Моделирование теплового факела для оценки эффективности инженерных решений по снижению теплового загрязнения водоема-охладителя ТЭЦ

Хассан Тана

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Моделирование теплового факела для оценки эффективности инженерных решений по снижению теплового загрязнения водоема-охладителя ТЭЦ
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Моделирование теплового факела для оценки эффективности инженерных решений по снижению теплового загрязнения водоема-охладителя ТЭЦ"

На правах рукописи --^

ХАССАН ТАНА

Моделирование теплового факела для оценки эффективности инженерных решений по снижению теплового загрязнения водоема-охладителя ТЭЦ

Специальность: 03.02.08 - Экология (в энергетике)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ОиЗ lZ\2

Москва-2012

005009146

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» на кафедре «Инженерная экология и рациональное природопользование»

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Дыганова Роза Яхиевна

Научный консультант-

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Марченко Герман Николаевич

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Медведев Виктор Тихонович (ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский университет "МЭИ")

кандидат технических наук, доцент Девисилов Владимир Аркадьевич (ГОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Казанский национальный

исследовательский технический университет им.А.Н. Туполева-КАИ», г.Казань

Защита диссертации состоится «27» февраля 2012 г. в ауд. 213 в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 521.022.01 при НОУ ВПО «Академия МНЭПУ» (Международный независимый эколого-политологический университет) по адресу: Москва, ул. Космонавта Волкова, д.20.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим присылать по адресу: 127299, Москва, ул. Космонавта Волкова, 20 "МНЭПУ" на имя ученого секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «Международный независимый эколого-политологический университет»

Автореферат диссертации опубликован на официальном сайте (Международный независимый эколого-политологический университет) www.mnepu.ru.

Автореферат разослан «25» января 2012 г.

Ученый секретарь !"

диссертационного совета, к.х.н. Фомин С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из наиболее острых и актуальных экологических проблем водоемов-охладителей объектов энергетики является их тепловое загрязнение, наблюдаемое в результате поступления термически нагретых вод, сбрасываемых после охлаждения энергетического оборудования.

Согласно санитарным нормам и правилам СанПиН 2.1.9.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод» летняя температура воды в водоеме в результате сброса сточных вод не должна повышаться более чем на 3 °С по сравнению со среднемесячной температурой воды самого жаркого месяца года за последние 10 лет.

Для прогноза влияния тепловых сбросов ТЭЦ с выявлением участков в водоеме с повышенной температурой, превышающей установленные нормативы, широко используются методы построения математических моделей. Существует ряд программных комплексов, которые используются для моделирования качества вод водоемов различных типов (морей, озер, рек) со значительной акваторией и многочисленными сбросами, в которых температурная составляющая является лишь одним из нескольких параметров оценки.

Вместе с тем для водоемов-охладителей объектов теплоэнергетики, находящихся в черте мегаполиса, со сбросом теплых вод в природный водоем и высокой степенью водообмена актуальной задачей является создание адекватной модели с возможностью прогноза конфигурации теплового факела и распределения температуры сбрасываемой воды. Выявление закономерностей температурных характеристик водоема-охладителя методами математического моделирования позволит судить о необходимости реализации инженерных решений по улучшению экологической ситуации.

Существуют различные инженерно-технические решения снижения температуры сбросных вод после охлаждения энергетического оборудования с целью соблюдения санитарно-гигиенических нормативов. Выбор инженерного решения требует учета большого объема фактических данных и сложных расчетов. Поэтому разработка методики выбора эффективного технического решения для снижения теплового загрязнения, основанной на моделировании теплового факела и учитывающей специфические особенности водного объекта (морфометрические, гидрологические, экологические, социальные), является актуальной задачей.

Объект исследования - водоемы-охладители ТЭЦ.

Предмет данной работы - температурный режим водоемов-охладителей ТЭЦ.

Целью данной работы является изыскание способов экологической реабилитации водоемов-охладителей объектов теплоэнергетики с разработкой модели теплового факела и выбором эффективных инженерных решений по снижению теплового загрязнения.

Задачами исследования являются:

- изучить существующие инженерные решения, используемые для снижения теплового загрязнения водоемов-охладителей сбросами ТЭЦ;

- выявить закономерности распределения температур в водоеме-охладителе на основе моделирования теплового факела с использованием программного комплекса CORMIX;

- разработать методику выбора инженерных решений по снижению теплового загрязнения водоема-охладителя объекта энергетики;

- разработать программу для расчета установок, предназначенных для минимизации теплового загрязнения водоемов;

- провести натурные исследования состояния водоема-охладителя с учетом параметров, необходимых для моделирования теплового факела;

- оценить адекватность компьютерной модели теплового загрязнения конкретным параметрам водоема-охладителя с учетом специфики объекта теплоэнергетики;

- апробировать методику выбора инженерного решения по снижению теплового загрязнения водоема-охладителя ТЭЦ.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались: программирование в среде Delphi для расчета установок, предназначенных для минимизации теплового загрязнения водоемов; моделирование теплового факела с помощью программного комплекса CORMIX; проведение экспедиционных натурных исследований термического режима водоема-охладителя ТЭЦ.

Научная новизна работы

1. Разработана методика выбора инженерных решений по снижению теплового загрязнения водоема-охладителя объекта энергетики.

2. На основе моделирования в среде CORMIX впервые для ТЭЦ Республики Татарстан получено распределение температуры в непосредственной близости от точки сброса условно загрязненных вод в озеро Средний Кабан и выполнена оценка конфигурации теплового факела.

3. Создана компьютерная программа расчета конкурирующих инженерных решений по снижению теплового загрязнения на языке Pascal в среде Delphi.

4. Выбрано эффективное техническое решение - брызгальные установки, позволяющие минимизировать тепловое загрязнение озера Средний Кабан.

Практическое значение работы

Результаты исследований позволяют минимизировать тепловое загрязнение озера Средний Кабан сбросами Казанской ТЭЦ.

Внедрение рекомендованного технического решения позволит снизить экологическую нагрузку на водоем, платежи предприятия и решить социальные проблемы, обусловленные неблагополучной экологической обстановкой на акватории озера.

Методологические подходы, разработанные при выполнении данной работы, могут быть применены при составлении планов развития городских территорий и сохранении водных ресурсов от теплового загрязнения и в других странах, в том числе Сирийской Арабской Республике. Планируется использовать разработанную методику выбора эффективного решения по

снижению теплового загрязнения для решения проблемы тепловых сбросов Катинской ТЭЦ, поступающих в озеро Катина.

Результаты исследований могут бьпъ использованы в учебном процессе при подготовке специалистов - энергетиков, экологов и др.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2009,2010); аспирантско-магистерском семинаре, посвященном Дню энергетика (Казань, КГЭУ, 2009, 2010); международной студенческой научно-образовательной конференции «Иностранные языки в профессиональной коммуникации» (Казань, КГУ, 2010); XVII международной специализированной выставке «Энергетика и электротехника 2010» (Санкт-Петербург, 2010) и международной конференции «Экология, технологии, культура в современном мире; проблемы versus решения», Москва, МГГУ, 2010.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 2 из перечня ВАК.

Положения, выносимые на защиту:

- закономерности распределения температур в водоеме-охладителе на основе моделирования теплового факела с использованием программного комплекса CORMIX;

- методика выбора инженерных решений по снижению теплового загрязнени водоема-охладителя объекта энергетики с использованием компьютерной программы расчета установок, предназначенных для минимизации теплового загрязнения водоемов;

- результаты математического моделирования характеристик теплового факела для различных сценариев тепловых сбросов в озеро Средний Кабан;

результаты инженерных расчетов технических устройств, предназначенных для снижения теплового загрязнения озера Средний Кабан;

- рекомендации по снижению теплового загрязнения озера Средний Кабан.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 113 наименований, и приложения. Работа без приложений изложена на 114 страницах машинописного текста, включая 30 рисунков и 18 таблиц. Приложение занимает 31 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи настоящей работы, отражена ее практическая ценность.

Первая глава посвящена обзору литературы по теме диссертационной работы. Рассмотрены характеристики системы водоснабжения тепловых конденсационных электростанций и последствия теплового загрязнения

естественных водоемов при применении системы прямоточного водоснабжения.

Проведен краткий обзор современных программных комплексов, позволяющих моделировать тепловое загрязнение водоема-охладителя объекта энергетики. Анализ программных комплексов используемых для создания моделей параметров тепловых сбросов, показал, что для поставленных задач наиболее перспективно применять модели зон смешивания с использованием экспертных систем. Использование экспертной системы при создании модели зон смешивания позволяет определить последователыюсть сбора данных, упростить выбор суб-моделей и прогнозных уравнений в зависимости от физической ситуации, обеспечивает графическое изображение и интерпретацию прогнозных величин с учетом соответствия нормативным значениям. Данные модели позволяют выявить влияние тепловых стоков на водный объект и критические зоны с наибольшими температурами.

Анализ различных моделей зон смешивания с использованием экспертных систем показал, что для моделирования параметров теплового факела для водоемов-охладителей объектов энергетики наилучшим является программный комплекс СО ЯМ IX, который характеризуется широким применением ко многим типам водных тел и был успешно использован для управления качеством воды при различных регуляторных условиях. Модель С011М1Х (Корнельская экспертная система для зоны смешивания), разработанная Управлением по охране окружающей среды США, главным образом используется для прогнозирования геометрии и характеристик сброса с целью оценки его воздействия на окружающую среду.

Рассмотрены существующие системы охлаждения тепловых сбросов ТЭЦ. При использовании прямоточной системы охлаждения для снижения температуры сбрасываемых вод объектов энергетики применяют брызгальные устройства и эжекторные системы. Кроме того, не исключена возможность замены прямоточной системы водоснабжения объекта энергетики на оборотную с использованием градирен.

Для предотвращения сверхнормативного подогрева водоемов объектов энергетики могут быть использованы два типа эжекторов.

В эжекторном устройстве, основанном на использовании энергии сбросного потока электростанции, для организации управляемого принудительного течения в водоеме кинетическая энергия сбросного потока в камере смешения эжектора создает большие выходные скорости потока, под действием которых происходит подсасывание холодной воды из источника и, благодаря интенсивному турбулентному перемешиванию, существенное снижение температуры сбросной воды. Это устройство представляет собой гидротехническое сооружение, состоящее из струенаправляющей дамбы, входной части с береговым укреплением, камеры смешения, напорных трубопроводов нагретой воды, водослива, расширяющегося участка.

Вторым типом эжектора является металлическое сооружение цилиндрической формы с тремя патрубками. В первый патрубок подается охлаждаемая вода из циркуляционного канала, во второй патрубок подается

вода из озера при помощи напорного насоса. В корпусе эжектора происходит интенсивное смешение подаваемых потоков с последующим сбросом их в водоем через третий патрубок эжектора.

Брызгальные устройства представляют собой систему сопел, разбрызгивающих подводимую к ним под напором воду, подлежащую охлаждению. Охлаждение воды происходит в результате процессов тепломассообмена при контакте с воздухом, поступающим к брызгальному устройству благодаря ветру и естественной конвекции.

Анализ литературных источников показал, что в настоящее время отсутствует методика, позволяющая выбрать эффективные инженерные решения по снижению теплового загрязнения с учетом специфических особенностей водного объекта, характеристик теплового сброса и микроклимата рассматриваемого района. Исходя из вышесказанного, создание данной методики является важной и актуальной задачей.

Во второй главе описывается разработанная методика выбора инженерных решений по снижению теплового загрязнения водоема-охладителя объекта энергетики. Выбор эффективного решения, согласно разработанной методики, состоит нз следующих основных этапов: формирование банка данных; моделирование теплового факела; расчет конструкционных особенностей и эффективности альтернативных инженерных решений; выбор инженерного решения (рис. 1).

На первом этапе идет формирование банка данных, который включает в себя следующие параметры:

а) характеристику водоема-охладителя:

- морфометрические особенности водоема-охладителя - средняя глубина водного объекта (На), локальная глубина водоема при выпуске (Нв0), ширина водоема в месте сброса (ВЭ); угол уклона дна при выпуске (0);

- гидрологические характеристики: средняя скорость течения воды в водном объекте (иа);

- температуры: средняя температура воды на поверхности водного объекта (ТО, нормативная температура, установленная санитарным нормами и правилами СанПиН 2.1.9.980-00 (Тотн).

б) характеристика циркуляционного канала:

- морфометрические характеристики: средняя глубина (Ь0), средняя ширина (Ь0), угол сброса (а);

- гидрологические характеристики: циркуляционный расход (()0), скорость разгрузки канала (и0);

- температура воды озера в месте впадения канала стоков (Т2).

в) микроклимат района размещения водного объекта: температура атмосферного воздуха по сухому термометру (Э[); относительная влажность атмосферного воздуха температура атмосферного воздуха по влажному

термометру (Т,); барометрическое давление (

ллрйктвраи

• r-1

iT;-Ti ¿Т?

ii:

UT« T-T:.}

iрадираи

чявшше «етеойЕГю

S, п, р

.зжемориые системы

«1, ¡Я J

| Вь,-бор эффектявксго реахензк :

Рис. 1. Методика выбора инженерных решений по снижению теплового загрязнения водоема-охладителя объекта энергетики

Для учета индивидуальных особенностей теплового сброса в конкретный водный объект на втором этапе необходимо создание модели теплового факела для разных сезонов года. Для создания модели теплового факела выбран программный комплекс CORMiX.

CORMIX предполагает, что водоем прямоугольный в сечении с постоянной шириной- BS, и глубиной- На (рис. 2).

После ввода исходных данных, модель вычисляет среднюю линию факела, ширину и глубину факела и среднюю линию концентрации и разбавления в течение времени перемещения факела в водоеме.

На третьем этапе проводится расчет конструктивных особенностей и эффективности рассматриваемых инженерных решений по снижению теплового загрязнения.

На четвертом этапе производится выбор оптимального инженерного решения на основе анализа результатов расчетов и сравнения конкурирующих технологий по экономическим, экологическим и социальным критериям.

Методики расчета установок, предназначенных для минимизации теплового загрязнения водоемов, требуют большого объема расчетов. Для упрощения выполнения расчетов впервые разработана программа на языке Pascal в среде Delphi, с помощью которой производится расчет, необходимый для проектирования новых и привязки существующих проектов градирен к местным метеорологическим условиям с учетом требований к температуре охлажденной воды и гидравлическим нагрузкам.

Расчет градирен выполнен по методикам СНиП 2.04.02-84, исходя из среднесуточных температур атмосферного воздуха по сухому и влажному термометрам (или относительной влажности воздуха). Конечной целью расчета вентиляторных градирен является определение плотности орошения qK и числа градирен (или секций, если градирни секционные), обеспечивающих охлаждение заданного количества воды €х от температуры Ту до температуры Г2г при следующих расчетных параметрах: Зи <рх и Щ. Технологический расчет вентиляторных градирен условно разделяется на два этапа. На первом этапе определяется удельный расход воздуха А, на втором - плотность орошения и по ней - число градирен (секций) N.

Расчетные графики для башенных градирен позволяют определять для каждого типоразмера градирни гарантированную температуру охлажденной воды Т2г в зависимости от температуры наружного воздуха по сухому

термометру и его относительной влажности <р\, плотности орошения и температурного перепада ДТт. Температуру охлажденной воды башенных градирен определяли по графикам, выполненным в программах, разработанных в математической лаборатории ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева.

При расчете эжекторных устройств определяется расход воды, поступающей в камеру смешения, необходимой для снижения температуры сбросной воды до допустимой по санитарным нормам температуры тек, и расход воды, сбрасываемой из эжектора, которая отвечает температурным нормативам сброса охлаждающей воды в водоем-охладитель При

проведении расчета используются уравнения энергетического баланса и баланса массы по методикам Turner, Cingel, 2004.

Для расчета брызгальных установок, по методикам Гельфанд, 1980; Hicks, 2006, вычислялись температура охлажденной воды, требуемая площадь брызгальных устройств S, количество требуемых сопел п и потребляемая насосами электроэнергия р. Исходными данными для определения температуры охлажденной воды Tie являются заданные значения - р,-„ 9j, q>i, температура нагретой воды T1S и число испарения Ки. Число испарения брызгального устройства зависит от напора на сопло Н и скорости ветра IV. Для определения температуры охлажденной в них воды использовали эмпирические зависимости, полученные на основе опытных данных в литературе.

В третьей главе кратко описывается объект исследования - озеро Средний Кабан г. Казани, используемое в качестве пруда-охладителя Казанской ТЭЦ. Приведены гидрометрические и гидрологические характеристики режима озера Средний Кабан. Анализ натурных исследований озера Средний Кабан показал, что подбор подходящего решения для снижения воздействия тепловых сбросов ТЭЦ в озеро Средний Кабан с одновременным решением технологических, экологических и социальных проблем весьма актуальны в общей программе оздоровления экосистемы озера и подготовки озера к использованию в качестве гребного канала.

Для оценки качественных характеристик сточных вод Казанской ТЭЦ были отобраны пробы из озера Средний Кабан (наименование типа воды -поверхностные воды) и проведен их химический анализ в лаборатории инженерной экологии и рационального природопользования КГЭУ. Пробы отобраны в соответствии ГОСТ Р 51592-2000 в двух местах: перед водозаборным сооружением и в месте выпуска циркуляционного канала озера. Дата отбора проб: 15.03.2010 г., 25.05.2010 г., 04.09.2010 г.

Концентрация различных загрязняющих веществ в воде, используемой для охлаждения и сбрасываемой в озеро Средний Кабан за 2010 г., приведена на рис. 3. Анализ данной диаграммы позволяет сделать вывод о том, что вода в озере Средний Кабан по основным показателям не ухудшается в результате использования ее в конденсаторах паровых турбин. Следует отметить, что концентрация значительной части ингредиентов в сбросах ТЭЦ ниже, чем в воде, используемой для охлаждения. Это объясняется тем, что часть

забираемой воды, после охлаждения вспомогательного оборудования, перед сбросом в озеро, проходит очистку на очистных сооружениях.

120 | 1101

100 90

80 !

~й 70 | 60

I 50

I 40

а 30

а 20

и.

10!

х10"~хКГ Х1ГГ х10" Х10" хЗО"" х]0" хНГ х10~! *10_> хНГ

' # / / У У /

Наименование пигредвеета

Рис. 3. Концентрации различных загрязняющих веществ в воде, используемои для охлаждения и сбрасываемой в озеро Средний Кабан

Превышение температуры сбрасываемой воды над температурой исходной воды достигает 8 - 11 °С. Температура сбрасываемой воды системы охлаждения Казанской ТЭЦ на месте впадения в озеро Средний Кабан в среднем превышает допустимую температуру на 5 - 6 °С. В отдельные месяцы превышает нормативы на 11 °С.

Таким образом, проведена оценка качественных характеристик сточных вод Казанской ТЭЦ. Установлено, по качеству вод, сбрасываемых ТЭЦ основным критерием, требующим решения для водоема-охладителя, являются тепловые сбросы.

В четвертой главе представлены результаты апробации разработанной методики выбора инженерного решения по снижению теплового загрязнения на примере водоема-охладителя Казанской ТЭЦ.

В таблице 1 и 2 приведены основные технические данные для сценариев А,В,С,Б, необходимые для проведения математического моделирования по изучению распределения температуры в непосредственной близости от точки сброса и оценке конфигурации теплового факела в результате сброса теплых вод в озеро Средний Кабан.

Таблица 1

Основные неизменяемые параметры, используемые в проведенном _ математическом моделировании_

н„ м ua, м/с HDo, м b0, м h0, м

7,1 0,4 60 1 1,67 5 1

Таблица 2

Основные переменные для сценариев проведенного математического моделирования с рекомендованными нормативами (стандартами)

Номер сценария Qo, м3/с Т,,°С Т2, °С ЛТ0, °С AT °С '-1 а стан.* ^

A (15 марта 2010) 1,60 4,0 14,0 10,0 3,0

В (25 мая 2010) 3,16 _ 19,6 26,8 7,2 3,4

С (17 июля 2010) 3,33 26,0 34,0 8,0 3,0

D (4 сентября 2010) 2,93 18,0 27,0 9,0 5,0

где ДТ0 = Т2-Т1, ЛТста„ = Тстац -Ть Тсган = 23 °С - нормативная температура, соответствующая "Санитарными нормам и правилам", по которым температура воды в результате спуска сточных вод не должна повышаться более чем на 3 °С, по сравнению со среднемесячной температурой самого жаркого месяца. Концентрация сброса в среде С01Щ1Х определяется по сравнению с окружающей средой, поэтому для сценариев А и С (где Т. =26 и 4 °С) учитываются требования, согласно которым разница между температурой тепловых сбросов и температурой воды в окружающей среде не должна превышать 3°С.

Результаты математического моделирования в среде программы С01Ш1Х в четырех сценариях, по оценке конфигурации теплового факела в результате сброса подогретых вод в озеро Средний Кабан, представлены на рисунках 4, 5 и 6. Начало координат находится на поверхности воды в центре канала сбросных вод, ось X параллельна береговой линии со стороны циркуляционного канала и ось У указывает на направление слева от наблюдателя, смотрящего вниз по течению (см. рис. 2).

а ®

Гранина теплс-scrc факела

Í 4»?

ípj ш!

Г5

Srio;

Гранина теплового факелз

Хс-ЮЛЕая вода

f'"

100

¡00

i г > 60

зяо

Граница теплового факела

Uiwsv.ii Гч;]к;

400 500 Xi.v.S —•

45 i t

Нагретая всса

100

Z№

Правый берл

40 О 509 XíM)—

бЫ Холодная еелз

45:

зо! -

100

200

Ирэиый берег

ЗОН «00 500 X(M>—

100

Нагретая гола

,n)0 400 500

X (М{-—•

Рис. 4. Результаты математического моделирования данных по геометрии теплового факела, полученные в среде программы СОЯМ1Х (вид сверху)

Нагретая вела ---

N -2J

Ннжкяэ Гранина iеплоаого факс та

! .

-3,8 -5, в

зоо :,оц —

Натрет гола

----3—

g-Ц

к j

-V

------

Х<м)—•

т>

Г......tffi—ш....."W

¿ia»

.........Vir

-Л* -5.0

"Ж" ЯГ

1«о im зад""

___,'Ы____

х (м) —■

50«!

Рис. 5. Результаты математического моделирования данных по геометрии теплового факела, полученные в среде программы СОКМ1Х (вид сбоку)

Концентрация сброса

741!

Рис. 6. Графическое (трехмерное) изображение факела (для сценария С)

Из результатов математического моделирования, показанных на рис. 4 -6, видно, что факел сбрасываемой воды, прилегающий к береговой линии, классифицируется в среде программы С<ЖМ1Х, как факел "8А2", и характеризуется созданием зоны рециркуляции потоков, которая уменьшает разведение тепловых сбросов.

Результаты математического моделирования по изучению распределения температуры в непосредственной близости от точки сброса приведены на рисунке 7, ДТ = Т-Ть где Т - температура воды в любой точке водного объекта.

МО-

! 65

> б?

100

31Ю

ЗОЙ

400 X (М>

500

100

200

400 500 Х(М)—•

измерение

соклпх

го

' 4,S

о (тюрснис — CORM1X

1 -5| ()1

3(М

409 XftO-

500

100

200

ЗОЙ

400 500

хеш—

Рис. 7. Разность температуры вдоль оси факела для четырех сценариев (С - сопоставление данных, полученных в среде программы СОКМ1Х, с измеренными температурами воды озера Кабан в июле 2010 года, Э -сопоставление данных, полученных в среде программы ССЖМ1Х, с измеренными температурами воды озера Кабан в сентябре 2010 года)

Конечной целью моделирования являлось определение температурного распределения воды в районе сброса в озеро Средний Кабан, и расстояния от места сброса, на котором уровень температуры воды озера будет соответствовать допустимому уровню. В таблице 3 приведены результаты математического моделирования воздействия тепловых сбросов Казанской ТЭЦ на озеро Средний Кабан и их соответствие нормативным требованиям для теплового сброса в водоемы (таблица 2).

Таблица 3

Параметры граничных значений теплового загрязнения факелами для четырех ___сценариев _

Расстояние (вниз по течению) (м) Полуширина факела (м) Толщина факела (м) Растворение (ДТо/ДТ)

А 34,8 14,3 1,00 3,3

В 157,3 37,8 0,44 2,1

С 235,0 53,7 0,41 2,7

D 178,5 43,1 0,45 2,6

Данные, приведенные в таблице 3, позволяют сделать вывод о том, что, площадь зеркала озера Средний Кабан, которая подвержена тепловым загрязнениям со стороны сбросов подогретой воды ТЭЦ, достигает 235 метров вниз по течению и около 100 метров по ширине.

Для проверки результатов моделирования в среде программы CORMIX были использованы измерения температуры воды озера Средний Кабан в июле и сентябре 2010 г. Рисунки (7 С и 7 D) демонстрируют соответствие температуры воды в озере результатам математического моделирования и измеренной температуре воды в июле и сентябре 2010 г. Кроме того, измеренная температура воды в озере (для сценария С) на расстоянии 100, 150, 200 м до места сброса тепловых вод, приблизительно равна средней температуре воды данного озера (26 °С). Эти данные показывают направление теплового факела, прилегающего к береговой линии, вниз по течению.

Исходя из анализа результатов проведенного моделирования, предлагается применять брызгальные устройства на площади зеркала водоема, которая подвержена тепловым загрязнениям. При использовании металлического эжектора для нашего случая, в первый патрубок теплая вода должна поступать из области теплового факела, полученного по результатам моделирования в среде программы CORMIX. Воду из озера, поступающую в камеру смешения во второй патрубок, необходимо забирать вне области теплового факела. Представлена предлагаемая схема эжекторной системы технического водоснабжения Казанской ТЭЦ, основанная на использовании энергии сбросного потока, как средство охраны вод озера Средний Кабан от теплового загрязнения сбросами электростанций. Нагретая вода будет вытекать

со скоростью 1,5—2 м/с из трех сопел, расположенных равномерно в камере смешения под углом 20° к поверхности дна камеры.

С помощью методики и расчетной программы выполнены технические расчеты градирен, эжекторных устройств и брызгальных устройств, как инженерных решений по снижению тепловых сбросов Казанской ТЭЦ в озеро Средний Кабан. Результаты расчетов представлены в таблицах 4,5,6,7.

Таблица 4

Результаты расчетов предложенного металлического эжектора

Март Май

Июль

Ть °С

тг

~~27~ ~34~

Т2, °с

1б~

Тз, °С

~23~ 29

та1 м3/с

1,60

3,10

3,33

м/с 3,72 4,20 5,40

гп3 м3/с

5,32 "7;зо~

Т,тГ

т\, Ть- расход, температура воды, поступающей из области теплового факела, , Т2э - расход, температура воды, забираемой из озера, т\, Т3э - расход, температура воды, сбрасываемой из эжектора.

Таблица 5

Результаты расчета брызгальных устройств с исходными данными

с„: м3/с Т,б °с 9, СС Ф1 % Рб МПа м/с Н МПа ки т26 °С ДТ6 °С Б м2 п Р кВт

3,33 28 23,4 55 0,1 2,5 0,059 0,45 22 6 11500 1040 1500

Таблица 6

с« м/с Т,г °с Т2г °с дтг °С 9, °С т-°С Ч>1 % Ро МПа 1 м3/ (м2-ч) N

3,33 35 25 10 23,4 17,8 55 0,1 1,03 8 380 3,94

Д., - площадь оросителя градирни.

Таблица 7

Температура охлажденной воды для каждого типоразмера башенных градирен

9, <Р\ АТГ и -1100 м2 -1600 м2 Г„а = 2300 м2 Ая =3200 м2

°С % °С м3/ (м2

высота высота высота высота

>2г °С градирни 52 м градирни 62 м градирни 75 м градирни 88 м

б 31,3 29,8 29,0 27,5

23,4 55 10 8 32,5 30,8 30,5 29,5

10 34,0 32,5 32,0 31,5

Анализируя данные таблицы, можно сделать следующие выводы: • При использовании металлического эжектора, для снижения температуры сбросной воды, требуется расход воды из озера т'~~ 4 м3/с, что полностью удовлетворяет требованиям правил. В отдельные (летние) месяцы т^ достигает 5 м3/с, и расход воды, поступающей в камеру смешения будет составлять «Г,~ 8 м3/с. При подаче воды ео второй патрубок из нижних слоев водоёма сокращается требуемый расход воды на четверть.

• На брызгальных устройствах нагретая вода перед сбросом в озеро охлаждается на б °С. При расходе нагретой воды, подводимой к брызгальным устройствам, равной 3,33 м3/с, расчетное количество требуемых сопел составляет 1040, которые распределяются на 174 пучка, и каждый пучок состоит из 6 сопел. Требуемая площадь брызгальных устройств равна 11500 м2. Потребляемая насосами мощность около 1300 кВт.

• Для охлаждения циркуляционной воды озера Средний Кабан при использовании градирен может быть предложено два решения. Первое решение требует установки четырёх вентиляторных градирен с вентилятором ВГ 104 и оросителем (капельно-пленочный) с плотностью орошения 8 м3/(м2 ч), при этом температура охлажденной воды в циркуляционном канале будет равна 25 °С, что полностью удовлетворяет требованиям правил. Вторым решением является установка башенной градирни высотой 88 м с плотностью орошения б м3/ (мг ч) и площадью оросителя 3200 м2, при этом температура охлажденной воды будет равна 27,5 °С, что превышает перегрев, разрешенный правилами и не решает проблему теплового загрязнения данного озера, принимая во внимание, что циркуляционный канал Казанской ТЭЦ обеспечивает снижение температуры воды перед сбросом в озеро до 2-4 °С.

Предлагаемая схема эжекторной системы технического водоснабжения Казанской ТЭЦ и результаты расчетов показали, что расположение эжекторных систем в озере Средний Кабан не согласуется с планом размещения на его территории Центра гребных видов спорта. Для выбора эффективного решения

проблемы теплового загрязнения озера Средний Кабан было проведено сравнение брызгальных устройств и градирен.

С экологической точки зрения перевод ТЭЦ на оборотную систему охлаждения с испарительными градирнями поставит ряд новых экологических проблем: унос капельной влаги; выброс вредных веществ; паровой факел и шум. Унос капельной влаги приведет к образованию осадков (летом - в виде тумана, в зимний период - повышенной влажности и гололеда). С использованием брызгальных устройств исключается капельный унос за пределы акватории озера и, соответственно, экологические проблемы жителей микрорайона. Охлаждение и дополнительная аэрация сбрасываемых теплых вод брызгальными устройствами должны способствовать насыщению вод озера кислородом, что будет оказывать на фауну и флору водоема благоприятное воздействие.

С социальной точки зрения брызгапьные устройства хорошо впишутся в общий план реконструкции района, тогда как высота башенной градирни, предусмотренная расчетом, должна составить 88 м и потребует значительных земляных работ, меняя архитектурный план города. Вентиляторные градирни хотя и требуют меньшей площади застройки, тем не менее, не вписываются в архитектурный план города.

При эксплуатации тепловых электростанций наиболее экономичной по капитальным вложениям и эксплуатационным затратам является прямоточная система технического водоснабжения. Поэтому более перспективным видится решение проблемы с прежней прямоточной системой охлаждения вод ТЭЦ в случае, если для предотвращения сверхнормативного подогрева вод озера будет найден оптимальный инженерный вариант.

Таким образом, эжекторные системы как средство снижения тепловых сбросов в озеро Средний Кабан создают помехи на гребном канале. Градирня самостоятельная, сложная тепломеханическая установка. Относительно большие капитальные вложения, эксплуатационные затраты, а также их большее негативное влияние на окружающую среду и социальные условия обитания, не позволяют рекомендовать использование таких систем технического водоснабжения по снижению теплового загрязнения водоема-охладителя. Предложенное инженерное решение - сохранение прямоточной системы технического водоснабжения с охлаждением воды перед сбросом в озеро до допустимой по санитарным нормам температуры брызгальными установками, является наиболее оптимальным, поскольку обеспечивается баланс между экономическими показателями и нормативными требованиями по предотвращению теплового загрязнения данного озера. Предлагаемые брызгальные устройства целесообразно внедрить на сбросах горячей воды в озеро Средний Кабан, что подтверждено исследованиями, проведенными при выполнении математического моделирования в среде программы СОЯМ1Х (рис. 8).

Циркуляционный ЯЙ* ЙЛ

Нагретая

3.7 м

44 пучка

Рис. 8 - Брызгальные устройства по снижению теплового загрязнения озера Средний Кабая: а - место расположения брызгальной установки, б - схема расположения сопел в пучках

В заключении представлены основные результат?.! и выводы по диссертации.

Основные результаты и выводы:

1. Разработана методика выбора инженерных решений по снижению теплового загрязнения водоемов-охладителей объектов энергетики.

2. Выявлены закономерности распределения температур в водоеме-охладителе на основе моделирования теплового факела с использованием программного комплекса С01Ш1Х.

3. Используя результаты моделирования тепловых процессов, происходящих б водоеме - охладителе, предложена программа вычисления плотности орошения и числа градирен (секций, если градирни секционные), обеспечивающих необходимое охлаждение заданного количества воды при определённых параметрах атмосферного воздуха, позволяющая также оценить расход водь;, поступающей в камеру смешения эжекторных устройств, необходимой для снижения температуры сбросной воды до допустимой по санитарным нормам температуры, и требуемую площадь брызгальных устройств, количество требуемых сопел и расход электроэнергии на насосы.

4. На основе натурных исследований проведена оценка температурного режима озера Средний Кабан. Проведенные исследования температурного режима водоема показали, что наблюдаются превышения допустимой температуры воды в озере от 5 до 11 °С в зависимости от времени года.

5. Результаты проведенного моделирования средствами программы СОЯМ1Х показывают, что акватория озера Средний Кабан, которая подвержена тепловому загрязнению со стороны сбросов тепловой воды ТЭЦ, достигает 235 метров вниз по течению и около 100 метров по ширине. Факел сбрасываемой воды прилегает к береговой линии вниз по течению.

6. На основании проведенных исследований и расчетов для охлаждения циркуляционной воды Казанской ТЭЦ с использованием градирен предлагается: установить четыре градирни с вентилятором ВГ 104 и деревянным капельно - пленочным оросителем с плотностью орошения 8 м3/ (м ч), позволяющих обеспечить температуру охлаждающей воды в циркуляционном канале 25 °С. Показано, что при установке башенной градирни высотой 88 м с плотностью орошения 6 м3/(м2 ч) и площадью оросителя 3200 м2, температура охлаждающей воды разна 27,5 °С, что превышает разрешенный температурный режим и не решает проблему теплового загрязнения озера.

7. Показано, что эжекторные системы будут создавать помехи на гребном канале, и не вписываются в архитектурный ансамбль города.

8. Установлено, что на брызгальных устройствах нагретая вода перед сбросом в озеро Средний Кабан дополнительно охлаждается на 6 °С.

9. Проведенные исследования показали, что для обеспечения требуемого температурного режима необходимо установить 1040 сопел, объединенных в 174 пучка (по 6 сопел в пучке). При этом площадь брызгальных устройств составляет 11500 м2, потребляемая насосами энергия равна 1300 кВт.

10. Показано, что установка брызгальных устройств позволит решить в определенной степени проблему снижения воздействия тепловых сбросов Казанской ТЭЦ на озеро Средний Кабан.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Дыганова Р.Я., Хассан Т. Инженерные решения по снижению воздействия тепловых сбросов энерготехнологических установок на качество вод водоемов-охладителей // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики - Казань: КГЭУ, 2010, №5-6. - С. 105-109.

2. Хассан Т. Снижение воздействия тепловых сбросов энерготехнологических установок брызгальными устройствами // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, Казань, КГЭУ, 2010, №7-8, С. 141-143.

3. Хассан Т. Оценка экологического состояния системы озера Кабан // IV Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения», КГЭУ, Казань, 2009, Том 3, С. 35-37.

4. Дыганова Р.Я., Хассан Т. Инженерное решение по снижению теплового сброса объектами энергетики // Поволжская гидроэкологическая конференция, Казань, КГУ, 2009, С. 144-145.

5. Хассан Т. Оценка параметров температурного режима водоема-охладителя // V Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения», Казань, КГЭУ, 2010, С. 16.

6. Хассан Т. Программа расчета параметров инженерных решений по снижению теплового загрязнения водоема-охладителя ТЭС // V

Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения», Казань, КГЭУ, 2010, С. 15.

7.Хассан Т. Струераспределительное сооружение для водоема-охладителя ТЭЦ // Молодежная научная конференция «Туполевские чтения» Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2010, Том 2, С. 224-226.

8. Хассан Т. Сравнительный анализ инженерных решений по снижению теплового загрязнения водоема-охладителя ТЭЦ // Депонировано в ВИНИТИ, 25.03.2010, №177-В2010, 9 с.

9. Хассан Т. Reducing the thermal discharges into water surfaces due to power plants using cooling towers // Международная студенческая научно-образовательная конференция "Иностранные языки в профессиональной коммуникации", Казань, КГУ, 2010, С. 25-26.

10. Дыганова Р.Я., Хассан Т. Reducing the thermal discharges into Middle Kaban lake from social - ecological point of view // Международная конференция «Экология, технологии, культура в современном мире: проблемы versus решения», М., МГГУ, 2010, С. 140-141.

Отпечатана: ИП Головко Е.В., г. Казань, ул. Кулахметова, 22, ИНН 165606354022, заказ № 133/7 от 24.01.2012, тираж 100 шт.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Хассан Тана, Москва

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ;деральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВПО "КГЭУ")

61 12-5/2425 На правах рукописи

,—^

Хассан Тана

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ФАКЕЛА ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНЖЕНЕРНЫХ РЕШЕНИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ТЕПЛОВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДОЕМА-ОХЛАДИТЕЛЯ ТЭЦ

Специальность: 03.02.08 - Экология (в энергетике)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор биологических наук, профессор Р.Я. Дыганова

Научный консультант -заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Марченко Герман Николаевич

Москва - 2012

Содержание

стр. ................4

Введение..........................................................................................

Глава 1. Современное состояние исследований по прогнозированию и

прикладным аспектам снижения теплового загрязнения водоемов.....................................9

охладителен................................................

1.1. Моделирование теплового загрязнения водоема-охладителя объекта

...............9

энергетики ................................................................

1.2. Экологические проблемы прямоточной системы водоснабжения ТЭС ....12

1.3. Конкурирующие технологии охлаждения тепловых сбросов объектов

.............19

энергетики.......................................................................

1.3.1. Охлаждение воды в эжекторной системе технического водоснабжения

.....19

конденсационных электростанции..................................................................

1.3.2. Охлаждение воды в брызгальных бассейнах...............................................21

1.3.3. Охлаждение воды в градирнях.......................................................................

Глава 2. Методика выбора инженерного решения для снижения теплового

загрязнения водоема-охладителя объекта энергетики.................................31

.............. 31

2.1. Описание методики....................................................

2.2 Основные принципы моделирования теплового факела........................34

2.3. Программа расчета конкурирующих инженерных решений по снижению

.....................37

теплового загрязнения.......................................................................

.37

2.3.1. Методика расчета эжектора.......................................................................

2.3.2. Методика расчета брызгальных установок..................................................

.......40

2.3.3 Методика расчета градирен....................................................................

Глава 3. Натурные исследования водоема-охладителя ТЭЦ.........................46

3.1. Общая характеристика озера Средний Кабан.................................................47

3.2. Прямоточная система водоснабжения Казанской ТЭЦ.................................55

3.3. Влияние теплового загрязнения на озеро Средний Кабан.............................59

3.4. Тепловые расчеты с применением показателей эффективности схемы

использования водоема-охладителя......................................................

/ГС

3.5. Натурные замеры теплового загрязнения........................................................

3.6. Качественные характеристики исходной и сбрасываемой воды в озеро Средний Кабан...........................................................................................................

Глава 4. Апробация методики выбора инженерного решения по снижению теплового загрязнения водоема-охладителя ТЭЦ......................................74

4.1. Входные данные, используемые при математическом моделировании в среде СОКМ1Х........................................................................................................."74

4.2. Результаты математического моделирования теплового факела сбросов

ТЭЦ.............................................................................................................................

4.3. Результаты расчетов градирен..........................................................................

4.4. Результаты расчетов брызгальных устройств.................................................86

4.5. Результаты расчетов эжекторных систем........................................................00

4.6. Выбор эффективного технического решения по снижению теплового

загрязнения озера Средний Кабан

...............................101

Заключение.................................................................................

................................103

Литература.................................................................................

...................115

Приложение............................................................

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Одной из наиболее острых и актуальных экологических проблем водоемов-охладителей объектов энергетики является их тепловое загрязнение, наблюдаемое в результате поступления нагретых вод, сбрасываемых после охлаждения энергетического оборудования.

Для прогноза влияния тепловых сбросов ТЭЦ с выявлением участков водоеме с повышенной температурой, превышающей установленные нормативы, широко используются методы построения математических моделей. Существует ряд программных комплексов, которые используются для моделирования качества вод водоемов различных типов (морей, озер, рек) со значительной акваторией и многочисленными сбросами, в которых температурная составляющая является лишь одним из нескольких

параметров оценки.

моделирования позволит судить о необходимости реализации инженерных решений по улучшению экологической ситуации.

Существуют различные инженерно-технические решения для снижения температуры сбросных вод после охлаждения энергетического оборудования с целью соблюдения санитарно-гигиенических нормативов. Выбор инженерного решения требует учета большого объема фактических данных и сложных расчетов. Поэтому разработка методики выбора эффективного технического решения для снижения теплового загрязнения, основанной на моделировании теплового факела и учитывающей специфические особенности водного объекта (морфометрические, гидрологические, экологические, социальные), является

актуальной задачей.

Целью данной работы является изыскание способов экологической реабилитации водоемов-охладителей объектов теплоэнергетики с разработкой модели теплового факела, и выбором эффективных инженерных решений по

снижению теплового загрязнения.

Задачами исследования являются:

- выявить закономерности распределения температур в водоеме-охладителе на основе моделирования теплового факела с использованием

программного комплекса ССЖМ1Х;

- разработать методику выбора инженерных решений по снижению

теплового загрязнения водоема-охладителя объекта энергетики;

- разработать программу для расчета установок, предназначенных для

минимизации теплового загрязнения водоемов;

Объект исследования - водоемы-охладители ТЭЦ.

Предмет данной работы - температурный режим водоемов-охладителей

ТЭЦ.

Научная новизна работы

1. Разработана методика выбора инженерных решений по снижению теплового загрязнения водоема-охладителя объекта энергетики;

2. На основе моделирования в среде CORMIX впервые для ТЭЦ Республики Татарстан получено распределение температуры в непосредственной близости от точки сброса условно загрязненных вод в озеро Средний Кабан, и выполнена оценка конфигурации теплового факела.

3. Создана компьютерная программа расчета конкурирующих инженерных решений по снижению теплового загрязнения на языке Pascal в

среде Delphi.

Практическое значение работы

Результаты исследований использованы для минимизации теплового загрязнения озера Средний Кабан сбросами ТЭЦ.

акватории озера.

Результаты исследований могут быть использованы в учебном процессе при подготовке специалистов - энергетиков, экологов и др.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2009, 2010); аспирантско-магистерском семинаре, посвященном Дню энергетика (Казань, КГЭУ, 2009, 2010); международной студенческой научно-образовательной конференции «Иностранные языки в профессиональной коммуникации» (Казань, КГУ, 2010); XVII международной специализированной выставке «Энергетика и электротехника 2010» (Санкт-Петербург, 2010) и международной конференции «Экология, технологии, культура в современном мире: проблемы versus

решения», Москва, МГГУ, 2010.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы

10 статей (в т.ч. 2 статьи - в журналах, входящих в определенный Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций»).

Положения, выносимые на защиту:

- закономерности распределения температур в водоеме-охладителе на основе моделирования теплового факела с использованием программного

комплекса С(ЖМ1Х;

- методика выбора инженерных решений по снижению теплового

загрязнения водоема-охладителя объекта энергетики с использованием компьютерной программы расчета установок, предназначенных для

минимизации теплового загрязнения водоемов;

- результаты инженерных расчетов технических устройств, предназначенных для снижения теплового загрязнения озера Средний Кабан;

- рекомендации по снижению теплового загрязнения озера Средний

Кабан.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 113 наименований, и приложений. Работа без приложений изложена на 114 страницах машинописного текста, включая 30 рисунков и 18 таблиц. Приложение занимает 31 страницу.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ПРОГНОЗИРОВАНИЮ И ПРИКЛАДНЫМ АСПЕКТАМ СНИЖЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДОЕМОВ-ОХЛАДИТЕЛЕЙ

Экологические проблемы водоемов-охладителей, связанные с поступлением в гидросферу подогретых сбросных вод тепловых электростанций, являются темами ряда зарубежных и отечественных исследований и работ по нескольким направлениям:

- выявление закономерностей тепловых процессов в водоемах различных типов с использованием программных комплексов по их визуализации при различных сценариях соотношения природных и антропогенных факторов;

- выявление особенностей конкурирующих технологий по инженерным решениям снижения теплового загрязнения в водоемах-охладителях, с

соблюдением нормативных требований;

- разработка прикладных аспектов выбора эффективного решения с учетом региональных особенностей водоемов-охладителей объектов

энергетики.

1.1. Моделирование теплового загрязнения водоема-охладителя объекта

энергетики

Для прогноза влияния тепловых сбросов ТЭЦ с выявлением участков водоеме с повышенной температурой, превышающей установленные нормативы, широко используются методы построения математических моделей. Для реализации моделей необходимо выявление параметров максимальной температуры сброса и скорости потока, которые бы соответствовали экологическим параметрам водоприемника.

Выявлению закономерностей теплового режима водоемов-охладителей

объектов энергетики посвящен ряд исследований. Так, Исаенков А.Ю.[24] прелагает использовать для изучения термического режима водоемов адаптированную глобальную трехмерную модель водоема-охладителя. При этом данная модель не позволяет получить конфигурацию теплового факела и распределение температур воды в сбрасываемых сточных водах, что важно для определения температур, превышающих нормативные показатели, и привязки к инженерному решению по снижению теплового загрязнения. Пономаренко М.И. [52] предлагает изучать закономерности изменения температурного режима с помощью физической модели, выполненой в масштабе 1:100 (горизонтальный), 1:50 (вертикальный), то есть с искажением геометрических размеров. К недостакам аналогичных моделей можно отнести отсутсвие визуализации получаемых данных.

Существует ряд зарубежных програмных комплексов, которые использовуются для моделирования качества вод водоемов различных типов (рек, озер, морей) с значительной акваторией и многисленными сбросами, в которых температурная составляющая является лишь одним из нескольких параметров оценки: PHOENICS [110], QUAL2E [111], RWQM1 [112], Mike [93], WQMAP [113], PLUMES [109], JPEFDC [108],

CORMIX [82, 102, 104].

В прогнозе влияния одиночного источника термических сбросов для

отдельно взятого водоема-охладителя наиболее удобным и эффективным является использование так называемых моделей зон смешивания с использованием экспертных систем (PLUMES, JPEFDC, CORMIX) [107].

Использование экспертной системы при создании модели зон смешивания позволяет определить последовательность сбора данных, упростить выбор суб-моделей и прогнозных уравнений в зависимости от физической ситуации, обеспечивает графическое изображение и интерпретацию прогнозных величин с учетом соответствия нормативным значениям.

Данные модели позволяют выявить влияние тепловых стоков на водный объект и критические зоны с наибольшими температурами. В этих моделях гидродинамика сбросов представляется в виде процесса смешивания, имеющего место в двух различных зонах (рис. 1.1). В первой зоне (ближнее поле) начальные динамические характеристики моментального притока ввиду разницы плотности оказывают влияние на траекторию и степень смешивания. Эта зона охватывает поток от сброса и часть поверхности водного тела, дно или конечный слой взаимодействия. В турбулентном потоке вдали от источника характеристики источника становятся боле важными. Во второй зоне (дальнее поле), удаленной от источника, траектория и растворение, пассивная диффузия ввиду естественной турбулентности и часто меняющееся поле скорости контролируются условиями окружающей среды [98].

Ближнее поле Дальнее поле

УЛУ/У/У/

Рис. 1.1. Ближнее и дальнее поле типичной поверхности струи

Процессы смешивания сбросов сточных вод в водные тела происходят в соответствии с хорошо известными физическими принципами и приводят к пространственным и временным конфигурациям факела концентраций и их распределению.

Модель CORMIX (Корнельская экспертная система для зоны смешивания) была разработана на основе нескольких основополагающих соглашений о сотрудничестве между US ЕРА, Бюро мелиорации США, Университетом Корнелла, Инстит

Информация о работе

Хассан Тана
кандидата технических наук
Москва, 2012
ВАК 03.02.08

Диссертация

Моделирование теплового факела для оценки эффективности инженерных решений по снижению теплового загрязнения водоема-охладителя ТЭЦ - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы