低空探測系統在榆林煤電項目氣候可行性論證中的應用

高雪嬌 田紅衛

摘要：本文分析探討了系留氣球低空探測系統在榆林煤電項目氣候可行性論證中的應用，為今后開展相關項目觀測提供參考。

關鍵詞：低空探測;系留氣球;煤電項目

中圖分類號：P414.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）12-0027-02

0 引言

近年來，在能源經濟轉型升級的驅動下，一批大型煤電一體化項目在榆林開工建設。對于采用間接空冷方式的發電項目而言，空冷系統利用間冷塔內外空氣密度差產生的抽力驅動環境空氣流經空冷散熱器實現熱量交換[1]。大氣逆溫現象直接影響到空氣的垂直運動，導致冷卻塔排熱受阻，自然通風的抽力減小，進而影響空冷塔冷卻效果。因此，大氣逆溫對采用空冷技術的電廠造成的不利影響，是煤電項目氣候可行性論證的一個重要部分。通過確定逆溫的關鍵特征參數，為空冷塔設計提供科學依據，從而降低逆溫對空冷塔運行的影響，提升煤電項目的經濟效益和生態效益。

1 系留氣球探測系統功能

系留氣球是通過纜繩將氣球拴在地錨或專用設備上的氣球系統，依靠球體內氣體產生的浮力，由系留纜繩拖拽收放，對定點上空進行垂直觀測，具有操作簡單，移動方便，可重復使用，適合野外作業的工作特點，廣泛應用于氣象、環保、測繪、通訊、建筑等領域。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。抗風能力與球體的氣動特性、布局、凈浮力和體積大小有關。氣球的升空、回收和姿態調整通過纜繩來實現。應用于氣象領域的系留氣球觀測系統可以探測大氣邊界層的溫度、濕度、氣壓、風向、風速等要素。本文以GTX Ⅱ系留氣球低空探測系統為例進行分析。

2 觀測要求

煤電項目空冷塔高度一般低于200m，出口高度100m左右，進風口高度20m左右。因此，設定系留氣球系統工作高度為300m，實際放球高度略高于工作高度。觀測季節分為夏季和冬季，每個季節觀測日數不少于45d，每天在不同時段進行定時觀測。項目不同，觀測時段不同。如果觀測到強逆溫，在后續時刻需進行加密觀測。1次完整的觀測包括上升和下降兩個階段，歷時25min左右，用時長短與與水平風向風速和垂直風切變有關。施放場地四周平坦開闊，沒有高大建筑物或樹木;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;場地上方無架空電纜、線纜覆蓋。為了掌握地面氣象條件，還需在場地內設置臨時自動氣象站，進行地面要素觀測。

3 系統組成及工作模式

系統由地面和高空兩部分儀器組成，最大探測高度1100m。地面儀器包括筆記本電腦、調制解調器、接收機、探空儀電池充電器和絞車。高空儀器包括探空儀和運載探空儀的氣艇。系留繩將空中儀器與地面儀器連接在一起。氣艇體積5m3，屬小型探測系統，在氣艇中充入惰性氣體氦氣。絞車是控制氣艇升降的設備，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、風向、風速、氣壓、板溫等傳感器和單片機、A/D變換器、調制解調器、發射機、鎳氫電池等組成。在筆記本電腦上安裝配套軟件，將探空儀發射頻率與地面接收機頻率設為一致。隨著氣艇的升空或下降，探空儀所攜帶的傳感器采集回對應高度上的氣象要素，采樣周期5s，接收機收到探空儀發回的數據后送給調制解調器（數據傳輸速率2400 bit/s），解調后通過RS232串行口傳給筆記本電腦。通過軟件，可查看實時采集數據及系統狀態，以便對氣艇升空或下降過程進行調整。

4 觀測注意事項

夏季如有雷電、大風、冰雹、降雨等天氣現象，或者預測升放過程可能會遇到以上不利天氣，則不適宜氣艇施放。在每次觀測之前，應查看地面氣象站實時要素，如果地面風速大于5m/s，則不施放。在氣艇升空或下降過程中，通過軟件查看實時高空風速，如果高空風速大于8m/s時，需注意探空儀安全;隨時關注氣艇空中姿態，如果有“低頭”、瞬時強烈斜升或下降，應及時收回氣艇，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℃，應查看氣艇狀態，充氣以氣艇伸直腰，尾部沒有伸出為準;不能充氣過足，防止在升空時氣壓減小，艇內氦氣過度膨脹而影響穩定性和安全性。

5 數據質量控制及計算

5.1 數據質控

（1）人工質量控制：對1次完整的觀測記錄的上升、下降兩組數據分別進行對比觀察，分析要素的變化趨勢，如果有連續性氣象要素（氣溫、濕度）的突變，則判定為錯誤數據，直接剔除。（2）自動質量控制：編寫數據處理程序，繪制1次完整記錄上升段、下降段的壓、溫、濕廓線，如有曲線的異常或可疑，判定氣壓感應元件變性，數據作失真剔除處理。（3）有效記錄規定：受到天氣因素、供電不穩定或通訊傳輸不及時影響，不能保證每次觀測升空和回收過程都有完整記錄。因此，規定經質控后，上升段1.5m-300m、下降段300-1.5m均有連續記錄，才能計為1次有效記錄。

5.2 數據計算分析

（1）原始數據插值。系統記錄的高度是連續變化的，并非固定層次，需要將不規則高度上的要素值插值到固定層次。項目不同，選定的目標高度也不同。一般選擇幾個高度：1.5m、50m、100m、150m、200m、250m、300m。氣溫是連續變化的，所以采用線性插值方法，分別生成上升和下降兩組二維（時間—高度）氣溫數據集，這兩組數據會有所差異。氣艇升空或回收過程，可能會受到湍流影響，在一定垂直范圍內多次上下擺動，在同一高度上獲得多次觀測記錄，則以平均值代表該高度上的觀測結果。空冷平臺的擺放位置和廠區的規劃設計都必須依賴于現場多年的主導風向，空冷設計中必須參考空冷平臺所在高度處（多在35～40m之間）的氣象參數[2]。對于煤電項目會同時設立空冷氣象梯度塔（榆林煤電項目塔高設定為70m左右）來獲取不同高度的逐時氣溫、相對濕度、風向、風速、氣壓等資料。氣象梯度塔固定在地面上，傳感器受環境條件影響小，觀測數據更為可靠。分別將上升、下降兩組氣溫數據與氣象梯度塔的氣溫數據在固定高度和固定時次上作比較，選定與氣象梯度塔一致性好的一組數據作為分析逆溫的數據集。（2）逆溫特征參數統計。根據逆溫層位置不同，將逆溫分為貼地逆溫和脫地逆溫。表征逆溫特征的參數有：逆溫頻率、厚度和強度。通過分析參數的時空變化來反應項目地低空大氣逆溫的變化。在時間維度上，按季、月、日變化對比分析，得出逆溫的時序變化特征。在空間上，可按照逆溫層頂高、底高所在層次進行分析。針對逆溫層頂高所在層次（100m以下、100-200m、200-300m）分析三個空間層的貼地逆溫和脫地逆溫的參數特征。針對逆溫層底高所在層次（100m以下、100-200m、200-300m），分析三個空間層的脫地逆溫的參數特征。（3）逆溫個例分析及原因探討。選定逆溫強度最大個例和最長連續時間個例進行分析，結合高空氣象站、周邊氣象站實測資料和數值模式模擬，從大范圍環流及局地中小尺度系統特征探討項目地逆溫出現的背景條件，為空冷系統參數設計提出合理建議。

6 結語

系留氣球低空探測系統在榆林煤電項目氣候可行性論證中應用效果良好，根據其觀測氣溫分析的逆溫結論可作為煤電項目空冷系統設計的科學參考，是煤電項目氣候可行性論證中的重要部分。

參考文獻

[1] 西北電力設計院.電力工程水務設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2] 潘新民，藺婷婷，黃智強，等.電廠空冷設計中氣象觀測和分析原理[J].干旱氣象，2009（2）：190-192.

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