Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Основы мониторинга воздушного бассейна застроенных территорий в условиях децентрализации систем теплоснабжения

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Основы мониторинга воздушного бассейна застроенных территорий в условиях децентрализации систем теплоснабжения"

На правах рукописи

/

КУЗЬМИЧЕВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

ОСНОВЫ МОНИТОРИНГА ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА

ЗАСТРОЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ В УСЛОВИЯХ ДЕЦЕНТРАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальности 03.00 16 Экология

05.23.03 Теплоснабжение, вентиляция,

кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВОЛГОГРАД - 2005

Работа выполнялась в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор ДИДЕНКО

ВАСИЛИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор КАБЛОВ

ВИКТОР ФЕДОРОВИЧ

Кандидат технических наук ДОНЧЕНКО

Защита диссертации состоится 20 мая 2005 года в 13 00 часов на заседании диссертационного совета К 212 026 03 в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу 400074, г Волгоград, ул Академическая, 1 ауд. В-710

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственною архитектурно-строительного университета

Автореферат разослан 20 апреля 2005 г

Ученый секретарь

БОРИС ТИМОФЕЕВИЧ

Ведущая организация

ПСО ПТБ Волгоградгражданстрой

диссертационного совета,

канд техн наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы В Российской Федерации, основная территория которой расположена в суровой климатической зоне, обеспечение потребителей тепловой энергией приобретает особо важное значение Основными потребителями тепловой энергии являются промышленные предприятия и жилищно-коммунальный сектор, на долю которого приходится до 40% ее потребления Источниками теплоснабжения промышленных предприятий являются крупные теплофикационные системы на базе собственных ТЭЦ и котельных, которые обеспечивают теплом как предприятие-собственника, таки прилегающие к нему районы Кроме них около 600 млн Гкал тепла в год производят 68 тыс коммунальных котельных Причем, чем крупнее город (более 100 тыс чел), тем, как правило, мощнее и системы централизованного теплоснабжения В большинстве крупных городов централизованным теплоснабжением обеспечено до 70-95% жилого фонда

Учитывая, что основной ввод теплоэнергетических мощностей был осуществлен в 1960-70 гг, в последние годы в электроэнергетике России неуклонно обостряется проблема физического и морального старения оборудования теплоэнергетических сетей (ГЭС) Так, степень физического износа оборудования характеризуется составом оборудования ГЭС, по возрастным группам на 2002 г ориентировочно следующими показателями от 5 до 20 лет - 35 %, от 20 до 30 лет- 35%, от 30 до 50 лет - 30%

Инвентаризация показывает, что фактический срок службы значительной части оборудования центральных котельных и ТЭЦ заметно превышает предусмотренный технической документацией Такое оборудование по функционально-технологическим характеристикам физически и морально устарело и по экономичности существенно уступает современным образцам

Данное обстоятельство обуславливает заметный рост затрат на поддержание требуемого технологического состояния основного оборудования систем тепло-энергоснабжения, то есть в конечном счете - стоимость отпускаемого тепла

Удорожание тепла, отпускаемого от ТЭЦ, привело к тому, что в настоящее время сложилась устойчивая тенденции сооружения промышленными предприятиями собственных котельных и отказа от тепловой энергии крупных теплоисточников

По той же причине в жилищно-коммунальном секторе столь же очевидно проявляется тенденция перехода на автономные источники теплоснабжения

Отсутствие в автономных системах сложных транспортных сетей с подземной, а в ряде случаев, и наружной прокладкой определяет существенно более высокую степень их эксплуатационной надежности То есть по экономическим показателям и надежности автономные системы более предпочтительны

Однако с точки зрения экологической безопасности их оценка не может быть столь же однозначной Очевидно, что при уменьшении единичной мощности источников автономного теплоснабжения показываемого источником централизованного теплоснабжения их число в расчете централизованного теплоснабжения значительно больше Тем самым, возрастает и число приходящихся на район источников выбросов в атмосферу дымовых газов, которыми являются автономные котельные Причем, рассредоточенными и низкими, по высоте выбросов, источниками Последние особенно неблагоприятны для качества воздушной среды прилегающих территорий, так как осуществляются в инфраструктуре городских застроек, те непосредственно в зоне обитания Кроме того, увеличение числа автономных котельных соответственно формирует более разветвленную сеть газопроводов Для них также характерны проблемы коррозии (внутренней) механических разрушении и т д С учетом тенденции активного строительства систем автономного теплоснабжения очевидна необходимость изучения закономерностей обеспечения их экологической безопасности, условий мониториш а воздушной среды градостроительных комплексов с развитыми системами автономного теплоснабжения

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета

Цель работы - защита воздушною бассейна застроенных территорий от загрязнения в условиях децентрализации систем теплоснабжения посредством разработки основ экологического мониторинга на основе построения математических моделей формирования выбросов дымовых газов теплогенерирующих источников и аварийных разрывов газопроводов систем их газоснабжения

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи

- оценка технологических элементов тепловых и газораспределительных сетей газоснабжения теплогенерирующих источников как источников выбросов, определяющих степень загрязнения воздушного бассейна застроенных территорий,

- анализ факторов, определяющих условия формирования и закономерности рассеивания выбросных факелов загрязняющих веществ в атмосфере, способст-

вующих созданию устойчивых зон загрязнения воздушного бассейна застроенных территорий,

- определение физико-технологических условий организационных принципов создания системы экологического мониторинга качества воздушной среды застроенных территорий в условиях интенсивной децентрализации систем теплоснабжения,

- разработка структуры модуля автоматизированной системы экологического мониторинга применительно к крупному городскому комплексу с плотной многоэтажной застройкой и развитой инфраструктурой предприятий,

- определение закономерностей и условий математического описания нестационарного истечения газа при аварийном разрыве газопровода распределительной сети,

- проведение численных экспериментов по оценке характеристик процесса истечения газа и формирования факела рассеивания при аварийном разрыве газопровода,

- установление закономерностей и определяющих факторов расчета формирования и рассеивания выбросов дымовых газов теплогенерирующих источников децентрализованных систем теплоснабжения,

- разработка алгоритма расчета характеристик формирования полей концентраций загрязняющих веществ в воздушном бассейне застроенных территорий в условиях комплексов воздействия выбросов теплогенерирующих источников и аварийных разрывов газопроводов,

- установление критерия оценки степени загрязненности воздушного бассейна застроенных территорий на основе расчета концентраций, токсидозы и эффективности времени для условий одновременного воздействия выбросов теп-логенерирующих источников децентрализованных систем теплоснабжения и аварийных разрывов газопроводоводных систем

Основная идея работы состоит в определении алгоритмов расчета полей концентраций и токсидоз воздействия выбросов аварийных разрушений систем газоснабжения автономных теплогенерирующих источников как методологической основы мониторинна качества воздушной среды застроенных территорий в условиях децентрализации систем теплоснабжения

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, математическое моделирование, численный эксперимент и статическую обработку данных с применением ЭВМ

Достоверность представленных в работе положений, результатов и выводов подтверждается широко известных математических методов и фундаментальных положений классической аэродинамики прямым и косвенным совпадением результатов численных экспериментов автора с данными, полученными другими исследователями.

Научная новизна работы состоит в том, что

- установлены факторы, определяющие условия формирования и закономерности рассеивания выбросных факелов загрязняющих веществ в атмосфере, способствующие созданию устойчивых зон загрязнения воздушного бассейна застроенных территорий;

- установлены определяющие факторы и сформулированы основные принципы экологического мониторинга воздушной среды застроенных территорий в условиях активной децентрализации систем теплоснабжения;

- разработаны расчетные модели, описывающие гидродинамические закономерности нестационарного истечения газа при полном и частном разрыве газопровода и распространения газового облака в атмосфере Изложены особенности реализации этих моделей, определяемые условиями их взаимосвязи;

проведены численные эксперименты по оценке характеристик процесса истечения газа и формирования факела рассеивания газового облака при аварийном разрыве газопровода;

- определены теоретические и технологические условия и организационные принципы создания системы экологического мониторинга качества воздушной среды застроенных территорий при интенсивной децентрализации систем теплоснабжения;

- предложен и обоснован алгоритм определения оптимального числа стаций экологического контроля качества среды застроенных территорий с учетом особенностей формирования полей концентраций загрязняющих веществ вредными выбросами в условиях децентрализации систем теплоснабжения.

Практическое значение работы:

- предложена структура модулированной автоматизированной системы экологического мониторинга воздушного бассейна застроенных территорий применительно к условиям децентрализованного развития инфраструктуры теплогене-рирующих источников автономных систем теплоснабжения;

- проведена оценка технологических элементов тепловых и газораспределительных сетей газоснабжения теплогенерирующих установок автономных систем

теплоснабжения, как источников выбросов, определяющих степень загрязнения воздушного бассейна застроенных территорий;

- разработаны алгоритмы и методологические основы последовательного расчета характеристик аварийного выброса газа при полном и частичном аварийном разрушении газопровода сети газоснабжения теплогенерирующих установок автономных систем теплоснабжения;

- разработана алгоритмы расчета характеристик формирования полей концентраций загрязняющих веществ в воздушном бассейне застроенных территорий под воздействием аварийных выбросов газораспределительных сетей и дымовых газов теплогенерирующих источников автономных систем теплоснабжения;

Реализация результатов работы:

- разработаны технические рекомендации для ПСО ПТБ "Волгоградграж-данстрой" по составу технико-эксплуатационных мероприятий обеспечения экологической безопасности эксплуатации газораспределительных сетей и установок при проектировании систем автономного теплоснабжения;

- НПО "Волгорадэкохимпром" составлены рекомендации по технико-экономическому обоснованию технических условий экологического мониторинга воздушной среды при разработке мероприятий ООС на предприятиях ТЭК;

- материалы диссертационной работы использованы кафедрой "Отопление, вентиляция и экологическая безопасность" ВолгГАСУ в курсах лекций, курсовом и дипломном проектировании по дисциплинам специальностей 2907.00 "Тепло-газоснабжение и вентиляция" и 3320.00 "Инженерная защита окружающей среды"

На защиту выносятся:

- расчетные математические модели, описывающие гидродинамические закономерности нестационарного истечения газа при полно и частичном аварийном разрушении газопровода и распространения газового облака в атмосфере;

- результаты численных экспериментов по оценке характеристик процесса истечения газа и формирования факела рассеивания газового облака при аварийном разрыве газопровода;

- теоретические и технологические условия и организационные принципы создания систем экологического мониторинга качества воздушной среды застроенных территорий при интенсивной децентрализации систем теплоснабжения;

- алгоритмы и методы расчета характеристик формирования полей концентраций загрязняющих веществ в воздушном бассейне застроенных территорий

под воздействием аварийных выбросов газораспределительных сетей и дымовых газов теплогенерирующих источников автономных систем теплоснабжения,

- обоснование и алгоритм определения оптимального числа станций экологического контроля качества воздушной среды застроенных территорий с учетом особенностей формирования полей концентраций загрязняющих веществ в условиях децентрализации систем теплоснабжения,

- принципы формирования модулированной структуры автоматизированной системы экологического мониторинга воздушного бассейна застроенной территории применительно к условиям децентрализованного развития инфраструктуры теплогенерирующих источников автономных систем теплоснабжения

Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на международных научных конференциях "Качество внутреннего воздуха и окружающей среды" (Волгоград 2003, 2004, 2005 гг), Региональные технологические и экономико-социальные проблемы развития строительного комплекса Волгоградской области (Волгоград, 2003 г), II Научно-технической конференции "Материаловедение, технология и экология в третьем тысячелетии" (Томск, 2003 г), ежегодных научно-технических конференциях ВолгГАСУ (2002-2004 г)

Публикации Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 6 работах

Объем и структура работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 116 наименований и приложений общим объемом 138 страниц содержит 43 рисунка и 12 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современное состояние развития теплоснабжения крупных городских комплексов отмечает переход к широкому использованию автономных систем как в сфере жилищно-коммунального хозяйства, так и для обеспечения производственных нужд предприятий малого и среднего бизнеса

Оценивая данную тенденцию в увязке технико-экономических показателей с требованиями экологической безопасности следует выделить два аспекта интенсивный рост числа децентрализованных теплогенерирующих источников и, обусловленный этим, рост протяженности газораспределительных сетей, как источника энергоснабжения последних

Очевидно, что именно эти факторы определяют степень техногенного воздействия на воздушный бассейн застроенных территорий систем децентрализо-

ванного теплоснабжения В первом случае - возникает опасность повышенного загрязнения воздушного бассейна продуктами сгорания газа от возрастающего числа теплогенерирующих источников. Вторым фактором экологической опасности является возрастающая вероятность выброса транспортируемого природного газа вследствие аварийной разгерметизации (разрушения) какого-либо функционального элемента газораспределительной сети - газопровода, арматуры, компенсатора, фланцевого соединения и т.д.

Анализ количественных показателей распределения аварийных ситуаций по причинам их возникновения позволил выделить характерные причины возникновения аварийных ситуаций, последствиями которых является разрушение элементов газораспределительных систем, т.е. возможные причины аварийных выбросов газа в атмосферу (таблица 1).

Таблица 1

Распределение аварийных ситуаций по причинам

Причины аварийных ситуаций Количество случаев повреждения конструкций без разрушения (%) Количество случаев разрушения (%)

1 Целенаправленное нарушение сплошности конструкций 1(0,5)

2 Случайные нарушения сплошности конструкций 14(6,9) 1(0,5)

3 Влажностная коррозия 21(10,4) 3 (1,5)

4 Химическая коррозия 8(3,9)

5 Электрохимическая коррозия 14(6,9)

6 Другие виды коррозии 3(1,5) 1(0,5)

7 Изменчивость технологических параметров (прочности материалов, геометрических размеров и т д) 8(3,9) 7 (3,5)

8 Изменение условий опирания и соединения конструкции между собой при монтаже 11(5,4) 15(7,5)

9 Целенаправленное изменение расчетных условий эксплуатации конструкций и арматуры при ремонтах 1(0,5) 0(0,0)

10 Замена марок и металла и арматуры при изготовлении 2(0,9) 1(0,5)

11 Замена конструкций при монтаже и реконструкции 4(1,9) 1(0,5)

12 Замена материалов и конструкций, создающих нагрузку на расчетный элемент 3(1,4) 6(2,9)

13 Несоблюдение норм проектирования 16(7,9) 17(8,4)

14 Отсутствие проекта при строительстве 0

15 Строительство неквалифицированными кадрами 13(6,4) 15(7,4)

16 Неквалифицированная эксплуатация .лад 3(1,5)

ЭТОГО 131(65,2) 70(34,8)

Применительно к проблеме экологической безопасности определяющее зна-

чение имеет надежность линейной (трубопроводной) части газораспределитель-

ных систем В виду максимального приближения к зоне обитания людей любая аварийная ситуация, связанная с разрушением газопровода создает источник интенсивного поступления газа непосредственно в эту зону Тем самым, одной из важнейших, определяется задача оценки закономерностей действия такого источника на основе математического моделирования процесса истечения газа в атмосферу

В общем случае, рассматриваемый процесс можно представить как, описываемое на основе известных принципов автомодельного решения уравнений Но-вье-Стокса, истечение неподвижного газа в среду с меньшим давлением из короткого трубопровода

Тогда, модель течения газа, определяющая особенности его истечения в разрывном сечении газопровода, в окончательном виде представит система уравнений

(1)

При этом, начальными условиями решения рассматриваемой задачи задается распределение давления и массовой скорости вдоль трубопровода р(х,0) = p(v),/)u(x,o) = ра{х) В качестве краевых условий принимается, что в начальном сечении трубопровода находится источник создания первоначального давления газа, которому соответствует граничное условие рн - const

Таким образом, в месте разрыва газопровода (х = X) краевые условия имеют

вид

если истечение звуковое Исходя из данной модели, применительно к названным условиям, получены расчетные формулы и разработана компьютерная программа на основе которой был проведен численный эксперимент по оценке закономерности изменения массы и секундного расхода выбрасываемого газа от времени его истечения при полном разрыве газопровода в газораспределительной сети На рис 1 приведены зависимости от времени количество выброшенной (накопленной в атмосфере) массы и массового расхода газа для различных значений расчетного шага Л т Кривые 1 соответствуют шагу по времени А г = 0,02 с, кривые 2 - шагу по Д г = 0,01 с, кривые 3 - rnaiy Аг= 0,005 с Из сравнения полученных графиков можно сделать следующие выводы Первое - количественно процесс истечения газа будет происходить в первые 20-25 с после разрыва газопровода. В реальных условиях это соответствует времени закрытия кранов-

отсекателей на концах расчетного участка Второе - расчетная схема обеспечи-

вает достаточную точность вычислении МЛ^кг

1. У/ г

1

/ т

г _3

/

/

вЛО1 кг

г с 40

Ж

„

Рис 1 Зависимость массового расхода и накопленной массы от времени при различных значениях временного шага Дг а зависимость накопленной массы б зависимость массового расхода

При уменьшении значения Л г в 2 раза величина накопленной массы изменяется не более чем на 12% Для значений массового расхода это различие еще меньше

На рис 2 приведены результаты численного анализа закономерностей истечения газа при разрыв газопровода в сечении, удаленном на расстоянии длины рассматриваемого участка газопровода от первого по ходу движения газа крана-отсекателя Графики (а) получены для времени закрытия крана отсекателя Г1»20 с, а графики (б) соответственно для времени закрытия г,«60 (1) и т ,»90 (2) Сравнение показывает, что продолжительность и накопленная масса выброса возрастают с увеличением времени истечения - рис 2,6 При этом для всех рассмотренных случаев время полного истечения не превышает полутора-двух минут В задаче о распространении газовой примеси в атмосфере такой выброс можно считать мгновенным и использовать для его анализа соответствующую модель рассеивания

а б

Рис 2 Изменение массового расхода и накопленной массы газа во времени при полном разрыве газопровода

При оценке условий рассеивания загрязнений воздушного бассейна кроме известного фактора в условиях города необходимо учитывать плотность застройки высоту зданий особенность размещения и харак гер взаимного влияния соседних высоких зданий на движение воздушных потоков над ними Прежде всего - это относится к образованию зоны аэродинамической тени над зданием для источника которого рассчитывается выброс в атмосферу Очевидно что расчетные условия организации выбросов низкого здания должны исключать их попадание в зону аэродинамической тени, создаваемой высоким зданием (рис 3)

Рис 3 Организация выброса загрязнений из низкого затененного здания

А- выброс в зону аэродинамической тени Б - выброс выше зоны аэродинамический тени, 1 - высокое здание, 2 низкое здание, 3 - граница зоны аэродинамической тени, 4 - выбросная труба

Известны расчетные модели, позволяющие в общем случае решать задачи связанные с определением уровня загрязнения воздушной среды от стационарных источников выбросов Их можно разделить на

- диффузионные, полуэмпирические, основанные на решении уравнений турбулентной диффузии с применением некоторых допущений и опытных коэффициентов;

- статистические, базирующиеся на машинной обработке большого объема экспериментальных данных, замеренных при различных метеорологических условиях рассеивания вредных веществ;

- логические, построенные на основании теории размерностей с учетом основных параметров, определяющих рассматриваемый процесс;

- физические, полученные при использовании теории турбулентных струй, распространяющихся в сносящем ветровом потоке.

Численный анализ показал, что все доминирующие факторы в своей совокупности не могут быть в полной мере изучены при расчете рассеивания выбросов в зоне городской застройки на основе лишь одной из перечисленных моделей.

Обобщение результатов анализа позволяют сделать вывод, что необходимая точность может быть достигнута на основе комплексного использования названных моделей применительно к условиям наибольшей эффективности их реализации как составных частей единой комплексной модели прогнозирования распространения загрязняющих веществ. Из анализа реализуемости этом было установлено, что при соответствующей интерпретации условий применимости в качестве универсальной основы такой комплексной модели можно принять диффузионную модель.

В большинстве случаев развития факелов в воздушном бассейне плотной городской застройки их источники можно рассматривать как расположенные над некоторой условной поверхностью, подобно поверхности земли (рис. 3) В этом случае для описания закономерностей изменения концентрации вещества в факеле допустимо использовать принцип суперпозиции в варианте полного отражения от данной поверхности, и тогда

С(ХД,г,Н)---5—ехр

2кауог\1

2а]

(г-н)2 (г+н)2

(2)

Формула (2) представляет собой выражение известной модели "факела" Учитывая, что распределение концентраций загрязняющих веществ в атмосфере застроенных территорий в определяющей мере зависит от ее стабильности, на основе формулы (2) был проведен численный эксперимент по расчету концентраций диоксида азота для различных классов стабильности атмосферы. Его результаты приведены на рисунке 4. Из анализа полученных графиков можно видеть, что только в период приподнятой инверсии, с нижней границей выше источника выброса, максимальные концентрации диоксида азота наблюдаются вблизи источника, а по мере удаления от источника происходит их плавное

уменьшение - более медленно, чем при других условиях стратификации При остальных типах стратификации в распределении концентраций наблюдается максимум на некотором расстоянии от источника выброса Все изменения полей концентраций диоксида азота объясняются особенностями распределения температуры по высоте В период приподнятых инверсий выше источника выброса образуется "запирающий слой", который препятствует рассеиванию примесей вверх Максимальные концентрации N02 наблюдаются на близких расстояниях от источника выброса, дальнейшее их уменьшение происходит медленно с сохранением высоких значений на больших расстояниях Такое изменение концентрации диоксида азота связано с большей высокой выброса, при которой значительная часть вредных веществ попадает в слой приподнятой инверсии и посредством этого распространяются на большие расстояния Повышение концентрации вблизи источника в данном случае может создаваться за счет неорганизованных аварийных выбросов (в расчете приняты как фон) При этом дальнейшее медленное их снижение будет обусловлено дополнительным поступлением примесей из более высоких слоев атмосферы

Рис 4 Распределение концентрации выброса диоксида азота для различных классов стабильности атмосферы Максимальная концентрация выброса наблюдается при конвективных условиях, что определяется интенсивным переносом вредных веществ, поступающих в атмосферу из высоких труб

Результаты численного эксперимента позволяют сделать вывод, что в условиях комплексного воздействия стационарных и аварийных источников, организация эффективного контроля качества воздушной среды в районах с децентрализованными системами теплоснабжения может быть осуществлена лишь с помощью автоматизированной системы экологического мониторинга, реализующего комплексную модель прогнозирования

Систему экологического мониторинга можно представить в виде следующей блок-схемы рис 5

Рнфор ьв ^»сжа я

Управление

I Оценка Наблюдение *1 фактического состояния

Ре /гирсвание качества

сжружаючел соесы

'Ь

*

Протоз состояния

Оценка прогнозируемого состояния

Рис 5 Схема системы экологического мониторинга и управления загрязнением атмосферы

Станции контроля такой системы с целью отбора представительного материала для осуществления статистической обработки должны располагаться по расчетной схеме на определенных участках контролируемого района так чтобы при любом направлении ветра каждый из источников выбросов оставался в зоне координируемого системой контроля параметров качества воздушной среды

В общем случае координируемость системы означает существование оптимального координирующего сигнала обеспечивающего экстремум глобальной функции качества управления при разделении общей задачи управления на несколько подзадач, решаемых на различных уровнях

В качестве такого критерия оптимизации может быть принят суммарный социально-экономический ущерб, целевую функцию можно свести к оценке суммы наиболее существенных функционалов

где - суммарное загрязнение воздуха в данном регионе в рассматривае-

мый период времени, экономический ущерб от загрязнения, приведенные затраты на автоматизированную систему экологического мониторинга и управления качеством воздушной среды

Отвечающие данному условию системы и программное обеспечение должны обеспечивать возможность реализации операций сбора, обработки и хранения информации на основе решения оптимизационной задачи определения числа источников информации - станций контроля

Согласно сделанным обобщениям в качестве критерия оптимизации принят минимум приведенных затрат на автоматизированную систему

Р1СТ У• >т1п

(3)

м , ,

где К - капитальные вложения на автоматизированную систему экологического мониторинга и управления качеством окружающей среды; Сжс — годовые эксплу-тационные расходы; Е„ — нормативный коэффициент; М - количество загрязняющих веществ

Для решения названной оптимизационной задачи необходимо определить оптимальное количество станций контроля и их рациональное размещение на площади контролируемого района.

В каждом конкретном случае будет загрязняться часть территории, находящаяся с подветренной стороны источника или их группы. Для охвата подвергаемой загрязнению всей неограниченно большой территории застройки необходимо неограниченно большое число станций контроля. Сокращать их число вынуждает необходимость оснащения каждой точки контроля дорогостоящим контрольно-измерительным оборудованием, т.к. сокращение неизбежно выводит к потере информации о загрязнении атмосферы в определенном сегменте. В связи с этим необходимо определить минимальное количество станций контроля, которые при соответствующем размещении их на контролируемой территории позволят обеспечить сбор достоверной информации, достаточной для эффективного функционирования всей автоматизированной системы экологического мониторинга.

Таким образом, важным условием эффективной реализации системы экологического мониторинга, является определение ее оптимальной пространственной структуры. Осуществление этого достигается посредством разработки алгоритма размещения станций контроля на контролируемой территории и определения их числа, достаточного для обеспечения достоверной информации о загрязнении воздушной среды.

Для определения числа станций контроля предлагаются следующие соотношения]

Бл=0.0965(Ст,1-Ста)/Сдоп (5)

8/к=0.09б(Сгаах-Ст1Л>Сдоп в, =0.0042

где S - число станций контроля; Стах, Стш, Сдоп. — соответственно максимальное, минимальное и допустимое значения концентрации загрязняющих веществ в выделенном районе площадь зоны, где значения концентраций

примесей могут быть соответственно выше, ниже или равны фоновым (км ).

Из обобщения методологических подходов к размещению станций контроля при формировании систем экологического мониторинга, следует, что определяющим фактором пространственного размещения станций является характер

расположения источников выброса на контролируемой территории завода При этом существенное значение имеет учет фактора долевого вклада конкретного одиночного источника в общее загрязнение воздушного бассейна территории

Для учета этих факторов в настоящей работе принят принцип контролируемости каждого источника, располагающегося в пределах подлежащей мониторингу территории Источник будем считать контролируемым, если при любых направлениях и скоростях ветра, характерных для данной местности, хотя бы одна из станций контроля будет фиксировать определенный минимальный уровень концентрации, создаваемый этим источником

С учетом перечисленных условий на основе расчетной модели (5) выполнен тестовой (оптимизационный) расчет числа станций контроля параметров воздушной среды городской застройки общей площадью 8,2 км2 и включающей 16,8 % 5-этажных зданий, 34,1% зданий этажностью 5-7 и 49,1% 7-9-этажных зданий обеспечиваемой тепловой энергией от 3-х районных и 5 автономных котельных, общей мощностью 163,24 МВт По результатам расчета оптимальное число станций контроля качества воздушной среды должно составлять 6,2, реальное число станций, подобранное на основе обобщения эмпирических данных распределения приземных концентраций загрязняющих веществ по котроли-руемой городской территории составляло 6 единиц Таким образом, имеет место [фактически полное совпадение расчетных и эмпирических данных, что позволяет считать точность предлагаемой расчетной модели достаточной для практического использования при формировании структуры системы экологического мониторинга

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования направлены на решение актуальной проблемы защиты воздушного бассейна застроенных территорий в условиях децентрализации систем теплоснабжения Посредством разработки теоретических положений и методологий экологического мониторинга на основе построения математических моделей и обобщения закономерностей формирования выбросов дымовых газов теплогенерирующих источников и аварийных разрывов газопроводов систем их газоснабжения

На основании результатов исследования и вытекающих из них обобщений можно сделать следующие основные выводы

1 Установлены факторы, определяющие условия формирования и закономерности рассеивания выбросных факелов загрязняющих веществ в атмосфере, способствующие созданию устойчивых зон загрязнения воздушного бассейна застроенных территорий

2 Установлены определяющие факторы и сформулированы основные принципы экологического мониторинга воздушной среды застроенных территорий в условиях активной децентрализации систем теплоснабжения

3 Разработаны расчетные модели, описывающие гидродинамические закономерности нестационарного истечения газа при полном и частном разрыве газопровода и распространения газового облака в атмосфере Изложены особенности реализации этих моделей, определяемые условиями их взаимосвязи

4 Проведены численные эксперименты по оценке характеристик процесса истечения газа и формирования факела рассеивания газового облака при аварийном разрыве газопровода

5 Определены теоретические и технологические условия и организационные принципы создания системы экологического мониторинга качества воздушной среды застроенных территорий при интенсивной децентрализации систем теплоснабжения

6 Предложен и обоснован алгоритм определения оптимального числа стаций экологического контроля качества среды застроенных территорий с учетом особенностей формирования полей концентраций загрязняющих веществ вредными выбросами в условиях децентрализации систем теплоснабжения

7 Предложена структура модулированной автоматизированной системы экологического мониторинга воздушного бассейна застроенных территорий применительно к условиям децентрализованного развития инфраструктуры теплоге-нерирующих источников автономных систем теплоснабжения

8 Проведена оценка технологических элементов тепловых и газораспределительных сетей газоснабжения теплогенерирующих установок автономных систем теплоснабжения, как источников выбросов, определяющих степень загрязнения воздушного бассейна застроенных территорий

9 Разработаны алгоритмы и методологические основы последовательного расчета характеристик аварийного выброса газа при полном и частичном аварийном разрушении газопровода сети газоснабжения теплогенерирующих установок автономных систем теплоснабжения

10 Разработаны алгоритмы расчета характеристик формирования полей концентраций загрязняющих веществ в воздушном бассейне застроенных территорий под воздействием аварийных выбросов газораспределительных сетей и дымовых газов теплогенерирующих источников автономных систем теплоснабжения

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

0 массовый расход, г/с Н - высота выброса, м, и - скорость ветра, время с, а - охватывающая объем замкнутая поверхность, С^ суммарное загрязне

ние воздуха в данном регионе в рассматриваемый период времени у - экономический ущерб от загрязнения, приведенные затраты на автоматизирован ную систему экологического мониторинга и управления качеством воздушной среды, К - капитальные вложения на автоматизированную систему экологического мониторинга и управления качеством окружающей среды, Сж - годовые эксплутационные расходы, Ен - нормативный коэффициент, М - количество загрязняющих веществ, 8 - число станций контроля, С„и» Ст1П, Сдоп - соответственно максимальное, минимальное и допустимое значения концентраций загрязняющих веществ в выделенном районе (мг/м3), /,,/„ /р площадь зоны, где

значения концентраций примесей могут быть соответственно выше, ниже или равны фоновым (км2)

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1 Диденко В Г , Кузьмичев Л В Общая постановка задачи оценки надежности сетей теплоснабжения // Материалы четвертой Российской науч -техн конф Ульяновск, 24-25 апреля 2003 г т 1, Ульяновск УлГТУ, 2003 388 с

2 Диденко В Г, Кузьмичев А В Общая постановка задачи оценки надежности сетей теплоснабжения / Качество внутреннего воздуха и окружающей среды Материалы II Межд науч конф // Волгоград 2003 г С 23-26

3 Диденко В Г Кузьмичев А В Особенности формирования факела загряз няющих веществ в атмосфере при аварийной разгерметизации газопроводов // Вести ВолгГАСУ Сер Техн науки-2004,- Вып 3(13)-С 17-19

4 Диденко В Г, Кузьмичев А В Модель оптимизационного анализа систем теплоэнергоснабжения жилищно-коммунального комплекса // Актуальные вопросы промышленной теплоэнергетики и энергоснабжения Межвуз Научн сб, Саратов Сарат гос техн ун-т, 2004 - С 25-27

5 Кузьмичев А В , Диденко В Г, Обобщающая математическая модель рас пространения вредных токсичных веществ в воздушной среде / Качество внутреннего воздуха и окружающей среды Материалы II Межд науч конф // Волгоград 2004 г С 16-19

6 Кузьмичев А В , Диденко В Г, Современное состояние и тенденция развития систем теплоснабжения как объектов экологической опасности / Качество внутреннего воздуха и окружающей среды Материалы II Межд науч конф // Волгоград 2004 г С 59-63

№.а з

КУЗЬМИЧЕВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

ОСНОВЫ МОНИТОРИНГА ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА

ЗАСТРОЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ В УСЛОВИЯХ ДЕЦЕНТРАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 08.04.2005 Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл.печ.л. 1,0. Уч.-изд.л. 1,0 Тираж 100 экз Заказ №117

1072:

Волгоградский государстаенный архитектурно-строительный университета

19 200?

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Кузьмичев, Александр Викторович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕХНИКО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ, КАК ОБЪЕКТОВ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ

1.1 Виды и тенденции развития систем теплоснабжения городских территорий

1.2. Технические особенности основного оборудования систем теплоснабжения

1.3. Характеристика источников тепловой энергии в системах теплоснабжения

1.4. Характерные схемы тепловых сетей градостроительных комплексов

1.5. Особенности прокладки тепловых сетей на городских территориях

1.6. Особенности эксплуатации систем теплоснабжения городских комплексов

1.7. Факторы техногенной опасности в системах теплоснабжения 27 Выводы по главе

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ИСТЕЧЕНИЯ ГАЗА ПРИ РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ ГАЗОПРОВОДА

2.1. Характерные особенности формирования аварийных выбросов в атмосферу

2.2 Технологические аспекты образования аварийных выбросов газа в газораспределительных системах

2.3 Определяющие условия математического моделирования истечения газа при аварийном разрушении газопровода

2.4 Анализ применимости метода конечных разностей к оценке расходных характеристик истечения газа

2.5. Граничные условия численного анализа характеристик истечения газа

2.6 Оценка адекватности численных расчетов расходных характеристик аварийного истечения газа

2.7 Обобщение результатов численных экспериментов

2.8. Частичный разрыв трубопровода 61 Выводы по главе

ГЛАВА 3 . ОЦЕНКА ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВЫБРОСОВ АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ ЗАСТРОЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

3.1. Особенности распространения выбросов от точечных источников непрерывного действия в условиях городской застройки

3.2. Определяющие факторы загрязнения застроенных территорий выбросами стационарных источников

3.3. Моделирующие закономерности рассеивания выбросов при аварийных разрывах газопроводов

3.4. Комплексная математическая модель распространения вредных веществ в воздушной среде

3.5. Алгоритм расчета по комплексной математической модели распространения вредных веществ в воздушной среде

3.5.1. Алгоритм расчета по эмпирической составляющей модели

3.5.2. Алгоритм расчета по диффузионной составляющей 88 комплексной модели

3.5.3. Алгоритм расчета по статистической составляющей комплексной модели

3.6. Обобщение результатов расчета распространения вредных веществ в воздушной среде Ошибка! Закладка не определена.

Выводы по главе

ГЛАВА 4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА КАЧЕСТВА ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ЗАСТРОЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ С

АВТОНОМНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.

4.1. Общие принципы создания автоматизированной системы экологического мониторинга застроенных территорий с автономным теплоснабжением

4.2. Условия оптимального размещения станций контроля загрязнений

4.3 Основы формирования структурного модуля автоматизированной системы экологического мониторинга качества воздушной среды застроенных территорий

4.3.1. Характеристика информационно- измерительного блока структурного модуля

4.3.2. Характеристика центра мониторинга структурного модуля

4.3.3. Характеристика подсистемы передачи данных контроля качества воздушной среды

4.4. Основы технической реализации системы экологического мониторинга качества воздушной среды застроенных территорий

Выводы по главе

Введение Диссертация по биологии, на тему "Основы мониторинга воздушного бассейна застроенных территорий в условиях децентрализации систем теплоснабжения"

Актуальность проблемы. В Российской Федерации, основная территория которой расположена в суровой климатической зоне, обеспечение потребителей тепловой энергией приобретает особо важное значение. Основными потребителями тепловой энергии являются промышленные предприятия и жилищно-коммунальный сектор, на долю которого приходится до 40% ее потребления. Источниками теплоснабжения промышленных предприятий являются крупные теплофикационные системы на базе собственных ТЭЦ и котельных, которые обеспечивают теплом как предприятие-собственника, так и прилегающие к нему районы. Кроме них около 600 млн. Гкал тепла в год производят 68 тыс. коммунальных котельных. Причем, чем крупнее город (более 100 тыс. чел), тем, как правило, мощнее и системы централизованного теплоснабжения. В большинстве крупных городов централизованным теплоснабжением обеспечено до 70-95% жилого фонда.

Учитывая, что основной ввод теплоэнергетических мощностей был осуществлен в 1960-70 гг., в последние годы в электроэнергетике России неуклонно обостряется проблема физического и морального старения оборудования теплоэнергетических сетей (ТЭС). Так, степень физического износа оборудования характеризуется составом оборудования ТЭС по возрастным группам на 2002 г. ориентировочно следующими показателями: от 5 до 20 лет - 35 %; от 20 до 30 лет- 35%; от 30 до 50 лет - 30%.

Инвентаризация показывает, что фактический срок службы значительной части оборудования центральных котельных и ТЭЦ заметно превышает предусмотренный технической документацией. Такое оборудование по функционально-технологическим характеристикам физически и морально устарело, и по экономичности существенно уступает современным образцам.

Данное обстоятельство обусловливает заметный рост затрат на поддержание требуемого технологического состояния основного оборудования систем теплоэнергоснабжения, то есть в конечном счете — стоимость отпускаемого тепла.

Удорожание тепла, отпускаемого от ТЭЦ, привело к тому, что в настоящее время сложилась устойчивая тенденция сооружения промышленными предприятиями собственных котельных и отказа от тепловой энергии крупных теплоисточников.

По той же причине в жилищно-коммунальном секторе столь же очевидно проявляется тенденция перехода на автономные источники теплоснабжения.

Отсутствие в автономных системах сложных транспортных сетей с подземной, а в ряде случаев, и наружной прокладкой определяет существенно более высокую степень их эксплуатационной надежности. То есть, по экономическим показателям и надежности автономные системы более предпочтительны.

Однако с точки зрения экологической безопасности их оценка не может быть столь же однозначной. Очевидно, что при уменьшении единичной мощности источников автономного теплоснабжения, показываемого источником централизованного теплоснабжения, их число в расчете централизованного теплоснабжения значительно больше. Тем самым возрастает и число приходящихся на район источников выбросов в атмосферу дымовых газов, которыми являются автономные котельные. Причем, рассредоточенными и низкими по высоте выбросов, источниками. Последние особенно неблагоприятны для качества воздушной среды прилегающих территорий, так как осуществляются в инфраструктуре городских застроек, т.е. непосредственно в зоне обитания. Кроме того, увеличение числа автономных котельных соответственно формирует более разветвленную сеть газопроводов. Для них также характерны проблемы коррозии (внутренней), механических разрушений и т.д. С учетом тенденции активного строительства систем автономного теплоснабжения очевидна необходимость изучения закономерностей обеспечения их экологической безопасности, условий мониторинга воздушной среды градостроительных комплексов с развитыми системами автономного теплоснабжения.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Цель работы - защита воздушного бассейна застроенных территорий от загрязнения в условиях децентрализации систем теплоснабжения посредством разработки основ экологического мониторинга на основе построения математических моделей формирования выбросов дымовых газов теплогенерирующих источников и аварийных разрывов газопроводов систем их газоснабжения.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи: — оценка технологических элементов тепловых и газораспределительных сетей газоснабжения теплогенерирующих источников как источников выбросов, определяющих степень загрязнения воздушного бассейна застроенных территорий;

- анализ факторов, определяющих условия формирования и закономерности рассеивания выбросных факелов загрязняющих веществ в атмосфере, способствующих созданию устойчивых зон загрязнения воздушного бассейна застроенных территорий;

- определение физико-технологических условий организационных принципов создания системы экологического мониторинга качества воздушной среды застроенных территорий в условиях интенсивной децентрализации систем тепло снабжения;

- разработка структуры модуля автоматизированной системы экологического мониторинга применительно к крупному городскому комплексу с плотной многоэтажной застройкой и развитой инфраструктурой предприятий;

- определение закономерностей и условий математического описания нестационарного истечения газа при аварийном разрыве газопровода распределительной сети;

- проведение численных экспериментов по оценке характеристик процесса истечения газа и формирования факела рассеивания при аварийном разрыве газопровода;

- установление закономерностей и определяющих факторов расчета формирования и рассеивания выбросов дымовых газов теплогенерирующих источников децентрализованных систем теплоснабжения;

- разработка алгоритма расчета характеристик формирования полей концентраций загрязняющих веществ в воздушном бассейне застроенных территорий в условиях комплексного воздействия выбросов теплогенерирующих источников и аварийных разрывов газопроводов.

Основная идея работы состоит в построении комплексной модели и разработке алгоритмов расчета полей концентраций и возможности оценки токси-доз воздействия выбросов аварийных разрушений систем газоснабжения автономных теплогенерирующих источников как методологической основы мониторинга качества воздушной среды застроенных территорий в условиях децентрализации систем теплоснабжения.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, математическое моделирование, численный эксперимеет и статическую обработку данных с применением ЭВМ.

Достоверность представленных в работе положений, результатов и выводов подтверждается использованием широко известных математических методов исследований и фундаментальных положений классической аэродинамики, 9 прямым и косвенным совпадением результатов численных экспериментов автора с данными, полученными другими исследователями.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- установлены факторы, определяющие условия формирования и закономерности рассеивания выбросных факелов загрязняющих веществ в атмосфере, способствующие созданию устойчивых зон загрязнения воздушного бассейна застроенных территорий;

- установлены определяющие факторы и сформулированы основные принципы экологического мониторинга воздушной среды застроенных территорий в условиях активной децентрализации систем теплоснабжения;

- разработаны расчетные модели, описывающие гидродинамические закономерности нестационарного истечения газа при полном и частном разрыве газопровода и распространения газового облака в атмосфере; изложены особенности реализации этих моделей, определяемые условиями их взаимосвязи;

- проведены численные эксперименты по оценке характеристик процесса истечения газа и формирования факела газового выброса при аварийном разрыве газопровода;

- определены теоретические и технологические условия и организационные принципы создания системы экологического мониторинга качества воздушной среды застроенных территорий при интенсивной децентрализации систем теплоснабжения;

- предложен и обоснован алгоритм определения оптимального числа станций экологического контроля качества среды застроенных территорий с учетом особенностей формирования полей концентраций загрязняющих веществ аварийными выбросами и выбросами теплогенерирующих источников в условиях децентрализации систем теплоснабжения.

Практическое значение работы:

- предложена структура модулированной автоматизированной системы экологического мониторинга воздушного бассейна застроенных территорий применительно к условиям децентрализованного развития инфраструктуры теплогенерирующих источников автономных систем теплоснабжения;

- проведена оценка технологических элементов тепловых и газораспределительных сетей газоснабжения теплогенерирующих установок автономных систем теплоснабжения как источников выбросов, определяющих степень загрязнения воздушного бассейна застроенных территорий;

- разработан алгоритм и методологические основы последовательного расчета характеристик аварийного выброса газа при полном и частичном аварийном разрушении газопровода сети газоснабжения теплогенерирующих установок автономных систем теплоснабжения;

- разработана алгоритмы расчета структуры и числа станций контроля системы экологического мониторинга на основе характеристик формирования полей концентраций загрязняющих веществ в воздушном бассейне застроенных территорий под воздействием аварийных выбросов газораспределительных сетей и дымовых газов теплогенерирующих источников автономных систем теплоснабжения.

Реализация результатов работы:

- разработаны технические рекомендации для ПТБ ПСО "Волгоградграж-данстрой" по составу технико-эксплуатационных мероприятий обеспечения экологической безопасности эксплуатации газораспределительных сетей и установок при проектировании систем автономного теплоснабжения;

- для НПО "Волгорадэкохимпром" составлены рекомендации по технико-экономическому обоснованию технических условий экологического мониторинга воздушной среды при разработке мероприятий ООС на предприятиях ТЭК;

- материалы диссертационной работы использованы кафедрой "Отопление, вентиляция и экологическая безопасность" ВолгГАСУ в курсах лекций, курсовом и дипломном проектировании по дисциплинам специальностей 2907.00 "Теплогазоснабжение и вентиляция" и 3320.00 "Инженерная защита окружающей среды"

На защиту выносятся:

- расчетные математические модели, описывающие гидродинамические закономерности нестационарного истечения газа при полном и частичном аварийном разрушении газопровода и распространения газового облака в атмосфере;

- результаты численных экспериментов по оценке характеристик процесса истечения газа и рассеивания газового облака при аварийном разрыве газопровода;

- теоретические и технологические условия и организационные принципы создания систем экологического мониторинга качества воздушной среды застроенных территорий при интенсивной децентрализации систем теплоснабжения;

- алгоритмы и методы расчета характеристик формирования полей концентраций загрязняющих веществ в воздушном бассейне застроенных территорий под воздействием аварийных выбросов газораспределительных сетей и дымовых газов теплогенерирующих источников автономных систем теплоснабжения;

- обоснование и алгоритм определения оптимального числа станций экологического контроля качества воздушной среды застроенных территорий с учетом особенностей формирования полей концентраций загрязняющих веществ в условиях децентрализации систем теплоснабжения;

- принципы формирования модулированной структуры автоматизированной системы экологического мониторинга воздушного бассейна застроенной территории применительно к условиям децентрализованного развития инфраструктуры теплогенерирующих источников автономных систем теплоснабжения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на международных научных конференциях "Качество внутреннего воздуха и окружающей среды" (Волгоград 2003, 2004 гг); научно-технической конференции "Региональные технологические и экономико-социальные проблемы развития строительного комплекса Волгоградской области" (Волгоград, 2003 г.); II научно-технической конференции "Материаловедение, технология и экология в третьем тысячелетии" (Томск, 2003 г.); ежегодных научно-технических конференциях ВолгГАСУ (2002-2004 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 6 работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 116 наименований, и приложений общим объемом 138 страниц, содержит 43 рисунка и 12 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Кузьмичев, Александр Викторович

Выводы по главе 4

1. Определены теоретические и технологические условия и организационные принципы создания системы экологического мониторинга качества воздушной среды застроенных территорий при интенсивной децентрализации систем теплоснабжения;

2. Предложен и обоснован алгоритм определения оптимального числа стаций экологического контроля качества среды застроенных территорий с учетом особенностей формирования полей концентраций загрязняющих веществ вредными выбросами в условиях децентрализации систем теплоснабжения.

3. Предложена структура модулированной автоматизированной системы экологического мониторинга воздушного бассейна застроенных территорий применительно к условиям децентрализованного развития инфраструктуры теплогенерирующих источников автономных систем теплоснабжения;

4. Установлены определяющие факторы и сформулированы основные принципы экологического мониторинга воздушной среды застроенных территорий в условиях активной децентрализации систем теплоснабжения;

5. Показано, что важным показателем, определяющим эффективность системы экологического мониторинга воздушной среды застроенных территорий, являются нахождение оптимальной пространственной структуры станций контроля.

6. На основании анализа расположения объектов автоматизированных системы экологического мониторинга в районе размещения децентрализованных теплоисточников загрязнения атмосферы установлено, что максимальное удаление станций контроля от центра мониторинга не должно превышать 14 км, минимальное - 1,2 км.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования направлены на решение актуальной проблемы защиты воздушного бассейна застроенных территорий в условиях децентрализации систем теплоснабжения, посредством разработки теоретических положений и методологий экологического мониторинга на основе построения математических моделей и обобщения закономерностей формирования выбросов дымовых газов теплогенерирующих источников и аварийных разрывов газопроводов систем их газоснабжения.

На основании результатов исследования и вытекающих из них обобщений можно сделать следующие основные выводы:

1. Установлены факторы, определяющие условия формирования и закономерности рассеивания выбросных факелов загрязняющих веществ в атмосфере, способствующие созданию устойчивых зон загрязнения воздушного бассейна застроенных территорий.

2. Установлены определяющие факторы и сформулированы основные принципы экологического мониторинга воздушной среды застроенных территорий в условиях активной децентрализации систем теплоснабжения.

3. Разработаны расчетные модели, описывающие гидродинамические закономерности нестационарного истечения газа при полном и частном разрыве газопровода и распространения газового облака в атмосфере. Изложены особенности реализации этих моделей, определяемые условиями их взаимосвязи.

4. Проведены численные эксперименты по оценке характеристик процесса истечения газа и формирования факела рассеивания газового облака при аварийном разрыве газопровода.

5. Определены теоретические и технологические условия и организационные принципы создания системы экологического мониторинга качества воздушной среды застроенных территорий при интенсивной децентрализации систем теплоснабжения.

6. Предложен и обоснован алгоритм определения оптимального числа стаций экологического контроля качества среды застроенных территорий с учетом особенностей формирования полей концентраций загрязняющих веществ вредными выбросами в условиях децентрализации систем теплоснабжения.

7. Предложена структура модулированной автоматизированной системы экологического мониторинга воздушного бассейна застроенных территорий применительно к условиям децентрализованного развития инфраструктуры теплогенерирующих источников автономных систем теплоснабжения.

8. Проведена оценка технологических элементов тепловых и газораспределительных сетей газоснабжения теплогенерирующих установок автономных систем теплоснабжения, как источников выбросов, определяющих степень загрязнения воздушного бассейна застроенных территорий.

9. Разработаны алгоритмы и методологические основы последовательного расчета характеристик аварийного выброса газа при полном и частичном аварийном разрушении газопровода сети газоснабжения теплогенерирующих установок автономных систем теплоснабжения.

10. Разработаны алгоритмы расчета структуры и числа станций контроля системы экологического мониторинга на основе характеристик формирования полей концентраций загрязняющих веществ в воздушном бассейне застроенных территорий под воздействием аварийных выбросов газораспределительных сетей и дымовых газов теплогенерирующих источников автономных систем теплоснабжения.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Кузьмичев, Александр Викторович, Волгоград

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969. 824 с.

2. Агейкин Д.И., Костина Е.И., Кузнецова Н.И. Датчики контроля и регулирования. — М.: Машиностроение, 1975. — 928 с.

3. Автоматизированное проектирование размеров санитарно защитных зон промышленных предприятий 1 Ю.Л. Сысуев, Н.Ф. Тшценко, A.C. Белявский, A.B. Шелудяков // Экология и промышленность России. -1998. 3. - С.37-39.

4. Актуальные вопросы современной экологии. Мониторинг атмосферного воздуха / Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, С.Я. Приказчиков, И.А. Яценко. -Саратов: Изд-во СГТУ, 1997. -44 с.

5. Алексеев П.Д., Бараз В.И., Гридин В.И. и др. Охрана окружающей среды в нефтяной промышленности: Учеб.-метод. Пособие. М. 1994. 473 с.

6. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. М.: Недра, 1970.-216 с.

7. Аникеев В.А., Копп И.З., Скалкин Ф.В. Технологические аспекты охраны окружающей среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. — 255 с.

8. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей / Под ред. Ф. Ньюстада и X. Ван Допа. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 351 с.

9. Арманд H.A., Крапивин В.Ф., Мкртчян Ф.А. Методы обработки данных радиофизических исследований окружающей среды. — М.: Наука, 1987.

10. Арсеев A.B., Арсеева Н.В. Загрязнение атмосферы окислами азота продуктов сгорания топлива || Н.-Т. обзор. Сер. использ. газа. М.: ВНИИЭГАЗПРОМ, 1974. —59 с.

11. Арфкен Г. Математические методы в физике-М.: Атомиздат, 1970.-712с.

12. Банди Б. Методы оптимизации / Пер. с англ. М.:Радио и связь, 1988. -128 с

13. Батунер М.М., Позин М.Е. Математические методы в химической технике.—Л.: Химия, 1971. —824 с.

14. Белов П.Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере: Учеб. пособие для вузов. М.: Academia, 2003. - 505 с.

15. Белов П.Г. Теоретические основы системной инженерии безопасности. -М.: ГПНТБ «Безопасность», 1996. 426 с.

16. Беннет К.О., Майерс Дж.Е. Гидродинамика, теплообмен и массообмен. — М.: Недра, 1966, —726 с.

17. Бердт Р, Стьюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса. М.:Химия,1974.-688 с

18. Берлянд М.Е. Влияние рельефа на распространение примесей от источника // Тр. ГГО им. А.И. Воейкова. 1968. Выи. 234. С. 28-44.

19. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 250 с.

20. Берлянд Л.Е., Безуглая Э.Ю., Генихович Е.Л. О методах определения фонового загрязнения атмосферы в городах. Л.: Гидрометеоиздат / Тр. Главной геофизической лаборатории им. Воейкова. Вып. 479. 1984. С. 17-30.

21. Богуславский Е.И. Жизнеобеспечение в окружающей среде. — Ростов н/Д. РГАС, 1992. — 110 с.

22. Бондарик Г.К. Методологические основы оптимизации мониторинга при-родно-технологических систем. — М.: МГУ, 1994. — С.81-84.

23. Брюханов О.Н. и др. Рациональное использование газа в сельском хозяйстве и коммунально-бытовом секторе- СПб.: ОАО "Издательство "Недра"? 1997.- 576 с

24. Босняцкий Г.П., Гриценко А.И., Седых А.Д. Проблемы экологического мониторинга газовой промышленности. М.: АО «НИКА-5», 1993. 80 с.

25. Борщев Д.Я. Устройство и эксплуатация отопительных котельных малой мощности. М.: Стройиздат -1992.-360 с.

26. Брэдшоу П., Себеси Т., Фернгольц и др. Турбулентность / Под ред. П. Брэдшоу. — М.: Машиностроение, 1980. — 343 с.

27. Булгакова Н.Г., Василевская Л.С., Градус Л .Я. и др. Контроль за выбросами в атмосферу и работой газоочистных установок на предприятиях машиностроения. — М.: Машиностроение, 1984. — 128 с.

28. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978 - 400 с

29. Будыко М.И. Проблема углекислого газа. СПб.: Гидрометеоиздат, 1997. 60с.

30. Вызова И.Л. Рассеяние примесей в пограничном слое. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 191 с.

31. Введение в математическое моделирование / Под. Ред.П.В. Трусова. М.: Интермет инжиниринг, 2000. 336 с.

32. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. — М.: Физматгиз, 1962. — 564 с.

33. Вероятностные методы в вычислительной технике / A.B. Крайников, Б.А. Курдиков, А.Н. Лебедев и др.; Под ред. А.Н. Лебедева и Е.А. Чернявского. — М.: Высшая школа, 1986. — 312 с.

34. Внуков А.К. Защита атмосферы от выбросов энергообъектов: Справ. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 176 е.: ил.

35. Волков Э.П. Контроль загазованности атмосферы выбросами ТЭС. М.: Энергоатомиздат, 1986. 256 с.

36. Временная методика определения предотвращенного экономического ущерба. Москва, Госкомэкология, 1998. - 54 с.

37. Гольдфельд Г.Б. Статистические методы в исследованиях окружающей среды. — М.: РНТОРЭС им. A.C. Попона, 1993.

38. Гольдфельд Г.Б. Эффективность систем многоканального экологического мониторинга окружающей среды // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. — ВИНИТИ. — 1996. — №2

39. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений.— М.: Наука, 1971. — 1108 с.

40. Грин X, Лейн В. Аэрозоли-пыли, дымы и туманы.—Л:Химия, 1972.—428с.

41. Грушко Я.М. Вредные органические соединения в промышленных выбросах в атмосферу. Справочник—Л.: Химия, 1986.—207 с.

42. Гусейнадзе М.А., Калинина Э.В., Добкина М.Б. Методы математической статистики в нефтяной и газовой промышленности. М.: Недра, 1979. - 339с.

43. Гутер P.C., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. — М.: Наука, 1970. — 432 с.

44. Денисов A.A. Информационные основы управления. — Л.: Энергоатом-издат, 1983.—72 с.

45. Детри Ж. Атмосфера должна быть чистой: Загрязнители атмосферы и борьба с ними. М.: Прогресс, 1973.379 с.

46. Джонстон Дж.П. Внутренние течения || Турбулентность / Под ред. П. Брэдшоу. — М.: Машиностроение, 1980. — с. 118-177.

47. Диденко В.Г., Иванов Н.Б. О совершенствовании методики расчета рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере / Волгогр. гос. арх.-строит. ун-т. -Волгоград, 2004. 7 с. - Библиогр.: с. 7. - Деп. в ВИНИТИ. 09.06.04, №978.

48. Диденко В.Г., Кузьмичев A.B. Общая постановка задачи оценки надежности сетей теплоснабжения / Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: Материалы II Межд.науч.конф. // Волгоград 2003 г. С. 23-26

49. Диденко В.Г. Кузьмичев A.B. Особенности формирования факела загрязняющих веществ в атмосфере приаварийной разгерметизации газопроводов // Вестник ВолгГАСУ 2003 г

50. Жэнь Чуньцзе. Направления разработки приборов для мониторинга окружающей среды // Haunting baohu. Environ.Prot. 1994 - №10 - P 28-29

51. Загрязнение воздушного бассейна городов (обзор) || Экологические проблемы большого города: РАН. ИНИОН. — М., 1992, с. 10-26.

52. Закс Л. Статистическое оценивание / Пер. с нем. — М.: Статистика, 1976. —598 с.

53. Залесский В.Ф. Выбор вероятностной модели для управления риском экстремальных природных воздействий II Экология промышленно го производства. 1997. —Л — С.3-9.

54. Заминян A.A., Космачевский Б.П. Основные направления защиты атмосферы от загрязнения вредными выбросами || Инф. сб. / Науч. инф. центр по изд. делу, полиграф, пром. и кн. торговле. — 1991, № 10, с. 35-55.

55. Зилитинкевич С.С., Лайхман Д.Л., Монин A.C. Турбулентный режим в приземном слое атмосферы // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1967. Т. 3, №З.С. 297-334.

56. Зубарев Д.Н. Неравновесная статистическая термодинамика. — М.: Наука, 1971.—415 с.

57. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — Машиностроение, 1975. — 559 с.

58. Идельчик И.Е., Гинзбург Я. Л. Основные результаты новых экспериментальных исследований конических диффузоров || Механическая очистка пром. газов —М.: НИИОГАЗ, 1974, —С. 178-210.

59. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. — Л.: Гидрометеоиздат, 1979. — 376 с.

60. Капцов И.И. Сокращение потерь газа на магистральных газопроводах. -М.: Недра, 1988.-160 с.

61. Кафаров В.В., Петров В.В., Мещалкин В.П. Принципы математического моделирования химико-технологических систем. М.: Химия, 1974. -344 с.

62. Козин В.Е и др. Теплоснабжение.- М:. Высшая школа, 1980 408 с.

63. Кеслер X., Рамм А., фон Блюменкрон А.М. Оценка утечек метана при добыче и транспорте газа в России. / Материалы второго Международного экологического семинара РАО «Газпром» и «Рургаз АГ». Н.Новгород, октябрь 1997 г. / ИРЦ Газпром. - 1998. С. 84-90.

64. Кинан Дж. Термодинамика. — М.: Энергия, 1963. — 280 с.

65. Колтыпин С.И., Петрулевич A.A. Автоматизированные системы экологического мониторинга: интегрированный подход // Современные технологии автоматизации. — 1997. —№1 — С.28

66. Константинова З.И. Защита воздушного бассейна от промышленных выбросов. — М.: Стройиздат, 1981. — 104 с.

67. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. — М.: Наука, 1968. — 720 с.125

68. Копире И.И. Сокращение потерь газа на магистральных газопроводах. -М.: Недра, 1988.- 159 с.

69. Кузьмичев A.B., Диденко В.Г., Обобщающая математическая модель распространения вредных токсичных веществ в воздушной среде / Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: Материалы II Межд.науч.конф. // Волгоград 2004 г. С. 16-19

70. Кузьмичев A.B., Диденко В.Г., Современное состояние и тенденция развития систем теплоснабжения как объектов экологической опасности / Качество внутреннего воздуха и окружающей среды: Материалы II Межд.науч.конф. // Волгоград 2004 г. С. 59-63

71. Кузнецов И.Е., Троицкая Т.М. Защита воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами. — М.: Химия, 1979. — 344 с.

72. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Статистическая физика.-М.:Наука, 1964.-567 с

73. Лебедев В.И., Пермяков Б.А., Хавыанов П.А. Расчет и проектирование теплогенерирующих установок систем теплоснабжения. М.: Стройиздат, 1992,358 с

74. Либерман Н.Б., Нянковская М.Т. Справочник по проектированию систем централизованного теплоснабжении М.: Энергия, 1979, 224 с.

75. Ливчак И. Ф. Развитие и уточнение расчета загрязнения атмосферного воздуха вредными веществами от выбросов / И.Ф. Ливчак, Ю.М. Бурашников // Инженерная экология. 2002. №2. - С. 51 - 55.

76. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. — М.: Наука, 1970. — 904 с.

77. Методы и приборы экологического мониторинга / Б.И.Герасимов, И.В.Кораблев, В.П.Козлов, С.В.Мищенко. — Тамбов: Изд-во ТГТУ, 1996.-111 с.

78. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука, 1982. 319 с.

79. Монин Л.С. Атмосферная диффузия //УФН. 1959. Т. 67, № 1. С. 119-130.

80. Никаноров A.M., Хоружая Т.А. Экология. М.: «Издательство ПРИОР», 2000.-304 с.

81. Никишин В.И. Энергосберегающие технологии в трубопроводном транспорте природных газов. М.: Нефть и газ, 1998. - 352 с.

82. Никитин B.C., Максимкина Н.Г., Самсонов В.Т., Плотникова JI.B. Проветривание промышленных площадок и прилегающих к ним территорий, — М.: Стройиздат, 1980. —200 с.

83. Никитин Д.П., Новиков Ю.В. Окружающая среда и человек. — М.: Высшая школа, 1986. —415 с.

84. Новгородский Е.Е., Широков В.А., Шанин Б.В., Дятлов В.А. Комплексное энерготехнологическое использование газа и охрана воздушного бассейна. -М.: Дело, 1997.-368 с.

85. Пашацкий Н.В., Прохоров A.B., Мозин В.В. Рассеяние выбросов из производственной трубы в воздушном бассейне / Инженерная экология, 2000. №3. -С. 30-37.

86. Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск: Наука, 1985. 256 с.

87. Петраш А. И. Методология системного рассмотрения мониторинга // Проблемы управления качеством окружающей среды городов: Научно-практ. конф. -М., 1995. С.34-35.

88. Прандтль JI. Гидроаэромеханика. — М.: Изд. ил. 1951. — 575 с.

89. Пригожин И., Дефей Р. Химическая термодинамика. — Новосибирск.: Наука, 1966.— 509 с.

90. Практическая оптимизация / Ф. Гилл и др.— М.: Мир, 1985.—509 с.

91. Предложения по разработке отраслевой классификации источников выбросов вредных веществ атмосферу. М.: Госкомгидромет, 1985. 66 с.

92. Процессы и аппараты химической технологииВ.5 т.Т. 1 Основы теории процессов химической технологии, Д.А. Баранов, A.B. Вязьмин, A.A. Гухман и др.; Под. Ред A.M. Кутепова М.: Логос, 2000. - 480 с.

93. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей Среды. — М.: Химия, 1989. — 512 с.

94. Рушинский Л.З. Математическая обработка результатов экспериментов. -М.: Наука, 1971.-192 с.

95. Сборник методик по расчёту выбросов в атм-ру загрязняющих веществ различными производствами. — JL: Гидрометеоиздат, 1986. — 183 с.

96. Седых А. Д. Потери газа на объектах магистрального транспорта. М.: ИРЦ Газпром, 1993.

97. Слеттери Дж.С. Теория переноса импульса, энергии и массы в сплошных средах. — М.: Энергия, 1978. —448 с.

98. Слуцкер Д.С., Шафран Л.М. Санитарная охрана атмосферного воздуха. — Рига.: Лиесма. 1978. — 127 с.

99. Соломатина И.И. Анализ и обобщение данных о выбросах вредных веществ в атмосферу. — В кн.: Нормирование и контроль промышленных выбросов в атмосферу. Л.: Гидрометеоиздат, 1977, с. 27-33.

100. Средства мониторинга окружающей среды / Ю.С. Галкин, Я.В. Малков, A.C. Машков, B.C. Шалаев // Экология и промышленность России, — 1998. — №5 — С.40-42.

101. Сташенко А.Г., Захаров В.Ю., Зубцовский Н.Е. Контроль окружающей среды: концепция и принципы построения мониторинговых систем реального времени // Экология и промышленность России. — 1997. —№2 — С .45-47.

102. Ращупкин К.В. Вопросы построения единой информационной сети мониторинга окружающей среды // Безопасность жизнедеятельности. — 1995. —1ч — С.15-17.

103. Трайбус М. Термостатика и термодинамика. М. Энергия, 1970. — 540 с.

104. Уорк И., Уорнер С. Загрязнение воздуха: Источники и контроль. М.: Мир, 1980. 539 с.

105. Ферцигер Дж., Капер Г. Математическая теория процессов переноса в газах. — М., Мир, 1976. — 554 с.

106. Фильчаков П.Ф. Справочник по высшей математике. — Киев: Наукова Думка, 1973. — 743 с.

107. Gifford F. Use of Routine meteorological observations for estimating atmospheric dispersion // Nucl. Safety. 1961. Vol. 2, № 4. P. 47.

108. Oil and gas journal June 26, 2000 vol. 98 - №26. P. 64-72. Worldwide gas processing rides.

109. Pasquill F. Atmospheric diffusion. L., 1962. 298 p.

110. Reshetnikov A.I., Paramonova N.N. and Shashkov A.A. Preliminary from gas production industry in Russia leased on published data // Int. Symp. On Methane in atmosphere, 1996.

111. Rodi W. Turbulence models and their application in hydraulics. Karlsruhe, 1978. (Univ. Karlsruhe Rep.; SFB 80П7127).

112. Инструкция по инвентаризации источников выбросов вредных веществ в атмосферу предприятиями Министерства нефтяной и газовой промышленности СССР. РД 39-014-70-98.

113. Методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 тонн пара в час или менее 20 Гкал в час, М., 1999.

114. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ в выбросах предприятий. ОНД-86. Госкомгидромет. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.