лекция 3.1
реклама
1 2 Историческая справка В начале развития энергетики дымовые грубы котлов служили для удаления дымовых газов за счет разности плотностей холодного воздуха и горячих дымовых газов. Трубы сооружались из металла или кирпича. С развитием энергетики дымовые трубы стали использоваться для рассеивания содержащихся в дымовых газах вредных примесей в атмосферном воздухе до допустимых концентраций. По мере повышения мощности электростанций и ухудшения качества топлива для обеспечения необходимого рассеивания потребовались трубы большой высоты 200, 300 м и более. 3 Прогрессивным решением в отношении строительства высоких дымовых труб явилось применение монолитных железобетонных стволов, выдерживающих ветровые и весовые нагрузки. Железобетон, являясь прочным материалом, оказался не способным противостоять воздействию сернистых соединений, влаги и повышенной температуры дымовых газов. Поэтому возникла необходимость создания второй, внутренней оболочки, имеющей назначение ограждающей поверхности для агрессивных дымовых газов. 4 Дымовая труба Экибастузской ГРЭС-2 Самая высокая дымовая труба в мире - 419,7м Построена в 1987 году. Казахстан . Экибастуз 5 Дымовая труба Берёзовской ГРЭС Самая высокая труба в России - 370м Построена в 1985 году. Россия, Шарыпово, Красноярский край 6 В последние годы в некоторых странах (Германии, США) ряд новых ТЭС проектируется и строится без дымовых труб. В этом случае очищенные от золы, оксидов серы и азота дымовые газы выбрасываются в атмосферу через градирни. 7 8 ОДНОСТВОЛЬНЫЕ ДЫМОВЫЕ ТРУБЫ ТЭС 9 Оболочка дымовой трубы должна обеспечить ее высокую прочность как строительной высотной конструкции, подверженной воздействию ветровой нагрузки, собственного веса трубы, сейсмическим и метеорологическим воздействиям. В качестве оболочки для дымовых труб современн10ых ТЭС получила исключительное применение конструкция из монолитного железобетона, как правило, конической формы с изменяющейся по высоте толщиной стенки и степенью армирования. Угол наклона образующих конуса к вертикальной оси может изменяться — минимальный вверху и наибольший внизу. 10 Верхняя часть трубы может на определенной части высоты выполняться цилиндрической формы. Внутренняя часть оболочек может быть либо гладкой, либо иметь уступы для укладки футеровки из кирпича. Оболочка опирается на железобетонный фундамент, который может иметь несколько вариантов выполнения — сплошной, кольцевой и др. Дымовые трубы по выполнению газоотводящего ствола можно разделить на две группы: без отдельных газоотводящих стволов, у которых форма ствола определяется формой оболочки (как правило, конической); с отдельным от оболочки газоотводящим стволом и проходным зазором между ними. 11 Дымовые трубы без отдельных газоотводящих стволов а — с кирпичной прижимной футеровкой; б — с монолитной футеровкой из силикатполимербетона или цементполимербетона (двухслойная); в — покрытие слоем плотных золовых отложений на футеровку или железобетонный ствол (самофутерующиеся); г — с противодавлением в зазоре; 1 — железобетон; 2 — кирпичная футеровка; 3 — силикатполимербетон; 4 — нанесенные золовые отложения; 5 — вентилируемый зазор; 6 — кирпичная футеровка 12 Дымовые трубы без отдельных газоотводящих стволов Имеют в верхней части минимальный уклон (в случае цилиндрической верхней части — нулевой), который возрастает по мере приближения к цоколю . Трубы этой группы относятся к необслуживаемым, так как осмотр и ремонт их частей, соприкасающихся с газом, невозможны в процессе эксплуатации без отключения связанных с ними паровых котлов. Наибольшее распространение имеют трубы с кирпичной футеровкой ( а). Футеровка выполняется из красного и кислотоупорного кирпича на кислотостойкой (диабазовой или андезитовой) замазке и опирается на железобетонные консоли несущего ствола, выполняемые через 30—50 м. Сопряжения футеровочной кладки на консолях выполняются путем укладки слезниковых кирпичей, служащих для стекания влаги, образующейся на поверхности футеровки. 13 Для защиты верхнего обреза трубы на нем устанавливается чугунный колпак, собираемый из секций. Для установки на трубе светооградительных огней предусматривают светофорные площадки, располагаемые по высоте трубы через каждые 15 или 30 м. Для обслуживания площадок делается ходовая лестница с ограждением. Предусматривается система грозозащиты. Трубу окрашивают полосами красного цвета шириной 2—2,5 м с интервалами по высоте 15 м. 14 Основными недостатками дымовых труб с кирпичной футеровкой являются высокие трудозатраты на укладку кирпича и длительное время возведения (2—3 года). Поэтому получили применение трубы с монолитной футеровкой из силикатполимербетона и цементполимербетона (двухслойные), показанные на рис. б. При сооружении этих труб обеспечивается возможность одновременного возведения железобетонной оболочки и футеровки. Определенные перспективы имеют самофутерующиеся трубы ( в). Защита газоотводящих стволов осуществляется с помощью создания плотных золовых отложений на внутренней поверхности газоотводящего ствола или футеровки методом самонапыления 15 На рис. г показана труба с противодавлением в зазоре. В ней между кирпичной футеровкой и железобетонной оболочкой имеется канал шириной 100—200 мм, в который подается нагретый воздух под давлением, препятствующим поступлению газов через футеровку, разрушительно действующих на железобетонную оболочку. Эти трубы более надежны, чем предыдущие конструкции, поскольку в них нет проникновения дымовых газов в железобетонную оболочку при нормальной работе воздушного зазора. 16 Дымовая труба с вентилируемым зазором 1 - подводящие газоходы; 2 - газоотводящий канал; 3 - вентилируемый зазор; 4 - паровой калорифер; 5 выходное окно; 6 - воздуховоды; 7 - вентилятор 17 Железобетонная футерованная труба а -общий вид: 1 -фундамент; 2 - цоколь; 3 - пандус; 4 -ствол; 5 -ходовая лестница; 6 -светофорная площадка; 7 грозозащита; б - верхняя часть: 1 -чугунный колпак; 2 асбестовая прокладка; 3 -ствол; 4 изоляция; 5 -футеровка; в -средняя часть: 1 -железобетонный ствол; 2 - кислотоупорный кирпич; 3 красный кирпич; 4 -асбестовый шнур; 5 -слезниковыйкирпич; 6 антикоррозионная защита; г -нижняя часть: 1 - перегородка; 2 пандус; 3 -футеровка; 4 -ствол 18 В течение всего срока эксплуатации электростанции (30...50 лет) труба должна работать без ремонта. Однако в результате движения агрессивных газов через неплотности футеровки, конденсации паров и проникновения жидкости через бетонный ствол наружу происходит разрушение трубы. Основной причиной попадания дымовых газов в толщу ствола дымовой трубы являются избыточные статические давления дымовых газов в газоотводящем стволе по отношению к атмосфере. Эффективным средством борьбы с избыточными статическими давлениями является установка небольших диффузоров в верхней части трубы. 19 Дымовые трубы с отдельным газоотводящим стволом Имеют газоотводящий ствол цилиндрической формы, а между ним и железобетонной оболочкой устраивается проходное обслуживаемое пространство. При этом исключается возможность проникновения дымовых газов в железобетонную оболочку, обеспечивается возможность контроля, осмотра газоотводящего ствола и ремонта его с наружной стороны в процессе эксплуатации. Газоотводящий ствол у труб такого типа может выполняться стальным или из кислотоупорных материалов. С наружной стороны ствол покрывается тепловой изоляцией. Применение металлических газоотводящих стволов позволяет проводить монтаж индустриальными методами, что обеспечивает быстрые сроки возведения. 20 Дымовые трубы с отдельными газоотводящими стволами цилиндрической формы а — из неметаллических материалов; б — со стальными стволами и наружной изоляцией газоотводящего ствола; в — многоствольная с металлическими стволами; 1 — железобетонный ствол; 2 — ствол из коррозионностойкого неметаллического материала; 3 — металлические тяги; 4 — подвеска стволов; 5 — металлические стволы 21 Многоствольная дымовая труба Дымовые трубы с отдельными газоотводящими стволами могут выполняться как одноствольными, так и многоствольными. Многоствольная дымовая труба представляет собой железобетонную оболочку, внутри которой расположены металлические газоотводящие стволы с наружной теплоизоляцией. Между стволами предусматриваются лестницы и площадки для обслуживания. 22 Большое распространение нашли одноствольные дымовые трубы, выполненные по типу «труба в трубе» со значительным зазором между стволами, позволяющим обеспечить движение людей и проведение ремонтных работ. Газоотводящий ствол состоит из кольцевых элементов высотой 10 м каждый, состоящих из металлических подвесных каркасов, на которые крепятся кремнебетонные панели. Этот материал является коррозионно-устойчивым. Обечайки на растяжках подвешены к железобетонному стволу. 23 Для ТЭС с набором большого количества разнотипного оборудования, особенно на ТЭЦ, получили применение многоствольные трубы, в которых внутри железобетонной оболочки устанавливается несколько (обычно три-четыре) металлических стволов цилиндрической формы. Основное преимущество многоствольной трубы состоит в том, что имеется возможность обслуживать и ремонтировать каждый ствол независимо от других. 24 МНОГОСТВОЛЬНАЯ ДЫМОВАЯ ТРУБА 1 – железобетонная облочка; 2 – металлический ствол для пиковых котлов; 3 – металлический ствол для паровых котлов; 4 – цоколь; 5 – газоходы Поперечные сечения многоствольных железобетонных труб: четырех- и трехствольные трубы 25 Для обеспечения наилучшего рассеивания вредных выбросов в атмосфере и по экономическим соображениям желательно иметь минимальное количество дымовых труб. Однако уменьшение числа труб на ТЭС приводит к увеличению длины газоходов и снижению надежности работы ТЭС при авариях и ремонтах газовых трактов. Поэтому на ГРЭС и ТЭЦ необходимо иметь не менее двух независимых газовых трактов. На конденсационных электростанциях обычно устанавливают две одноствольные трубы, на ТЭЦ — одну (в некоторых случаях две многоствольные). На одну трубу ГРЭС рекомендуется подсоединять количество блоков, приведенное в таблице 26 Таблица Рекомендации по количеству блоков, подключаемых на одну дымовую трубу на ГРЭС Мощность блока, МВт Наименование 200– 300 500– 800 1200 Количество блоков при установке необслуживаемых труб 3–4 2–3 — Количество блоков при установке обслуживаемых труб 4–6 3–4 2 27 При выборе дымовых труб для ТЭЦ должны быть учтены некоторые особенности по сравнению с конденсационными электростанциями: дымовые трубы должны обладать более высокой надежностью, так как отпуск теплоты обычно не резервируется; ТЭЦ размещаются в городах, где существует большое количество источников выбросов, создающих заметный общий фон загрязнений: на ТЭЦ устанавливается разнотипное котельное оборудование (энергетические и пиковые котлы), имеющие различную характеристику отводимых газов; на выбор труб накладываются ограничения требованиями аэрофлота, архитектурными соображениями. Этим особенностям в наибольшей мере отвечает многоствольная дымовая труба. 28 Схемы присоединения энергетических и пиковых водогрейных котлов к дымовым трубам ТЭЦ а — подсоединение энергетических котлов на железобетонную трубу, а пиковых на индивидуальные металлические; б — подсоединение энергетических и пиковых котлов на самостоятельные железобетонные трубы; в — подсоединение энергетических и пиковых котлов на общую дымовую трубу высокой надежности (с проходным зазором); г — подсоединение энергетических и пиковых котлов к различным стволам многоствольной трубы; д — подсоединение энергетических и пиковых котлов к одним и тем же стволам многоствольной трубы Подсоединение энергетических и пиковых водогрейных котлов можно производить либо к одним и тем же стволам многоствольной трубы ( д), либо пиковых к одним стволам, а 29 энергетических к другим ( г). На схеме приведены некоторые типичные случаи подсоединения энергетических и водогрейных котлов ТЭЦ к одноствольным и многоствольным трубам. К числу устаревших относится схема а, когда паровые котлы подсоединяются к железобетонной дымовой трубе, а на пиковых водогрейных котлах типа ПТВМ устанавливаются индивидуальные низкие (с отметкой верха 60—80 м) металлические дымовые трубы, которые из-за малой высоты и маломощных газовых потоков, как правило, не удовлетворяют нормам загазованности даже при сжигании мазута умеренной сернистости. Эта схема не применима к котлам КВ-ГМ и КВ-ТК. Установка железобетонной трубы для энергетических котлов и отдельной для всех пиковых котлов любой системы (б) отличается большей надежностью отвода дымовых газов от пиковых котлов и пониженной концентрацией вредных выбросов на уровне дыхания вследствие более мощного объединенного потока и возможности сооружения более высокой дымовой трубы (обычно применяется h = 120м). Схему б нельзя считать типичной, так как при небольшом общем числе агрегатов ее можно заменить схемой в с одной одноствольной трубой высокой надежности либо при большем числе агрегатов одной многоствольной трубой. 30 Рекомендуемое количество котлоагрегатов, подключаемых к одному газоотводящему стволу многоствольной дымовой трубы, шт. Раздельное Совместное Паропроизводительность подключение подключение (теплопроизводительность энергетических энергетических котлоагрегата) и пиковых и пиковых котлов котлов D = 400¸500 т/ч D = 1000 т/ч Q = 100 Гкал/ч Q = 180 Гкал/ч 2–3 1–2 3–6 2–4 2 1 1–3 1–2 31 Размеры дымовых труб При отсутствии возможностей строительства многоствольной дымовой трубы на ТЭЦ должно устанавливаться не менее двух одноствольных труб. Размеры дымовых труб унифицированы. Шаг по высоте принят равным 30 м, при этом стандартизованы следующие высоты дымовых труб: 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 м. 32 Диаметры устья Диаметры устья рекомендуется при этом принимать следующими: 6,0 7,2 8,4 9,6 10,8 12,0 13,8. Перечисленные диаметры следует рассматривать как условные диаметры устья, по которым выбираются дымовые трубы. За основу для изготовления дымовых труб принят внутренний диаметр оболочки и в зависимости от принятой конструкции — с противодавлением, двухслойной или с кирпичной футеровкой — действительный диаметр прохода D0 получается несколько отличным от условного 33 Условный диаметр устья трубы 6,0 7,2 8,4 9,6 10,8 12,0 13,8 Внутренний диаметр оболочки 6,7 7,8 9,0 10,2 11 ,4 12,6 14,4 С противодавлением 6,0 7,2 8,4 9,6 10,8 12,0 13,8 Двухслойные и самофутерующиеся 6,2 7,4 8.6 9,8 11.0 12,2 14,0 С кирпичной футеровкой (в полкирпича) 6,3 7.5 8,7 9,9 11,1 Диаметр устья трубы D0 — — 34 Выбор конструкции дымовой трубы зависит от агрессивности дымовых газов, их точки росы, мощности электростанции и ее типа (ТЭЦ или ГРЭС), режима работы, вида золоулавливания (мокрое или сухое), свойств золы (химический состав, склонность к отложениям и др.), высоты дымовой трубы, возможности перевода станции на другой вид сжигаемого топлива, техникоэкономических соображений. Агрессивность дымовых газов определяется сернистостью и влажностью топлива, разностью между температурой точки росы и температурой стенки газоотводящего ствола. Основными агрессивными компонентами дымовых газов тепловых электростанций являются серный и сернистый ангидриды, которые образуются из серы, содержащейся в топливе. В качестве критерия, определяющего сернокислотную коррозию, принимается показатель 100Sr К Аr Щ где Sp и Ap — соответственно серосодержание и зольность топлива, %, Щ СаO+MgO+Na O — суммарное содержание щелочных окислов в золе топлива, %. 2 35 При сжигании на ТЭС сернистого и высокосернистого мазутов, большинства донецких и подмосковных углей образуются агрессивные дымовые газы. В этом случае на электростанции рекомендуется установка обслуживаемых дымовых труб с проходным зазором и газоотводящим стволом постоянного сечения из стали или кислотоупорного материала при высоте труб более 240 м. Для дымовых труб высотой 240 м и ниже рекомендуется использование труб с противодавлением в зазоре. 36 При использовании на ТЭС топлив, в результате сжигания которых получаются слабоагрессивные и неагрессивные газы, можно применять конструкции дымовых труб как необслуживаемых (дымовые трубы с коническим газоотводящим стволом и вентилируемым воздушным зазором или без него), так и обслуживаемых с газоотводящим стволом постоянного сечения). В слабоагрессивных и неагрессивных газах концентрация сернистого ангидрида не превышает 0,07 %, серного ангидрида — 0,0015 %, точка росы по сере лежит на уровне 50—80° С. К этой группе углей относятся экибастузский, кузнецкий, канско–ачинский и некоторые другие угли. 37 По условиям надежности энергетические и пиковые водогрейные котлы целесообразно, как правило, подключать на один газоотводящий ствол, т. е. не выделять отдельного газоотводящего ствола для пиковых котлов. В этом случае при выходе из строя одного ствола не происходит полного отключения пиковых водогрейных котлов, так как оборудование, подключенное к другим газоотводящим стволам, остается в работе. На раздельное подключение энергетических и пиковых водогрейных котлов следует идти в том случае, если совместное подключение не проходит по условиям обеспечения самотяги пиковых водогрейных котлов ПТВМ. На пиковые водогрейные котлы с дымососами (КВ-ГМ и КВ-ТК) это ограничение не распространяется. 38 Тяга в дымовой трубе котельного агрегата Тяга в дымовой трубе котельного агрегата и ввод воздуха в топку котла могут быть естественными и искусственными. Для горения топлива необходим непрерывный подвод в топку котла атмосферного воздуха и удаление из топки котла образующихся дымовых газов в атмосферу через дымоход и дымовую трубу. Естественная тяга осуществляется в котельных агрегатах производительностью до 2,5 т/ч и с сопротивлением газового тракта не более 300 Па (30 мм водяного столба) при сжигании нешлакующих или малошлакующих топлив (дрова, торф) с помощью установки дымовой трубы. Естественной тягой называют разность давлений (появляющуюся вследствие различных плотностей наружного холодного воздуха и горячих дымовых газов в трубе котельной установки, которая приводит к возникновению движения потока дымовых газов в газоходах котла. 39 Тяга, Па, создаваемая в трубе газами Pг Н тр g г g где Нтр — высота дымовой трубы, м; gг — плотность дымовых газов в дымовой трубе, кг/м , g — ускорение свободного падения (9,81 м/с2). р — давление, создаваемое на том же уровне наружным воздухом, 40 Сила естественной тяги 1 1 Н тр gp0 Tв Т г S т Рв Рг 287,1 где Sт — тяга, создаваемая дымовой трубой; р0 — давление воздуха по барометру. Па; ТВ — термодинамическая температура наружного воздуха, К ТГ — средняя термодинамическая температура газов в дымовой трубе, К; 287,1 — газовая постоянная воздуха (Rв); газовая постоянная газообразных продуктов сгорания (Rг) зависит от их состава — Rг к Rв 41 Дымовые газы при прохождении через котлоагрегат испытывают сопротивление о твердые поверхности газохода и сопротивление, вызываемое изменением направления движения потока газа. Высоту дымовой трубы принимают такой, чтобы всегда имелся некоторый запас тяги, т.е. разрежение в топке (создаваемое трубой), которое должно быть больше суммы всех сопротивлений, получающихся в процессе прохождения газов по газоходам котлового агрегата. Для нормальной работы топки котла необходимо поддерживать в ней постоянное разрежение 20 — 30 Па (2 — 3 мм вод. ст.). Поэтому полная тяга, Па, создаваемая дымовой трубой и обозначаемая S, должна быть достаточной для преодоления всех аэродинамических сопротивлений котельного агрегата и создания разрежения в топке Sт = Σ ΔSka + 20 30 где ΔSka — сумма сопротивлений всех элементов котельного агрегата. 42 Изменение тяги В зависимости от температуры наружного воздуха тяга дымовой трубы изменяется: чем ниже температура наружного воздуха, тем больше разность плотностей воздуха и дымовых газов в трубе и тем больше тяга, чем выше температура наружного воздуха, тем меньше тяга. Изменение тяги происходит и при изменении режима работы парового котла. В этом случае тягу регулируют большим или меньшим открытием соответствующих заслонок. При увеличении нагрузки котлов увеличивают часовое количество сжигаемого топлива, количество подаваемого в топку воздуха и усиливают тягу, что осуществляется большим открытием соответствующих заслонок, а при снижении нагрузки котла уменьшают подачу в топку топлива и воздуха и соответственно прикрывают заслонки. 43 Методика расчета рассеивания вредных веществ и выбор оптимальной высоты дымовой трубы 44 РАССЕИВАНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРЕ U Условия безопасных выбросов Смi< ПДКi Мi< ПДВi Мi/ Vдг< НУВi Мi Vдг ПДВi НУВi Н Смi 1,5 м ПДКi 0 X Хмi 45 Cм i i F m n ηр 2 3V T дг где А - коэффициент температурной стратификации атмосферы (распределение температуры воздуха по вертикали) при неблагоприятных метеорологических условиях: Мi – массовый выброс i-го загрязняющего вещества, г/с: Н - высота дымовой трубы; Vдг - объем дымовых газов, выбрасываемых из трубы, м3/с; Т - разность температур газов и окружающего воздуха, ОС; m и n - безразмерные коэффициенты, зависящие от скорости выхода газов из устья трубы; F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость осаждения твердых частиц золы в атмосфере (для газовых примесей равный единице), а для пыли и золы 2,5 при степени очистки в золоуловителях до 90 % и 2 при большой 90 %; - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности (для ровной и слабопересеченной местности = 1). 46 Для Казахстана, Нижнего Поволжья, Кавказа, Молдовы, Сибири, Дальнего Востока и Средней Азии А = 200; для севера и северо-запада европейской территории России, Среднего Поволжья, Урала и Украины А=160; для центральной части европейской территории России А=140; для субтропической зоны Средней Азии А=250. При расчете Т температура окружающего воздуха определяется из климатологического справочника для летнего времени в дневные часы. 47 w0 – скорость выхода газов из устья трубы, определяется по формуле w0 Д 4Vдг Д 2 – диаметр устья дымовой трубы, м; Коэффициент m определяется в зависимости от параметра f m 1/ 0,67 0,1 f 0,34 3 f 48 Коэффициент параметра VM определяется в зависимости от V 0,3 n3 n n 3 VM 0,3 4,36 VM n 1 Для ТЭС обычно при M при 0,3 VM 2 при VM 2 VM 2 и n 1 49 Максимальная приземная концентрация определяется при опасной скорости ветра U Это такая скорость ветра, при которой для заданного состояния атмосферы рассеивание дымовых газов идет наихудшим образом и концентрация вредных примесей на уровне дыхания человека достигает своей максимальной величины. Величина опасной скорости ветра U , м/с на уровне флюгера (обычно 10 м от уровня Земли) определяется по следующим соотношениям: VM 0,5 U 0,5 при U VМ при 0,5 VM 2 U V 1 0,12 f при VM 2 50 где параметр VM определяется: Vм 0,65 Vдг T / H f 103 w02 Д / H 2 T ) Расстояние X м на котором достигается максимальная концентрация вредных веществ C м i по оси факела, при F 2 определяется как Χ м dH 5 F / 4 м а при F 2 как X м dH м 51 Где d – безразмерная величина, определяется по формулам: при VM 2 при VM 2 3 f d 4,25 V 1 0,28 M 3 d 7 VM 1 0,28 f 52 Расчет подфакельной приземной концентрации на расстоянии Х от трубы Концентрация вредных веществ в атмосфере по оси факела на различных расстояниях Х от источника выброса C xi S1Cмi где S1 – безразмерная величина, определяемая по формулам: X 1 S1 3 X 4 8 X 3 6 X 2 при S1 1,13 / 0,13 X 2 1 1 X 8 при S1 1/ 3,18 X 2 3,52 X 12 при X X / X М X 8 где и F 2 S1 1/ 0,1X 2 2,47 X 17,8 при X 8 и F 2 X X / X М - относительное расстояние до максимальной концентрации. 53 Расчет подфакельной приземной концентрации при скорости ветра U Максимальная приземная концентрация вредного вещества при скорости ветра U, отличающейся от опасной скорости ветра U определяется по формуле Cмui rCмi где r – безразмерная величина, определяемая в зависимости от отношения U U / U M по формулам: r 0,67U 1,67U 2 1,34U 3 при U 1 r 3U / 2U 2 U 2 при U 1 54 Расстояние от источника выброса X мu , на котором при скорости достигается Cмui определяется по формулам: где X мu pX м p – безразмерная величина, определяемая по формулам: p3 при U 0, 25 5 p 8,431 U 1 при 0, 25 U 1 p 0,32U 0,68 при U 1 55 Расчет приземных концентраций вредных выбросов от нескольких дымовых труб ТЭС Если на ТЭС выброс дымовых газов организуется от Z нескольких одинаковых (высота и диаметр устья), расположенных близко друг к другу труб, то для расчета рассеивания выбросов можно использовать выше приведенную методику, подставляя в уравнения количество труб Z , суммарный от всех труб выброс и объем газов Vдг i C Мi i Fmnηр V 0,65 Vдг T / ZH Z 3 Vдг T f 103 w02Д / ZH 2 T ) 2 Далее в расчетах рассеивания следует сравнить максимальные приземные концентрации каждого вредного выброса с предельно-допустимыми концентрациями на эти выбросы с учетом фоновых. 56 Распределение концентрации вредных веществ в атмосфере от организованного высокого источника выбросов 57 Зона задымления является наиболее опасной и должна быть исключена из селитебной застройки. Ее размеры в зависимости от метеоусловий находятся в пределах 10-50 высот дымовой трубы. Максимальная концентрация загрязняющего вещества в приземном слое атмосферы прямо пропорциональна массовому расходу загрязняющего вещества М и обратно пропорциональна квадрату высоты источника Н2. 58 Атмосферная турбулентность Атмосферная турбулентность является результатом двух процессов: а) конвективная турбулентность - естественные конвективные потоки как результат нагревания атмосферы (dρ/dz); б) механическая турбулентность является результатом ветрового сдвига - (du/dz). 59 Распределение концентрации примеси в атмосфере под факелом точечного источника На процесс рассеивания в атмосфере выбрасываемых из дымовых труб и вентиляционных устройств промышленных выбросов существенное влияние оказывают следующие факторы: состояние атмосферы; физические и химические свойства выбрасываемых веществ (плотность, температура газа, дисперсный состав пыли и т.д.); высота и диаметр источника выброса; расположение источников; рельеф местности. 60 Высота начального подъема Повышение температуры и момента количества движения струи выбрасываемых газов приводит к увеличению высоты дымового факела и снижению приземной концентрации загрязняющих веществ При слабом ветре отчетливо видно, что дым из трубы сначала распространяется почти вертикально вверх и только на некотором уровне его движение приобретает горизонтальные составляющие 61 Это связано с тем, что выбросы из дымовых труб обычно обладают начальной скоростью подъема и перегреты относительно окружающего воздуха. Создается впечатление, что источник примеси приподнят над трубой на высоту Δh (высота начального подъема примеси). Поэтому в расчетах вместо источника с реальной высотой h следует рассматривать некоторый виртуальный источник с характерной эффективной высотой Н: Н = h + Δh Δh зависит от скорости ветра и перегрева дымовых газов относительно окружающего воздуха. Значение Δh можно определить с помощью приближенной формулы, полученной на основе экспериментальных данных. При ее разработке использовались фотографии дымовых факелов, полученных в естественных и лабораторных условиях. 62 wo – скорость газов на выходе из источника, м/с; Ro – радиус дымовой струи, м; u – скорость ветра, м/с; V1 – объемный расход дымовых газов, м3/с; ΔT – перегрев газов относительно окружающего воздуха, оК; Ta – температура окружающего атмосферного воздуха, оК. 63 Рассеивание в атмосфере газообразных примесей и мелкодисперсных твердых частиц (диаметр менее 10 мкм), имеющих незначительную скорость осаждения, подчиняется одним и тем же закономерностям. Для более крупных частиц пыли эта закономерность нарушается, т.к. скорость их осаждения под действием силы тяжести возрастает. Поскольку в пылегазоочистных аппаратах крупные частицы улавливаются более эффективно, чем мелкие, в выбросах после очистки остаются только мелкие частицы и их рассеивание в атмосфере рассчитывают так же, как и газообразные примеси. 64 Климатические условия рассеивания примесей в атмосфере Метеоусловия оказывают существенное влияние на перенос и рассеивание примесей в атмосфере. Наибольшее влияние оказывает режим ветра и температуры (температурная стратификация), осадки, туманы, солнечная радиация. Основными процессами, обеспечивающими перемешивание воздуха в нижней атмосфере, являются: 1) температурный градиент 2) механическую турбулентность, связанная с взаимодействием ветра с подстилающей поверхностью. 65 Ветер Ветер может оказывать различное влияние на процесс рассеивания примесей в зависимости от типа источника и характеристики выбросов. Если отходящие газы перегреты относительно окружающего воздуха, то они обладают начальной высотой подъема. В связи с этим вблизи источника создается поле вертикальных скоростей, способствующих подъему факела и уносу примесей вверх. При слабых ветрах этот подъем обусловливает уменьшение концентраций примесей у земли. Концентрация примесей у земли убывает и при очень сильных ветрах, однако это происходит за счет быстрого переноса примесей в горизонтальном на правлении. В результате наибольшие концентрации примесей в приземном слое формируются при некоторой скорости, которую называют “опасная”. 66 При низких или холодных источниках выбросов повышенный уровень загрязнения воздуха наблюдается при слабых ветрах (ω = 0÷1 м/с) вследствие скопления примесей в приземном слое. Следовательно, при исследовании загрязнения воздуха в городе следует учитывать как повторяемость малых скоростей ветра, так и повторяемость «опасной» скорости ветра. Прямое влияние на загрязнение воздуха в городе оказывает направление ветра. Существенное увеличение концентрации примеси наблюдается тогда, когда преобладают ветры со стороны промышленных объектов. 67 Температура Если температура окружающего воздуха понижается с высотой, нагретые струи воздуха поднимаются вверх (конвекция), а взамен их опускаются холодные. Такие условия называются конвективными. Если вертикальный градиент температуры будет отрицательным (температура возрастает с высотой), то вертикально поднимающийся поток становится холоднее окружающих масс и его движение затухает. Такие условия называются устойчивыми инверсионными. 68 Инверсия температуры Инверсия температуры (инверсионная стратификация) – повышение температуры воздуха с высотой. Если повышение температуры начинается непосредственно от поверхности земли, инверсию называют приземной (радиационная инверсия), если же с некоторой высоты над поверхностью земли — приподнятой (инверсия осаждения). Инверсии затрудняют вертикальный воздухообмен и рассеивание примесей в атмосфере. 69 Инверсии температуры в нижней тропосфере Инверсии температуры в нижней тропосфере возникают в результате следующих явлений: охлаждение земной поверхности вследствие радиационного излучения; охлаждение приземного слоя за счет затрат тепла на испарении воды или таяние снега; сток холодного воздуха в пониженные части рельефа; на побережье морей в теплое время года при морских бризах 70 Градиент температуры и устойчивость атмосферы Любая масса газа при перемещении в атмосфере вверх расширяется, а при перемещении вниз – сжимается в соответствии с распределением давления в атмосфере по вертикали. Если градиент температуры по вертикали равен 1оС на каждые 100 м, эти изменения объема протекают адиабатно, т.е. без подвода и отвода тепла. При различных метеоусловиях градиент температуры может быть как больше, так и меньше адиабатного значения. При возникновении температурной инверсии он приобретает противоположный знак. 71 Градиент температуры и устойчивость атмосферы Возможность теплового перемешивания можно определить, сравнив реальный температурный градиент в окружающей среде с адиабатическим вертикальным градиентом температуры. — фактический градиент температуры в окружающем воздухе, — — — адиабатический вертикальный градиент температуры. 72 Когда вертикальный температурный градиент в окружающей среде больше адиабатического градиента Г, атмосферу называют сверхадиабатической. (Это означает, что действительный температурный градиент более отрицателен, чем адиабатический). Когда небольшой объем воздуха V с температурой А переносится быстро вверх (случай турбулентной флуктуации в атмосфере), его расширение хорошо аппроксимируется как адиабатическое. Его конечное состояние может быть описано точкой Б, которая лежит на прямой адиабатического градиента 73 В этом состоянии температура объема V в точке Б больше, чем температура окружающего воздуха на этой высоте, представленная точкой В, которая лежит на прямой температурного градиента окружающего воздуха. Рассматриваемый малый объем воздуха V, таким образом, имеет меньшую плотность, чем окружающий воздух (то же самое давление, но при более высокой температуре), и имеет тенденцию продолжать движение вверх. Если такой же объем воздуха начнет случайно двигаться вниз, он подвергнется адиабатическому сжатию при температуре Д, которая ниже, чем температура окружающего воздуха Е. Поскольку его плотность больше, рассматриваемый объем будет продолжать движение вниз. 74 Любая атмосфера, для которой характерен сверхадиабатический градиент температуры, является неустойчивой. Степень устойчивости атмосферы определяет способность атмосферы рассеивать загрязнители. Устойчивость атмосферы определяется отсутствием значительных вертикальных движений и перемешивания. 75 Градиент температуры и форма струи дыма Возможные варианты распространения струи дыма из высокого одиночного источника при различных градиентах температуры в приземном слое 76 Волнообразная струя, сильная неустойчивость Сверхадиабатный вертикальный температурный градиент. Сильная конвективная турбулентность. Неустойчивое состояние атмосферы. Возникают клубы дыма, загрязнения интенсивно рассеиваются в больших объемах. На отдельных участках приземного слоя могут оказаться высокие концентрации. Картина характерна для ясных дней при нагревании земной поверхности солнцем, при слабых ветрах. 77 Конусообразная струя, устойчивость близка к безразличной Малые температурные градиенты. Доминирует мелкомасштабная механическая турбулентность. Атмосферное состояние устойчиво и условия рассеивания загрязняющих веществ менее благоприятны. Дымовой факел имеет форму конуса (половина угла раствора струи составляет ≈10о). Большая часть примесей переносится далеко в направлении ветра, прежде чем в значительной концентрации достигнет уровня земли. Картина характерна для облачных дней-ночей, при умеренных ветрах. Облачность препятствует притоку солнечной радиации днем и оттоку ее от поверхности земли ночью. 78 Веерообразная струя, поверхностная инверсия, сильная устойчивость Большой отрицательный градиент температуры. Толстый инверсионный слой. Слабая механическая турбулентность. Струя приобретает веерообразную форму и распространяется горизонтально. Сечение струи приближается к эллиптическому, загрязнения удаляются на большие расстояния. Земной поверхности достигают низкие концентрации примесей. Картина характерна для безветренных, ясных ночей, когда земля охлаждается, излучая тепло 79 Задымляющая струя, приподнятая инверсия выше горловины трубы Инверсионный слой расположен выше устья трубы. Он является преградой для рассеивания выбросов. Образуется задымляющая струя, и выбросы газа направляются на землю. Концентрация загрязнений в приземном слое может в десятки раз превышать расчетную. Картина характерна для раннего утра после ночи с устойчивой инверсией: утреннее солнце нагревает землю, развивается отрицательный температурный градиент в направлении от поверхности земли. При достижении отрицательным градиентом высоты трубы большие объемы выброса, сформированные в виде веерообразной струи, переносятся к поверхности земли вдоль направления ветра. 80 Приподнятая струя, инверсия ниже горловины трубы Инверсия заканчивается ниже устья дымовой трубы. Инверсионный слой служит естественной преградой, предотвращающей опускание загрязненной струи на землю. ЗВ рассеиваются в направлении ветра и заметных приземных концентраций не образуется. Картина характерна для послеполуденного время, раннего вечера при ясном небе. В течение солнечного дня развивается отрицательный температурный градиент в нижнем слое атмосферы. Излучаемое поверхностью земли тепло в позднее послеполуденное время приводит к образованию инверсии вблизи поверхности. При развитии инверсии приподнятая струя переходит в веерообразную. 81 Ограниченная струя, инверсии ниже и выше горловины трубы При размещении инверсии как выше, так и ниже верхней точки трубы, образуются условия для ограниченной струи. Рассеяние примесей в этом случае происходит только в слое между двумя устойчивыми областями атмосферы. Если при ослаблении ветра до штиля наблюдается инверсия, то может образоваться «потолок», препятствующий подъему выбросов. Концентрация примесей у земли резко возрастает. Поэтому для состояния атмосферы в городах большую опасность представляет приземная инверсия температуры в сочетании со слабыми ветрами, т.е. ситуация «застоя воздуха». 82 Туманы. Осадки. Солнечная радиация Туманы на содержание загрязняющих веществ в атмосфере влияют следующим образом. Капли тумана поглощают примесь, причем не только вблизи подстилающей поверхности, но и из вышележащих, наиболее загрязненных слоев воздуха. Вследствие этого концентрация примесей сильно возрастает в слое тумана и уменьшается над ним. Растворение сернистого газа в каплях тумана приводит к образованию серной кислоты. Осадки очищают воздух от примесей. После интенсивных длительных осадков высокие концентрации примесей в атмосфере практически не наблюдаются. Солнечная радиация обусловливает фотохимические реакции в атмосфере с образованием различных вторичных продуктов, обладающих часто более токсичными свойствами, чем вещества, поступающие от источников выбросов. Например, происходит окисление сернистого газа с образованием сульфатных аэрозолей. 83 Показатель загрязнения атмосферы В ряде случаев требуется детализация или уточнение климатических условий применительно к урбанизированным территориям, поскольку источники промышленных загрязнений расположены, как правило, в городах. В крупных городах формируется свой микроклимат, существенно меняются аэродинамические, радиационные, термические и влажностные характеристики атмосферы. Выделение в городах большого количества тепла, изменение газового и аэрозольного состава воздуха приводят к повышению температуры воздуха и образованию так называемых «островов тепла». Повышение температуры над крупным городом по сравнению с температурой окружающей местности может наблюдаться до высоты в несколько сотен метров. 84 При решении практических задач, связанных с защитой чистоты атмосферы, необходима комплексная оценка климатических условий переноса и рассеивания примесей над заданным географическим районом. Для этого разработан ряд различных показателей. Например, в Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова разработан показатель загрязнения атмосферы (ПЗА), представляющий собой отношение средних уровней концентраций примеси при заданных выбросах в конкретном и условном районах: 85 ПЗА показывает, во сколько раз средний уровень загрязнения воздуха в конкретном районе, определяемый реальной повторяемостью неблагоприятных для рассеивания примесей метеоусловий, будет выше, чем в условном. На территории государств СНГ ПЗА изменяется в пределах от 2,1 до 4,0, т.е. при равных параметрах выбросов уровень загрязнения атмосферы в различных городах может отличаться почти в 2 раза за счет разной повторяемости неблагоприятных метеоусловий. Минимальные значения ПЗА получены для северо-западных районов европейской территории, побережья Белого и Баренцева морей, где отмечается минимальная повторяемость слабых ветров и приземных инверсий. Максимальные значения ПЗА наблюдаются в Восточной Сибири, что связано с мощными зимними антициклонами, обусловливающими слабые ветры и стратификацию атмосферы. 86
