Учебное пособие 800429
.pdf–аллергенностью (вызывают заболевания, связанные с повышенной чувствительностью к действию химических веществ).
К предприятиям топливно-энергетических отраслей необходимо повышение экологических требований для решения проблем по охране окружающей среды и негативного воздействия теплоэнергетического производства на природу и человека.
Однако задача, представляющая собой важное значение данного воздействия для человека и природной среды, определяется следующими факторами:
–ограниченностью научно-обоснованных санитарногигиенических нормативов, экологических ограничений, которые могли бы надежно предотвращать негативные последствия сооружения и эксплуатации теплоэнергетического объекта ТЭО;
–недостаточным изучением методико-биологических, экологических исследований длительного воздействия, существующих ТЭО, котельных и отсутствием научного прогноза;
–несовершенством методики и оценки рассеивания, осаждения, трансформации, миграции химических загрязнений, поступающих от ТЭО, котельных с выбросами и стоками;
–недостаточным изучением сложившейся экологической ситуации в различных регионах, отсутствием достоверной и полной оценки фактической и прогнозируемой экологической нагрузки технического характера, что затрудняет выделение экологических ниш для размещения новых и развития уже существующих ТЭО и котельных.
Однако, эти объективные трудности не могут служить оправданием, так как согласно новой стратегии электроэнергетики России потребность в топливе возрастает с 277 в 2000 г. до 456 млн. т. условного топлива в 2020 г. для производства электроэнергии 1200–1545 млрд кВт/ч. Наиболее быстрыми темпами (более чем в 2 раза за 20 лет), намечается увеличить потребления угля. Проектная мощность ТЭЦ АК Омскэнерго: электрическая 1665 МВт, тепловая 6658,7 Гкал/ч, в настоящее время сжигает порядка 60 % твердого топлива (Экибастузский уголь с зольностью 45…53 %). Только Омские ТЭЦ – 4, 5 сжигают в сутки, в зимний период максимум нагрузки по 30000 тонн.
Энергетические предприятия и загрязнение окружающей среды продуктами сгорания топлива (рисунок).
101
Существенное изменение в экологической обстановке может быть достаточно за счет пересмотра структуры топливного баланса
(табл. 1; 2).
Загрязнение от мини-ТЭЦ, работающей на твердом топливе
Таблица 1
|
Удельные выбросы загрязняющих веществ, |
||||
Топливо |
условного топлива; |
теплоты; |
|||
|
|
|
|
||
|
|
электроэнергии |
|
||
|
|
|
|
Пыль |
|
|
|
|
|
|
|
Твердое |
30; 5,4; 10,5 |
4,57; 0,82; 1,6 |
10; 1,8; 3,5 |
||
(уголь) |
|||||
|
|
|
|
||
Мазут |
20; 3,6; 7,0 |
6; 1,1; 2,1 |
|
|
|
Природный |
|
2,3; 0,41; 0,8 |
|
||
газ |
|
|
|||
|
|
|
|
||
102
Таблица 2
ПДК для основных загрязнителей атмосферы дымовыми газами котлов
Загрязняющие |
|
ПДК, |
Класс |
|
|
|
|
||
вещества |
Максимально |
Среднесуточная |
опасности |
|
розовая |
|
|||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Пыль |
0,5 |
|
0,15 |
3 |
нетоксичная |
|
|||
|
|
|
|
|
Оксид углерода |
5 |
|
3 |
4 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
Диоксид |
0,5 |
|
0,05 |
3 |
серы |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Диоксид азота |
0,085 |
|
0,04 |
2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
Монооксид |
0,4 |
|
0,06 |
3 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
Сероводород |
0,008 |
|
- |
2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
Формальдегид |
0,035 |
|
0,03 |
2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
Бензопирен |
- |
|
0,000001 |
1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
Оксид ванадия |
0,002 |
|
- |
1 |
|
|
|
|
|
Другие |
- |
|
- |
- |
|
|
|
|
|
Примечания: под словом другие необходимо понимать те загрязнители, которые не нормируются пока в России, элементы тяжелых металлов.
Однако развернувшиеся в последние годы в отдельных городах Сибири децентрализация систем теплоснабжения, с вводом автономных котельных, не имеющих локальных установок по очистке дымовых выбросов от газообразных загрязнителей, еще больше ухудшают экологическую обстановку, тем самым, повышая уровень заболеваемости.
103
Миф о том, что такие котельные будут давать более дешевое тепло и заявление о том, что работающий на природном газе источник тепловой энергии безопасен для окружающей среды, не обоснованы.
Наиболее опасными токсичными котельной являются оксиды
азота ( |
; |
; |
; |
; |
). Самым высокотоксичным |
|||
является диоксид азота |
|
, который в шлейфе дымовых газов |
||||||
находится в пределах 60…80% от всех оксидов азота. |
|
|||||||
|
Накопления закиси азота |
|
наряду с |
и |
и другими |
|||
|
|
|||||||
создают парниковый эффект, кроме того, закись азота участвует в реакциях, приводящих к истощению озонного слоя земли, который защищает человека и животный мир. Содержание оксидов азота по данным исследований определяет токсичность продуктов сгорания угля и мазута на 40…50 %, а природного газа на 90…95 %.
Кроме того, оксиды азота под воздействием ультрафиолетового излучения участвует в фотохимических реакциях в атмосфере с образованием других вредных газов. Диоксид азота оказывает влияние на углеводороды, в ходе которого образуются альдегиды, кетоны, то есть совместно с выбросами автотранспорта повышают
загрязненность городов до высокой степени.
Исследования, выполненные в различных странах, показали, что у людей в загрязненных оксидами азота районах снижаются дыхательные функции, повышается количество респираторных заболеваний, обнаруживаются изменения в периферической крови
(появление метгемоглобина).
На необходимость сдерживать на уровне 1980 г. выбросы оксидов азота в атмосферу из-за высокой токсичности было указано
конвенцией ЕЭК ООН в 1994 г., принятой в Женеве.
В России в 1997 г. введены нормативы удельных выбросов оксидов азота, которые ориентированы на современный уровень научно-технического прогресса, предусматривающие вторичные мероприятия по уменьшению выбросов 
.
Вместе с установками по очистке, которых, тем не менее, нет на новых отопительных котельных, а используются только первичные (режимно-технологические), требуется высокое мастерство эксплуатационного персонала. Сущность заключается в подаче воздуха при сжигании. Если меньше подавать воздуха, 
снижается, зато возрастает в дымовых газах содержание оксида
104
углерода и бензопирена. Оксид углерода 
– это токсичное вещество, повышенная концентрация которого в воздухе, опасно для человека, возможно отравление, так как оксид углерода вступает в реакцию с гемоглобином крови.
Бензопирен по классификации Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) относится к первому классу опасности. Высокотоксичный загрязнитель представляет большую опасность в связи с канцерогенными свойствами: попадая в организм человека, способен инсценировать злокачественные опухоли.
Незаметный визуально, из-за труб высотой 30…45 метров, шлейф дымовых газов котельных, расположенных в микрорайонах города с высотными зданиями больше всего навредит здоровью жителей верхних этажей в домах по соседству с теплоисточником. Кроме того, на микрорайон воздействуют выбросы с теплоисточников централизованного теплоснабжения, которые так же не имеют установок по очистке газообразных загрязнителей (
, 
и других). В основу природоохранных технологий принят метод рассеивания.
Литература
1.Абрамов А.И. Повышение экологической безопасности ТЭС/ А.И. Абрамов, Д.П. Елизаров, А.Н. Ремезов. – М.: Издательство «МЭИ», 2002. –
С. 384.
2.http://kursgm.ru/enerprob/energetika33.htm [Электронный ресурс].
Воронежский государственный технический университет
105
УДК 620.9
Т.В. Черникова – магистрант, Д.А. Прутских, канд. техн. наук – научный руководитель
ЯЧЕЕЧНАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
В данной работе рассмотрена теплоэнергетическая система, состоящая из четырёх последовательно соединённых зон идеального перемешивания. Было получено аналитическое решение данной системы, математическая модель которой представлена в виде системы дифференциальных уравнений 1-ого порядка. Вычислительный эксперимент позволяет оценить влияние различных параметрических характеристик объекта на структуру изменения температуры теплоносителя на выходе из системы
Ключевые слова: теплоэнергетическая установка, вычислительный эксперимент, теплоноситель
Данная система может быть полезна для использования в химической промышленности.
Рассмотрим данный объект, который изображён на рис. 1.
Рис. 1. Ячеечная модель теплоэнергетической установки
1. Составим математическую модель системы:
106
d T 1 (t) |
|||||
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T 1 (0) |
|||||
|
|
|
|
|
|
d T 2 (t) |
|||||
|
|
|
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
T 2 (0) |
|||||
|
|
|
|
|
|
d T 3 |
(t) |
||||
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T 3 (0) |
|
||||
|
|
|
|
|
|
d T 4 |
(t) |
||||
|
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
T 4 (0) |
|||||
|
|
1 |
|
(t) |
|
|
(t) ; |
|||||
|
|
|
|
|
||||||||
|
1 |
T вх |
|
|
T 1 |
|
|
|||||
T 0 ; |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
1 |
|
|
|
|
(t) |
|
|
(t) ; |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
2 T вх |
|
|
T |
2 |
|
|||||
T 0 ; |
|
|
|
|
|
|
(1) |
|||||
|
|
|
1 |
|
|
(t) |
|
|
(t) ; |
|||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
3 |
T вх |
|
|
|
T 3 |
|
|||||
T 0 ; |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
1 |
|
|
|
|
(t) |
|
|
(t) ; |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
4 T вх |
|
|
T |
4 |
|
|||||
T 0 ;
2. Приведём систему к безразмерному виду:
|
|
t |
|
; (z, ) |
T (z, ) T 0 |
; вх( ) |
T вх(t) T 0 |
; 2 |
1 ; |
||
|
|
|
|
||||||||
|
1 |
|
T 0 |
|
|
|
T 0 |
2 |
|||
|
|
|
|
|
3 |
1 ; 4 |
1 . |
|
|||
|
|
|
|
|
|
3 |
4 |
|
|||
С учётом введённых безразмерных переменных система 1 примет вид:
107
|
|
|
|
|
d 1( ) |
|
|
вх( ) 1( ); |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1( ) 0; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
d 2( ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( ) |
2 |
( ) |
; |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
вх |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
2 |
( ) 0; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
d 3( ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( ) |
|
3 |
( ) |
; |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
вх |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3( ) 0; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
d 4( ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( ) |
4 |
( ) |
; |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
вх |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4( ) 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Решение системы: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Идеальная функция для аппаратов перемешивания имеет вид: |
|||||||||||||||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
4 |
|||||||
W 1( p) |
|
|
;W |
2( p) |
|
;W 3( p) |
|
;W 4( p) |
|
, |
||||||||||||||||||
p 1 |
p 2 |
p 3 |
p 4 |
|||||||||||||||||||||||||
тогда: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
W ( p) W 1( p) *W 2( p) *W 3( p) *W 4( p) |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 * 3 * |
4 |
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
||||||||
|
|
|
( p 1) * ( p |
2) * ( p 3) * ( p 4) |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
Подставим полученные выражения в уравнение температуры на |
|||||||||||||||||||||||||||
выходе: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
вых |
( ) L 1 W ( p) * |
вх |
( p) ; |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
вх |
( p) L |
|
|
( ) . |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
По условию задачи: U = 0,01 м3/с, |
V |
|
= 0,5 м3, V |
= 0,4 м3, |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
||
V |
= 0,3 м3, V =0,2 м3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
3 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Находим |
|
недостающие |
параметры: |
|
2 |
1,25 ; |
2 1,67 ; |
||||||||||||||||||||
4 2,5 .
Найдём функцию температуры на входе:
108
|
|
40 1 exp 0,1 20 |
|
|
|
вх |
( ) |
|
|
2 1 |
exp 0.1 1 , |
|
|
||||
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где VU 1 50 сек.
Подставив полученное значение в выражение, получим:
|
вх |
( ) 2 1 exp |
5 1 . |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Подставим функцию температуры на входе в выражение |
|||||||||||
функции температуры на выходе: |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
1 |
|
|
L |
|
2 |
1 |
|
|
|
. |
вых |
( ) L |
W ( p) * |
|
exp 5 1 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
На рис. 2 изображён график изменения температуры теплоносителя на выходе из системы.
Рис. 2. График изменения температуры теплоносителя на выходе из системы
109
В результате математического моделирования такого объекта получим инструментарий, позволяющий разработать методы и алгоритмы для оптимизации теплоэнергетической системы.
Литература
1.Берд Р. Явления переноса / Р. Берд, В. Стьюарт, Е. Лайтфут. - М.: «Химия», 1974. - 688 с.
2.Цветков Ф.Ф. Тепломассообмен: учебник для вузов / Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. - М: Издательский дом МЭИ, 2011. - 562 с.
Воронежский государственный технический университет
110