Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Минимизация воздействия на окружающую среду выбросов от энерготехнологических установок на основе мониторинга и параметрического моделирования

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Минимизация воздействия на окружающую среду выбросов от энерготехнологических установок на основе мониторинга и параметрического моделирования"

На правах рукописи

оозобттэв

БАСОВ АЛЕКСЕЙ ВАДИМОВИЧ

МИНИМИЗАЦИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ВЫБРОСОВ ОТ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ МОНИТОРИНГА И ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

03 00 16-экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь - 2007

003057796

Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете

Научный руководитель-

доктор технических наук, профессор КЕТОВ АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

КОРОТАЕВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

доктор химических наук, профессор ДЕГТЕВ МИХАИЛ ИВАНОВИЧ

Ведущая организация1

ОАО «Межотраслевой научно-исследовательский институт экологии топливно-энегретического комплекса»

(МНИИЭкоТЭК )

Защита диссертации состоится «16» мая 2007 г в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.188 07 при Пермском государственном техническом университете, по адресу 614990, г Пермь, Комсомольский проспект, 29, ауд 4236 главного корпуса

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Пермского государственного технического университета

Автореферат разослан « 12. » апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного Совета,

доктор технических наук, профессор

Рудакова Л В

Актуальность темы: Современная промышленность, обеспечивая потребности общества, перерабатывает природные ресурсы в готовую продукцию Одним из основных показателей, характеризующих общее развитие промышленности, является объем добычи углеводородных энергоносителей и производство энергии Человечеству требуется все большее количество энергии для удовлетворения своих потребностей При этом на всех этапах добычи и переработки энергоносителей происходит воздействие на окружающую среду, изменяющее существующее природное материальное и энергетическое равновесие

В настоящее время существует два основных типа систем экологического мониторинга аналитический или традиционный, основанный на применении измерительного оборудования для определения концентраций и расхода топлива с дальнейшим расчетом величины выброса, и параметрический, основанный на зависимости вещественного состава выбросов как от технологических параметров процессов, в которых образуются загрязняющие вещества, так и на физико-химических характеристиках этих процессов

Типичная (аналитическая) система мониторинга выбросов состоит из автоматического стационарного промышленного анализатора с системой отбора и подготовки проб, измерителей температуры, давления и других параметров сбросного потока Измеренные параметры сбросного потока передаются в компьютер для дальнейшей обработки В настоящее время эта система широко распространена и применяется на большинстве предприятий, но она имеет существенный недостаток -не является непрерывной во времени

В то же время обеспечение действенного контроля за соблюдением нормативов предельно допустимых выбросов возможно только при использовании систем непрерывного аналитического контроля, связанных с блоками регулирования работы агрегатов В связи с этим представляет интерес создание систем непрерывного аналитического контроля, так как они позволяют определять истинные величины выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду, оперативно регулировать режим работы теплоэнергетической установки, прогнозировать величину выбросов и минимизировать воздействие выбросов на окружающую среду

Известны работы, связанные с использованием системы параметрического мониторинга для определения концентраций компонентов в выбросах Российское законодательство предполагает определение массовых содержаний компонентов выбросов Решению этой проблемы и посвящена настоящая работа

Цель исследования заключалась в разработке количественного определения выбросов, основанного на математической модели работы энерготехнологической установки и потоков выбросов, в режиме реального времени

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи

- изучить закономерности образования загрязняющих компонентов на энерготехнологических установках при окислении углеводородных топлив;

- выявить значащие факторы в штатных параметрах работы паровых котлов и газотурбинных установок для построения математической модели выбросов,

- разработать методики формирования баз данных паровых котлов и газотурбинных установок,

- спроектировать систему параметрического мониторинга путем нахождения зависимостей функций отклика в виде характеристик выбросов от значащих факторов штатных параметров работы энерготехнологических установок,

- показать эффективность работы предложенной системы для снижения антропогенного воздействия

Объектом исследования являются выбросы в окружающую среду от энерготехнологических установок - паровых котлов ДКВР-20-13 и ТП-92 и газотурбинных установок ГТУ-2,5П и ГТУ-4П

На защиту выносятся*

1 Система автоматического непрерывного определения состава выбросов энерготехнологических комплексов Целесообразность использования параметрической системы мониторинга выбросов энерготехнологических комплексов, основанной на анализе штатных технологических параметров работы установки и количественных характеристик выбросов в режиме реального времени

2 Методика формирования баз данных при построении модели

3 Модель, описывающая зависимость количества выбросов от технологических параметров работы установки

4 Оценки адекватности полученной системы мониторинга и минимизации воздействия на окружающую среду путем моделирования выбросов и соответствующего изменения технологических параметров энерготехнологических комплексов Снижение нагрузки на окружающую среду на основании математического анализа построенной модели

Научная новизна:

• создана система экономичного автоматического непрерывного контроля вещественного состава выбросов энерготехнологических установок

• разработана модель, описывающая зависимость количества выбросов от технологических параметров работы установки

• разработана система контроля выбросов энерготехнологических комплексов, основанная на анализе штатных технологических параметров и количественных характеристик выбросов в режиме реального времени

• доказана адекватность модели и возможность в предупредительном режиме корректировать технологические параметры для снижения техногенной нагрузки на окружающую среду

• научная новизна подтверждена патентом РФ № 2190875 "Способ определения величины массовых выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду и система для его осуществления"

Практическая значимость работы заключается в том, что создана система для непрерывного вещественного определения загрязняющих компонентов в газовых выбросах, которая позволяет отказаться как от пробоотбора, так и использования специальных газоанализаторов, чем обеспечивается значительный экономический эффект

Доказана возможность существенного снижения количества выбросов и снижения нагрузки на окружающую среду при использовании предложенной системы

Созданы базы данных для реализации сертифицированной системы параметрического мониторинга энергетических котлов и газотурбинных установок

Система функционирует на ОАО «Уралкалий» (г Березники) и опробована на ОАО «Авиадвигатель» (г Пермь) и Яйвинской ГРЭС (пос Яйва)

Практическая значимость подтверждена актом использования изобретения ОАО «Уралкалий» Использование предложенной системы на ОАО «Уралкалий» (г Березники) позволило уменьшить количество выбросов оксидов азота N0, примерно на 800 килограммов в год

Результаты исследований используются в учебном процессе Пермского государственного технического университета при чтении лекций по курсу «физико-химические методы анализа» для специальностей «технология неорганических веществ» и «биотехнология»

Апробация работы: Материалы диссертации докладывались и обсуждались на V Международной научно-практической конференции «Энергопотребление и энергосбережение проблемы и решения» (Пермь, 2002), II Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология и научно-технический прогресс» (Пермь, 2004), Областной конференции молодых ученых и студентов «Проблемы химии и экологии» (Пермь, 2004), III Региональной научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной аналитической химии» (Пермь, 2004), Областной конференции молодых ученых и студентов «Проблемы химии и экологии» (Пермь, 2005), II Всероссийской конференции «Аналитические приборы» (Санкт-Петербург, 2005), Международной научной конференции «Эколого-экономические проблемы освоения минерально-сырьевых ресурсов» (Пермь, 2005)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ Из них 1 статья в отечественном рецензируемом научном журнале, 1 патент, 1 учебное пособие, 3 статьи в сборниках научных работ, 7 тезисов докладов на областных, региональных, всероссийских и международных конференциях

Структура и объем работы: Диссертация изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц и 22 рисунка Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы, включающего 80 ссылок, приложений

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы

В первой главе проведен анализ имеющихся в литературе работ по техническим средствам контроля и мониторинга воздействия на окружающую среду теплоэнергетических установок

Известно, что при горении органических соединений происходит образование оксидов СОх, МОх и при наличии серы - Я02 Так как эти вещества являются основными загрязняющими веществами атмосферы, следовательно, нужно проводить мониторинг их образования

Анализ литературных данных показал что, существуют два типа систем экологического мониторинга аналитический или традиционный и параметрический Традиционную систему экологического мониторинга можно разделить на два типа

- анализ, связанный с отбором проб и передачей их в лабораторию для соответствующих измерений,

- анализ, связанный с использованием автоматических устройств Аналитический или традиционный мониторинг основан на применении

измерительного оборудования для определения концентраций и расхода с дальнейшим расчетом величины выброса К недостаткам аналитического мониторинга относится то, что данный метод не является непрерывным во времени, следовательно, с его помощью нельзя определить истинные величины выбросов в атмосферу Кроме того, данный метод основан на использовании дорогостоящих газоанализаторов, которые имеют ограниченный ресурс (срок) работы

На наш взгляд, наиболее перспективным является параметрическая система мониторинга

Материальный и тепловой балансы лежат в основе функционирования любого технологического объекта, преобразующего сырье в готовую продукцию В свою очередь, эта степень преобразования определяется технологическими параметрами процесса температурой, давлением, временем пребывания топлива в реакторе, степенью перемешивания компонентов и т п, которые при проведении процесса регулируются управляющими элементами технологического режима Таким образом, между параметрами технологического процесса и полнотой преобразования сырья в продукт имеется некоторая сложная связь Так как загрязняющие вещества образуются в результате протекания технологического процесса из веществ, являющихся сырьем, то они также являются продуктом, а, следовательно, существуют закономерности их образования Поэтому, определив эти закономерности для каждого конкретного процесса и загрязняющего вещества, становится возможным создавать системы мониторинга, позволяющие определять величину выброса по текущим технологическим параметрам работы установки -системы параметрического мониторинга

Суть подобных систем заключается в том, что базирующееся на математических моделях источников выбросов программное обеспечение рассчитывает концентрацию загрязняющих компонентов в сбросных потоках в зависимости от параметров технологического режима Исходные данные для расчета, как правило, выбираются из существующей системы управления производственным процессом

Система параметрического мониторинга позволяет отказаться от использования измерительного и аналитического оборудования (газоанализаторов), чем достигается экономический эффект, позволяет отказаться от пробоотбора, следоватечьно, является непрерывной во времени

Во второй главе описаны основные методы исследований, теплоэнергетические объекты, воздействующие на окружающую среду и средства контроля за выбросами

Методы исследования. Определение количества загрязняющих компонентов в воздухе проводили с помощью поверенных компьютеризированных портативных газоанализаторов 1МЯ-ЗОООР, 1МЯ-3010Р и ТЕ8ТО-350 Данные приборы предназначены для контроля выбросов загрязняющих веществ и оптимизации работы топливных установок путем контроля содержания в отработанных газах следующих компонентов кислорода, монооксида углерода, окиси азота, двуокиси серы, двуокиси азота, сероводорода

Принцип измерения концентрации анализируемых газов основан на использовании электрохимических ячеек Они являются основой двухэлектродных и трехэлектродных сенсоров, применяемых в приборе Сенсоры, хотя и обладают высокой селективностью на один из измеряемых газов, но иногда обладают чувствительностью по отношению к другим газам Это устраняется при пересчете напряжений, выдаваемых сенсорами в значения концентраций Эти преобразования осуществляются встроенной ЭВМ, которая также компенсирует температурную зависимость напряжений сенсоров, исходя из внутренней температуры прибора

В третьей главе описаны принципы моделирования выбросов как функций отклика на контролируемые параметры энерготехнологических установок Описаны методики создания баз данных и построения моделей

Сложные системы представляют собой совокупность простых систем и отличаются от них в количественном и качественном отношениях Паровой котел может быть охарактеризован как сложная химико-технологическая система

В связи с тем, что сложным системам присущи 1) определенная целостность, 2) большое число выполняемых функций, 3) сложность поведения, 4) наличие состязательных, конкурирующих сторон (в системе могут протекать противоположно направленные процессы, стремящиеся уменьшить ее эффективность), то количество выбросов парового котла зависит от большого количества факторов

Паровой котел, как сложная химико-технологическая система, состоит из большого количества составных частей (горелки, экономайзер, заслонки нагнетания воздуха и др ) При работе котла каждая составная часть работает в определенном технологическом режиме Исходя из сути параметрического мониторинга, все параметры составных частей влияют на количество выбросов загрязняющих веществ в атмосферу Так как система параметрического мониторинга должна определять массовые содержания компонентов в выбросах в зависимости от штатных параметров, то необходимо было определить какие параметры наиболее существенно влияют на величину выбросов

Предварительный анализ показал, что такие параметры как температура питательной воды за экономайзером, температура и расход питательной воды, температура и давление пара несущественны при построении системы параметрического мониторинга

При работе котла на газовом топливе измеряемыми технологическими параметрами, определяющими режим работы котла, являются

- давление топливного газа на горелках (Рг),

- давление воздуха на горелках (Р„),

- атмосферное давление (Ратм)>

- температура дымовых газов после водяного экономайзера (ВЭК) в параллельных дымоходах (1Вэк 1 4),

- степени открытия заслонок нагнетания воздуха дутьевых вентиляторов

гв2),

- температура горячего воздуха после воздухоподогревателей вЬ 1гв2),

- степень открытия заслонок дымососов 7дсг)

Так как непосредственное использование данных факторов, их квадратов и парных произведений не позволяет получить адекватные зависимости, данные факторы комбинировались с учетом физического смысла в следующие комплексы

X — р РАт X = Р ^^ ^л ™

21Ъ+'гп+,г

X — !взк\ + ¿ЮК2 ^ВЗКЪ ^ __ I % Я\ + % В

+ 2дс2 V %ДС\ + 2

+ 2 в

Комбинирование технологических параметров в комплексы данного вида можно объяснить следующими соображениями

горелка котла, по сути, представляет собой сужающее устройство, следовательно, количества подаваемых на сжигание топлива и воздуха будут зависеть

от температуры потока, давления перед горелкой и атмосферного давления Таким образом, в комплексы X] и Х2 включены параметры, позволяющие учесть отклонение параметров потоков от нормальных термодинамических условий (по атмосферному давлению и температуре потока, подаваемого в горелку) То есть X) = f(Pra3a 1Газа,Ратм),

Х2 = ДРвоздухл> Vop воздуха. РатмХ

- так как образование оксидов азота и недожог топлива зависят от КПД котла, определяющегося в основном температурой дымовых газов, вводят комплекс Х} -среднюю температуру дымовых газов

То есть Х3 = f(tB3K),

- на образование оксидов азота и недожог топлива также влияет вид факела горящего топлива, зависящий (сложным образом) от гидравлики тракта дымовых газов, на которую оказывает влияние степень открытия заслонок дутьевых вентиляторов и дымососов, объединенных в комплексы Х4, Х5, и Х6

То есть Х4 = f (% задв воздуха), Xs = f(% задв ДС), Х6 = f(% задв воздуха, задв ДС) Следует отметить, что объединение факторов в указанные комплексы производилось с целью лучшего описания экспериментальных данных статистической моделью, повышения ее адекватности на основе эмпирических данных, характерных для конкретного эперготехнологического агрегата Для других котлов, даже однотипных, или для данного котла после капитального ремонта топки, тракта дымовых газов или замены горелок вид комплексов (особенно Х4, Х5, и Х6) может быть другой Кроме того, в качестве гипотез при составлении статистической модели могут быть использованы и другие параметры работы объекта, которые при обработке данных могут быть «отсеяны» как несущественные

Объединение указанных факторов в комплексы позволило получить зависимости

концентрации NOx (ppm) в дымовых газах после дымососа CNOx = ко + к,-Х| + к2-Х2 + кз'Хз + к4'Х4, концентрации СО (ppm) в дымовых газах после дымососа С со = П1в + miOCf + m2'Xj + тз'Хз + т4-Х6, коэффициент избытка воздуха после дымососа а = По + ni'Xj + пг'Хг'Хг Формулы расчета выбросов NO и СО котла № 5 при работе на газе. NOe = К, + К2 Pgas + К3 Ра|г + К4 Pgas/Palr + К5 Palr/Pgas + К6 Pga52 + К7 Ра,г2 + К8 Pair2/Pgas2, где NO[t- концентрация NO в дым газах, ppm,

Pgas- давление топливного газа на горелках, мм вд ст , Ра„- давление воздуха на горелках, мм вд ст,

Ki К8 = 3,06594893493652 * 105,-6,39525170177221 * 10, 1,22710843563079 * 102 -4,092100721740 72 * 104, -7,54376503 1 73828 * 105, 1,63 872502074810 * 10 ' -7,05777050228790 * 10'1, 6,16215804931641 * 105

COe = KI + K2 Pair + K3 Palr2/Pgas2 + K4 Tkot + K5 Tout где COE - концентрация CO в дым газах, ppm,

Pgls - давление топливного газа на горелках, мм вд ст , Ра,г - давление воздуха на горелках, мм вд ст , Tkot - температура дымовых газов после котла, °С, Т0и! - температура дым газов после экономайзера, °С,

К! К5= -7,34342878435382 * 10, -5,92532153282960 * 10"1, 6,05363436686894 * 10 7,48241359671653 * 10"', 6,19773552593301

AlfaE = К, + К2 Pgas + К3 Pgas/Palr + К4 Pgas2 + К5 Tout где AlfaE - коэффициент избытка воздуха после экономайзера, Pgas - давление топливного газа на горелках, мм вд ст , Ра,г - давление воздуха на горелках, мм вд ст , Т0ш - температура дымовых газов после экономайзера, °С,

Ki Ks= 1,75983640329650,-1,10745266501481 * 102, -1,18633066556526* 10"1 2,33484909597792 ♦ 10'5, 7,02700356583819 * 103

В дальнейшем, после расчета и взаимного согласования материального и теплового балансов определялся расход дымовых газов, производился пересчет концентраций загрязняющих веществ в массовые количества выбросов СОго = (1-УШо) Gd 1 25 СОЕ/ЮОО NOm = (1-Ушо) Gd 1.34 ШЕ/1000 NOxm = (1-Vhjo) Gd 2 05 N0p/1000 где COm - выброс СО, г/сек, NOm - выброс NO, г/сек, NOxm - выброс NOx, г/сек,

Vh2o - объемная доля паров воды в дымовых газах, Gd - расход дымовых газов, нм3/сек

Для построения системы параметрического мониторинга выбросов газотурбинных установок ГТУ-2,5П и ГТУ-4П измеряемыми технологическими параметрами, определяющими режим работы установки, являются

- давление атмосферного воздуха, мм рт ст ,

- давление воздуха на входе в ГТУ, мм рт ст,

- температура воздуха на входе в ГТУ, °С,

- избыточное давление воздуха за компрессором, кгс/см2,

- температура воздуха за компрессором, °С,

- мощность генератора, МВт

Методика формирования базы данных для системы мониторинга выбросов

паровых котлов ДКВР-20-13 и ТП-92 Для рассматриваемых котлов основными загрязняющими компонентами являются монооксид азота NO и монооксид углерода (СО)

Испытания, позволяющие набрать массив данных с целью их последующей обработки, для составления математической модели, проводили при различных нагрузках котла от минимальной до максимальной как на газообразном, так и жидком топливе

Формирование базы данных проводили следующим образом

1 Устанавливалась заданная производительность котла и параметры режима его работы в соответствии с режимной картой

2 После некоторой выдержки (10-30 мин) производилась запись текущих технологических параметров Одновременно с записью текущих технологических параметров работы котла производился анализ дымовых газов как после котла, так и после дымососа с использованием анализатора IMR 3000Р В качестве технологических параметров измерялись расход дымовых газов (Gra3a, нм3Л), расход пара (Gn4,a), давление дымовых газов (Ргаза), давление воздуха (РВОТд)> давление пара (Рпара), температура пара (Тпара), расход воды (^волы)» температура воды (Т,0ДЬ1),

температура воды в экономайзере (Тэкон), разреженность и температура дымовых газов за котлом и после дымососа (Т)

3 Производилось увеличсншУснижение давления воздуха на горелках При отсутствии величины недожога, превышающей 200 ррт СО после котла, производилась запись текущих технологических параметров Одновременно с записью текущих технологических параметров производился анализ дымовых газов как после котла, так и после дымососа При наличии недожога серия операций заканчивалась и снова выполнялся п 2

Методика предназначена для определения концентраций компонентов, содержащихся в газовых выбросах от стационарных технологических установок, снабженных средствами измерений при отсутствии внешних влияющих факторов N0, - от 60 до 440 ррт, СО - от 2 до 700 ррт, 02 - от 2 до 11 об %, 802 - от 180 до 1200 ррт Погрешности измерений параметров выбросов, установленные в виде значения допустимых границ суммарной погрешности при доверительной вероятности Р = 0,95, не превышают значений, установленных РД 52 04 59 - 85, т е ± 25%, и, в соответствии со свидетельствами, составляют (%) не более N0 - 23, СО -25, 02 - 23, ЭОг - 22

Методика формирования базы данных для системы мониторинга выбросов газотурбинных установок ГТУ-2,5П и ГТУ-4П

Для рассматриваемых газотурбинных установок основными загрязняющими компонентами являются оксид азота N0 и монооксид углерода СО Кроме того, анализировали кислород 02 для установления значения коэффициента избытка воздуха

Испытания, позволяющие набрать массив данных с целью их последующей обработки, для составления математической модели, проводились при различных нагрузках газотурбинных установок с использованием в качестве топлива природного газа по ГОСТ 5542-87

Формирование базы данных проводилось следующим образом

1 Устанавливалась заданная нагрузка газотурбинной установки и параметры режима ее работы в соответствии с режимной картой

Проверка работы системы мониторинга была выполнена в диапазоне нагрузок от 2 до 4 МВт (на более низких режимах выполнить измерение экологических характеристик портативным газоанализатором и отбор проб газа в пипетки с раствором Грисса-Илосвая было невозможно в связи с малыми значениями давления газа в сечении отбора) Подготовка к измерению экологических характеристик и непосредственно измерение выполнялись в соответствии с инструкцией, а также программой и методикой

2 После некоторой выдержки (10-30 мин) выполнялись измерения штатных параметров работы газотурбинной установки, атмосферного давления и экологических характеристик (количественный анализ дымовых газов) портативными газоанализаторами 1М11-3010Р и ТЕ8ТО-350, отбор проб газа в две (три) пипетки для последующего анализа концентрации N0 и расчет экологических характеристик системой мониторинга Измерения концентраций N0, СО и 02 выполнялись в сечении за силовой турбиной с помощью специальных восьмиточечных пробоотборников, установленных на кожух наружный сопла двигателя на специальные фланцы вместо гребенок для измерения полного давления

3 Производилось увеличение/уменьшение нагрузки, то есть переход на другой технологический режим и далее выполнялся п 2

При диапазонах измерения концентрации СО 0 - 37, 37 - 120 и 120 - 400 ррт показатели воспроизводимости получились равными 1,0 ррт, 2,6 ррт и 3,1 ррт соответственно, а показатели правильности - 3,8, 12,3 и 18,6 ррт соответственно При диапазонах измерения концентрации NO* 0-10, 10 - 13 и 13 - 18 ррт показатели воспроизводимости получились равными 0,5, 0,2 и 0,2 ррт соответственно, а показатели правильности - 1,2, 1,6 и 2,5 ррт соответственно

Нами разработана блок-схема системы параметрического мониторинга газовых выбросов в атмосферу Она представлена на рисунке 1

Данная блок-схема использовалась нами для создания компьютерной программы, рассчитывающей в автоматическом режиме состав выбросов теплоэнергетических установок в зависимости от их технологических параметров

Разработанные методики определения состава выбросов прошли метрологическую аттестацию в аккредитованном органе Госстандарта

Для реализации указанного способа определения массовых выбросов предложена система, схема которой представлена на Рис 1 Согласно схемы, система состоит из технологической установки - источника выбросов 1, блока анализов 2, блока сбора и хранения показаний контрольно-измерительного оборудования, дополнительных датчиков и параметров, соответствующих текущим положениям элементов системы управления, основными функциями которого являются сбор и хранение данных в журналах или рапортах (производится обслуживающим персоналом технологической установки) или в виде файлов на компьютере (производится автоматически или обученным персоналом технологической установки) 3 В состав системы входит блок 4 составления материальных и тепловых балансов технологической установки с использованием физико-химических закономерностей протекающих процессов, основными функциями которого являются уточненные физико-химические расчеты, составление различными способами (с использованием различных наборов исходных данных) материального и теплового балансов, проведение вспомогательных расчетов, производить итерационные расчеты, позволяющие согласовать исходные данные, рассчитывать ошибку несогласованности набора данных, выполнять другие вспомогательные операции и взаимодействовать с блоками сбора и хранения исходных данных 3, блоком анализа и коррекции исходных данных при составлении балансов 5, блоком технологических расчетов на основании заданных критериев «советчик технолога» 6, блоком расчета массовых выбросов загрязняющих веществ 7 и блоком коррекции параметров математической модели 10 Блок расчетов массовых выбросов (г/с) загрязняющих веществ 7 позволяет производить расчеты как при использовании в качестве исходных данных параметры работы установки блока 4 и параметры математической модели блока 9, так и результатов анализов выбросов установки, производимых блоком 2, делать заключение о необходимости перекалибровки системы, выполнять другие вспомогательные операции и взаимодействовать с блоком технологических расчетов «советчик технолога» 6 и блоком интегрирования массовых выбросов загрязняющих веществ во времени 8, который позволяет получать параметры воздействия источника выбросов на окружающую среду в течение заданного количества времени, строить соответствующие графики и выполнять другие вспомогательные операции В случае принятия решения о перекалибровке системы операции выполняет комплексный блок 10, который позволяет рассчитать параметры математической модели на основании результатов работы блока 4 и соответствующих результатов анализа выбросов переносным или стационарным анализатором 2, и выполнить все необходимые вспомогательные операции Кроме того, система имеет

Блок-схема системы, реализующей способ определения массовых выбросов 1 з

Рис. 1

блок экспертных оценок 11 подключенный к блоку анализа и коррекции исходных данных 5

В режиме мониторинга установка функционирует следующим образом Как известно, каждая технологическая установка, а в конкретном случае технологическая установка - источник выбросов (1, рис 1) имеет штатную систему управления, приборы КИПиА или АСУ и дополнительные датчики, текущие параметры которых сохраняются в журналах (рапортах) или в файлах базы данных (3, рис 1) с некоторым интервалом времени Далее, перед использованием в расчетах, выбранный набор данных подвергается проверке на взаимную согласованность данных, и при необходимости подвергается согласованию Проверка исходных данных заключается в их использовании для составления материальных и тепловых балансов

технологической установки с использованием физико-химических закономерностей протекающих процессов (4, рис 1) В случае если набор данных несогласован, то есть ошибки при составлении балансов превышают допустимые, то производится согласование набора данных с использованием метода экспертных оценок (5 и 11, рис 1), база знаний которой включает различные методы согласования, выявления неполадок и некорректности показаний, специфичных для конкретной технологической установки После согласования набора данных или если набор данных был первоначально согласован, данные передаются для дальнейшей обработки в другие блоки Если система работает в режиме мониторинга, то согласованные данные передаются в блок расчета массовых выбросов загрязняющих веществ (7, рис 1), где происходит расчет массовых выбросов загрязняющих веществ (г/с) в окружающую среду с использованием математической модели источника выбросов, параметры которой находятся в блоке 9 (рис 1), а затем результаты расчетов передаются в блок 8 (рис 1) для их интегрирования во времени с получением количества загрязняющих веществ за месяц, квартал или год Результаты расчетов (и сами блоки расчетов) массовых выбросов и материального и теплового балансов могут быть использованы для выполнения технологических расчетов типа «советчик технолога» (блок 6, рис 1), то есть на основании критериев функционирования источника выбросов проводится комплекс технолого-экономических и экологических расчетов, позволяющий количественно определить последствия и/или оптимальные условия для осуществления той или иной гипотезы, например минимальный выброс, максимальный КПД установки при заданных ограничивающих параметрах и т д При работе системы в режиме мониторинга блоки 10 и 2 (рис 1) являются неактивными

При работе системы в режиме поверки, основной целью которой является сравнение массовых выбросов, определенных с помощью математической модели и массовых выбросов, рассчитанных на основании анализов При этом режиме работы технологическая установка работает в нормальном режиме, а параметры штатной системы управления приборов КИПиА или АСУ сохраняются в журналах (рапортах) или в файлах базы данных (3, рис 1) с некоторым интервалом времени Далее, выбранный набор данных подвергается проверке на взаимную согласованность данных, и при необходимости подвергается согласованию Проверка исходных данных заключается в их использовании для составления материальных и тепловых балансов технологической установки с использованием физико-химических закономерностей протекающих процессов (4, рис 1) В случае если набор данных несогласован, то есть ошибки при составлении балансов превышают допустимые, то производится согласование набора данных с использованием метода экспертных оценок (5 и 11 рис 1), база знаний которой включает различные методы согласования, выявления неполадок и некорректности показаний, специфичных для конкретной технологической установки После согласования набора данных или если набор данных был первоначально согласован, данные передаются для дальнейшей обработки в блок расчета массовых выбросов загрязняющих веществ (7, рис 1), где происходит расчет массовых выбросов загрязняющих веществ (г/с) в окружающую среду с использованием математической модели источника выбросов, параметры которой находятся в блоке 9 (рис 1) Одновременно, параметры выбросов технологической установки измеряют переносным газоанализатором (2, рис 1) и передают в блок расчета массовых выбросов (7, рис 1), где происходит расчет массовых выбросов загрязняющих веществ (г/с) в окружающую среду на основании результатов анализов Если разность в результатах расчета при обработке серии данных превышает допустимую, то принимается решение о калибровке

математической модели системы При работе системы в режиме поверки блоки 6, 8 и 10 (рис 1) являются неактивными

В случае, если принимается решение о необходимости перекалибровки модели, то ее основной целью является уточнение параметров математической модели При этом режиме работы сначала производится проверка работоспособности основного и вспомогательного оборудования, системы управления, датчиков, системы КИПиА или АСУ Затем создаются такие условия, что технологическая установка работает при различных плановых режимах работы по нагрузке от минимальной до максимальной, а параметры штатной системы управления, приборов КИПиА или АСУ и дополнительных датчиков сохраняются для каждой нагрузки в журналах (рапортах) или в файлах базы данных (3, рис 1) Далее набор данных подвергается проверке на взаимную согласованность данных Если ошибка согласования превышает допустимую, то проверка основного и вспомогательного оборудования, системы управления, датчиков, системы КИПиА или АСУ производится снова В случае, если ошибки в составлении материального и теплового балансов не превышают допустимые, то данные передают для дальнейшей обработки в блок коррекции параметров математической модели (10, рис 1) Одновременно, параметры выбросов технологической установки измеряют переносным газоанализатором (2, рис 1) и также передают в блок коррекции параметров математической модели (10, рис 1) Далее, все указанные выше операции повторяются После накопления необходимого массива наборов данных происходит их обработка, а рассчитанные параметры сохраняются в блоке хранения параметров математической модели (9, рис 1) для дальнейшего использования При работе системы в режиме калибровки блоки 5,6, 7, 8 и 11 (рис 1) являются неактивными

Таким образом, нами была разработана модель, реализованная в виде программы, рассчитывающей массовые выбросы загрязняющих веществ в режиме реального времени

В четвертой главе описаны примеры конкретной реализации предложенной системы контроля выбросов и результаты по минимизации воздействия на окружающую среду при использовании предложенной модели

Из приведенного графика (рисунок 2) видно, что расхождение между экспериментальными и расчетными данными небольшое

По данным, приведенным в таблице 1, можно судить о том, что модель адекватна

Таблица 1

Основные параметры статистической модели, полученные в результате обработки

Расчет Средняя абсолютная погрешность Коэффициент множ корреляции Критерий Фишера (расч )

МОх 2,0 ррт 95,94 % 10,89

СО 4,8 ррт 80,65 % 2,95

а 0,02 ррт 97,11 % 16,36

Поскольку есть зависимость количества образовавшихся выбросов от технотошческих параметров работы энерготехнологической установки, то, следовательно, можно минимизировать количество вредных веществ, выделяющихся в окружающую среду, изменяя параметры работы данной установки

На основании модели можно достичь реально оптимизации выбросов

Номер точки

Рис.2

теплоэнергетических установок, меняя их технологические параметры

Например, из рисунка 3 видно, что если изменить расход топливного газа до 840 нм3/ч, то количество выбросов N0 будет минимальным

Зависимость количества выбросов N0 от расхода топливного газа

0,5422

600 700 800 900 1000 1100 Расход топливного газа, нмЗ/ч

1200

Рис. 3

Расчеты с использованием системы параметрического мониторинга показали, что количество выбросов монооксцда азота уменьшится примерно на 25 килограммов в год, если изменить расход топливного газа с 700 нм3/ч до 840 нм3/ч при параметрах работы котла ДКВР-20-13 давление газа и воздуха на горелках соответственно 143 и 58 мм вд ст

Также из рисунка 4 видно, что количество выбросов N0 будет минимальным при давлении воздуха на горелки, равном 48 мм вд ст

Расчеты с использованием системы параметрического мониторинга показали, что количество выбросов монооксида азота уменьшится примерно на 800 килограммов в год, если изменить давление воздуха на горелках с 50 мм вд ст до 48 мм вдет при параметрах работы котла ДКВР-20-13 давление газа горелках 143 мм вд ст, расход топливного газа 840 нм3/ч

Таким образом, использование модели позволяет добиться реального снижения загрязняющих веществ в выбросах энерготехнологических установок путем установления оптимальных параметров их работы

Зависимость количества выбросов N0 от давления воздуха на горелках

54

Рис. 4

Выводы

1 На основании анализа литературных данных по технологическим средствам контроля и мониторинга воздействия на окружающую среду теплоэнергетических установок выявлено, что основными загрязняющими веществами являются оксиды углерода и азота Диоксид серы образуется в незначительных количествах Показано, что существует зависимость количества выбросов от технологических параметров работы установки, определяющаяся тепловым и материальным балансами горения топлива и составом топлива

2 Изучены закономерности образования загрязняющих компонентов на энерготехнологических установках при окислении углеводородных топлив и выявлены значащие факторы в штатных параметрах работы паровых котлов и газотурбинных установок для построения математической модели выбросов

44 46 48 50 давление воздуха мм вд ст

давление газа на горелках, давление воздуха на горелках, температура дымовых газов после котла и после экономайзера, давление и температура воздуха на входе в газотурбинную установку, избыточное давление и температура воздуха за компрессором, мощность генератора

3 Разработаны методики формирования баз данных работы паровых котлов и газотурбинных установок, основанные на измерениях штатных параметров работы теплоэнергетических установок и массовых содержаний загрязнителей в выбросах

4 Спроектирована система параметрического мониторинга путем нахождения зависимостей функций отклика в виде характеристик выбросов от значащих факторов штатных параметров энерготехнологических установок

5 С использованием разработанной системы показано, что она позволяет рассчитывать массовые выбросы от энерготехнологических установок в окружающую среду на основе параметрического моделирования

6 Разработанная система параметрического мониторинга используется в ОАО «Уралкалий» г Березники, опробована в ОАО «Авиадвигатель» г Пермь и на Яйвинской ГРЭС (пос Яйва)

7 Показано, что использование разработанной системы параметрического мониторинга реально позволяет уменьшить количество выбросов оксидов углерода и азота в окружающую среду

Использование разработанной системы параметрического мониторинга позволяет уменьшить количество выбросов оксидов азота в окружающую среду примерно на 800 кг в год при параметрах работы котла ДКВР-20-13 на газообразном топливе расход топливного газа 840 нм /ч, давление газа и воздуха на горелках соответственно 143 и 58 мм вд ст

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1 Басов А В К вопросу о выборе оптимальной системы мониторинга загрязняющих веществ в окружающую среду / Д В Саулин, И С Пузанов, С Б Холостов, А А Кетов, А В Басов // Вестник МАНЭБ - 2000 - № б (30) - с 77-83

2 Способ определения величины массовых выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду и система для его осуществления Патент на изобретение № 2190875 от 10 10 2002/Д В Саулин, И С Пузанов, И В Гельфенбуйм, А В Басов, С Б Холостов, А А Кетов, О А Сбитнев

3 Басов А В Параметрический мониторинг выбросов теплоэнергетических установок /Д В Саулин, И С Пузанов, С Б Холостов, А А Кетов, А В Басов // Энергопотребление и энергосбережение- проблемы и решения Материалы V Международной научно-практической конференции (5-7 июня 2002 г, г Пермь) Пермь, 2002 -с 119-120

4 Басов А В Система параметрического мониторинга / Д В Саулин, И С Пузанов, А В Басов, С Б Холостов, А А Кетов // Проблемы и перспективы развития химической промышленности на западном Урале Сборник научных трудов -Пермь Перм гос техн ун-т,2003 - Т 2-е 168-174

5 Басов А В Параметрический мониторинг состава выбросов теплоэнергетических установок / А В Басов, А А Кетов // Экология и научно-технический прогресс Материалы II Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Пермь, 2004 - с 336-337

6 Басов А В Параметрический мониторинг газовых выбросов теплоэнергетических установок / Д В Саулин, Д Д Сулимов, А В Басов, А В Серов, А А Кетов // Проблемы теоретической и экспериментальной аналитической химии Материалы III Региональной научной конференции Пермь, 2004 -с 180

7 Басов А В Параметрический мониторинг состава выбросов котла ДКВР-20-13

СП БПКРУ-3 ОАО «Уралкалий» / А В Басов, Д В. Саулин, А А Кетов // Проблемы химии и экологии Материалы Областной конференции молодых ученых и студентов Пермь, 2004 -с 34-35

8 Басов А В Параметрический мониторинг газовых выбросов теплоэнергетических установок / А В Басов, А А Кетов, Д Д Сулимов, А В Серов // Экология и промышленность России -2005 -№1 -с 20-21

9 Басов А В Система мониторинга выбросов теплоэнергетических установок / А В Басов, Д В Саулин, А А Кетов // Проблемы химии и экологии Материалы Областной конференции молодых ученых и студентов Пермь, 2005 - с 5-6

10 Басов А В Система вещественного анализа выбросов теплоэнергетических установок / А В Басов, Д В Саулин, А А Кетов II Аналитические приборы Материалы II Всероссийской конференции (27 июня - 1 июля 2005 г, г Санкт-Петербург) Санкт-Петербург,2005 -с 36-37

11 Басов А В Разработка теоретических основ и практической реализации метода параметрического мониторинга / А В Басов, Д В Саулин, А. А Кетов // Эколого-экономические проблемы освоения минерально-сырьевых ресурсов Материалы Международной научной конференции -Пермь, 2005 - с 110

12 Басов А В Аналитический контроль биотехнологических процессов / В H Басов, А В Басов // Учебное пособие - Перм гос техн ун-т, Пермь, 2005 - 44 с

13 Басов А В Особенности создания системы параметрического мониторинга газовых выбросов / А В Басов, Д В Саулин, А А Кетов//Проблемы и перспективы развития химической промышленности на западном Урале Сборник научных трудов -Пермь Перм гос техн ун-т,2005 - с 145-148

Подписано в печать 10 04 2007 Бумага ВХИ Формат 60X90/16 Набор компьютерный Тираж! 00 экз Уел печ л 1,0 Заказ № 566/2006

Отпечатано в типографии издательства Пермского государственного технического университета Адрес 614990, г Пермь, Комсомольский пр , 29, 113 тел (342)219-80-33

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Басов, Алексей Вадимович

Введение

1. Литературный обзор

1.1. Воздействие компонентов газовых выбросов энерготехнологических установок на окружающую среду

1.2. Существующие методы контроля компонентов газовых выбросов энерготехнологических установок

1.2.1. Традиционный экологический мониторинг

1.2.1.1. Анализ воздуха, связанный с отбором проб

1.2.1.2. Анализ воздуха с использованием автоматических устройств

1.2.3. Параметрический мониторинг

1.3. Зависимости, положенные в основу работы системы параметрического мониторинга

1.3.1. Материальный баланс горения топлива

1.3.2. Тепловой баланс горения топлива

1.3.3. Топливо

2. Теплоэнергетические объекты исследования, методы исследования и средства контроля за выбросами

2.1. Паровой котел ДКВР-20

2.2. Приборы, использованные для анализа выбросов

2.3. Штатные параметры исследуемых теплоэнергетических объектов

2.3.1. Штатные параметры паровых котлов ДКВР-20-13 и ТП

2.3.2. Штатные параметры газотурбинных установок ГТУ-2,5П и ГТУ-4П

3. Концепция разработки системы параметрического мониторинга

3.1. Моделирование количества выбросов как функций отклика на контролируемые параметры энерготехнологических установок

3.2. Методика формирования базы данных для системы мониторинга выбросов паровых котлов ДКВР-20-13 и ТП

3.3. Методика формирования базы данных для системы мониторинга выбросов газотурбинных установок ГТУ-2,5П и ГТУ-4П

3.4. Построение модели работы энерготехнологических установок

3.5. Формирование базы данных для мониторинга выбросов энергетического котла ТП-92 и результаты измерений

3.6. Формирование базы данных для мониторинга выбросов энергетического котла ДКВР-20-13 и результаты измерений

3.7. Формирование базы данных для системы мониторинга выбросов газотурбинных установок ГТУ-2,5П и ГТУ-4П

4. Минимизация воздействия энерготехнологических 107 установок на окружающую среду при использовании системы параметрического мониторинга

Введение Диссертация по биологии, на тему "Минимизация воздействия на окружающую среду выбросов от энерготехнологических установок на основе мониторинга и параметрического моделирования"

Актуальность темы: Современная промышленность, обеспечивая потребности общества, перерабатывает природные ресурсы в готовую продукцию. Одним из основных показателей, характеризующих общее развитие промышленности, является объем добычи углеводородных энергоносителей и производство энергии. Человечеству требуется все большее количество энергии для удовлетворения своих потребностей. При этом на всех этапах добычи и переработки энергоносителей происходит воздействие на окружающую среду, изменяющее существующее природное материальное и энергетическое равновесие [1 - 19].

В настоящее время существует два основных типа систем экологического мониторинга: аналитический или традиционный, основанный на применении измерительного оборудования для определения концентраций и расхода топлива с дальнейшим расчетом величины выброса, и параметрический, основанный на зависимости вещественного состава выбросов как от технологических параметров процессов, в которых образуются загрязняющие вещества, так и на физико-химических характеристиках этих процессов.

Типичная (аналитическая) система мониторинга выбросов состоит из автоматического стационарного промышленного анализатора с системой отбора и подготовки проб, измерителей температуры, давления и других параметров сбросного потока. Измеренные параметры сбросного потока передаются в компьютер для дальнейшей обработки. В настоящее время эта система широко распространена и применяется на большинстве предприятий, но она имеет существенный недостаток - не является непрерывной во времени.

В то же время обеспечение действенного контроля за соблюдением нормативов предельно допустимых выбросов возможно только при использовании систем непрерывного аналитического контроля, связанных с блоками регулирования работы агрегатов.

В связи с этим представляет интерес создание систем непрерывного аналитического контроля, так как они позволяют определять истинные величины выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду, оперативно регулировать режим работы теплоэнергетической установки, прогнозировать величину выбросов и минимизировать воздействие выбросов на окружающую среду.

Известны работы, связанные с использованием системы параметрического мониторинга для определения концентраций компонентов в выбросах. Российское законодательство предполагает определение массовых содержаний компонентов выбросов. Решению этой проблемы и посвящена настоящая работа.

Цель исследования заключалась в разработке количественного определения выбросов, основанного на математической модели работы энерготехнологической установки и потоков выбросов, в режиме реального времени.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- изучить закономерности образования загрязняющих компонентов на энерготехнологических установках при окислении углеводородных топлив;

- выявить значащие факторы в штатных параметрах работы паровых котлов и газотурбинных установок для построения математической модели выбросов;

- разработать методики формирования баз данных паровых котлов и газотурбинных установок;

- спроектировать систему параметрического мониторинга путем нахождения зависимостей функций отклика в виде характеристик выбросов от значащих факторов штатных параметров работы энерготехнологических установок;

- показать эффективность работы предложенной системы для снижения антропогенного воздействия.

Научная новизна:

• создана система экономичного автоматического непрерывного контроля вещественного состава выбросов энерготехнологических установок.

• разработана модель, описывающая зависимость количества выбросов от технологических параметров работы установки.

• разработана система контроля выбросов энерготехнологических комплексов, основанная на анализе штатных технологических параметров и количественных характеристик выбросов в режиме реального времени.

• доказана адекватность модели и возможность в предупредительном режиме корректировать технологические параметры для снижения техногенной нагрузки на окружающую среду.

• научная новизна подтверждена патентом РФ № 2190875 "Способ определения величины массовых выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду и система для его осуществления".

Практическая значимость работы заключается в том, что создана система для непрерывного вещественного определения загрязняющих компонентов в газовых выбросах, которая позволяет отказаться как от пробоотбора, так и использования специальных газоанализаторов, чем обеспечивается значительный экономический эффект.

Доказана возможность существенного снижения количества выбросов и снижения нагрузки на окружающую среду при использовании предложенной системы.

Созданы базы данных для реализации сертифицированной системы параметрического мониторинга энергетических котлов и газотурбинных установок.

Система функционирует на ОАО «Уралкалий» (г. Березники) и опробована на ОАО «Авиадвигатель» (г. Пермь) и Яйвинской ГРЭС (пос. Яйва).

Практическая значимость подтверждена актом использования изобретения ОАО «Уралкалий».

Использование предложенной системы на ОАО «Уралкалий» (г. Березники) позволило уменьшить количество выбросов оксидов азота Ж)х примерно на 800 килограммов в год.

Результаты исследований используются в учебном процессе Пермского государственного технического университета при чтении лекций по курсу «физико-химические методы анализа» для специальностей «технология неорганических веществ» и «биотехнология».

Заключение Диссертация по теме "Экология", Басов, Алексей Вадимович

выводы

1. На основании анализа литературных данных по технологическим средствам контроля и мониторинга воздействия на окружающую среду теплоэнергетических установок выявлено, что основными загрязняющими веществами являются оксиды углерода и азота. Диоксид серы образуется в незначительных количествах. Показано, что существует зависимость количества выбросов от технологических параметров работы установки, определяющаяся тепловым и материальным балансами горения топлива и составом топлива.

2. Изучены закономерности образования загрязняющих компонентов на энерготехнологических установках при окислении углеводородных топлив и выявлены значащие факторы в штатных параметрах работы паровых котлов и газотурбинных установок для построения математической модели выбросов: давление газа на горелках, давление воздуха на горелках, температура дымовых газов после котла и после экономайзера, давление и температура воздуха на входе в газотурбинную установку, избыточное давление и температура воздуха за компрессором, мощность генератора.

3. Разработаны методики формирования баз данных работы паровых котлов и газотурбинных установок, основанные на измерениях штатных параметров работы теплоэнергетических установок и массовых содержаний загрязнителей в выбросах.

4. Спроектирована система параметрического мониторинга путем нахождения зависимостей функций отклика в виде характеристик выбросов от значащих факторов штатных параметров энерготехнологических установок.

5. С использованием разработанной системы показано, что она позволяет рассчитывать массовые выбросы от энерготехнологических установок в окружающую среду на основе параметрического моделирования.

6. Разработанная система параметрического мониторинга используется в ОАО «Уралкалий» г. Березники, опробована в ОАО «Авиадвигатель» г. Пермь и на Яйвинской ГРЭС (пос. Яйва).

7. Показано, что использование разработанной системы параметрического мониторинга реально позволяет уменьшить количество выбросов оксидов углерода и азота в окружающую среду.

Использование разработанной системы параметрического мониторинга позволяет уменьшить количество выбросов оксидов азота в окружающую среду примерно на 800 кг в год при параметрах работы котла ДКВР-20-13 на газообразном топливе: расход топливного газа 840 нм3/ч, давление газа и воздуха на горелках соответственно 143 и 58 мм.вд.ст.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнен литературный обзор данных, на основании которого сделан вывод о том, что наиболее перспективным и экономически целесообразным методом определения состава выбросов теплоэнергетических установок является параметрический мониторинг.

Система параметрического мониторинга рассчитывает не концентрации загрязняющих веществ в выбросах, а их массовые выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду, которые необходимо определять в соответствии с требованиями природоохранного законодательства Российской Федерации.

Разработан и запатентован способ определения массовых выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду методом параметрического мониторинга.

Разработанная система основана на физико*химическом согласовании исходных данных посредством составления материальных и тепловых балансов как отдельных узлов установки, так и всей установки в целом, что позволяет определить согласованность параметров системы управления и показаний нескольких датчиков.

Разработанные способ и система параметрического (предсказательного) мониторинга массовых выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду, позволяют создавать подобные системы для любых источников выбросов, что обеспечит действенный контроль за соблюдением нормативов предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду, возможность регулировки режима работы источника выброса таким образом, чтобы величина выброса была минимальной и возможность использования системы для целей технологического мониторинга.

Расчет величины массового выброса основан на составлении материального и теплового балансов источника выбросов с целью определения величины расхода потока выбросов, а следовательно, технологических расчетов, которые могут быть проведены различными способами. Так как тепловой и материальный балансы лежат в основе функционирования любого технологического объекта, то при решении задачи определения величин массовых выбросов, промежуточные результаты наряду с окончательными можно использовать для решения многих технологических задач: проверки корректности показаний контрольно-измерительных приборов и системы управления, проверки правильности результатов анализов, определения величин удельных показателей (расходных норм), расчета эффективных коэффициентов теплопередачи теплообменного оборудования, проведения экономических расчетов и т. д. Таким образом, система может применяться не только для решения экологических проблем, но и использоваться для технологического мониторинга источника выбросов, тем самым позволяя окупить затраты на создание системы, реализующей данный метод.

В разработанном способе производится расчет материального и теплового балансов источника выбросов с учетом физико-химических закономерностей, лежащих в основе функционирования источника выбросов. Поэтому, если данные, полученные от контрольно-измерительного оборудования, дополнительных датчиков и элементов управления, не будут согласованы, то составление материального и/или теплового балансов становится невозможным. В этом случае, с использованием метода экспертных оценок и критериев сходимости материального и теплового балансов, производится коррекция показаний контрольно-измерительного оборудования, дополнительных датчиков и элементов управления с выдачей соответствующего сообщения о некорректности показаний.

Сформированы базы данных для парового котла и газотурбинных установок.

Система параметрического мониторинга функционирует в ОАО «Уралкалий» и ОАО «Авиадвигатель».

Методики прошли метрологическую аттестацию в аккредитованном органе Госстандарта.

Результаты исследований используются в учебном процессе Пермского государственного технического университета при чтении лекций по курсу «физико-химические методы анализа» для специальностей «технология неорганических веществ» и «биотехнология».

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Басов, Алексей Вадимович, Пермь

1. Ашихмина Т. Я. Экологический мониторинг / Т. Я. Ашихмина // Киров, Константа, 2005.-412 с.

2. Экологическое нормирование и моделирование антропогенного воздействия на водные экосистемы // Гидрохимический институт, Ростов-на-Дону, 1988. 192 с.

3. Бондарев В. П. Экологическое состояние территории России / В. П. Бондарев, Л. Д. Долгушин, Б. С. Залогин, Я. Г. Кац // Москва, Академия, 2001.-128 с.

4. Эколого-геохимический анализ техногенного загрязнения / Отв. ред. А.

5. A. Головин // Сборник научных статей ИМГРЭ. Москва, 1992. - 166 с.

6. Эколого-геохимическая оценка городов различных регионов страны // Сборник научных трудов ИМГРЭ. Москва, 1991. - 124 с.

7. Экологическая проблема в современной глобалистике / Составитель С. Н. Смирнов // Сборник. Москва, 1985. - 64 с.

8. Экологические императивы устойчивого развития России // Сборник. -Санкт-Петербург, Петрополис, 1996. 192 с.

9. Еремин В. Г. Экологические основы природопользования / В. Г. Еремин,

10. B. В. Сафронов, А. Г. Схиртладзе, Г. А. Харламов // Москва, Высшая школа, 2002. 256 с.

11. Гирусов Э. В. Экология и экономика природопользования / Э. В. Гирусов, С. Н. Бобылев, А. Л. Новоселов, Н. В. Чепурных // Москва, Единство, 2002.-519 с.

12. Экология и проблемы большого города / Отв. ред. Л. Д. Капранова // Реферативный сборник. Москва, 1992. - 136 с.

13. Экология в России на рубеже XXI века // РАН. Москва, Научный мир, 1999.-428 с.

14. Экология большого города // альманах по материалам ЮНЕП, ХАБИТАТ и нац. источников. Москва, Прима-пресс, 1996. - 180 с.

15. Денисов В. В. Экология / В. В. Денисов, И. Н. Лозановская, И. А. Луганская, Т. И. Дрововозова // Ростов-на-Дону, МарТ, 2002. 640 с.

16. Горелов А. А. Экология / А. А. Горелов // Москва, Юрайт, 2002. -312 с.

17. Арский Ю. М. Экологические проблемы: что происходит, кто виноват и что делать? / Ю. М. Арский, В. И. Данилов-Данильян, М. Ч. Залиханов, К. Я. Кондратьев, В. М. Котляков, К. С. Лосев // Москва, МНЭПУ, 1996. -330 с.

18. Алексевнина М. Экология Пермской области на рубеже XXI века / М. Алексевнина, Т. Белковская, В. Быков, И. Май // Пермь, Книжный мир, 2004.-64 с.

19. Саулин Д. В. Теоретические основы энерготехнологии химических производств // Конспект лекций. ПГТУ,Пермь, 1999. - 150 с.

20. ГОСТ 17.2.1.01-76. Охрана природы. Атмосфера. Классификация выбросов по составу / Москва, 1977.

21. Басов А. В. Система мониторинга выбросов теплоэнергетических установок / А. В. Басов, Д. В. Саулин, А. А. Кетов // Проблемы химии и экологии: Материалы Областной конференции молодых ученых и студентов. Пермь, 2005. с. 5 - 6.

22. Басов А. В. К вопросу о выборе оптимальной системы мониторинга загрязняющих веществ в окружающую среду / Д. В. Саулин, И. С. Пузанов, С. Б. Холостов, А. А. Кетов, А. В. Басов // Вестник МАНЭБ. -2000.-№6(30).-с. 77-83.

23. Басов В. Н. Аналитический контроль биотехнологических процессов / В. Н. Басов, А. В. Басов // Учебное пособие. Пермский государственный технический университет, Пермь, 2005. - с. 44.

24. Chin К. Rising to the Emissions Chalenge // Chemical Engineering, 1998, n. 11.

25. РД 52.04.59-85. Охрана природы. Атмосфера. Требования к точности контроля промышленных выбросов. Методические указания.

26. Сборник методик по определению концентраций загрязняющих веществ в промышленных выбросах. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1987.

27. Нейман Е. Я. Электроаналитические методы в контроле окружающей среды / Е. Я. Нейман // Москва, Химия, 1990.

28. Прохоров В. А. Основы автоматизации аналитического контроля химических производств / Прохоров В. А. // Москва, Химия, 1984.33. «Палладий 3». Руководство к эксплуатации.

29. Басов А. В. Особенности создания системы параметрического мониторинга газовых выбросов / А. В. Басов, Д. В. Саулин, А. А.Кетов // Проблемы и перспективы развития промышленности на западном Урале: Сборник научных трудов, 2005. с. 145-148.

30. РД 34.02.306-97. Правила организации выбросов в атмосферу на тепловых электростанциях//Москва, 1997.

31. РД 4.02.305-98. Методика определения валовых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от котельных установок ТЭС // Москва, 1998.

32. Collins М., Terhune К. A model solution for tracking pollution // Chemical Engineering, n. 6,1994.

33. Redukcja niekatalityczna tlenkov azotu w spalinach z kottow rusztowych. Ochr. srod. № 2, 2001.

34. Патент США № 5386373 от 31.12.1995.

35. Самхарадзе Т. Г. Система для сбора, преобразования и обработки измерительной информации / Т. Г. Самхарадзе // Патент на изобретение №2118848.

36. Самхарадзе Т. Г. Устройство для сбора, преобразования и передачи результатов измерения параметров физической среды / Т. Г. Самхарадзе // Патент на изобретение № 2081452.

37. Рябых В. Ю. Устройство для регистрации параметров технологических процессов / В. Ю. Рябых // Патент на изобретение № 2117988.

38. Самхарадзе Т. Г. Устройство сбора, преобразования и передачи результатов измерения параметров физической среды / Т. Г. Самхарадзе // Патент на изобретение № 2079882.

39. Самхарадзе Т. Г. Устройство для сбора, обработки и пакетной передачи результатов измерения параметров физической среды / Т. Г. Самхарадзе // Патент на изобретение № 2080653.

40. Беляев Ю. К. Надежность технических систем / Ю. К. Беляев, В. А. Богатырев, В. В. Болотин // Справочник. Москва, Радио и связь, 1985. -608 с.

41. Гаскаров Д. В., Прогнозирование технического состояния и надежности радиоэлектронной аппаратуры / Д. В. Гаскаров, Г. А. Голинкевич, А. В. Мозгалевский // Москва, Сов. радио, 1974. 224 с.

42. Кудрицкий В. Д. Прогнозирующий контроль радиоэлектронных устройств / В. Д. Кудрицкий // Киев, Техника, 1982. 168 с.

43. Гихман И. И. Введение в теорию случайных процессов / И. И. Гихман, А. В. Скороход // Москва, Наука, 1965. 656 с.

44. Абрамов О. В. Обеспечение надежности технических объектов / О. В. Абрамов // Надежность и контроль качества. 1987. - № 4.

45. Кудрицкий В. Д. Автоматизация контроля радиоэлектронной аппаратуры / В. Д. Кудрицкий, М. А. Синица, П. И. Чинаев // Москва, Сов. радио, 1977. 255 с.

46. Дружинин Г. В. Надежность систем автоматики / Г. В. Дружинин // Москва, Энергия, 1967. 528 с.

47. Михайлов А. В. Эксплуатационные допуски на надежность в радиоэлектронной аппаратуре / А. В. Михайлов // Москва, Сов. радио, 1970.-216 с.

48. Силин В. Б. Автоматическое прогнозирование состояния аппаратуры управления и наблюдения / В. Б. Силин, А. И. Заковряшин // Москва, Энергия, 1973.-336 с.

49. Туркельтауб Р. М. Методы исследования точности и надежности схем аппаратуры / Р. М. Туркельтауб // Москва, Энергия, 1966. 160 с.

50. Маслов А. Я. Оптимизация радиоэлектронной аппаратуры / А. Я. Маслов, А. А. Чернышев, В. В. Ведерников // Москва, Радио и связь, 1982.-200 с.

51. Проников А. С. Надежность машин / А. С. Проников // Москва, Машиностроение, 1978.-592 с.

52. Миддлтон И. М. Введение в статистическую теорию связи / И. М. Миддлтон // Москва, Сов. радио, 1961. Т. 1. - 782 с.

53. Меламедов И. М. Физические основы надежности / И. М. Меламедов // Ленинград, Энергия, 1970. 152 с.

54. Луцкий В. А. Расчет надежности и эффективности радиоэлектронной аппаратуры / В. А. Луцкий // Киев, Наук, думка, 1966. 208 с.

55. Астафьев А. В. Окружающая среда и надежность радиоэлектронной аппаратуры / А. В. Астафьев // Москва, Энергия, 1965. 360 с.

56. Сотсков Б. С. Анализ надежности элементов с учетом внешних воздействий / Б. С. Сотсков // Технические средства управления и вопросы их надежности. 1974.

57. Герцбах И. Б., Кордонский X. Б. «Модели отказов», М., изд-во «Сов. радио», 1966,166 с.

58. Сыноров В. Ф. Параметрическая надежность и Физические модели отказов интегральных схем / В. Ф. Сыноров, Р. П. Пивоварова // Воронеж, Воронежский университет, 1983. 152 с.

59. Пугачев В. С. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления / В. С. Пугачев // Москва, Физматгиз, 1962. 884 с.

60. Ватанабе С. Разложение Карунена-Лоэва и факторный анализ / С. Ватанабе // Автоматический анализ сложных изображений, Москва, Мир, 1969.

61. Гнеденко Б. В. Об основных направлениях математических исследований в теории надежности / Б. В. Гнеденко // Труды Всесоюзного коллоквиума «Математические методы контроля качества и надежности». Ташкент, 1969.

62. Беккер П., Иенсен Ф. Проектирование надежных электронных схем / П. Беккер, Ф. Йенсен //Москва, Сов. радио, 1977. -256 с.

63. Физические основы интегральных схем / под ред. Ю. Г. Миллера // Москва, Сов. радио, 1976. 320 с.

64. Гусев В. П. Расчет электрических допусков радиоэлектронной аппаратуры / В. П. Гусев, А. В. Фомин, Г. М. Кунявский // Москва, Сов. радио, 1963.-367 с.

65. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. /Под ред.Н.В.Кузнецова и др. // 2-е изд. Москва, Энергия, 1973. 296 с.

66. Методика определения валовых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от котельных установок ТЭС. РД 34.02.305-98. Москва, 1998.

67. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов /Под. ред. П.Г.Романкова // 10-е изд., Ленинград, Химия, 1987. 576 с.

68. Методические указания по расчету выбросов оксидов азота с дымовыми газами котлов тепловых электростанций. РД 34.02.304-95. Москва, 1996.

69. ГОСТ 5542-77. Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия.

70. Газотурбинные установки на базе авиационных двигателей. Измерение концентраций загрязняющих веществ портативными газоанализаторами. Инструкция И 08.177, ОАО «Авиадвигатель», 1997.

71. Энергетические установки. Проверка экологических характеристик при межведомственных испытаниях. Программа и методика ПМ 08.146, ОАО «Авиадвигатель», 1994.

72. Саулин Д. В. Разработка технологии конверсии метана с использованием блочных катализаторов / Д. В. Саулин // Дисс.канд.техн.наук, Пермь, 1995. 137 с.

73. Басов А. В. Параметрический мониторинг газовых выбросов теплоэнергетических установок / А. В. Басов, А. А. Кетов, Д. Д. Сулимов, А. В. Серов //Экология и промышленность России. 2005. - № 1.-е. 20-21.

74. ООО "СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ,Приложение 1 ОГУ "АНАЛИТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР"1. УТВЕРЖДАЮре^ср ОГУ 11. Аналитический1. ЮШ^ С.Б.Холостов1. УТВЕРЖДАЮ1. Директор технологииберегающие

75. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ

76. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

77. КОНЦЕНТРАЦИЙ КОМПОНЕНТОВ В ВЫБРОСАХ ОТ СТАЦИОНАРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.1. МЕТОДИКА АТТЕС ОВАНА

78. ФГУП "Пермский завод И» 1-М.Кир1. Главный метролог.1. СОГЛАСОВАНО:

79. Главный инженер ФГУП "Пермский завод имени С.М.Кирова",к'т'/7 .1. Н.Н.Федченко1. МЗМШТЧЖИ:

80. Главный меИолог ФГУП "Пермски^з^вод имени С.М.Кирова", к.т.н1. Б.Г.Месежник

81. Заместитель директора по научной работе ОГУ "Аналитический центр", д.х.н., профессор1. В.Н.Басов

82. Научный сотрудник ООО "Сберегающие технологии", к.т.н., доцент1. Д.В.Саулин1. Пермь 2002

83. Методика может быть использована для целей экологического контроля

84. Количественный химическим анализ газовых выороеои. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИИ КОНЦЕНТРАЦИЙ КОМПОНЕНТОВ В ВЫБРОСАХ ОТ С1 А11ИОНАРИЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УС ТАНОВОК.

85. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕН! 1>1

86. НОРМЫ И ПОКАЗА ГИЛИ ТОЧНОСТИ

87. Работы должны выполняться с соблюдением правил безопасности на конкретной технологической установке, где реализуется настоящая методика.h. ТРЕБОВАНИЯ К КВАЛИФИКАЦИИ ОПЕРА I (>РА

88. Работу должен проводить техник или инженер, прошедшие инстр\ктаж и практическое обучение.

89. УСЛОВИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИИ

90. Условия выполнения измерений отвечают регламентир\смым требованиям эксплуатации технологической установки.

91. ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ИЗМЕРЕН! Il l

92. Выполнение измерений производится с помощью комшжмерной профаммы. реализующей градуировочную зависимость "массовая концентрации компонентов -массив технологических параметров работы установки".

93. ВЫЧИСЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТА ИЗМЕРЕНИЙ

94. КОНТРОЛЬ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

95. Принс^^иик.' ВОК воспроимаоимоапи.

96. Х| среднее значение отклонений расчетых результатов 01 измеренных (по )талон> I в одних условиях (первичное). %:

97. X;-среднее значение отклонений расчетных результатов оI и'.меренных (по угалон\ I в др> ( п\ условиях (повторное). %:1. норматив ВОК воспроизводимое т. и. - в соответствии со свидетельством об аттестации МВИ.

98. Ок. Х|. X:. Э выражают в % по отклонению к измеряемому параметру (°-оЕгг).

99. Полученное значение Эк не должно превышать норматив контроля воспроизводимости, рассчитанный при аттестации МВИ (таблица I с1. Концентрация N ! ppm1. ЬО -440

100. Норматив ВОК воспроизводимое!и для NOx181. Концентрация СО.1. РРт 2 700

101. Норматив ВОК воспроизводимое'! и лля СОоб.f- П

102. Норматив ВОК воспроизводимое in для О;

103. Концентрация SO:, ,' Норматив ВОКвослхм13во,цимое1 и для St.); ppm i1. О'.1. U- 120017

104. При превышении норматива ВОК воспроизводимости й эксперимент повторяют. При повторном превышении указанного норматива выясняют причины, приводящие к неудовлетворительным результатам контроля, и устраняют и.\.

105. ВОК по! решности осуществляют сравнением показателя контроля Кк с нормативом кош роля погрешности К, рассчитанным при лиесшцни методики (таблица 2).

106. Показатель контроля Кк, %:1. Кк = I А /Хи 100и-с±Л cj,где:отклонение измеренного значения от расчетного. единиц измерения;

107. Хи измеренное значение по эталону (газоанализатору), единиц измерения;

108. Лс относительная погрешность измерения параметра по »талону, %1. Концентрация ЫОх, ррт60 440

109. Концентрация СО, ррт'■ Норматив ВОК погрешности. иЬ2.700| 2 ~

110. Концентрация 02, %об.! Норматив ВОК но грешности. %2.11 . "" ~ IУ.

111. Концентрация БО?, ррт Норматив ВОК 1101 решностп. "и180 -1200 . ' . 19

112. К норматив контроля погрешности в соответствии со свидетельством аттестации МВИ.

113. РД 52.04.59-85. Охрана природы. Атмосфера. Требования к точности контроля промышленных выбросов. Методические указания. Госкомитет СССР по гидрометеорологии и контроля природной среды. Москва. 1986г.

114. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативным метод. //Под ред.Н.В.Кузнецова и др., 2-е изд., М.¡Энергия. 1973, 2%С

115. Дерффель К. Статистика в аналитической химии. М.:Мпр. 1994, 267С.

116. ГОСТ РУ.563-96 ГСИ: Методики выполнения измерении

117. МП 2336-^5 Характеристики погрешносш ре$улыатв киличес 1 пенного химического анализа. Алгоритмы оценивания. Ькатернно) р1. 1493. 45с.

118. РАЗРАБОТАННАЯ ООО "Сберегающие технологии" и ОГУ "Аналитииесиентр"и РЕГЛАМЕНТИРУЕМАЯ методикой 1

119. АТТЕСТОВАНА в соответствии с ГОСТ Р 8.^63-96 "ГСОЕИ. Методики выпо^^к'н1. И VМ<?Р >" н и Й " . ~~'

120. Погрешность при диапазоне от 60 пг. ¿140 ррмнорм ат И1?. ВО К вое — г. р и и "3 в п д и м о с т и и-"ид у 2 средними значенияминовматик ВОК погреш — н о с т и1. Значение1. Отн.пдШ^Ж!ул

121. Ялп диапазона от 60 до 440 ррм0 -713