Оценка эффективной высоты и потолка подъема дымового факела от высотного точечного источника выбросов вредных примесей

Оценка эффективной высоты и потолка подъема дымового факела от высотного точечного источника выбросов вредных примесей (на примере Бишкекской ТЭЦ-1)

К.Б.Бакиров, к.г.н. (КРСУ); К.Д.Дуйшоков, к.ф.-м.н. (Институт автоматики НАН КР) 

В г. Бишкек загрязнение воздушного бассейна вредными примесями происходит от различных точечных источников. Это трубы промышленных предприятий, ТЭЦ-1, разбросанных по всему городу котельных, которые работают на твердом топливе, выхлопные трубы автомобилей и др. По оценочным данным в воздушный бассейн г. Бишкек ежесуточно выбрасывается около 80т. золы и пыли, сернистого газа, окислов азота [6].

Рассмотрим согласно справочнику [6], климатические условия г. Бишкек, при которых осуществляется выброс примесей от труб ТЭЦ-1, при этом основное внимание уделим зимнему сезону, так как именно в этом сезоне осуществляется максимальный выброс вредных примесей в атмосферу.

Сезоны года, установленные по астрономическим признакам для всего полушария, не всегда соответствуют началу сезонов в том или ином районе. В связи с этим в климатологии границы сезонов определяются по датам перехода средней суточной температуры воздуха через определенные пределы, а также по некоторым другим критериям.

За начало и конец зимы для районов Средней Азии принято считать переход средней суточной температуры воздуха через 0оС в сторону понижения и повышения. Зима в Бишкеке начинается в последней пятидневке ноября и длится по февраль включительно. Начало зимы совпадает с резким уменьшением притока солнечного тепла и появлением снежного покрова. В отдельные годы даты начала и окончания зимы могут на 20-30дней отклоняться от средних дат.

Самый холодный месяц зимы – январь. Средняя месячная температура воздуха в январе -5.6оС, средняя минимальная температура января -10.5оС мороза, а абсолютный минимум -38оС (отмечался в декабре 1930г.)

Сумма отрицательных температур за зимний период составляет 365оС. Обычным для зимы являются дневные оттепели - в среднем до 18 дней в месяц. Максимальная (дневная) температура в такие периоды может достигать 20оС; возможны дни с положительной температурой (2-4дня за месяц). Наибольший период без оттепелей составляет 30дней. В такие периоды даже дневная температура воздуха не превышает 0оС. Иногда похолодания настолько сильны, что в течение 8 дней и более средняя суточная температура воздуха оказывается ниже -25оС (декабрь 1954г., январь 1955 г.).

В отдельные годы аномально холодная или аномально теплая погода может удерживаться в течение всей зимы. Такие зимы наблюдаются один-два раза за 10лет. Отклонения в сторону низких температур больше, чем в сторону высоких. Это связано с затратами тепла на таяние снежного покрова при потеплениях в зимний период. В летний период положительные и отрицательные отклонения от нормы равновелики.

Положение г. Бишкек в центральной части Чуйской долины, образованной Кыргызским хребтом (на юге) и Чу-Илийскими горами (на севере), во многом определяют особенности ветрового режима города. Из-за значительной шероховатости подстилающей поверхности, г. Бишкек характеризуется слабыми скоростями ветра [6] (табл.1). 

Таблица 1

Повторяемость различной скорости по градациям (в % от общего числа случаев за год)

Скорость ветра, м/с

0 – 1

2 – 3

4 - 5

6 – 7

8 – 9

10 - 11

Повторяемость, %

48.7

43.6

6.3

0.9

0.3

0.1

По многолетним данным средняя годовая скорость внутри города составляет 1.9 м/c и 2.6 м/с на окраине. В целом за год в г. Бишкек преобладает южный, юго-восточный ветер. В два раза реже наблюдается восточный и западный. Ветер северного, северо-восточного и северо-западного направления наблюдается очень редко. Пятую часть всего времени в году занимают штили. Повторяемость штилей зимой достигает максимальных значений (около 25%).

Из общего числа случаев, слабые скорости ветра наблюдаются часто, скорости до 3 м/c в сумме составляют 92%. Большие скорости ветра в Бишкеке наблюдаются крайне редко, например, повторяемость скоростей 15-17 м/с составляет один раз в год, один раз в 5 лет наблюдается скорость 23 м/c, один раз в 10 лет – 25 м/c, один раз в 15 лет – 27 м/c и один раз в 20 лет – 28 м/c.

Загрязненность воздуха вредными веществами зависит, как от количества выбросов и их характеристик, так и от метеорологических условий [4,6,9]. Метеорологические условия могут благоприятствовать накоплению вредных веществ или, наоборот, способствовать рассеиванию или переносу их воздушными течениями.

Выбросы вредных примесей, поступающие из дымовых труб Бишкекской ТЭЦ-1, при нормальных метеорологических условиях обладают начальной скоростью подъема и сильно перегреты относительно окружающего воздуха. Создается такое впечатление, что источник примеси как будто приподнят над трубой. Поэтому согласно М.Е.Берлянду [4], необходимо учитывать начальный подъем примеси DН и рассматривать вместо реального источника на высоте Нтр некоторый условный источник, расположенный на более высоком уровне Нe =Н tr + DН, обычно называемый эффективной высотой. Таким образом, задача сводится к определению DН в зависимости от скорости ветра, перегрева примеси и других факторов.

Формула для расчета начального подъема дымового факела получена [1,4,9] в виде

 (1)

где w0 – вертикальная скорость выброса, R0 – радиус трубы, g- ускорение свободного падения, u – скорость ветра на высоте флюгера (10м), DT – разность температур выброса из дымовой трубы и окружающего воздуха, Тв – абсолютная температура наружного воздуха. Фотографирование дымового факела нескольких мощных тепловых электростанций экспериментально подтвердило формулу (1) для дымового факела [3,7,8].

Начальный подъем примеси и эффективная высота рассчитаны для наиболее часто встречающихся скоростей ветра г. Бишкек, при постоянных параметрах источников выбросов [11] (табл.2). В качестве температуры наружного воздуха взята температура воздуха самого холодного месяца в году - января. 

Таблица 2

Технические параметры дымовых труб Бишкекской ТЭЦ-1

№ труб

Высота трубы, м

Диаметр устья трубы, м

Температура смеси, оС

Температура наружного воздуха, оС

№

Htr

Do

Tc

Tв

1

100

5,1

83,0

-5

2

180

6,0

95,7

-5

3

180

7,0

100,0

-5

4

300

9,6

125,5

-5

Представленные в табл. 3 расчетные материалы (при среднем градиенте dH/dT в тропосфере, равным 0.65) [1,2] наглядно показывают, что с увеличением высоты трубы (Htr), начальной скорости выхода дымовых газов (w) и их перегрева относительно наружного воздуха (DT) эффективная высота (He) и начальный подъем примеси (dH) значительно возрастают.

На начальный подъем примеси (DH) и эффективную высоту подъема дымового факела (Hэ) влияет скорость ветра. С увеличением скорости ветра (DH) и (Hэ) уменьшаются и при скорости ветра равной опасной скорости происходит интенсивное загрязнение приземного слоя от высотных источников выбросов (рис. e).

Как видно из табл. 3, DH и Hэ очень сильно зависят от скорости ветра. С усилением ветра DH значительно уменьшается. Разрушение дымового факела может происходить при высоких скоростях ветра.

Таблица 3

Характеристики начального подъема и эффективные высоты  дымового факела труб Бишкекской ТЭЦ-1

 

u, м/с

№ 

1

2

3

труб

DH

Hэ

DH

Hэ

DH

Hэ

1

284,05

384,05

162,02

262,02

56,41

156,41

2

438,51

618,51

239,96

419,96

77,10

257,10

3

4966,62

676,62

269,39

449,39

85,00

265,00

4

1575,33

1875,33

779,44

1079,44

195,87

495,87

Характер связи между загрязнением атмосферы в городе и скоростью ветра в значительной степени соответствует закономерностям, установленным для источников различного типа [4,9]. Влияние данного фактора на концентрацию примесей в городском воздухе проявляется двояким образом. С одной стороны, усиление ветра способствует рассеиванию примесей в атмосфере. Очевидно, что усиление ветра, как у земли, так и на более высоких уровнях определяют вынос всей массы загрязненного воздуха за пределы города и очищению воздушного бассейна. По-видимому, в отдельных городах указанная закономерность является преобладающей.

Наряду с этим ослабление ветра приводит к увеличению подъема перегретых выбросов, который особенно значителен при штиле, и, следовательно, к уменьшению концентрации примесей в приземном слое воздуха. Результаты выполненной обработки обширного материала фактических наблюдений [9] в ряде городов СНГ показывают, что и при анализе загрязнения городского воздуха, отмеченные эффекты проявляются достаточно чётко. Обнаружены два максимума концентраций в зависимости от скорости ветра на уровне флюгера: при штиле и при скорости 4 - 7м/сек.

Результаты анализа связей между концентрациями примесей в городском воздухе и скоростью ветра соответствует имеющимся физическим представлениям и выводам теоретических исследований. Два максимума концентраций, очевидно, связаны с вкладом двух групп источников, При штиле основную роль в загрязнении воздуха играют низкие выбросы. Именно поэтому штилевой максимум наиболее выражен зимой, когда вследствии пониженного турбулентного обмена ослаблено рассеивание низких и поступление в приземной слой высоких источников выбросов.

Усиление второго максимума концентрации (при скорости ветра от 4 до 7м/с) связано с интенсивным поступлением к земле выбросов от высоких источников (рис е).

Известно, что с увеличением высоты температура воздуха в основном понижается [1,2,6]. И чем сильнее понижается температура с высотой, тем интенсивнее перемешивается воздух. Нагревшийся у земли воздух становится менее плотным и поднимается вверх, способствуя очищению городского воздуха от загрязняющих веществ в нижних слоях атмосферы (рис а).

В ряде случаев в основном при излучении земной поверхности в ясные ночи наблюдается обратное распределение температуры с высотой, т.е. рост температуры с высотой (инверсия) [2,4,6,9]. Иногда инверсии формируются на некоторой высоте над поверхностью земли - приподнятые инверсии. Инверсии препятствуют развитию конвективных движений (они получили название задерживающих слоев) и способствуют накоплению загрязнения в приземном слое. Поэтому при инверсиях концентрации вредных веществ у земли возрастают.

В годовом ходе наиболее тонкие приземные инверсии в г. Бишкек наблюдаются летом [6]. Начиная с осени, мощность инверсий растет и достигает максимум (440-460м) зимой. Независимо от высоты нижней границы мощность приподнятых инверсий колеблятся от 100до 380м.

Повышение температуры воздуха с высотой приводит к тому, что выбросы из труб не могут подниматься выше определенного уровня “потолка” [4], при этом согласно [1,9] высота потолка определяется по формуле:

 (2)

Как видно из табл.4, при фиксированных параметрах выброса и постоянном коэффициенте турбулентности (устойчивое состояние атмосферы) потолок подъема вредных примесей уменьшается с увеличением градиента температуры и минимальные значения потолка подъема наблюдаются при сверх адиабатических градиентах dt/dz > 10/100м.

Таблица 4

Характеристики потолка подъема дымового факела труб Бишкекской ТЭЦ-1

№ 

труб

Dt/dz



0,4

0,5

0,65

0,8

1,0

1,2

1

175,94

157,36

138,02

124,41

111,27

101,58

2

237,67

212,58

186,44

168,06

150,32

137,22

3

295,55

264,34

231,84

208,98

186,92

170,63

4

494,71

442,48

388,08

349,81

312,88

285,62

Низко расположенные приподнятые инверсии на уровне источников выброса способствуют возникновению эффекта, называемого “задымлением”. При этом примеси, скапливающиеся на уровне 100-300м, начинают интенсивно поступать в нижний слой воздуха, при этом высота источников выброса не играет существенной роли и загрязнение приземного слоя осуществляется от всех труб одновременно (рис. f). 





a) 



b) 



c) 



d) 



e) 



f) 

Рис. Формы дымового факела. при различных метеорологических условиях 

Следует добавить, что кроме рассмотренных вариантов (a,e,f) дымового факела, могут наблюдаться следующие формы (рис):

b) факел имеет Г-образную форму: дым сначала поднимается вертикально, а затем смещается горизонтально по ветру, характерен для нулевого или отрицательного градиента температуры при штиле [10].

c) факел в начале направлен под углом к горизонту, а затем смещается горизонтально по ветру, характерен для нулевого или отрицательного градиента температуры при слабой скорости ветра.

d) факел горизонтален, незначительно расширяется по мере удаления от трубы, он характерен для вечернего времени при градиенте температуры, близком к нулевому, и умеренной скорости ветра.

Таким образом, можно заключить, что при очень слабом ветре и неустойчивой стратификации в случае горячих выбросов (ТЭЦ) приземная концентрация мала за счет значительного увеличения начального подъема факела DН от источника. При наличии же приподнятой инверсии и потолка Zn на сравнительно небольшой высоте от источника величина DН ограничена, а следовательно, и эффективная высота подъема дымового факела. Концентрация вредных примесей возрастает при скоростях ветра, близких к опасным, за счет поступления вредных примесей от высотных источников (труб ТЭЦ) в нижний приземный слой воздуха. При штиле и приподнятой инверсии на уровне источника выбросов отмечаются самые высокие уровни концентрации вредных примесей приземного слоя воздуха, т.е происходит “задымление”. 

Список литературы

Атмосфера. Справочник (справочные данные, модели). Редакторы О.В.Лапина, О.Д.Рейнгеверц. –Л.: Гидрометеоиздат, 1991. –511с. 

Аэроклиматические характеристики пограничного слоя атмосферы Средней Азии. Книга 1. Статистические характеристики метеорологических элементов в различные часы суток. САНИИ им. В.А.Бугаева. –Ташкент, 1986. –318с. 

Батжаргал (МНР), Тенева М. (НРБ), Царев А.М. (СССР). Третий этап международного комплекса эксперимента по изучению распространения примесей в атмосфере в условиях сложного рельефа / Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. Итоги сотрудничества социалистических стран. –Л.: Гидрометеоиздат. –1991. –С.69-70. 

Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. –Л.: Гидрометеоиздат, 1991. –136с. 

Берлянд М.Е., Генихович Е.Л., Оникул Р.И. О расчете загрязнения атмосферы выбросами дымовых труб электростанций / Тр. ГГО, вып. 158. 1964. –С.3-21. 

Климат Фрунзе / Под ред. Е.С.Скибы, Ц.А.Швер. –Л.: Гидрометеоиздат. 1991. –136с. 

Оникул Р.И. Методика расчета загрязнения атмосферы выбросами промышленных предприятий и тепловых электростанций / Тр. ГГО, вып. 71. 1965. –С.23-34. 

Оникул Р.И. и др. Результаты анализа экспериментальных данных, характеризующих распределение атмосферных загрязнений вблизи тепловых электростанций / Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. –Л.: Гидрометеоиздат, 1971. -С.70-81. 

Сонькин Л.Р. Синоптико-статистический анализ и краткосрочный прогноз загрязнения атмосферы. –Л.: Гидрометеоиздат, 1991. –224с. 

Стернзат М.С. Метеорологические приборы и измерения. –Л.: Гидрометеоиздат, 1978. –392с. 

Экологический паспорт предприятия Кыргызэнерго. Машинопись. –Бишкек, 1991. –12с.