基于SCREEN3的燃煤电厂海岸线熏烟问题研究

韩宇超，聂峰

(1.中国电力工程顾问集团公司，北京 100011;2.华东电力设计院，上海 200001)

基于SCREEN3的燃煤电厂海岸线熏烟问题研究

韩宇超1，聂峰2

(1.中国电力工程顾问集团公司，北京 100011;2.华东电力设计院，上海 200001)

以2×300MW、2×600MW、2×1000MW海边燃煤电厂为例，采用SCREEN3模式利用正交试验法研究了海岸线熏烟和常规气象条件下，不同烟囱高度、不同排烟温度、不同离岸距离时最大落地浓度及其发生距离。结果表明:对于海边大型燃煤电厂，海岸线熏烟的发生与离岸距离、烟囱高度、排烟温度等因素有关;海岸线熏烟最大落地浓度(Smax)是常规气象条件下最大落地浓度(Cmax)的2倍以上，有时甚至达到4倍以上。Smax和Cmax均随排烟温度的升高而降低，Smax随烟囱离岸距离的增加而升高;熏烟最大落地浓度的发生距离(SL)远大于常规气象条件下最大落地浓度的发生距离(CL)，两者均随烟囱高度和排烟温度的升高而增加，SL随离岸距离的增加而缩短;对于离岸距离在3km以内的海边大型燃煤电厂，在环境影响评价时对厂址周边1.3～7.7km范围内有环境敏感点的区域要特别关注海岸线熏烟问题。

燃煤电厂;海岸线熏烟;SCREEN3

0 引言

海岸地区热力内边界层(TIBL)对该地区大气污染物扩散具有重要的影响［1］。我国的海边燃煤电厂大气污染物多采用高烟囱排放方式，当烟羽高度高于当地TIBL时，初始阶段烟羽在稳定大气中沿下风向平流扩散，随着TIBL逐渐增厚，烟羽将与TIBL上边界相交，并进行强烈的向下混合，即出现海岸线熏烟现象［2－4］。海岸线熏烟发生时，最大地面浓度有可能比常规气象条件下的最大地面浓度高2～3倍，因而对大气污染物扩散而言，它是一种极为不利的气象条件［5－8］。

本文采用SCREEN3中的熏烟模式，计算海岸线熏烟条件下海边燃煤电厂NO2的最大落地浓度及发生距离，探讨烟囱高度、污染源离岸距离、烟气温度等因素与发生海岸线熏烟之间的关系，并将熏烟计算结果与不考虑熏烟条件的预测结果进行对比研究，以期对海边大型燃煤电厂选址和环境影响评价工作提供参考。

1 预测情景和预测方法

SCREEN3是一个单源高斯烟羽估算模式，可用于计算点源排放的最大地面浓度以及海岸熏烟等特殊条件下的最大地面浓度［9］。估算模式中嵌入了54种预设的常规气象组合条件，包括一些最不利的气象条件。SCREEN3模式中大气稳定度A、B、C、 D、E、F与不同风速(1.0～20.0m/s)的组合气象条件见表1。表中*为一组组合气象条件。

表1 SCREEN3模式中的风速和稳定度组合气象条件

我国装机容量300MW及以上大型燃煤电厂现普遍采用两炉合用一座烟囱的方案，2×300MW、2 ×600MW、2×1000MW 机组烟囱高度分别为180m、210m和240m。各典型条件下的燃煤电厂大气污染源主要排放参数见表2，其中大气污染物考虑NO2，其排放浓度80mg/m3，环境温度293K。

表2 污染源排放点源参数

沿海地区燃煤电厂常用的脱硫方案为石灰石—石膏湿法脱硫和海水脱硫。当采用石灰石—石膏湿法脱硫方案时，烟囱出口处温度约为319K(无GGH)或350K(有GGH);当采用海水脱硫方案时，烟囱出口处温度较低，约为305K(无GGH)或335K (有GGH)。由于海岸线熏烟通常发生在离岸3km以内的高架点源［9－12］，因而本文中海岸线熏烟的烟囱离岸距离分别取500、1000、1500、2000、2500、3000m。由上述4种排烟温度、6个离岸距离组合成24种预测情景见表3。

采用SCREEN3模式研究180m、210m和240m烟囱排放时上述24种情景下海岸线熏烟是否发生以及在发生熏烟条件下的最大落地浓度(Smax)及其发生距离(SL)，并与54种常规气象组合条件下的最大落地浓度(Cmax)和及其发生距离(CL)进行对比分析。

表3 大气污染源排烟温度和离岸距离情景组合

2 结果与讨论

表4给出了各种情景的熏烟预测结果。从表4中可以看出，180m(2×300MW机组)、210m(2× 600MW机组)和240m(2×1000MW机组)烟囱均属于高架源，均有可能发生海岸线熏烟，但180m烟囱在情景4、5、6、11、12、17、18和24时不会发生海岸线熏烟，210m烟囱在情景6时不会发生海岸线熏烟。这表明，海岸线熏烟的发生不仅与烟囱高度有关，而且与排烟温度有关，因为这两者都直接影响到污染物排放的有效高度。当烟囱离海岸线一定距离后，如烟羽有效高度低于TIBL时，烟羽全部落在不稳定的TIBL内，此时便不会发生海岸线熏烟。

表4 各种情景下海岸线熏烟最大落地浓度与落地距离

图1、2给出了240m烟囱不同情景下的海岸线熏烟最大落地浓度及发生距离，从图中可知:排烟温度相同时，海岸线熏烟最大落地浓度(Smax)随烟囱离岸距离的增加而升高，而熏烟最大落地浓度的发生距离(SL)随烟囱离岸距离的增加而缩短;离岸距离相同时，Smax随排放温度的升高而降低，而SL随排放温度的升高而增加。从表4中可知180m和210m烟囱排放时具有同样的规律。

从180m、210m、240m烟囱计算结果(表4)比较可知:当排烟温度相同时，三者的Smax均随着离岸距离的增加而升高，但180m烟囱排放时Smax升高的最快，210m次之;当排烟温度和离岸距离均相同时，SL随烟囱高度的增加而变大，这主要是因为当发生海岸线熏烟时，热力内边界层自岸边向内陆在铅垂方向上逐渐增厚，当排烟温度和离岸距离相同时，排烟有效高度越高，烟气与热力内边界层的交点离岸就越远。

表5给出了常规气象条件下各烟囱不同排烟温度时的最大落地浓度(Cmax)及其发生距离(CL)。当烟囱高度相同时，排烟温度越高，Cmax越小，CL越大。将表4与表5的计算结果进行比较可以看出:当烟囱高度、排烟温度相同时，Smax是Cmax的2倍以上，有时甚至达到4倍以上。SL要远大于CL，对于240m烟囱，因污染源离岸距离和排烟温度不同，SL介于2.0～7.7km之间，而CL介于1.2～1.3km之间;对于210m烟囱，SL介于1.3～5.9km之间，而CL介于1.1～1.2km之间;对于180m烟囱，SL介于1.3～4.0km之间，而CL介于1.0～1.1km之间。

图1 240m烟囱不同情景下的海岸线熏烟最大落地浓度

图2 240m烟囱各情景海岸线熏烟最大落地浓度发生距离

表5 54种常规气象条件下各烟囱排放时Cmax及CL

3 结语

海岸线熏烟的发生与离岸距离、烟囱高度、排烟温度等因素有关;发生海岸线熏烟时，最大落地浓度(Smax)随烟囱离岸距离的增加而升高，随排烟温度的升高而降低。熏烟最大落地浓度的发生距离(SL)随离岸距离的增加而缩短，随烟囱高度和排烟温度的升高而增加。Smax是常规气象条件下最大落地浓度(Cmax)的2倍以上，有时甚至达到4倍以上。SL远大于常规气象条件下最大落地浓度的发生距离(CL)。因此，需要在岸边3km内设立高架源的大型海边燃煤电厂，在环境影响评价时对燃煤电厂周边1.3～7.7km范围内有环境敏感点的区域要特别关注海岸线熏烟问题。

［1］周如明，蒋维楣.沿岸地区大气输送和扩散研究［M］.南京:南京大学出版社，1989.

［2］Misra P K.Dispersion from tall stacks into a shore line envrironment［J］.Atmospheric Environment，1980，(14):397－400.

［3］陆建伟，曹德友，蒋大和.海岸热边界层熏烟模式的应用研究［J］.江苏环境科技，2007，20(A1):12－15.

［4］俎铁林，魏生生，林学范.海岸线熏烟扩散模式［J］.应用气象学报，1999，10(3):307－313.

［5］王风文，李建玲，傅海英.一起海岸线熏烟引起SO2中毒的事故调查［J］.环境与健康，2008，25(7):647－657.

［6］李玉文，张欢，王英伟.海岸线熏烟扩散模式中岸距与烟囱有效高度关系的研究［J］.环境科学与管理，2007，32(1):45－48.

［7］郭振华.对熏烟扩散模式应用的探讨［J］.环境工程，2003，21 (4):63－65.

［8］刘祖涵，张斌，任得有，等.基于熏烟扩散模式的大气环境影响预测和评价:以湘潭县某新建炼锌厂为例［J］.资源开发与市场，2009，25(8):689－691.

［9］US Environmental Protection Agency.SCREEN3 model user＇s guide［S］.North Carolina，US:Office of Air Quality Planning and Standards Emissions，Monitoring，and Analysis Division Research Triangle Park，1995.

［10］Kerman B R.A similarity model of shoreline fumigation［J］.Atmosphere Environment，1982，16(3):467－477.

［11］戴恩贤，张新铭.火电厂对生态环境影响的总体评价［J］.电力环境保护，2008，24(1):46－49.

［12］林莉.建设项目卫生防护距离的确定方法［J］.电力环境保护，2008，24(6):55－57.

Research on shoreline fumigation of coal－fired power plant based on SCREEN3

Taking 2×300MW，2×600MW and 2×1000MW units coastal coal－fired power plants as examples，based on SCREEN3 software，using the Orthogonal Experimental Method，the maximum ground－level concentration and its position are studied for different stack heights，different flue gas temperatures，and different offshore distances of stacks under shoreline fumigation and general meteorological conditions.The results show that shoreline fumigation is influenced by stack height，flue gas temperature and offshore distance of stack for large coal－fired power plant;the maximum ground－level concentrations in shoreline fumigation(Smax)are more than twice as high as that in general meteorological conditions(Cmax)，even some are over 4 times higher;both Smaxand Cmaxdecrease with increasing the flue gas temperature，and Smaxincrease with increasing the offshore distance of stack;the distance from stack to the position where the Smaxoccur(SL)is more than that from stack to the position where the Cmaxoccur(CL);both SLand CLincrease with increasing the stack height and the flue gas temperature;SLdecreases with increasing the offshore distance of stack;the shoreline fumigation should be paid particular attention for the large coal－fired power plants within 3km from the shore，especially when there are some environmentally sensitive areas within 1.3～7.7km radius around the plants.

coal－fired power plant;shoreline fumigation;SCREEN3

X820.3

B

1674－8069(2012)01－001－04

2011-09-03;

2011-12-20

韩宇超(1981-)，男，河北邢台人，工程师，从事电厂项目环境保护工作。E－mail:hyc2006@gmail.com