低空探測(cè)系統(tǒng)在榆林煤電項(xiàng)目氣候可行性論證中的應(yīng)用

高雪嬌 田紅衛(wèi)

摘要：本文分析探討了系留氣球低空探測(cè)系統(tǒng)在榆林煤電項(xiàng)目氣候可行性論證中的應(yīng)用，為今后開(kāi)展相關(guān)項(xiàng)目觀測(cè)提供參考。

關(guān)鍵詞：低空探測(cè);系留氣球;煤電項(xiàng)目

中圖分類(lèi)號(hào)：P414.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）12-0027-02

0 引言

近年來(lái)，在能源經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的驅(qū)動(dòng)下，一批大型煤電一體化項(xiàng)目在榆林開(kāi)工建設(shè)。對(duì)于采用間接空冷方式的發(fā)電項(xiàng)目而言，空冷系統(tǒng)利用間冷塔內(nèi)外空氣密度差產(chǎn)生的抽力驅(qū)動(dòng)環(huán)境空氣流經(jīng)空冷散熱器實(shí)現(xiàn)熱量交換[1]。大氣逆溫現(xiàn)象直接影響到空氣的垂直運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致冷卻塔排熱受阻，自然通風(fēng)的抽力減小，進(jìn)而影響空冷塔冷卻效果。因此，大氣逆溫對(duì)采用空冷技術(shù)的電廠造成的不利影響，是煤電項(xiàng)目氣候可行性論證的一個(gè)重要部分。通過(guò)確定逆溫的關(guān)鍵特征參數(shù)，為空冷塔設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，從而降低逆溫對(duì)空冷塔運(yùn)行的影響，提升煤電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

1 系留氣球探測(cè)系統(tǒng)功能

系留氣球是通過(guò)纜繩將氣球拴在地錨或?qū)Ｓ迷O(shè)備上的氣球系統(tǒng)，依靠球體內(nèi)氣體產(chǎn)生的浮力，由系留纜繩拖拽收放，對(duì)定點(diǎn)上空進(jìn)行垂直觀測(cè)，具有操作簡(jiǎn)單，移動(dòng)方便，可重復(fù)使用，適合野外作業(yè)的工作特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于氣象、環(huán)保、測(cè)繪、通訊、建筑等領(lǐng)域。其工作高度取決于氣球體積、載荷重量和系纜重量等因素，一般從幾百米至3000米?？癸L(fēng)能力與球體的氣動(dòng)特性、布局、凈浮力和體積大小有關(guān)。氣球的升空、回收和姿態(tài)調(diào)整通過(guò)纜繩來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用于氣象領(lǐng)域的系留氣球觀測(cè)系統(tǒng)可以探測(cè)大氣邊界層的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等要素。本文以GTX Ⅱ系留氣球低空探測(cè)系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。

2 觀測(cè)要求

煤電項(xiàng)目空冷塔高度一般低于200m，出口高度100m左右，進(jìn)風(fēng)口高度20m左右。因此，設(shè)定系留氣球系統(tǒng)工作高度為300m，實(shí)際放球高度略高于工作高度。觀測(cè)季節(jié)分為夏季和冬季，每個(gè)季節(jié)觀測(cè)日數(shù)不少于45d，每天在不同時(shí)段進(jìn)行定時(shí)觀測(cè)。項(xiàng)目不同，觀測(cè)時(shí)段不同。如果觀測(cè)到強(qiáng)逆溫，在后續(xù)時(shí)刻需進(jìn)行加密觀測(cè)。1次完整的觀測(cè)包括上升和下降兩個(gè)階段，歷時(shí)25min左右，用時(shí)長(zhǎng)短與與水平風(fēng)向風(fēng)速和垂直風(fēng)切變有關(guān)。施放場(chǎng)地四周平坦開(kāi)闊，沒(méi)有高大建筑物或樹(shù)木;在水平方向上與道路、電桿、建筑物保持不小于升放高度的安全距離;場(chǎng)地上方無(wú)架空電纜、線纜覆蓋。為了掌握地面氣象條件，還需在場(chǎng)地內(nèi)設(shè)置臨時(shí)自動(dòng)氣象站，進(jìn)行地面要素觀測(cè)。

3 系統(tǒng)組成及工作模式

系統(tǒng)由地面和高空兩部分儀器組成，最大探測(cè)高度1100m。地面儀器包括筆記本電腦、調(diào)制解調(diào)器、接收機(jī)、探空儀電池充電器和絞車(chē)。高空儀器包括探空儀和運(yùn)載探空儀的氣艇。系留繩將空中儀器與地面儀器連接在一起。氣艇體積5m3，屬小型探測(cè)系統(tǒng)，在氣艇中充入惰性氣體氦氣。絞車(chē)是控制氣艇升降的設(shè)備，最大繞線速度約50m/min。探空儀懸掛在氣艇中間部分的吊繩上，由溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、板溫等傳感器和單片機(jī)、A/D變換器、調(diào)制解調(diào)器、發(fā)射機(jī)、鎳氫電池等組成。在筆記本電腦上安裝配套軟件，將探空儀發(fā)射頻率與地面接收機(jī)頻率設(shè)為一致。隨著氣艇的升空或下降，探空儀所攜帶的傳感器采集回對(duì)應(yīng)高度上的氣象要素，采樣周期5s，接收機(jī)收到探空儀發(fā)回的數(shù)據(jù)后送給調(diào)制解調(diào)器（數(shù)據(jù)傳輸速率2400 bit/s），解調(diào)后通過(guò)RS232串行口傳給筆記本電腦。通過(guò)軟件，可查看實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)及系統(tǒng)狀態(tài)，以便對(duì)氣艇升空或下降過(guò)程進(jìn)行調(diào)整。

4 觀測(cè)注意事項(xiàng)

夏季如有雷電、大風(fēng)、冰雹、降雨等天氣現(xiàn)象，或者預(yù)測(cè)升放過(guò)程可能會(huì)遇到以上不利天氣，則不適宜氣艇施放。在每次觀測(cè)之前，應(yīng)查看地面氣象站實(shí)時(shí)要素，如果地面風(fēng)速大于5m/s，則不施放。在氣艇升空或下降過(guò)程中，通過(guò)軟件查看實(shí)時(shí)高空風(fēng)速，如果高空風(fēng)速大于8m/s時(shí)，需注意探空儀安全;隨時(shí)關(guān)注氣艇空中姿態(tài)，如果有“低頭”、瞬時(shí)強(qiáng)烈斜升或下降，應(yīng)及時(shí)收回氣艇，防止系留繩斷裂造成氣艇逃逸。如果地面氣象站氣溫高于35℃，應(yīng)查看氣艇狀態(tài)，充氣以氣艇伸直腰，尾部沒(méi)有伸出為準(zhǔn);不能充氣過(guò)足，防止在升空時(shí)氣壓減小，艇內(nèi)氦氣過(guò)度膨脹而影響穩(wěn)定性和安全性。

5 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及計(jì)算

5.1 數(shù)據(jù)質(zhì)控

（1）人工質(zhì)量控制：對(duì)1次完整的觀測(cè)記錄的上升、下降兩組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行對(duì)比觀察，分析要素的變化趨勢(shì)，如果有連續(xù)性氣象要素（氣溫、濕度）的突變，則判定為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，直接剔除。（2）自動(dòng)質(zhì)量控制：編寫(xiě)數(shù)據(jù)處理程序，繪制1次完整記錄上升段、下降段的壓、溫、濕廓線，如有曲線的異?；蚩梢桑卸鈮焊袘?yīng)元件變性，數(shù)據(jù)作失真剔除處理。（3）有效記錄規(guī)定：受到天氣因素、供電不穩(wěn)定或通訊傳輸不及時(shí)影響，不能保證每次觀測(cè)升空和回收過(guò)程都有完整記錄。因此，規(guī)定經(jīng)質(zhì)控后，上升段1.5m-300m、下降段300-1.5m均有連續(xù)記錄，才能計(jì)為1次有效記錄。

5.2 數(shù)據(jù)計(jì)算分析

（1）原始數(shù)據(jù)插值。系統(tǒng)記錄的高度是連續(xù)變化的，并非固定層次，需要將不規(guī)則高度上的要素值插值到固定層次。項(xiàng)目不同，選定的目標(biāo)高度也不同。一般選擇幾個(gè)高度：1.5m、50m、100m、150m、200m、250m、300m。氣溫是連續(xù)變化的，所以采用線性插值方法，分別生成上升和下降兩組二維（時(shí)間—高度）氣溫?cái)?shù)據(jù)集，這兩組數(shù)據(jù)會(huì)有所差異。氣艇升空或回收過(guò)程，可能會(huì)受到湍流影響，在一定垂直范圍內(nèi)多次上下擺動(dòng)，在同一高度上獲得多次觀測(cè)記錄，則以平均值代表該高度上的觀測(cè)結(jié)果。空冷平臺(tái)的擺放位置和廠區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)都必須依賴于現(xiàn)場(chǎng)多年的主導(dǎo)風(fēng)向，空冷設(shè)計(jì)中必須參考空冷平臺(tái)所在高度處（多在35～40m之間）的氣象參數(shù)[2]。對(duì)于煤電項(xiàng)目會(huì)同時(shí)設(shè)立空冷氣象梯度塔（榆林煤電項(xiàng)目塔高設(shè)定為70m左右）來(lái)獲取不同高度的逐時(shí)氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓等資料。氣象梯度塔固定在地面上，傳感器受環(huán)境條件影響小，觀測(cè)數(shù)據(jù)更為可靠。分別將上升、下降兩組氣溫?cái)?shù)據(jù)與氣象梯度塔的氣溫?cái)?shù)據(jù)在固定高度和固定時(shí)次上作比較，選定與氣象梯度塔一致性好的一組數(shù)據(jù)作為分析逆溫的數(shù)據(jù)集。（2）逆溫特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)。根據(jù)逆溫層位置不同，將逆溫分為貼地逆溫和脫地逆溫。表征逆溫特征的參數(shù)有：逆溫頻率、厚度和強(qiáng)度。通過(guò)分析參數(shù)的時(shí)空變化來(lái)反應(yīng)項(xiàng)目地低空大氣逆溫的變化。在時(shí)間維度上，按季、月、日變化對(duì)比分析，得出逆溫的時(shí)序變化特征。在空間上，可按照逆溫層頂高、底高所在層次進(jìn)行分析。針對(duì)逆溫層頂高所在層次（100m以下、100-200m、200-300m）分析三個(gè)空間層的貼地逆溫和脫地逆溫的參數(shù)特征。針對(duì)逆溫層底高所在層次（100m以下、100-200m、200-300m），分析三個(gè)空間層的脫地逆溫的參數(shù)特征。（3）逆溫個(gè)例分析及原因探討。選定逆溫強(qiáng)度最大個(gè)例和最長(zhǎng)連續(xù)時(shí)間個(gè)例進(jìn)行分析，結(jié)合高空氣象站、周邊氣象站實(shí)測(cè)資料和數(shù)值模式模擬，從大范圍環(huán)流及局地中小尺度系統(tǒng)特征探討項(xiàng)目地逆溫出現(xiàn)的背景條件，為空冷系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)提出合理建議。

6 結(jié)語(yǔ)

系留氣球低空探測(cè)系統(tǒng)在榆林煤電項(xiàng)目氣候可行性論證中應(yīng)用效果良好，根據(jù)其觀測(cè)氣溫分析的逆溫結(jié)論可作為煤電項(xiàng)目空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)參考，是煤電項(xiàng)目氣候可行性論證中的重要部分。

參考文獻(xiàn)

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Application of? Low-Altitude Detection System in Climate Feasibility Demonstration of? Yulin Coal-Fired Power Projects

GAO Xue-jiao， TIAN Hong-wei

（Yulin Meteorological Bureau， Yulin? Shaanxi? 719000）

Abstract：This paper analyzes and discusses the application of tethered balloon low-altitude detection system in the climate feasibility demonstration of Yulin coal-fired power， providing reference for similar projects in future.

Key words：low-altitude detection; tethered balloon; coal-fired power projects