CC BY
142
УДК 551. 510. 04
РАСЧЕТ РАССЕИВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ВСЛЕДСТВИЕ РАБОТЫ ОДИНОЧНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ИСТОЧНИКА
© 2012 А.В. Терещенко
Самарский государственный аэрокосмический университет имени акад. С.П. Королева (национальный исследовательский университет)
Поступила в редакцию 29.09.2011
В данной статье предлагается вариант методики расчета концентрации вредных веществ в приземном слое при выбросах одиночным источником предприятия на основе ОНД-86. Для упрощения алгоритма расчетов и программирования большинство групп уравнений заменяются путем аппроксимации одним уравнением. Погрешность предложенного варианта расчета менее 5%, что вполне устраивает практику расчетов.
Ключевые слова: высота источника, максимальная концентрация, скорость ветра, перепад температуры, расстояние до максимума концентрации, аппроксимация.
Методика ОНД-86 [1] представляет собой фундаментальный труд, разработанный большой группой ученых самых разных научных направлений и специальностей. Известные на сегодня работы [2-6] и др. основаны на формулах ОНД-86 без каких-либо модификаций. В интернете новых разработок нет. В представляемой работе производится упрощение алгоритма ОНД-86 сокращением количества расчетных формул, примеры расчетов и выводы.
1. По ОНД-86 [1] максимальная приземная концентрация вредного вещества определяется уравнением:
C
m
АМ F m nil
н 2 vvat
(1)
ДТ - разность между температурой выбрасываемой газо-воздушной смесью и температурой окружающего атмосферного воздуха [°С];
VI - расход газо-воздушной смеси, определяемый по формуле:
nD
(2)
где: A - коэффициент, зависящий от климата и широты данной местности ( А=140-250 );
M - масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени одиночным промышленным источником (трубой), [г/с] ;
F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе ( F = 1 -3 );
m и n - коэффициенты. учитывающие условия выхода газо-воздушной смеси из устья источника выброса;
H - высота источника выброса (трубы) над уровнем земли [м];
П - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности, в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, п = 1;
Терещенко Анатолий Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Экология и безопасность жизнедеятельности». E-mail: [email protected].
где: о - диаметр устья источника выброса [м], ю0 - скорость выхода смеси из устья источника.
Дополнительно ив - скорость ветра, [м/с].
В работе приняты понятия: холодные выбросы источника - когда температура вредных выбросов близка к температуре атмосферного воздуха и эта разница при расчетах принята в пределах 5ос, горячие выбросы - когда температура выбросов превышает температуру атмосферы более 5оС .
2. В ОНД коэффициенты т и п определяются в зависимости от параметров:
2 гч
Ю D
f = 1000- 2
H 2Дт
V, = 0,65 з
V дт
H '
V = 1,3
H
М 1 '
(3)
(4)
(5)
fe = 800 (V)3. (6)
3. По ОНД коэффициент m в зависимости от f определяется по формулам:
m =_1_
при f < 100 т = 0,67+0,1^+0,34 3jf (7)
при / > 100 т =
1,47
3/
(8)
При программировании, если параметр f < 100, то коэффициент т вычисляется по формуле ( 7 ), если f > 100, то по формуле ( 8 ). Здесь и ниже в ОНД-86 в программе таких условных команд "если" очень много. Когда в программе их много, то высока вероятность ошибки. В связи с этим уходит много времени на поиск и устранение ошибок, поэтому предпочтительней было бы иметь прямой расчет с минимальным количеством команд "если".
С целью упрощения процедуры программирования и расчетов два диапазона по формулам (7), (8) для 0,001 < f < 2000 заменяем с погрешностью до 3% одним приближенным уравнением:
т = 0,65 / -°Д85(10В ), (9)
где Б = Ж0 + Ж1,
Ж0 = 0,0008 (1в /)4 - 0,0015 (1в /)3
Ж = -0,0397 (1в / )2 + 0,034 (1в /) + 0, 141
По формуле ( 9 ) имеем возможность выполнять прямые расчеты коэффициента т в широком диапазоне параметра f без условных команд "если" по принципу "X подставил У получил".
Если ^ < f < 100 значение коэффициента т вычисляется при f = fe.
4. По ОНД коэффициент п при f < 100 определяется в зависимости от и м по формулам:
> 2
П = 1 при
П = 0,532^^ -2,13 V
1 ПА ' 71
при 0,5< Vм< 2 П = 4,4 V
V < 0,5
(10) (11)
(12)
м при м
По аналогии с предыдущим заменяем с погрешностью до 5% все диапазоны формул (10) -
(12) для 0,1 <^м < 10 одним приближенным уравнением:
П = 10Б1 , где Бг = А1 + А2 + А3 + А4 , (13)
А = 0,612 (V )6 - 1,181 (V )5
л/
л/
-0,702 )4 +1,977 (V,)
м
м
-0,276(^м) - 0,624(/^),
м
м
А4 = 0,185.
3. Для f > 100 или АТ ~ 0 ( в программе 1 < АТ < 50С ) и и м > 0,5 (холодные выб-
росы, при которых температура выбрасываемой смеси превышает температуру атмосферного воздуха не более, чем на 5 0С ) при расчета ст вместо формулы (1) используется формула (14)
С
АМ Е пц
т
Н
4/3
где
К
п
Б
! V 7,1л[щУ1
вычисляется по
к
(14)
формуле (13)
при V =V . мм
4. При f < 100 и Vм< О,5 или f > 100
иV < 0.5 ( случаи предельно малых скоростей ветра ) максимум концентрации Ст вместо формулы (1) рассчитывается по формулам (15-17):
С
АМ Ет ц
т
Н
7/3
(15)
где:т' = 2,86 т при/ < 100, ^ < 0,5, (16)
т ' = 0,9 при / > 100, Vм < 0,5 . (17)
4. Расстояние X т [м] от источника выбросов, на котором приземная концентрация С [мг/ м3] достигает максимального значения > определяется по формуле:
5 - Е
X =-<Н , (18)
т
4
где безразмерный коэффициент ё при f < 100 (горячие выбросы ) находится по формулам:
при V < 0,5 . (19)
ё = 2,48( 1 + 0,28 /)
< = 4,95 Vм(1 + 0,28 /. (20)
при 0,5 < Vм < 2
ё = + 0,28 при V > 2. (21)
Формулы (20, 21) заменяются с погрешностью до 5% без коэффициента К1 для 0,5 <VM < 10 одним приближенным уравнением:
ё = (Б2 + БЪ)КХ, (22)
Б2 = -0,0066 V
м
4 + 0,171 V 3 - 1,635 V 2
м
м
Б 3 = 8,155 V - 1,556,
„ К! = (1 + 0,28 /
Таким образом, для расчета коэффициента ё вместо трех формул (19- 21) используется две формулы (19, 22).
При f > 100 или АТ ~ 0 ( 1 < АТ < 5 ) т.е холодные выбросы, коэффициент ё вычисляется по формулам:
1
а
2
3
ё = 5,7 при V < 0,5
(23) , м ,
ё = 11 4 V при 0,5 < V < 2
' м м
(24) ГТ '
ё = 16(25)м при ^> 2
Три формулы (23-25) для коэффициента ё можно заменить с погрешностью до 5% одной формулой для (0,1 < Vм < 10 ) :
ё = 10^4 ,где Б4 = Ж2 + Ж3 + Ж4 , (26)
Ж2 = 0,755 (V)5 - 0,06 (V)4,
Ж3 = - 1,295 (V)3 + 0,25 (V)2,
Ж4 = 1,021 (V) + 1,046.
5. По ОНД-86 опасная скорость ветра ит [м/с], при которой достигается максимум приземной концентрации вредных веществ (примерно 10 м от уровня земли ) в случае f < 100 (горячие выбросы ), определяется по формулам:
ит = 0,5 при ^ < °Л (27)
ит V при 0,5 < V < 2, (28)
м
ит V (1 + 0,12^7) при 1>м > 2. (29)
С целью упрощения формулы (27, 28) можно заменить для °Л <^м < 2 одним уравнением:
ит = (Л + Л2 + Лз) , (30)
Л1 = 0,745 V6 + 4,793 V5 - 11,585 V4 ,
1 м м м'
С2 =-12,551 фм)4 + 13,933
м
С3 = -6,217(^ )2 + 1,065^м) + 0,444 , »
а значения ит для V м > 2 определяются прежней формулой (33)
7. Максимум приземной концентрации вредного вещества Сми [мг/м3] и скорости ветра ив [м/с], отличающейся от опасной скорости ветра ит [м/с] определяется по формуле:
Сми = ГСт, (35)
а безразмерный коэффициент Г в зависимости
и7
иТ
от отношения
и
при
и
< 1
тт
определяется по формулам:
и
Г = 0,67(-В) + 1,67(^г- 1,34ць-г, (36)
ит ит ит
и
В <2
и
В <3
иВ
а при -> 1
и
т
Г =
и В
и
т
и В 2 2 (-В-) -
ит
и
и В V и т )
+ 2
(37)
Две формулы (36, 37) заменяем с погрешностью до 5% одной приближенной формулой для
иВ
(0,1 < -В < 20):
ит
Л2 =12,655 V3 - 5,448 V2 , 2 ' м ' м'
Л3 = 0,875 V + 0,458 3м
а диапазон для м > 2 рассчитывается по формуле (29).
6. Опасная скорость ветра ит [м/с] в случае f > 100 или ДТ ~ 0 ( холодные выбросы ) определяется по формулам:
ит= 0,5 при V < 0,5, тм
(31)
и = V при 0,5 < V < 2, (32) т м И ' м ' 4 '
ит = 2,2 ^ при > 2 . (33)
м
м
Две формулы (31) и (32) заменяем для
гаем:
(34)
0,1 < Vм < 2 одним приближенным уравнением:
и = С1+ С7 + С
т 1 2
1 ~ ~ ^3 , 6
С =-0,787 ( V )6 + 5,126 ( V )5,
1 м м
Ф
где
Г = 10
ф1 = т + т2 + т3
3
(38)
иВ ^6
иВ -5
Т =-0,212 (1ви*- ) - 0,04 (1в^ )-/и т
и
В )4
и
В3
Т2 = 0,89 ( ) + 0,0023 (
и
т
и
т
иВ. 2
и
Т3 =-1,6 (^ У + 0,175 ) - 0,022
и
и
т т
8. Расстояние от источника выброса Х^[м], на котором при скорости ветра [м/с] приземная концентрация вредных веществ достигает максимума Сми [мг/м3], определяется по формуле:
Хми = РХ
т
(39)
где р - безразмерный коэффициент, опре-
. ив
деляемый в зависимости от отношения ц— по
т
формулам:
и
р = 3 при —В < 0,25 , (40)
и
т
ив 3
Р = 8,43 ( 1--в ) + 1
и
и ' при 0,25 <-В< 1 ,(41) т и
т
ив ив
Р = 0,32-В + 0,68 при —в > 1. (42)
ии
тт Формулы (40)-(42) заменяются для диапазона
ив
0,1 < 20 одним приближенным уравне-
т
нием:
Р = 10 1, где Н1 = Ю + Ю2 + Ю3, (43)
и
Ю1 = 0,436 (18 — )6- 0,214 (18 — )
и
в5
и
т
и
Ю2 = - 1,31 ( 1в -В)4 + 0,673 ( 1в -в)
и
т
и
в3
и
и
т
т
и
Ю3 = 1,331 ( 18— )2 - 0,378 ( ^ —В) + 0,06
и
и
и
X
т
X
при-< 1 по формуле:
X
т
' = 3 ^ 8 (1Т>' + 6 Ф- >' .(45)
т т т
X
и при 1 <-<
X
т
б 1 =
1,13
0,13 (— )2 +1 X
т
(46)
Формулы (45) и (46) заменяем для диапа-
X
зона 0 1 <-< 8 одним приближенным
X
т
уравнением:
Б = 10 Д , где Д = И +И2 + И3 + И4, (47)
X
X
И, =- 0,322 Об—) - 0,265 (18-—)
X
т
X
т
X
X
И 2 = 0,754 (18-—) + 0,291 (18—)
X
т
X
т
И3 =-1,647 (18X-) + 0,042 (18-X- ), т т
И4 = 0,002.
X
Для других значений р и- коэффи-
X
т
циент по ОНД-86 определяется так:
X
б 1 =■
X
т
т т
9. При опасной скорости ветра ит [ м/с ] приземная концентрация вредных веществ С [мг/м3] в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях X [м] от источника выброса определяется по формуле:
С = БхСт, (44)
где - безразмерный коэффициент, определя-
X
емый в зависимости от отношения
3,58 (-Х-)2 - 35,2 X
т
X
( \ X
(48)
X V т у
+ 1 20
при 1 < Б < 1,5 и -> 8 ;
X
т
Б !=•
1
0,1 ()2 + 2,47 X
т
X
( \ X
(49)
X V т
- 1 7,8
при Б > 1,5 и-> 8
X
т
Выполнено сравнение результатов расчетов по приведенным приближенным формулам и по формулам ОНД-86, для чего исходные данные взяты из примера ОНД-86: температура выбра-
сываемой смеси ТС = 125 ° С ; температура окружающего воздуха ТВ = 25°С ; выброс двуокиси серы М 0 = 12 г / с ; коэффициенты: А = 2°° , Б = 1 = 1, высота трубы Н = 35м ; диаметр устья трубы Б = 1,4м , скорость выхода выбрасываемой газовоздушной смеси СО° = 7 м / с . Отличие результатов по максимальной концентрации С и расстоянию до нее Хт до 4%. Для практических расчетов получена вполне приемлемая погрешность.
Нижеприведенные примеры результатов исследования (рис. 1, 2.) выполнены из условия наддува чистого атмосферного воздуха на вход трубы с целью уменьшить концентрацию вредных веществ, движущихся в смеси вверх по трубе. Исходные данные для расчетов: высота трубы Н=100м, ее диаметр D = 2м, температура выбрасываемой смеси меняется: интенсивность выбросов постоянна, температура атмосферного воздуха также постоянна, скорость ветра , коэффициенты: А=200, F=1, , Т] = 1. Последовательно задаем расход, что соответствует наддуву воздуха 0, 10, 30, 50% от исходного расхода смеси при постоянстве указанной интенсивности выбросов М. Рис. 1, 2 иллюстрируют результаты расчетов для трех перепадов температур выбрасываемой смеси: 100, 150, 200°С.
Целью этих расчетов является проанализировать влияние разбавления выбросов воздухом, подаваемом на вход трубы, на максимальную приземную концентрацию и на расстояние выбросов при разных их температурах и при постоянстве температуры атмосферного воздуха.
При увеличении количества воздуха, поступающего на вход трубы при постоянстве интен-
сивности выбросов вредных веществ, происходит их разбавление в самой трубе и уменьшение концентрации, общий расход смеси возрастает. Вследствие увеличения расхода согласно формуле (2) происходит увеличение скорости выхода смеси из источника. В связи с ростом скорости происходит выбрасывание смеси на большую высоту, и, падая с большей высоты при наличии ветра, вредные вещества, разбавленные предварительно в трубе, рассеиваются на большие расстояние от трубы и площадь, максимум концентрации закономерно смещается дальше от трубы (рис. 1, 2).
Если температура выбросов возрастает, увеличивается перепад температуры между температурой выбросов и атмосферным воздухом, максимум концентрации при тех же условиях снижается за счет того, что горячие выбросы как более легкие поднимаются на большую высоту, а, падая с большей высоты, рассеиваются на большую площадь и дальше от трубы.
Предложенный метод расчета с погрешностью не более 4% по отношению к ОНД-86 позволяет уменьшить количество уравнений, примерно на 65%, упростить процедуру доводки программы, выполнять расчеты, касающиеся выбросов вредных веществ одиночным промышленным источником.
Приведенным примером расчета установлено, что максимум концентрации при разбавлении вредных примесей в трубе снижается, а его расстояние от трубы увеличивается не только благодаря самого факта предварительного разбавления, но и за счет увеличения скорости выброса смеси вследствие увеличения расхода, в ре-
Рис. 1. Зависимость максимальной приземной концентрации от степени разбавления
выбросов трубы чистым воздухом при различных перепадах температур между выбросами и атмосферой: 1 - ДТ = 100 оС; 2 - ДТ = 150 оС; 3 - ДТ = 200 оС
Рис. 2. Зависимость расстояния от трубы до точки максимума приземной концентрации от степени разбавления выбросов трубы чистым воздухом при различных перепадах температур между выбросами и атмосферой: 1 - ДТ = 100 оС; 2 - ДТ = 150 оС; 3 - ДТ = 200 оС
зультате чего вредные вещества, падая с больше высоты, рассеиваются на большую площадь.
Увеличение перепада температур между температурой выбросов и температурой атмосферного воздуха также способствует снижению максимума концентрации и увеличению расстояния до нее за счет более легкой горячей смеси, поднимающейся на большую высоту и рассеивающейся дальше от трубы на большую площадь.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, 92 с.
2. Ивлиев А.В., Морозов В.В., Сенина О.А., Шакиров
Ф.М., Терентьев А.В. Промышленная экология: метод. указ. для выполнения лабораторного практикума. Самара: СГАУ, 2007. 100 с.
3. Терещенко А.В., Несоленов Г.Ф. Морозов В.В. Оптимизация геометрических параметров одиночного источника выбросов: метод. указ. к лаб. раб. № 1. Самара: СГАУ, 2009. 12 с.
4. Терещенко А.В., Несоленов Г. Ф., Морозов В.В. Влияние температуры атмосферного воздуха на параметры загрязнения атмосферы вредными веществами, выбрасываемыми промышленным источником // Экология и промышленность России. 2011. №3. С. 23-25.
5. Квашнин И.М. Предельно допустимые выбросы предприятия в атмосферу. Рассеивание и установление нормативов. М.: Техническая библиотека НП "АВОК", 2008. 425 с.
6. Васильев П.П. Практикум по безопасности жизнедеятельности человека, экологии и охране труда. М.: Финансы и статистика, 2004. 189 с.
CALCULATION OF DISPERSION OF HARMFUL EMISSIONS DUE TO THE OPERATION OF A SINGLE INDUSTRIAL SOURCE
© 2012 A.V. Tereshchenko
Samara State Aerospace University named after Acad. S.P. Korolev (National Research University)
In this article the option of a design procedure of concentration of harmful substances in a ground layer is offered at emissions by a single source of the enterprise on basis OND-86. For simplification of algorithm of calculations and programming the majority of groups of the equations are replaced with a way of approximation by one equation. An error of the offered option of calculation less than 5 % that quite arranges practice of calculations.
Keywords: source height, the maximum concentration, speed of a wind, temperature drop, distance to a concentration maximum, approximation.
Anatoly Tereshchenko, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Ecology and Health and Safety Department. E-mail: [email protected].
