Расчёт накопления вредных веществ в замкнутом объёме помещения обкатки машин в аварийной ситуации

УДК 331.45

Г.В. БЕЛУШКИНА, Ю.И. БУЛЫГИН, Д.В. ДЕУНДЯК

РАСЧЁТ НАКОПЛЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ЗАМКНУТОМ ОБЪЁМЕ ПОМЕЩЕНИЯ ОБКАТКИ МАШИН В АВАРИЙНОЙ СИТУАЦИИ

Улучшение условий труда при воздействии вредных веществ на работников машиностроительных предприятий является актуальной задачей. Для правильного расчета вентиляции на участках обкатки сельхозмашин требуются надёжные данные о технологическом процессе. Существующие методики ориентированы на укрупнённые (годовые) выбросы, основанные на приближённых удельных показателях выбросов, определяемых для абстрактных источников загрязнения без учета их индивидуальных свойств и режимов работы. В работе предлагается уточненная методика прогнозирования состояния качества рабочей зоны в штатных и аварийных ситуациях, основанная на разработанных ранее авторами моделях, описывающих процессы образования и выделения выбросов от источника загрязнения.

Ключевые слова: вредные вещества, показатели выбросов, источник загрязнения, рабочая зона, прогнозирование качества воздуха, расчет воздухообмена, промышленная вентиляция.

Введение. Технологический цикл изготовления или ремонта машиностроительной техники завершается серийными испытаниями сборочной единицы, т.е. обкаткой машин. Эти испытания сопровождаются выделением в воздух рабочей зоны с отработавшими газами (ОГ) различных вредных веществ: оксидов углерода (СО), азота (NOx)/ альдегидов (RxCOH)/ сажи (С), бенз(а)пирена (Б(а) П или С20Н12), паров дизельного топлива (ДТ), а также избытков теплоты. В работах [1-3] представлены разработанные авторами математическая модель эмиссии канцерогенов (бенз(а)пирена) и уточненная модель эмиссии оксидов азота. Разработанные модели, описывающие процессы образования и выделения вредных веществ от источника, позволяют прогнозировать состояние воздуха рабочей зоны в различных ситуациях, в том числе аварийных.

Статья посвящена расчетам накопления вредных веществ в замкнутом объеме помещения обкатки машин в штатном режиме работы и в аварийной ситуации. Эти расчеты проводились на примере обкаточного участка сборочного цеха ООО «КЗ «Ростсельмаш». На обкаточном участке предприятия расположены пять стендов, на которых обкатка производится в номинальном режиме, близком к максимальной мощности. Стенды снабжены местными системами вытяжной вентиляции (отсосами), а также системой общей вентиляции. После обкатки на стенде машина самоходом перемещается на пост заправки и проверки кондиционера. Эти посты не оборудованы местными отсосами. По техническому регламенту испытания сборочной единицы занимают от 45 минут и до нескольких рабочих смен в том случае, если обнаружены неисправности и несоответствия требованиям нормативов и стандартов.

Утонченная методика расчетов штатной ситуации. Для участка обкатки комбайнов ОАО "КЗ "Ростсельмаш" в соответствии с работой [4] максимально разовый выброс иго вредного вещества Gi определяется только на нагрузочном режиме. Расчет производится по формуле

G Мср1Д • Кр • АД (1 _ фог ) , , ,

^ =--------3600--------' г/С'

где мСрщ - мощность выброса при обкатке на средней мощности комбайна, г/с; ^ - время обкатки, с.; АД - количество одновременно работающих стендов обкатки машин; фог - эффективность отсоса.

Формула (1) для определения максимально разового выброса иго вредного вещества G^ по разработанным моделям токсичности имеет вид

п QсрОГ ' Сср ' 1ср ' АД(1 _ фОГ) .

G1 =—------------ —-— ---------------------------------, г/с ,

г 3600

где Qсрoг - объёмный расход ОГ двигателя комбайна при средней мощности обкатки, м3/с;

Сср - концентрация /' -го вредного вещества в отработанных газах двигателя машины при

обкатке на средней мощности.

Концентрации для бенз(а)пирена и оксидов азота вычислялись по математическим моделям [1] и [3]. Эффективность местного отсоса фог у обкаточного стенда в расчётах принимается

95%. Мощность выброса при обкатке, соответствующей средней мощности комбайна мСрщ,

выбирается из таблиц методики [4]. Максимально разовые выбросы вредных веществ в рабочей зоне помещения обкатки комбайнов АС^!£ 530 с двигателями ЯМЗ-238ДК-1 согласно формуле (1):

= Ад С1 <Рог) = °.43-6°-45-5 - С1 - 0 95) = 0.0806 г/с;

3600 3600

п МсрС20Н12Д'^ср' АД (1 фОГ) °.65-1° 6 - 60-45-5 -(і - 0.95) 0 1219 10-6

ис20 Н12 =------------------------------=------------------------------------------------------- -- = 0.1219-10 г/с.

С 20Н12 3600 3600

Аналогично получаем:

GNOx = 0.06375 г/с, GC = 0.01344 г/с, GCnHm = 0.003375 г/с,

GRxCOH = 0.0008625 г/с, GSOx = 0.006356 г/с, GДT = 0.00639 г/с.

Время обкатки при средней нагрузке работающего комбайна в течение одного часа: КЗ = Ад-1ср = 5 • 45 • 60 = 13500 с.

Расчёт часового максимально разового выделения вредных веществ в рабочую зону при

• ТРЗ

i раб 1

обкатке производится по формуле Gчас = Gi • ТРб, г/ч.

GчCаO = GCO • ТрРЗб = 0.0806 • 13500 = 1088.1 г/ч,

Gc2oн 12 = Gc20н 12  ТрЗ = 0.121910 6 13500 = 0.001645 г/ч.

Аналогично рассчитываются:

GчNаOсx = 0.06375 -13500 = 860.6 г/ч, GчCасHm = 0.003375 • 13500 = 45.56 г/ч,

Gчcас = 0.01344 • 13500 = 181.44 г/ч, G^C)H = 0.0008625 43500 = 11.64 г/ч,

GчsaOсx = 0.006356 • 13500 = 85.8 г/ч, GчДТ = 0.00639 • 13500 = 86.26 г/ч.

Потребные расходы воздуха на общеобменную вентиляцию помещения обкатки определим из уравнения материального баланса:

1000• Gч

ПДКр3г — 0 3 • ПДКр31

где ПДКрз! - ПДК иго вредных веществ в воздухе, удаляемом из рабочей зоны (например, для С20Н12 составляет 0,00015 мг/м3); 0.3 ПДКрэ1 - ПДК иго вредного вщества в приточном воздухе (считается, что прилегающая к участку воздушная среда территории загрязнена на 30%), м3/ч.

1с20н 12 = 1000 • GСа2Coн 12 = 103 0.001645 = 15667

064 ПДКРЗг - 0.3 • ПДКРЗг 0.00015 - 0.3 • 0.00015 ,

Аналогично рассчитываются: ^бЩ = ——860 6 = 245885.7 м3/ч, £гобщ = 64800м3/ч,

5 — 0.3 • 5

= 216.9 м3/ч, = 33257.1 м3/ч, = 12257.1м3/ч, LДбщ = 410.76 м3/ч.

Суммарный потребный воздухообмен на общеобменную вентиляцию помещения обкатки при том, что все рассматриваемые вредные вещества обладают эффектом суммации, будет:

т!.' = тСО , , тЖх , т5°х , тС , тRxCOH , тДГ , тС20н12 = 449805 2 м3/ч

общ общ общ общ общ общ общ общ общ " /

В соответствии с нормативными документами по расчету вентиляции эффекту суммации подлежат только оксиды углерода, азота и альдегиды:

г!' тСО . тNОx . тRxCOH о с ^О ¿Т Л О .-3/..

тобщ = тобщ + 4бщ + 4бщ = 356864 2 м /ч.

Как видно из результатов расчёта (рис.1,2), наибольшая скорость накопления в воздухе рабочей зоны при обкатке комбайнов под нагрузкой относится к оксидам азота, что позволяет выбирать тип датчиков загазованности.

Нормальный режим работы местных отсосов, Не работает общеобменная вентиляция

Рис.1. Изменение концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны в штатном режиме при обкатке комбайнов на полной нагрузке

Рис.2. Потребные воздухообмены для участка обкатки комбайнов по Ьму вредному веществу, выделяемому в воздухе рабочей зоны в штатном режиме работы

Методика расчетов в аварийной ситуации. Теперь рассмотрим случай, когда в «холодный» период года практически при отсутствии естественной вентиляции выходит из строя общеобменная вентиляция участка обкатки. Стенды обкатки загружены полностью, местная вентиляция функционирует.

Рассмотрим два случая, когда происходит разрыв одного местного отсоса при номинальном и среднем режиме нагрузки. На рис.3 представлено изменение концентрации вредных веществ в аварийной ситуации при обкатке комбайнов на номинальном режиме, на рис.4 - тот же аварийный сценарий, но при обкатке на среднем режиме. Расчеты проводились по формулам (2) и (3).

100 300 500 1000

Рис.З. Изменение концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны в аварийной ситуации при обкатке комбайнов на максимальном режиме

Рис.4. Изменение концентрации вредного вещества в воздухе рабочей зоны в аварийной ситуации при обкатке комбайнов на среднем режиме

В первом случае до момента отключения поврежденного оборудования (см.рис.3) в течение времени Т1а = [100;300] секунд в воздухе рабочей зоны происходит накопление вредных веществ (заштрихованная зона) и наблюдается значительное превышение ПДКрз по оксидам азота. Учитывая, что расчет накопления вредных веществ в рабочей зоне проведен без учета имеющихся фоновых концентраций на момент аварии, то загазованность по NOx еще более значительна.

Для прогноза изменения концентраций вредного вещеста в воздухе рабочей зоны при включении общеобменной (или аварийной) вентиляции использовалась модель рассеивания А.Н. Селиверстова [5]:

(

+ С -

прі

Мл

V ^ пР

\

+ С - С

прі о

Ьпр

Спрі

где Сі (г) - текущая концентрация і-го вредного вещества в воздухе рабочей зоны; Соі и

начальная концентрация і-го вредного вещества воздухе рабочей зоны и концентрация і-го вредного вещества приточном воздухе; Lnp - потребный воздухообмен на приточную

сво-

вентиляцию; Мвр - выброс вредного вещества в единицу времени в рабочей зоне; V, -бодный объем помещения.

Расчеты показали, что во втором случае (при средних режимах обкатки) превышения ПДК не наблюдается (см.рис.4).

Заключение. Таким образом, разработанные модели [1] и [3] позволяют прогнозировать качество воздуха рабочей зоны для участков обкатки машиностроительных предприятий, на основе этих моделей уточняются значения потребных воздухообменов для проектирования систем общеобменной вентиляции. Разработанная уточненная методика позволяет дать рекомендации к выбору типа датчиков загазованности для различных помещений, учитывающие особенности технологического процесса. Выявлено, что для участка обкатки комбайнов необходимо использовать датчики загазованности по диоксиду азота.

е

Библиографический список

1. Белушкина Г.В. Об особенностях построения и исследования математической модели образования и сгорания бенз(а)пирена в двигателях тепловых машин / Г.В. Белушкина, Ю.И. Булыгин, Д.В. Деундяк // Интегро-дифференциальные операторы и их приложения: сб. науч. тр. / ДГТУ. - Ростов н/Д, 2008. Вып. 8. - С. 13-18.

2. Деундяк Д.В. Об исследовании математической модели образования и сгорания бенз(а)пирена для дизельных двигателей / Д.В. Деундяк // Интегро-дифференциальные операторы и их приложения: сб. науч. тр. / ДГТУ. - Ростов н/Д, 2008. Вып. 8. - С. 50-60.

3. Белушкина Г.В. Об уточненной математической модели образования и сгорания оксидов азота в дизелях тепловых машин / Г.В. Белушкина, Д.В. Деундяк // Материалы Международного Российско-Абхазского симпозиума «Уравнения смешанного типа и родственные проблемы анализа и информатики», 17-22 мая, Нальчик-Эльбрус. КБНЦ РАН, 2009. - С.164-165.

4. Удельные показатели выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для ремонтнообслуживающих предприятий и машиностроительных заводов агропромышленного комплекса.

- М.: Машиностроение, 1992.

5. Селиверстов А.Н. Вентиляция фабрично-заводских помещений. Т.1. НКТП СССР, ОНТИ.

- М.: Госстройиздат, 1934.

Материал поступил в редакцию 05.04.10.

G.V. BELUSHKINA, Y.I. BULYGIN, D.V DEUNDYAK

CALCULATION OF HARMFUL SUBSTANCES ACCUMULATION

IN THE CLOSE AIRSPACE OF THE TESTS-ROOM MACHINES IN AN EMERGENCY

Improvement of working conditions under the influence of harmful substances on the machine-building enterprises workers is an actual problem. Reliable data on the technological process for correct calculation of ventilation on the test sites of agricultural machines are required. Existing techniques are focused on the integrated (annual) emissions based on approximate specific indicators of emissions, calculated for abstract sources of pollution without taking into account their individual properties and operating modes. The specified technique of forecasting quality condition of the operating space in regular and emergency situations based on the models earlier developed by the authors that describe processes of forming and allocation of emissions from the pollution source is offered.

Keywords: harmful substances, emission indicators, pollution source, operating space, air quality forecasting, air exchange calculation, industrial ventilation.

БЕЛУШКИНА Галина Викторовна, старший преподаватель кафедры «Математика» ДГТУ. Окончила механико-математический факультет РГУ (ныне ЮФУ) (1971).

Область научных интересов: исследование разрешимости операторных уравнений и математическое моделирование в инженерной экологии.

Автор 20 научных работ.

БУЛЫГИН Юрий Игоревич (р. 1966), доктор технических наук (2007), профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды» ДГТУ. Окончил РиИжт (ныне РГУПС) (1988).

Область научных интересов: исследование рабочих процессов и моделирование процессов образования и выделения вредных веществ в ДВС, улучшение условий труда работников транспортных предприятий.

Автор более 80 научных трудов.

bulyu r_rostov@ mail.ru.

ДЕУНДЯК Дмитрий Владимирович (р. 1981), инженер ООО «Медэлектронсервис»,

г.Ростов-на-Дону, кандидат технических наук (2009). Окончил факультет «Гуманитарный» ДГТУ (2003).

Область научных интересов: математическое моделирование в инженерной экологии, охрана труда в машиностроении.

Автор более 30 научных работ.

deundiak@inbox.ru