系數(shù)9如下表：
擴散因數(shù)巾根據(jù)溫度、氣壓、風(fēng)速等多方面因素影響來確定，本算法按照高度系數(shù)0 來劃分不同高度時的擴散因數(shù)：
1、塔式擴散模型的推導(dǎo)過程： 假定由污染源排放出的大氣污染物全都由單位面元dydz中通過，根據(jù)質(zhì)量守恒定律 和連續(xù)性原理，單位時間內(nèi)通過單位面源的污染物就等于污染源單位時間內(nèi)排放出的污染 物質(zhì)量，故可用公式表示如下：
式中，污染源排放的污染物濃度，Q:污染源單位時間內(nèi)排放的污染物質(zhì)量。
[0014] 將高斯曲線的參數(shù)代入得到：
將其進行轉(zhuǎn)換可得：

根據(jù)普哇松積分公式得到

將該值代回得
在考慮到高度以及風(fēng)速的影響，最終可得到任一點的污染物濃度公式為：
小為擴散因數(shù)，U為風(fēng)速，t為擴散時間，A為源強，a為顆粒屬性系數(shù)，0為高度系 數(shù)。
[0015] 2、上升高度AH應(yīng)用國家標(biāo)準(zhǔn)，定義如下： 煙囪的高度為實際測量值， 當(dāng)QH彡 2100kW和（TS-Ta)彡 35K時， Qh=0. 35PaQvAT/TS,AT=TS-Ta AH=n0QHnl.Hsn2.y-1 QH為煙囪的熱排放率，這是一個固定參數(shù)，存儲在主機中，Qv是實際排煙率，由CEMS系 統(tǒng)中的煙氣流量計量儀器獲得，單位是m3/S。
[0016] y為煙囪出口處的平均風(fēng)速，1；和Ta分別為煙氣出口溫度和環(huán)境大氣溫度，n^為 煙氣熱機地表狀況系數(shù)，^為煙氣熱釋放率指數(shù)，n2為煙囡高度指數(shù)，Pa為大氣壓力，大氣 壓力根據(jù)煙囪出口處的高度確定。下表為系數(shù)的選?。?br>CEMS是英文ContinuousEmissionMonitoringSystem的縮寫，是指對大氣污染源排 放的氣態(tài)污染物和顆粒物進行濃度和排放總量連續(xù)監(jiān)測并將信息實時傳輸?shù)街鞴懿块T的 裝置，被稱為"煙氣自動監(jiān)控系統(tǒng)"，亦稱"煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)"或"煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)"。 從該系統(tǒng)中，可以實時得到排放的污染物中的成分和源強。
[0017] 采用本發(fā)明，使用適合火電廠污染物排放的塔式擴散模型，能夠更加準(zhǔn)確地計算 火電廠煙氣污染物的排放，根據(jù)計算結(jié)果，在電子地圖上實時顯示煙囪口周圍的污染物濃 度，同時，還可以預(yù)測污染物的擴散，模擬顯示污染物擴散過程。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成框圖， 圖2為柱狀圖顯示污染物濃度的示意圖， 圖3為曲線圖顯示污染物濃度的示意圖。
[0019] 其中，1為測量室外溫度的溫度傳感器，2為煙囪內(nèi)部出口位置的溫度傳感器，3為 風(fēng)向風(fēng)速傳感器，5為煙囡。
【具體實施方式】
[0020] 基于塔式擴散模型的火電廠污染物排放監(jiān)測顯示方法，基于火電廠污染物排放檢 測系統(tǒng)實現(xiàn)，系統(tǒng)中包括主機，GIS服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接CEMS系統(tǒng)。 GIS服務(wù)器用來存儲和顯示電子地圖，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集算法需要的各種參數(shù)。
[0021] 塔式擴散模型的數(shù)學(xué)表達式為：
其中：x、y、z為空間坐標(biāo)，H是煙囪口距地面的高度，巾為擴散因數(shù)，y為風(fēng)速，t為擴 散時間，A為源強，a為顆粒屬性系數(shù)，0為高度系數(shù)，空間坐標(biāo)系是右手坐標(biāo)系，原點是 煙囪在地面上的投影，X軸為主風(fēng)向，y軸為橫風(fēng)向，z軸為垂直向。
[0022] 算法中，y的取值是平均風(fēng)速。一般的，是按照統(tǒng)計規(guī)律，從氣象資料中取得當(dāng)前 日期的平均風(fēng)速，主機中存儲當(dāng)?shù)厝甑臍庀筚Y料就是為了取得上述數(shù)值；另外，主機還存 儲每個煙囪的位置和高度信息；在每個煙囪內(nèi)部出口位置設(shè)置溫度傳感器測量煙囪出口溫 度，在室外設(shè)置溫度傳感器測量室外溫度，在每個煙囪頂端外側(cè)設(shè)置風(fēng)向風(fēng)速傳感器測量 實時風(fēng)向風(fēng)速。
[0023] 火電廠煙囪排放的污染物是氣體和顆粒的混合物，如氣體的二氧化硫、氮氧化物， 固體顆粒的煙塵等。CEMS系統(tǒng)可以獲得排放物的種類和源強。
[0024] CEMS系統(tǒng)主要測量S02、NOx、02、粉塵的排放強度，也就是源強。這里的粉塵大小 是取顆粒的平均尺寸。
[0025] 主機獲得實時參數(shù)，根據(jù)塔式擴散模型，計算各時間點不同位置的污染物濃度，并 根據(jù)污染物濃度等級，以不同顏色顯示在電子地圖上。
[0026] 為了區(qū)分不同顆粒大小的污染物，算法中使用了顆粒屬性系數(shù)a。顆粒屬性系數(shù) a與污染物顆粒的直徑相關(guān)：直徑為0-14Mm顆粒屬性系數(shù)為0,直徑為15_3〇Mm顆粒屬性 系數(shù)為0. 3,直徑為31-47Mm顆粒屬性系數(shù)為0. 5,直徑為48-75Mm顆粒屬性系數(shù)為0. 8,直 徑大于76Mm顆粒屬性系數(shù)為1 ;氣體污染物按小于15um的顆粒計算。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上， 只計算平均尺寸的顆粒污染物的排放，也就是說按照從CEMS系統(tǒng)中得到的數(shù)據(jù)進行計算。
[0027] 本發(fā)明中，還充分考慮了高度對污染物擴散的影響，增加了高度系數(shù)0和與 高度相關(guān)的擴散因數(shù):高度系數(shù)9與高度z的關(guān)系如下：H+AH>z多H，0為1;H >z彡 0? 75H，9 為 0? 75 ;0? 75H>z彡 0? 5H，9 為 0? 5 ;0? 5H>z彡 0? 25H，9 為 0? 25 ;0? 25H >z彡 0，9 為 0? 1〇
[0028] 擴散因數(shù)巾與高度z的關(guān)系如下： H+AH>z>H，<i)S(3 0/2)yto-87; H>z彡 0? 75H，<i> 為（0 /2)yt0.84; 0? 75H>z彡 0? 5H，<i> 為（9 /2)yt0.82; 0? 5H>z彡 0? 25H，<i> 為（9 /5)yt0.8; 0? 25H>z彡 0, <i> 為（9 /6)yt0.78。
[0029] 上述公式中，H是煙囪口距地面的高度，AH是排放物從煙囪口出來后上升的高度， y為風(fēng)速，t為擴散時間。
[0030] 風(fēng)速y為平均風(fēng)速，是污染物在擴散過程中的平均值。風(fēng)向和平均風(fēng)速一般從氣 象資料中獲得。為了使結(jié)果更精確，在具體計算時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過風(fēng)向風(fēng)速傳感器獲得 風(fēng)速y和主風(fēng)向，開始計算時使用獲得的主風(fēng)向作為x軸，氣象資料中的平均風(fēng)速作為y。 連續(xù)取得實時風(fēng)速并計算平均值，經(jīng)過一段時間后，使用實時取得的平均風(fēng)速作為y，并在 其后的計算過程中不斷修正。
[0031] 火電廠煙囪排放的污染物是氣體和顆粒的混合物，如氣體的二氧化硫、氮氧化物， 固體顆粒的煙塵等。在計算各時空點的污染物濃度時，不能只計算單一的污染物濃度，要按 照不同尺寸的污染物分別計算。由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連