1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчетно-графическая работа

по дисциплине «Экология»

Экологическая экспертиза энергетических средств

ВВЕДЕНИЕ

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Загрязнение - это привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных физических, химических, информационных или биологических агентов или превышение естественного среднемноголетнего уровня в различных средах, приводящее к негативным воздействиям.

Примерами естественного загрязнения могут быть - извержение вулкана, селевой поток, пожары. По сравнению с жизненным циклом человека естественное воздействие на природу протекает медленнее, чем антропогенное. За это время живые организмы успевают приспособиться к изменениям окружающей среды, тогда как в результате антропогенного воздействия - происходит накопление высокотоксичных веществ (ртути, свинца, кадмия, мышьяка, пестицидов), которые приводят к гибели живых существ.

Все виды загрязнения определяют от величины фонового загрязнения - естественной концентрации или степени воздействия природных веществ, измеряемого в заповедниках, на специальных станциях (измеряют показатели атмосфера, природных вод, снежного покрова, почвы, грунтовых вод).

По уровню фонового загрязнения в России выделены три региона: Европейская территория страны (ЕТС), Казахстан и Средняя Азия, Сибирь и Дальний Восток. Значительные антропогенные нагрузки испытывают западные районы ЕТС.

Важнейшей особенностью процессов загрязнения состоит в том, что не всякий антропогенный выброс в биосистему приводит к загрязнению, а только такой, который существенно меняет ее структуру.

Антропогенные выбросы разделяются на три группы:

организованные - от стационарных источников постоянно действующих, которые характеризуются большой высотой выброса, значительными объемами вредных веществ;

неорганизованные выбросы - разовые выбросы производств;

распределительные выбросы - выбросы с транспортом, химической обработкой.

Загрязнение может быть незначительным по количеству, но длительным во времени. Кроме того, отдельные виды загрязняющих веществ могут распространяться быстрее других и на большие расстояния. Перемещение загрязнений в пространстве и их накопление в течение длительного времени часто увеличивает степень опасности загрязнения среды.

В соответствии с ГОСТ 12.01.007 -76 в РФ все вредные вещества по степени опасности разделены на 4 класса: 1 - чрезвычайно опасные; 2 - высоко опасные; 3 - умеренно опасные; 4 - мало опасные.

Проблема оценки устойчивости экосистемы определяет задачу получения количественных оценок воздействий, которые могут нарушать ее устойчивость, позволяет определить максимально допустимые нагрузки, превышение которых может привести к существенной деформации отдельных параметров экосистемы или к ее полному разрушению, то есть экологической катастрофе.

Принято количественную оценку уровня загрязнения выражать через концентрацию примеси, отнесенной к предельно-допустимой концентрации вещества - ПДК.

ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны - это концентрация, которая при ежедневном 8-ми часовом рабочем дне на протяжении всего рабочего стажа человека не может вызвать у него заболеваний или отклонений здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования, непосредственно в процессе работы или в отдаленные сроки.

Рабочей зоной считается пространство высотой до 2 м над уровнем пола (площадки), на которой находятся места постоянного или временного пребывания работающих. Для рабочей зоны вредные вещества подразделяются на четыре класса: 1 - чрезвычайно опасные, 2 - высоко опасные, 3 - умеренно опасные, 4 - мало опасные.

ПДК вредных веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов подразделяются на максимально разовую за время не более 20 - 30 мин и среднесуточную. В РФ концентрация осредненная за 20 мин сравнивается с максимальными разовыми ПДК.

При поступлении в воздух вредных веществ, обладающих одинаковой направленностью воздействия на среду, сумма их относительных концентраций не должна превышать единицы:

,

где Сi, фактическая концентрация вещества, мг/м3; ПДКi, - предельно допустимая концентрация соответствующего вещества, мг/м3.

Проблема оценки и прогнозирования экономического неблагополучия окружающей среды решается разработкой и выполнением общепринятых норм воздействия химических факторов, которые считаются предельно-допустимыми концентрациями: значения ниже 1 ПДК расцениваются как слабые; значения 1-5 - средние; выше 50 ПДК - экстремальные.

Приостановка работы предприятий возможна лишь при неоднократных суточных превышения ПДК в 30 раз; многократных разовых в 50 раз.

1. ОЦЕНКА ТОКСИЧНОСТИ ВЫБРОСА ЭНЕРГОУСТАНОВКИ, РАБОТАЮЩЕЙ НА БАЗЕ ДВИГАТЕЛЯ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ

1.1 Действующие стандарты нормирующие выброс ДВС

В настоящее время в РФ утверждены государственные стандарты, позволяющие обеспечить соответствие отечественных требований к охране окружающей среды от вредных выбросов автомобилей международным Европейским нормам - Правилами № 83 и № 24 ЕЭК ООН.

Комплекс стандартов на токсичность ОГ можно разделить на две группы:

группа 1 - нормирование вредных веществ ОГ при эксплуатации транспортных средств;

группа 2 - нормы выбросов при приемочных испытаниях.

Контроль в эксплуатационных условиях (первая группа испытаний) производится работниками ГИБДД, санитарных служб или на станциях технического обслуживания. Эти испытания отличаются необходимой для массового использования простотой и выполняются с помощью дешевых и небольших газоанализаторов.

Приемочным испытаниям - вторая группа, подвергаются как новые, так и отремонтированные, а также находящиеся в эксплуатации двигатели. Токсичность двигателей замеряется при их работе на тормозных стендах или стендах с барабанами на определенных режимах по определенным методикам. Вторая группа испытаний требует специального дорого и сложного оборудования и газоанализаторов.

1 группа. В области эксплуатации транспортных средств утверждены следующие основные стандарты.

ГОСТ 17.2.2.03-87 с изменением - “Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерений оксида углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями”.

ГОСТ 21393-75 с изменением - “Автомобили с дизелями. Дымность отработавших газов”.

ГОСТ Р 17.2.02.06-99 - “Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерений оксида углерода и углеводородов в отработавших газах газобаллонных автомобилей”.

2 группа. Приемочные испытания проводят согласно следующих основных государственных стандартов.

ГОСТ Р 41.24-99 (Правила ЕЭК ОНН № 24) - “Единообразные предписания, касающиеся: 1. Официального утверждения двигателей с воспламенением от сжатия в отношении выбросов видимых загрязняющих веществ; 2. Официального утверждения автотракторных средств в отношении установки на них двигателей с воспламенением от сжатия, официально утвержденных по типу конструкции; 3. Официального утверждения транспортных средств с двигателем с воспламенением от сжатия в отношении выбросов видимых загрязняющих веществ; 4. Измерение мощности двигателя с воспламенением от сжатия.

ГОСТ Р 41.49-99 (Правила ЕЭК ООН N 49) - "Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения двигателей с воспламенением от сжатия и двигателей, работающих на природном газе, а также двигателей с принудительным зажиганием, работающих на сжиженном нефтяном газе (СНГ), и транспортных средств, оснащенных двигателями, работающими на природном газе, и двигателями с принудительным зажиганием, работающими на СНГ, в отношении выделяемых ими загрязняющих веществ";

ГОСТ Р 41.83-99 (Правила ЕЭК ООН N 83) - "Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении выбросов загрязняющих веществ в зависимости от топлива, необходимого для двигателей". Стандарт регламентирует: а) вредные выбросы с отработавшими газами и выбросы картерных газов всех транспортных средств категорий М 1 и N 1, оснащенными двигателем с принудительным зажиганием, работающем на этилированном бензине; б) вредные выбросы с отработавшими газами, выбросы картерных газов, выбросы в результате испарения топлива и долговечность устройств для предотвращения загрязнения атмосферы всеми транспортными средствами категорий М 1 и N 1, оснащенными двигателем с принудительным зажиганием, работающем на неэтилированном бензине; в) вредные выбросы с отработавшими газами и долговечность устройств для предотвращения загрязнения воздуха, устанавливаемых на всех транспортных средствах категорий М 1 и N1, оснащенных двигателями с воспламенением от сжатия и имеющих не менее 4 колес.

ГОСТ Р. 41.96-99 - "Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения двигателей с воспламенением от сжатия для установки на сельскохозяйственных и лесных тракторах в отношении выброса загрязняющих веществ этими двигателями».

ГОСТ Р 41.101-99 (Правила ЕЭК ООН N 101) - "Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения легковых автомобилей, оборудованных двигателем внутреннего сгорания, в отношении измерения объема выбросов диоксида углерода и расхода топлива, а также транспортных средств категорий М 1 и N 1 (табл. 1), оборудованных электроприводом в отношении измерения расхода электроэнергии и запаса хода".

1.2 Оценка выбросов ДВС энергетической установки

В расчетно-графической работе необходимо оценить токсичность энергоустановки, работающей на базе двигателя внутреннего сгорания (ДВС). В связи с этим, в первую очередь следует провести приемочные испытания ДВС согласно соответствующего стандарта 2 группы.

Если в качестве источника энергии используется ДВС категории М1 и N1 максимальной массой не более 3,5 т с воспламенением от сжатия или ДВС, работающий на бензине, на сжиженном нефтяном газе, на природном газе, то испытания проводятся согласно ГОСТ Р 41.83-99.

Таблица 1 КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ. ГОСТ Р 51206-98

Обозначение категории АТС	Характеристика категории АТС	Наименование АТС
М	АТС, предназначенные для перевозки пассажиров и имеющие не менее четырех колес (или три колеса) и максимальную массу более 1т	Пассажирские и грузопассажирские автомобили, их модификация, автобусы, пассажирские автопоезда
М1	АТС, имеющие помимо места водителя, не более восьми мест для сидения	То же
М2	АТС, имеющие помимо места водителя, более восьми мест для сидения и максимальную массу менее5 т	То же
М3	АТС, имеющие помимо места водителя, более восьми мест для сидения и максимальную массу более 5 т	То же
N	АТС, предназначенные для перевозки грузов и имеющие не менее четырех колес (три колеса) и максимальную массу более 1 т	Грузовые автомобили, автомобили-тягачи, а также их шасси со смонтированными на них установками (специальные автомобили)
N1	АТС, имеющие максимальную массу менее 3,5 т	То же
N2	АТС, имеющие максимальную массу более 3,5 т и менее 12 т	То же
N3	АТС, имеющие максимальную массу более 12 т	То же
Т	АТС на колесном или гусеничном ходу, имеющее не менее двух осей	Сельскохозяйственные и лесные тракторы (для буксировки, толкания, перевозки)
Примечания. 1. Под пассажирским автопоездом подразумевается автопоезд, хотя бы одно из звеньев которого предназначено для перевозки пассажиров 2. При определении категорий (N2, M3) седельного тягача под его полной массой понимают массу тягача в снаряженном состоянии с добавлением части полной массы полуприцепа, которая в статическом положении передается на тягач 3. Сочлененное автотранспортное средство категории М2 или М3, состоящее из сцепленных единиц, не предназначенных для расцепки в процессе эксплуатации, рассматривают как одно автотранспортное средство

Если в качестве источника энергии используется ДВС категории М1, общей массой более 3,5 т, а также категорий М2; М3; N1, N2, N3, то испытания проводятся согласно ГОСТ Р 41.49-99.

Если в качестве источника энергии используется ДВС категории Т, то испытания проводятся согласно ГОСТ Р 41.96-99.

Во всех перечисленных стандартах измерение количества выбросов загрязняющих отработавшие газы (ОГ) и твердых частиц, выделяемых двигателем, проводится при испытании двигателя на стенде.

Концентрацию вредных веществ в ОГ измеряют с помощью быстродействующих газоанализаторов непрерывного действия. Для оксидов азота - хемилюминесцентного типа; оксида углерода - недисперсного типа с поглощением в инфракрасной части спектра; суммарных углеводородов - пламенно-ионизационного типа. Пробоотборная магистраль углеводородов и регистрирующее устройство газоанализаторов должны иметь систему подогрева, обеспечивающую температуру подогрева 180 - 2000С, а пробоотборная магистраль оксидов азота - не менее 700С.

Проведем приемочные испытания ДВС с воспламенением от сжатия согласно ГОСТ Р 41.49-99 или ГОСТ Р 41.96-99.

1.2.1 Определение характеристик режима испытания ДВС

До проведения испытания необходимо определить кривую крутящего момента при максимальной нагрузке для определения значений крутящего момента исследуемых режимов испытания (табл. 2, 3).

На каждом режиме двигатель должен работать в течение 4 - 6 минут. Показания анализаторов регистрируются в течении 6 минут и затем рассчитывается среднее значение. Принципиальная схема анализа и отбора проб газообразных выбросов (рис. 1) включает три параллельные линии измерения:

- оксидов азота (1) с применением подогреваемого хемилюминесцентного анализатора;

- углеводородов (2) с применением подогреваемого детектора ионизации пламени;

- оксида углерода (3) с анализатором недисперсного типа с поглощением в инфракрасной части спектра.

Проба ОГ отбирается пробоотборником (4) из нержавеющей стали с несколькими отверстиями, сечение которого составляет 80 % от сечения выхлопной трубы (5). Трубопровод для отбора проб (8) изготавливается из политетрафторэтилена или нержавеющей стали. Пробоотборник устанавливается на расстоянии минимум 1,5 м и максимум 2,5 м от выпускного коллектора. Перед подачей пробы к анализатору устанавливаются фильтры грубой очистки (6) и фильтр для удаления твердых частиц (7), который меняется по мере необходимости.

Пробы отбираются насосом (9) и подаются через клапаны (10), систему тарировки и настройки нуля приборов измерения (11) к анализаторам (12) и расходомерам (13), а затем в атмосферу

Рис. 1. Принципиальная схема анализа и отбора проб газообразных выбросов

Таблица 2 РЕЖИМЫ ИСПЫТАНИЙ ДИЗЕЛЕЙ ПО ГОСТ Р 41.49-99

Частота вращения коленчатого вала дизеля	Крутящий момент, % крутящего момента при полной подаче топлива на данном скоростном режиме	Коэфф. весомости режима, Кв
1. минимальная устойчивая	0	0,25/3
2. соответствующая максимальному крутящему моменту	10	0,0800
3. то же	25	0,0800
4. -“-	50	0,0800
5 . -“-	75	0,0800
6. -“-	100	0,2501
7.минимальная устойчивая	0	0,25/3
8. номинальная	100	0,1000
9. то же	75	0,0200
10. -“-	50	0,0200
11. -“-	25	0,0200
12. -“-	10	0,0200
13. минимальная устойчивая	0	0,25/3

Перед испытаниями измеряют абсолютную температуру Токр (К) при впуске воздуха в двигатель и атмосферное давление Вокр, по которым определяют сухое атмосферное давление РS (кПа). Атмосферные условия должны удовлетворять условию:

0,96 FA 1,06,

где FA - показатель окружающей среды, определяемый:

- для дизелей без наддува или с механическим приводом компрессора

;

- для дизелей с турбонаддувом без промежуточного охлаждения наддувочного воздуха

;

- для дизелей с турбонаддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха

,

где Вокр = Вокр - 0,01 окр Рs;

Вокр -атмосферное давление, кПа; окр - относительная влажность окружающего воздуха, %; Рs - парциальное давление насыщенного водяного пара при данной температуре окружающего воздуха, кПа, (табл. 4); Токр - температура окружающего воздуха, К.

Таблица 3 РЕЖИМЫ ИСПЫТАНИЙ ДИЗЕЛЕЙ ПО ГОСТ Р 41.96-99

Частота вращения коленчатого вала дизеля	Нагрузка, %	Коэфф. весомости режима, Кв
1. номинальная	100	0,15
2. то же	75	0,15
3. то же	50	0,15
4. то же	10	0,1
5. промежуточная	100	0,1
6. то же	75	0,1
7. то же	50	0,1
8. минимально устойчивая холостого хода	-	0,15

Таблица 4 ПАРАМЕТРЫ НАСЫЩЕННОГО ВОДЯНОГО ПАРА И ВОЗДУХА

Температура воздуха, Токр, 0С	-25	-20	-15	-5	0	10
Парциальное давление насыщенного водяного пара, Рs кПа	0,063	0,103	0,165	0,401	0,6	1,2
Плотность воздуха, , кг/м3	1,401	1,376	1,300	1,253	1,324	1,230
Температура воздуха, Токр, 0С	20	30	40	50	60	70
Парциальное давление насыщенного водяного пара, Рs кПа	2,3	4,2	7,4	12,3	19,9	31,2
Плотность воздуха, , кг/м3	1,188	1,149	1,112	1,078

1.2.2 Определение массы выбросов ОГ

Вариант 1. Для расчета выбрасываемых ОГ необходимо определить их расход. Массовые выбросы токсичных компонентов: оксидов азота, оксида углерода и суммарных углеводородов для каждого из режимов (13 или 8) можно определить при непосредственном измерении ОГ с помощью расходомера (13, рис. 1) и при влажном состоянии ОГ рассчитать по формулам:

;

;

,

где Wi - концентрация вещества (NO, СО, СН) в млн-1 на объем, Gт, Gв- расход топлива и воздуха, соответственно, кг/ч.

Поправочный коэффициент на влажность для оксидов азота и оксида углерода рассчитывают по формулам:

.

Содержание водяных паров в воздухе на входе в устройство для измерения расхода воздуха рассчитывают по формуле:

Вариант 2. Для определения расхода ОГ можно использовать расчетный метод. Определяется условный расход воздуха QB (дм3/с) на каждом установившемся режиме по формуле:

,

где i - число цилиндров дизеля, Vh - рабочий объем цилиндра, дм3, n - частота вращения коленчатого вала дизеля, мин-1, - тактность дизеля.

Затем расход воздуха Gв (кг/ч), который равен:

Gв = 3,6 Qв ·с,

где с - плотность воздуха, кг/м3 (табл. 4).

Расход ОГ рассчитывается по формулам (1.10):

а) Для двигателя с воспламенением от сжатия

GОГ = GB + GT, VОГ = VB - 0,75 VT или VОГ = VB + 0,77 GT

б) Для двигателей, работающих на природном газе

GОГ = GB + GT, или VОГ = VB - 1,35 VT или VОГ = VB + 1,36 GT

в) Для двигателей, работающих на СНГ

GОГ = GB + GT, или VОГ = VB - GT или VОГ = VB + GT,

где GОГ - расход ОГ во влажном состоянии по массе, кг/ч; GB - расход воздуха при впуске по массе, кг/ч; GT - расход топлива по массе, кг/ч; VОГ - расход ОГ в сухом состоянии по объему, м3/ч; VОГ - расход ОГ во влажном состоянии по объему, м3/ч; VB, VB - расход воздуха при впуске в сухом и во влажном состояниях по объему, соответственно, м3/ч.

Тогда, расчет загрязняющих ОГ по массе для каждого режима работы двигателя с воспламенением от сжатия осуществляется по формулам:

;

;

;

.

При расчете загрязняющих веществ двигателя, работающего на природном газе, считая плотность ОГ равной 1,249кг/м3, используют следующие формулы:

;

;



;

;

,

где FNO = kNO FNO, kNO = 0,6272 + 0,4403 d - 0,0008625 d2,

где d - влажность воздуха (формула 2.7);

FCO = 1 - 3,15GT / GОГ.

Расчет загрязняющих веществ по массе - оксидов азота и углерода двигателя, работающего на СНГ, проводят аналогично расчету двигателя с воспламенением от сжатия, для расчета углеводородов используют формулы:

или

Измерение выбросов твердых частиц проводится либо с использованием системы полного разряжения потока (рис. 1), либо частичного разряжения (рис. 2).

Для анализа состава используется фиберглассовые фильтры, покрытые фторуглеродом или фильтры на основе фторуглеродов (мембраны). Они должны иметь минимальный диаметр 47 мм. За 2 часа до проведения испытания каждый фильтр взвешивают и помещают в закрытую чашку Петри.При использовании системы полного разряжения потока устанавливается одна пара фильтра отбора проб (поз. 11, рис.1) и забор проб производится в течении 20 с. По завершении испытаний регистрируют общую массу проб МS, кг, прошедшею через фильтры. Фильтры вновь помещают в камеру для взвешивания и доводят до кондиции в течение по меньшей мере 2 часов (не более 36 ч), а затем взвешивают. Масса твердых частиц Рf , мг, представляет собой сумму значений массы твердых частиц, собранных основным и вспомогательным фильтрами.

Массовые выбросы твердых частиц Gf определяются по формулам:

,

где GВi, VВi -расход разряженных газов на каждом режиме по массе, кг/ч и во влажном состоянии по объему м3/ч, соответственно, Vs - объем пробы, прошедшей через фильтры забора твердых частиц во влажном состоянии, м3.

Рис. 2. Схема установки дымомера и устройства для отбора проб:

1 - выпускной коллектор дизеля, 2 - выпускной трубопровод стенда, 3 - пробоотборный зонд, 4 - газоподводящая трубка с краном, 5 - теплообменник с ресивером, 6 - регулирующая заслонка, 7 - дымомер.

1.2.3 Удельные выбросы ОГ

Удельные выбросы рассчитываются для всех токсичных компонентов по формулам: токсичность энергоустановка двигатель выброс

,

где Gi и gi - выброс рассматриваемых компонентов в г/ч и г/(кВт ч), соответственно, КВ - коэффициент весомости режима, Ne - номинальная мощность двигателя, кВт.

Полученные значения сравниваются с нормативным значением массой выбросов загрязняющих веществ и твердых частиц по ГОСТ Р 41.49-99 (табл. 5) или по ГОСТ Р 41.96-99 (табл. 6).

Таблица 5 МАССА ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ОГ ГОСТ Р 41.49-99

Уровень выбросов	Масса выбросов, г/кВт ч
	Оксида углерода, СО	углеводородов, НС	Оксидов азота, NO	Твердых частиц, ТЧ
А (01.07.92)	4,5	1,1	8,0	0,36(1)
В (01.10.95)	4,0	1,1	7,0	0,15(2)
1) - в случае двигателей мощностью 85 кВт или менее к предельному значению, указанному для выбросов ТЧ, применяют коэффициент 1,7. 2) - при необходимости, данное предельное значение, указанное для выбросов ТЧ, будет пересмотрено в сторону увеличения в зависимости от наличия методов борьбы с загрязнением воздуха в результате выделения ОГ дизельными двигателями, особенно двигателями мощностью менее 85 кВт.

Таблица 6 МАССА ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ОГ ГОСТ Р 41.96-99

Полезная мощность, кВТ	Масса выбросов, г/кВт ч
	Оксида углерода, СО	углеводородов, НС	Оксидов азота, NO	Твердых частиц, ТЧ
130 и выше	5	1,3	9,2	0,54
75 ? Ne ? 130	5	1,3	9,2	0,70
37 ? Ne ? 75	6,5	1,3	9,2	0,85

1.3 Интегральная оценка токсичности двигателя

Для комплексной оценки токсичности ДВС, количественную оценку вредных выбросов с ОГ дополняют показателем, учитывающим степень воздействия каждого компонента на окружающую среду или коэффициентом приспособленности двигателя к окружающей среде, то есть определяется интегральная оценка токсичности двигателя. Такой подход использования значений максимально разовых ПДК для воздуха населенных мест, позволяет получить единую шкалу для измерения токсичности двигателей. Состояние двигателя оценивается отношением фактической суммарной токсичности к ее нормативному значению, чем выше значение коэффициента приспосабливаемости, тем лучше двигатель приспособлен по токсичности к окружающей среде.

Принято, токсичность оксида углерода СО считать за единицу, тогда определяется относительная токсичность аi всех присутствующих компонентов в ОГ. Тогда,, относительная токсичность углеводородов и оксидов азота равна: аi = 3 и 59, соответственно (оксидов серы SOx = 22, тетраэтилсвинца - 22400 при его содержании в бензине 0,5 г/кг). Суммарная токсичность ОГ - А относительно нормируемых выбросов будет равна сумме произведений каждого их компонентов на относительную их токсичность. Например, если автомобиль дает выбросы, равные нормируемым значениям, то есть аi = 1, тогда Анор = 63.

Для того, чтобы оценить фактическое состояние испытываемого автомобиля, нужно взять отношение фактической суммарной токсичности Аф к ее нормативному значению и определить коэффициент k - приспосабливаемости автомобиля к окружающей среде:

.

Таким образом, если выбросы равны нормируемым, то k = 1; если меньше нормируемых, то k > 1; если больше нормируемых, то k < 1; чем больше k, тем лучшее автомобиль по токсичности ОГ приспособлен к окружающей среде, безопаснее с точки зрения экологии.

Таким образом, количественная оценка токсичности состава ОГ дополняется, интегральной, исходя из уровня токсичности компонентов, определяемого по ПДК веществ. Так, для монооксида углерода (СО), углеводородов и оксидов азота ПДК равны - 5, 1,5, и 0,085 мг/м3, т.е. углеводороды - в три, оксиды азота - в 59 раз токсичнее монооксида.

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:

где Uz - скорость гравитационного оседания; Ux, Uy - скорость распространения примеси в горизонтальных направлениях; Dx, Dy, Dz - 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 которой q. В случае стационарного рассеивания примеси, диффузией вдоль потока обычно пренебрегают по сравнению с переносом примеси в этом направлении:

.

Тогда в стационарном и однородном по осям х и у потоке, вдоль шероховатой стенки, то есть при отсутствии изменения концентрации примеси вдоль оси у: Uy = 0, и при условии пассивной примеси, уравнение 2.1 приобретет вид:

,

- таким образом получена полуэмпирическая модель вертикального рассеивания примеси.

В полупространстве x > 0 образуется факел, представляющий собой зону, загрязненную примесью. Предположим, что концентрация примеси в факеле распределена по нормальному закону. Тогда величина 2(х) при х = U , является дисперсией этого закона и для концентрации q, средней за большой промежуток времени, в случае равноправия координат у и z решением уравнения 2.2 является выражение:

, 2 = 2 k

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 степени m определяется в зависимости от характера вертикальной устойчивости (скорости ветра). Для выбранных значений z используют формулу:

,

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:

, ,

где хМ - расстояние, на котором наблюдается максимальная концентрация qM, = H / z, Н - высота выброса примеси.

Для диапазона 0,4 8 можно использовать приближенные соотношения:

,



, ,

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

,

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; m и n - 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 воздуха Q1 - 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 Gi (табл.) - выброс рассматриваемых компонентов в г/ч, рассчитанные по формулам 1.2 - 1.17 для режима 75 % номинальной мощности двигателя определяют массовый выброс Мi компонентов с отработавшими газами энергоустановки по формуле:

,

где Gi, 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 выброса необходимо учитывать начальный подъем примеси Н, м, определяющийся ее скоростью выхода V, м/с и перегревом Т относительно окружающего воздуха Токр, С, а также радиусом устья трубы R0, м.

Тогда Н представляет сумму начального подъема примеси Н и геометрической высоты источника Ни:

Н = Н + Ни,

,

где Uф - скорость ветра на уровне флюгера м/с, то есть zф = 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:

,

где ст - плотность топлива, в расчетах можно принять равной ст = 740 кг/м3 и сВ - плотность воздуха, кг/м3;(табл. 4); GT, GB - расход топлива и воздуха на номинальном режиме работы двигателя, кг/ч (таблица исходных данных).

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

Безразмерный коэффициент F для газообразных веществ и мелкодисперсных аэрозолей равен F = 1, для пыли и золы F = 2 ... 3.

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

Безразмерный коэффициент m определяется по формуле:

,

в которой параметр f определяется по формуле:

,

,

где Dи - диаметр источника выброса, м.

Значение безразмерного коэффициента n определяется по формулам:

при Vm 0,3 n = 3

при 0,3 < Vm 2



при Vm > 2 n = 1,

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

.

2.2 Поперечное рассеивание примеси в пространстве

Оценка влияния метеорологических условий на содержание примеси в атмосфере при исследовании поперечного рассеивания примеси осуществляется физико-статистическими методами. Связь между уровнем загрязнения и метеорологическими условиями очень сложная, поэтому в расчетах используют комплексные параметры.

Сочетание метеорологических факторов, обуславливающих уровень возможного загрязнения атмосферы (при фиксированных выбросах) называется потенциалом загрязнения атмосферы ПЗА. Существует метеорологический и климатический ПЗА. Первый используется в ежедневных метеорологических прогнозах, второй - при оценках климатических условий переноса и рассеивания примеси в определенном физико-географическом районе.

Для логнормального закона вероятность Р превышения некоторого значения q0, в частности максимального qM, полученного по зависимости 2.5, определяется по формуле:

,

где .

При заданных постоянных выбросах среднее значение концентрации будет определяться вероятностями некоторых метеорологических условий, при которых указанные выше уровни превышаются. Таким образом, если известные вероятности Р1 и Р2 реализации некоторых метеорологических условий, при которых будут наблюдаться концентрации примеси выше qn или rqn, то параметры m и S могут быть выражены через эти вероятности.

Для городских условий можно принять превышение концентрации, например при существовании застоев, туманов, приземных инверсий, равной r = 1,5, тогда вероятность превышения этих концентраций равна:

P1 (q > qм) и P2 (q > 1,5 qм).

Обозначим:

b1 = 1-2P1 = Ф (Z1), b2 =1-2P2 = Ф (Z2),

, ,

и Ф(Z) - интеграл вероятностей (табл. 2).

Тогда, среднее значение концентрации примеси составит:

.

Расчет относительного потенциала загрязнения атмосферы П определяется соотношением

П = qi / qМ,

Расчет П для отдельного источника производится в предположении, что СМ измеряется в точке над факелом на расстоянии хм от источника. Поэтому найденное значение q представляет собой среднее значение по точкам, расположенным на окружности радиуса хм.

Разделим окружность на n секторов и рассмотрим в любом секторе повторяемость направления ветра Рi. Тогда в случае зоны ветров, отличной от круговой, среднее значение концентрации отнесенное к i-тому сектору будет равно

qi = q Рi

Статистический метод оценки показателя ПЗА может быть использован для расчета средней концентрации примеси в любой точке города при существовании сведений о параметрах выбросов отдельных промышленных предприятий. Примем r = 2, qn = CM / 2 и определим среднюю концентрацию с учетом розы ветров и неблагоприятных метеорологических условий:

,

где n - число исследуемых направлений ветра, Рi - нормированная повторяемость i -го направления ветра, m - число источников загрязнения, СMij - максимальная концентрация от j -того источника при i -том направлении ветра.

Средняя концентрация примеси для любой точки i, находящейся под воздействием отдельного источника выбросов при j-том направлении ветра, может быть определена, учитывая повторяемость Рj направления ветра и принимая Р{CМ,i > CМ} = 0,01, по формуле:

,

где N - число направлений ветра, которое учитывается при расчете повторяемости Рj направления ветра (табл. 1); Z1, Z2 - аргумент интеграла вероятностей Ф(Z), при которых Ф(Z1) = 1 - 2P1 и Ф(Z2) = 1 - 2P2,

,

,

где Рин - повторяемость приподнятых инверсий в слое от 0,01 до 0,25 км; Рсл - повторяемость слабых ветров 0 - 1 м/с от земли до высоты выброса; Ри - повторяемость опасной скорости ветра 0 - 3 м/с и 4 - 7 м/с; Рин, Рсл - устанавливаются по Ри и Рj; Сmi- максимальная концентрация, создаваемая при j - том направлении ветра.

2.3 Оценка условий выполнения пдк. Расчет пдв для внедряемой установки

Уровень загрязнения сравнивается с предельно-допустимой экологической нагрузкой (ПДЭН) - которая либо не меняет состояние загрязнения атмосферы, либо изменяет ее в допустимых пределах, т.е. не влечет разрушения экологической системы.

При поступлении в воздух вредных веществ, обладающих одинаковой направленностью воздействия на среду, сумма их относительных концентраций не должна превышать единицы:

,

где Сi, фактическая концентрация вещества, мг/м3; ПДКi, - предельно допустимая концентрация соответствующего вещества, мг/м3.

Если условие 2.22 не выполняется то для установки определяется предельно-допустимый выброс ПДВ. Для одиночного источника ПДВ определяется по формуле:

,

где Сф - фоновая концентрация вредного вещества в приземном слое воздуха, мг/м3, справочная величина или выбирается равной 1/3 ПДК. При этом концентрация вредного вещества в выбросах около устья источника не должна превышать величины:

.

2.4 Расчет санитарно-защитной зоны установки

Приземная концентрация горячих выбросов вредных веществ См при неблагоприятных метеорологических условиях достигает максимальных значений на оси факела выброса (по направлению ветра) на расстоянии Хm от источника выброса. Величина Хm определяется по формуле:

Хm = d H,

где d - безразмерная величина, определяемая в зависимости от значения Vm:

при Vm 2 ,

при Vm > 2 .

Когда безразмерный коэффициент F 2, величина Хm определяется по формуле:

.

Опасная скорость ветра Um, м/с, при которой имеет место наибольшее значение См, зависит от величины Vm:

При Vm 0,5 Um = 0,5 м/с;

при 0,5 < Vm 2 Um = Vm;

при Vm > 2 Um = Vm (1+ 0,12 f ).

С учетом известных данных повторяемости направления ветров и расчетного расстояния до места наблюдения максимальной концентрации Хм определяется расчетное расстояние от источников L0, где концентрация веществ выше ПДК, и размеры защитной зоны l по формуле:

где L0 - расчетное расстояние до максимальной концентрации вещества См = Сi; Р - среднегодовая роза повторяемости ветров, %; Р0 - повторяемость ветров одного румба, например, если сумма направлений - румбов ветра равна 8, то Р0 = 12,5 %.

Размещено на Allbest.ru