2. Экологический мониторинг окружающей среды при условии эксплуатации энергетической установки

2.1. Вертикальное рассеивание примеси в пространстве

При моделировании процесс переноса примеси концентрации веществ в пространстве рассматривается как совокупность случайных величин, поэтому показателями распределения примеси служат обычные статистические характеристики случайных величин, используемые в климатологии. Для исследования процесса переноса примеси в окружающей среде удобнее использовать модель Эйлера, которая представляет движение частицы как совокупность радиус-векторов ее скорости.

Таким образом, для использования полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии примеси необходимо знать профили скорости ветра U(z) и коэффициент вертикальной турбулентной диффузии D(z). Все эти величины в атмосфере являются функциями высоты и устойчивости. Устойчивость приземного и пограничного слоя атмосферы определяется по метеорологическим измерениям. Эти измерения позволяют определить устойчивость нижнего слоя атмосферы по скорости ветра на флюгере и характеристики инсоляции (солнечного излучения).

Считая, что основное движение жидкости однородно в направлении осей координат х, у, уравнение турбулентной диффузии запишется в виде:

(2.1)

где U_z- скорость гравитационного оседания;U_x,U_y– скорость распространения примеси в горизонтальных направлениях;Dx, D_y, D_z– коэффициенты турбулентной диффузии,- коэффициент определяющий изменение концентраций за счет превращения примеси.

Пусть в безграничном, однородном стационарном потоке, который движется со скоростью U, в точке(0, у₀, z₀)расположен источник примеси, концентрация которойq. В случае стационарного рассеивания примеси, диффузией вдоль потока обычно пренебрегают по сравнению с переносом примеси в этом направлении:. Тогда в стационарном и однородном по осямхиупотоке, вдоль шероховатой стенки, то есть при отсутствии изменения концентрации примеси вдоль осиу:U_y = 0,и при условии пассивной примеси, уравнение 2.1 приобретет вид:

, (2.2)

- таким образом получена полуэмпирическая модель вертикального рассеиванияпримеси.

В полупространстве x > 0образуется факел, представляющий собой зону, загрязненную примесью. Предположим, что концентрация примеси в факеле распределена по нормальному закону. Тогда величина²(х)прих = U , является дисперсией этого закона и для концентрацииq, средней за большой промежуток времени, в случае равноправия координатуиzрешением уравнения 2.2 является выражение:

,² = 2 k (2.3)

где величина х = U , определяет разбавление примеси за счет скорости потока относительно источника,k– коэффициент диффузии,qопределяется на основе численного решения стационарного полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии от линейного источника.

Для оценки диффузии примеси в пространстве используют степенную интерполяцию профиля ветра вида (u)z = U₁ (z/z₁)^m, показатель степениmопределяется в зависимости от характера вертикальной устойчивости (скорости ветра). Для выбранных значенийzиспользуют формулу:

, (2.4)

где z₁= 1 м,z₀– шероховатость поверхности земли,U₁– скорость ветра на высоте 1 м, выбирается по климатическим справочникам (табл. 1).

Для практических расчетов построены аппроксимирующие формулы:

,,(2.5)

где х_М– расстояние, на котором наблюдается максимальная концентрацияq_M, = H / z,Н– высота выброса примеси.

Для диапазона 0,4    8можно использовать приближенные соотношения:

,(2.6)

,, (2.7)

С_м - максимальное значение примеси при наиболее неблагоприятных условиях и определяется по формуле:

, (2.8)

где коэффициент А, характеризующий неблагоприятные конвективные условия, скорость ветра, неблагоприятную для рассеивания выбросов данного источника, приподнятые инверсии непосредственно над источником выбросов, штилевые зоны и туманы;М– масса вредного вещества выбрасываемого в атмосферу;F– безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосфере, г/с;mиn- коэффициенты, учитывающие условия выхода примеси, зависящие от стратификации и других факторов состояния атмосферы;Н– высота выброса над уровнем подстилающей поверхности, м;- безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности;T– разница температур примеси и окружающего воздухаQ₁– расход примеси, м³/с.

Для рассматриваемой энергоустановки масса вредных веществ выбрасываемых в атмосферу определяется одним из 13 (8) режимов, так как основная часть графика нагрузки энергоустановки соответствует работе ее в стационарных условиях на режиме номинальной мощности. Таким образом, значения G_i (табл.) – выброс рассматриваемых компонентов в г/ч, рассчитанные по формулам 1.2 – 1.17 для режима 75 % номинальной мощности двигателя определяют массовый выброс М_i компонентов с отработавшими газами энергоустановки по формуле:

, (2.9)

где G_{i, H} – масса выброса вредного вещества на номинальном режиме, г/ч.

Выбросы примеси энергетической установки имеют температуру значительно выше температуры окружающей среды, то есть являются горячими выбросами, в этом случае, при определении Н–высоты выбросанеобходимо учитывать начальный подъем примесиН, м, определяющийся ее скоростью выходаV,м/с и перегревомТотносительно окружающего воздухаТ_окр,С, а также радиусом устья трубыR₀, м.

Тогда Нпредставляет сумму начального подъема примесиНи геометрической высоты источникаН_и:

Н = Н + Н_и, (2.10)

, (2.11)

где U_ф – скорость ветра на уровне флюгера м/с, то есть z_ф = 10 м; V – скорость выхода примеси из трубы, м/с; T – разница температур примеси и окружающего воздуха, ⁰С.

Q₁–расход примеси, м³/с, равен суммарному расходу топлива и воздуха энергоустановки:

, (2.12)

где ρ_т- плотность топлива, в расчетах можно принять равнойρ_т= 740 кг/м³иρ_В– плотность воздуха, кг/м³;(табл. 4);G_T, G_B– расход топлива и воздуха на номинальном режиме работы двигателя, кг/ч (таблица исходных данных).

Коэффициент А для Центральной части Европейской территории РФ коэффициент равенА= 120; для Северной- и Северо - Западной части, Среднего Поволжья, УралаА= 160; для района Сибири и Дальнего Востока -А= 200.

Безразмерный коэффициент Fдля газообразных веществ и мелкодисперсных аэрозолей равенF= 1, для пыли и золыF= 2 ... 3.

Безразмерный коэффициент обычно в приближенных расчетах принимается равным 1 или задается из условия расположения предприятия.

Безразмерный коэффициент m определяется по формуле:

, (2.13)

в которой параметр f определяется по формуле:

, (2.14)

, (2.15)

где D_и - диаметр источника выброса, м.

Значение безразмерного коэффициента n определяется по формулам:

при V_m  0,3 n = 3

при 0,3 < V_m  2 (2.16)

при V_m > 2 n = 1,

где величина V_m определяется расходом газо-воздушной смеси Q₁ в устье источника выброса, м/с:

. (2.17)