低空探测系统在榆林煤电项目气候可行性论证中的应用

高雪娇 田红卫

摘要：本文分析探讨了系留气球低空探测系统在榆林煤电项目气候可行性论证中的应用，为今后开展相关项目观测提供参考。

关键词：低空探测;系留气球;煤电项目

中图分类号：P414.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）12-0027-02

0 引言

近年来，在能源经济转型升级的驱动下，一批大型煤电一体化项目在榆林开工建设。对于采用间接空冷方式的发电项目而言，空冷系统利用间冷塔内外空气密度差产生的抽力驱动环境空气流经空冷散热器实现热量交换[1]。大气逆温现象直接影响到空气的垂直运动，导致冷却塔排热受阻，自然通风的抽力减小，进而影响空冷塔冷却效果。因此，大气逆温对采用空冷技术的电厂造成的不利影响，是煤电项目气候可行性论证的一个重要部分。通过确定逆温的关键特征参数，为空冷塔设计提供科学依据，从而降低逆温对空冷塔运行的影响，提升煤电项目的经济效益和生态效益。

1 系留气球探测系统功能

系留气球是通过缆绳将气球拴在地锚或专用设备上的气球系统，依靠球体内气体产生的浮力，由系留缆绳拖拽收放，对定点上空进行垂直观测，具有操作简单，移动方便，可重复使用，适合野外作业的工作特点，广泛应用于气象、环保、测绘、通讯、建筑等领域。其工作高度取决于气球体积、载荷重量和系缆重量等因素，一般从几百米至3000米。抗风能力与球体的气动特性、布局、净浮力和体积大小有关。气球的升空、回收和姿态调整通过缆绳来实现。应用于气象领域的系留气球观测系统可以探测大气边界层的温度、湿度、气压、风向、风速等要素。本文以GTX Ⅱ系留气球低空探测系统为例进行分析。

2 观测要求

煤电项目空冷塔高度一般低于200m，出口高度100m左右，进风口高度20m左右。因此，设定系留气球系统工作高度为300m，实际放球高度略高于工作高度。观测季节分为夏季和冬季，每个季节观测日数不少于45d，每天在不同时段进行定时观测。项目不同，观测时段不同。如果观测到强逆温，在后续时刻需进行加密观测。1次完整的观测包括上升和下降两个阶段，历时25min左右，用时长短与与水平风向风速和垂直风切变有关。施放场地四周平坦开阔，没有高大建筑物或树木;在水平方向上与道路、电杆、建筑物保持不小于升放高度的安全距离;场地上方无架空电缆、线缆覆盖。为了掌握地面气象条件，还需在场地内设置临时自动气象站，进行地面要素观测。

3 系统组成及工作模式

系统由地面和高空两部分仪器组成，最大探测高度1100m。地面仪器包括笔记本电脑、调制解调器、接收机、探空仪电池充电器和绞车。高空仪器包括探空仪和运载探空仪的气艇。系留绳将空中仪器与地面仪器连接在一起。气艇体积5m3，属小型探测系统，在气艇中充入惰性气体氦气。绞车是控制气艇升降的设备，最大绕线速度约50m/min。探空仪悬挂在气艇中间部分的吊绳上，由温度、湿度、风向、风速、气压、板温等传感器和单片机、A/D变换器、调制解调器、发射机、镍氢电池等组成。在笔记本电脑上安装配套软件，将探空仪发射频率与地面接收机频率设为一致。随着气艇的升空或下降，探空仪所携带的传感器采集回对应高度上的气象要素，采样周期5s，接收机收到探空仪发回的数据后送给调制解调器（数据传输速率2400 bit/s），解调后通过RS232串行口传给笔记本电脑。通过软件，可查看实时采集数据及系统状态，以便对气艇升空或下降过程进行调整。

4 观测注意事项

夏季如有雷电、大风、冰雹、降雨等天气现象，或者预测升放过程可能会遇到以上不利天气，则不适宜气艇施放。在每次观测之前，应查看地面气象站实时要素，如果地面风速大于5m/s，则不施放。在气艇升空或下降过程中，通过软件查看实时高空风速，如果高空风速大于8m/s时，需注意探空仪安全;随时关注气艇空中姿态，如果有“低头”、瞬时强烈斜升或下降，应及时收回气艇，防止系留绳断裂造成气艇逃逸。如果地面气象站气温高于35℃，应查看气艇状态，充气以气艇伸直腰，尾部没有伸出为准;不能充气过足，防止在升空时气压减小，艇内氦气过度膨胀而影响稳定性和安全性。

5 数据质量控制及计算

5.1 数据质控

（1）人工质量控制：对1次完整的观测记录的上升、下降两组数据分别进行对比观察，分析要素的变化趋势，如果有连续性气象要素（气温、湿度）的突变，则判定为错误数据，直接剔除。（2）自动质量控制：编写数据处理程序，绘制1次完整记录上升段、下降段的压、温、湿廓线，如有曲线的异常或可疑，判定气压感应元件变性，数据作失真剔除处理。（3）有效记录规定：受到天气因素、供电不稳定或通讯传输不及时影响，不能保证每次观测升空和回收过程都有完整记录。因此，规定经质控后，上升段1.5m-300m、下降段300-1.5m均有连续记录，才能计为1次有效记录。

5.2 数据计算分析

（1）原始数据插值。系统记录的高度是连续变化的，并非固定层次，需要将不规则高度上的要素值插值到固定层次。项目不同，选定的目标高度也不同。一般选择几个高度：1.5m、50m、100m、150m、200m、250m、300m。气温是连续变化的，所以采用线性插值方法，分别生成上升和下降两组二维（时间—高度）气温数据集，这两组数据会有所差异。气艇升空或回收过程，可能会受到湍流影响，在一定垂直范围内多次上下摆动，在同一高度上获得多次观测记录，则以平均值代表该高度上的观测结果。空冷平台的摆放位置和厂区的规划设计都必须依赖于现场多年的主导风向，空冷设计中必须参考空冷平台所在高度处（多在35～40m之间）的气象参数[2]。对于煤电项目会同时设立空冷气象梯度塔（榆林煤电项目塔高设定为70m左右）来获取不同高度的逐时气温、相对湿度、风向、风速、气压等资料。气象梯度塔固定在地面上，传感器受环境条件影响小，观测数据更为可靠。分别将上升、下降两组气温数据与气象梯度塔的气温数据在固定高度和固定时次上作比较，选定与气象梯度塔一致性好的一组数据作为分析逆温的数据集。（2）逆温特征参数统计。根据逆温层位置不同，将逆温分为贴地逆温和脱地逆温。表征逆温特征的参数有：逆温频率、厚度和强度。通过分析参数的时空变化来反应项目地低空大气逆温的变化。在时间维度上，按季、月、日变化对比分析，得出逆温的时序变化特征。在空间上，可按照逆温层顶高、底高所在层次进行分析。针对逆温层顶高所在层次（100m以下、100-200m、200-300m）分析三个空间层的贴地逆温和脱地逆温的参数特征。针对逆温层底高所在层次（100m以下、100-200m、200-300m），分析三个空间层的脱地逆温的参数特征。（3）逆温个例分析及原因探讨。选定逆温强度最大个例和最长连续时间个例进行分析，结合高空气象站、周边气象站实测资料和數值模式模拟，从大范围环流及局地中小尺度系统特征探讨项目地逆温出现的背景条件，为空冷系统参数设计提出合理建议。

6 结语

系留气球低空探测系统在榆林煤电项目气候可行性论证中应用效果良好，根据其观测气温分析的逆温结论可作为煤电项目空冷系统设计的科学参考，是煤电项目气候可行性论证中的重要部分。

参考文献

[1] 西北电力设计院.电力工程水务设计手册[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2] 潘新民，蔺婷婷，黄智强，等.电厂空冷设计中气象观测和分析原理[J].干旱气象，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