基于塔式扩散模型的火电厂污染物排放监测显示方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及监控领域，特别涉及污染物在大气中的排放监测，用于在电子地图上 显示火电厂排放的烟气污染物在各区域的浓度。
【背景技术】
[0002] 环境污染问题日益严重，雾霾天气不断威胁人类的健康。近年来，国家电网公司 积极落实相关政策要求，大力开展了污染物排放系统功能平台的建设工作，实现对固定污 染源排放的污染物进行连续地、实时地跟踪测定，连续测定颗粒物、气态污染物浓度和排放 率。
[0003] 现在的技术，只是通过表格或曲线、棒图显示当前污染物排放量，不能直观地反映 污染物排放对周边环境的影响。
[0004] 大气污染物扩散模式是模拟大气污染物的扩散、迀移过程，预测在不同污染源条 件、气象条件及下垫面条件下某污染物浓度时空分布的数学模型，是低层大气中污染物迀 移和扩散规律的、简单化的数学描述。根据不同的建模理论体系、污染物迀移、扩散过程以 及不同的描述对象，模式的形式也各不相同。
[0005] 受地形、气象、大气污染物的物理化学特征、污染源特征等多种因素的制约，不同 的扩散模式都有各自不同的考虑因素和适用范围，选择恰当的扩散模式能较为准确地模拟 污染物的扩散及分布。目前，已经有许多发展成熟的污染物扩散模式应用，国内的相关研宄 中尤其以高斯类模式的应用最为广泛。
[0006] 高斯扩散模型一种经验模型，大量实验数据表明高斯分布是污染物在分布的较好 的近似形式，高斯模型数学形式简单，通过大规模的实验获得模型计算的主要参数，可以在 各种气象条件下选用，高斯扩散模型有两个特点：浓度计算在垂直方向和水平方向都采用 高斯分布假设，湍流分类和扩散参数采用离散化的分类方法，它的优点是仅用常规气象观 测资料就可以评估扩散参数。
[0007] 高斯扩散模型基于以下条件： 坐标系：原点为地面源的排放点或高架源排放点在地面上的投影，右手坐标系，x轴为 主风向，y轴为横风向，z轴为垂直向。
[0008] 几点假设：1、污染物浓度在y、z方向为正态分布，2、全部高度风速均匀稳定，3、源 强连续均匀，4、扩散中不考虑转化，污染物是守恒的，5、x向上，平流作用远大于扩散作用， 6、地面足够平坦。
[0009] 无界空间连续点源扩散模式为： c(x,y,z) =q/ (2 31y〇y 〇 z)exp[- (y2/2 0 y2+z2/2 0 z2)] 高架连续点源扩散模式为： 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为平均风速，q为源强，〇y、〇z为侧向和竖向扩散参数，H为有效烟囱高度。
[0010] 具体到火电厂烟气污染物排放，由于火电厂的特殊性，如污染物在出口的温度较 高、污染物的组成比较复杂以及气压等因素，上述扩散模式预测此类污染物的扩散会产生 较大的偏差。
【发明内容】
[0011] 为了更加准确地预测火电厂烟气污染物的排放，实时在电子地图上显示污染物浓 度，提出了本发明。
[0012] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：基于塔式扩散模型的火电厂污染 物排放监测显示方法，基于火电厂污染物排放检测系统实现，系统中包括主机，GIS服务器 和数据采集系统，数据采集系统连接CEMS系统，关键在于：主机中存储当地全年的气象资 料、每个烟囡的位置和高度信息；在每个烟囡内部出口位置设置温度传感器，在室外设置温 度传感器，在每个烟囡顶端外侧设置风向风速传感器，所有传感器编号并连接到数据采集 系统，主机采用塔式扩散模型计算污染物的扩散，塔式扩散模型的数学表达式为：
其中：x、y、z为空间坐标，H是烟囱口距地面的高度，巾为扩散因数，y为风速，t为扩 散时间，A为源强，a为颗粒属性系数，0为高度系数，空间坐标系是右手坐标系，原点是 烟囱在地面上的投影，x轴为主风向，y轴为横风向，z轴为垂直向； 主机计算各时间点不同位置的污染物浓度，并根据污染物浓度等级，以不同颜色显示 在电子地图上。
[0013] 颗粒属性系数a如下表：
根据高度得到的高度系数9如下表：
扩散因数巾根据温度、气压、风速等多方面因素影响来确定，本算法按照高度系数0 来划分不同高度时的扩散因数：
1、塔式扩散模型的推导过程： 假定由污染源排放出的大气污染物全都由单位面元dydz中通过，根据质量守恒定律 和连续性原理，单位时间内通过单位面源的污染物就等于污染源单位时间内排放出的污染 物质量，故可用公式表示如下：
式中，污染源排放的污染物浓度，Q:污染源单位时间内排放的污染物质量。
[0014] 将高斯曲线的参数代入得到：
将其进行转换可得：
根据普哇松积分公式得到
将该值代回得
在考虑到高度以及风速的影响，最终可得到任一点的污染物浓度公式为：
小为扩散因数，U为风速，t为扩散时间，A为源强，a为颗粒属性系数，0为高度系 数。
[0015] 2、上升高度AH应用国家标准，定义如下： 烟囱的高度为实际测量值， 当QH彡 2100kW和（TS-Ta)彡 35K时， Qh=0. 35PaQvAT/TS,AT=TS-Ta AH=n0QHnl.Hsn2.y-1 QH为烟囱的热排放率，这是一个固定参数，存储在主机中，Qv是实际排烟率，由CEMS系 统中的烟气流量计量仪器获得，单位是m3/S。
[0016] y为烟囱出口处的平均风速，1；和Ta分别为烟气出口温度和环境大气温度，n^为 烟气热机地表状况系数，^为烟气热释放率指数，n2为烟囡高度指数，Pa为大气压力，大气 压力根据烟囱出口处的高度确定。下表为系数的选取：
CEMS是英文ContinuousEmissionMonitoringSystem的缩写，是指对大气污染源排 放的气态污染物和颗粒物进行浓度和排放总量连续监测并将信息实时传输到主管部门的 装置，被称为"烟气自动监控系统"，亦称"烟气排放连续监测系统"或"烟气在线监测系统"。 从该系统中，可以实时得到排放的污染物中的成分和源强。
[0017] 采用本发明，使用适合火电厂污染物排放的塔式扩散模型，能够更加准确地计算 火电厂烟气污染物的排放，根据计算结果，在电子地图上实时显示烟囱口周围的污染物浓 度，同时，还可以预测污染物的扩散，模拟显示污染物扩散过程。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明的系统组成框图， 图2为柱状图显示污染物浓度的示意图， 图3为曲线图显示污染物浓度的示意图。
[0019] 其中，1为测量室外温度的温度传感器，2为烟囱内部出口位置的温度传感器，3为 风向风速传感器，5为烟囡。
【具体实施方式】
[0020] 基于塔式扩散模型的火电厂污染物排放监测显示方法，基于火电厂污染物排放检 测系统实现，系统中包括主机，GIS服务器和数据采集系统，数据采集系统连接CEMS系统。 GIS服务器用来存储和显示电子地图，数据采集系统采集算法需要的各种参数。
[0021] 塔式扩散模型的数学表达式为：
其中：x、y、z为空间坐标，H是烟囱口距地面的高度，巾为扩散因数，y为风速，t为扩 散时间，A为源强，a为颗粒属性系数，0为高度系数，空间坐标系是右手坐标系，原点是 烟囱在地面上的投影，X轴为主风向，y轴为横风向，z轴为垂直向。
[0022] 算法中，y的取值是平均风速。一般的，是按照统计规律，从气象资料中取得当前 日期的平均风速，主机中存储当地全年的气象资料就是为了取得上述数值；另外，主机还存 储每个烟囱的位置和高度信息；在每个烟囱内部出口位置设置温度传感器测量烟囱出口温 度，在室外设置温度传感器测量室外温度，在每个烟囱顶端外侧设置风向风速传感器测量 实时风向风速。
[0023] 火电厂烟囱排放的污染物是气体和颗粒的混合物，如气体的二氧化硫、氮氧化物， 固体颗粒的烟尘等。CEMS系统可以获得排放物的种类和源强。
[0024] CEMS系统主要测量S02、NOx、02、粉尘的排放强度，也就是源强。这里的粉尘大小 是取颗粒的平均尺寸。
[0025] 主机获得实时参数，根据塔式扩散模型，计算各时间点不同位置的污染物浓度，并 根据污染物浓度等级，以不同颜色显示在电子地图上。
[0026] 为了区分不同颗粒大小的污染物，算法中使用了颗粒属性系数a。颗粒属性系数 a与污染物颗粒的直径相关：直径为0-14Mm颗粒属性系数为0,直径为15_3〇Mm颗粒属性 系数为0. 3,直径为31-47Mm颗粒属性系数为0. 5,直径为48-75Mm颗粒属性系数为0. 8,直 径大于76Mm颗粒属性系数为1 ;气体污染物按小于15um的颗粒计算。在现有技术基础上， 只计算平均尺寸的颗粒污染物的排放，也就是说按照从CEMS系统中得到的数据进行计算。
[0027] 本发明中，还充分考虑了高度对污染物扩散的影响，增加了高度系数0和与 高度相关的扩散因数:高度系数9与高度z的关系如下：H+AH>z多H，0为1;H >z彡 0? 75H，9 为 0? 75 ;0? 75H>z彡 0? 5H，9 为 0? 5 ;0? 5H>z彡 0? 25H，9 为 0? 25 ;0? 25H >z彡 0，9 为 0? 1〇
[0028] 扩散因数巾与高度z的关系如下： H+AH>z>H，<i)S(3 0/2)yto-87; H>z彡 0? 75H，<i> 为（0 /2)yt0.84; 0? 75H>z彡 0? 5H，<i> 为（9 /2)yt0.82; 0? 5H>z彡 0? 25H，<i> 为（9 /5)yt0.8; 0? 25H>z彡 0, <i> 为（9 /6)yt0.78。
[0029] 上述公式中，H是烟囱口距地面的高度，AH是排放物从烟囱口出来后上升的高度， y为风速，t为扩散时间。
[0030] 风速y为平均风速，是污染物在扩散过程中的平均值。风向和平均风速一般从气 象资料中获得。为了使结果更精确，在具体计算时，数据采集系统通过风向风速传感器获得 风速y和主风向，开始计算时使用获得的主风向作为x轴，气象资料中的平均风速作为y。 连续取得实时风速并计算平均值，经过一段时间后，使用实时取得的平均风速作为y，并在 其后的计算过程中不断修正。
[0031] 火电厂烟囱排放的污染物是气体和颗粒的混合物，如气体的二氧化硫、氮氧化物， 固体颗粒的烟尘等。在计算各时空点的污染物浓度时，不能只计算单一的污染物浓度，要按 照不同尺寸的污染物分别计算。由数据采集系统连