Численная оценка формирования условий атмосферного образования серной кислоты в районе расположения тепловой электрической станции

Техносферная безопасность -

личество людей, которые могут находиться в нем одновременно.

Если бы не эти причины, то процесс движения эвакуируемых людей в спасательном рукаве можно было рассматривать просто как временную задержку (на время спуска), которая увеличивает время пребывания в системе, но не влияет на очереди и производительность системы. Понятно, что такой подход неправомерен, поэтому предлагается следующий «выход из положения».

Считаем далее, что люди, достигнув земли, не просто выходят из спасательного рукава, а попадают на некую условную позицию, которую назовем «площадкой выгрузки из рукава». Чтобы воспользоваться этой позицией и выйти из рукава в безопасное место, нужно некоторое время. Значение этого времени — случайная величина, т. к. зависит от положения (ориентации), в котором человек приземлился, его координации движений и физических качеств, от того, свободна ли площадка, прибыл человек один или в составе группы и т. д.

Если рассуждать в терминах ТМО, получается, что время обслуживания людей на агрега-

те («площадка выгрузки из рукава») — случайно. Понятно, что и входной поток, определяемый темпом подхода пострадавших к рукаву и временем загрузки в рукав, также является неравномерным. По поводу характера законов, описывающих эти случайные величины, как и ранее, ничего определенного сказать нельзя. Поэтому наиболее рационально принять потоки пуассо-новскими. При такой постановке вопроса исследование может быть выполнено на тех моделях, которые уже описаны выше. Повторять по ним расчеты снова не целесообразно, все зависимости и выводы приведены и могут быть использованы.

В заключение отметим, что основные оценки и выводы в данной статье были получены на основе моделей и методов ТМО. Эти методы хорошо «работают» при наличии установившихся режимов исследуемой системы, что далеко не всегда соответствует развитию ЧС. Ряд задач предполагает анализ переходных процессов и требует отдельного рассмотрения, в частности с помощью теории вероятностей и имитационного моделирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Постнов, В. Эвакуация из здания. (Проблемы и решения) [Текст] / В. Постнов, С. Орищенко, Ю. Шевченко // Мир и безопасность.— 2006. № 6 и 2007. № 1.

2. Ганин, Н.М. Математические модели автоматизированных производственных систем [Текст]: Учеб. пособие / Н.М. Ганин, В.А. Катковник, М.Н. Поли-щук.— Л., Изд-во Ленингр. гос. техн. ун-та. 1991. — 76 с.

УДК 563.253

Д.В. Гвоздяков, В.Е. Губин, Г.В. Кузнецов

ЧИСЛЕННАЯ ОЦЕНКА ФОРМИРОВАНИЯ УСЛОВИИ АТМОСФЕРНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ В РАЙОНЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ

Существенный вклад в процесс образования серной кислоты в пограничном слое атмосферы вносят тепловые электрические станции

[1]. При сжигании топлив в окружающую среду поступают различные загрязняющие вещества

[2]. Большинство из них относится к числу токсичных и даже при сравнительно невысоких

концентрациях оказывают вредное воздействие на природу и человека [1—5]. В табл. 1 приведены значения допустимых объемов некоторых загрязняющих веществ, содержащихся в дымовых газах ТЭС.

В данной работе рассматривается серный ангидрид SO3, который образуется в газоходах

Таблица 1

Допустимые концентрации, мг/м3, загрязняющих веществ [3]

Страна 802 N0 X Твердые частицы

Россия 2000-3400 320-700 100-500

Япония 550 205-980 50-300

США 740-1480 605-980 40-125

Франция 650-1300 50-100

400-2000

Германия 200-1500 50-150

котлов ТЭС путем частичного окисления 802 (до 5 % от общей доли 802) при сжигании высокосернистых топлив и относится к классу умеренно опасных продуктов сгорания натуральных топлив ТЭС. При взаимодействии серного ангидрида с водяным паром, который относится к парниковым газам, в определенных условиях образуется серная кислота. Под действием природных факторов она может конденсироваться и выпадать на поверхности земли и растений [3].

Несмотря на высокую опасность этого антропогенного процесса и достаточно большое внимание, уделяемое проблеме кислотных дождей [4, 5], до настоящего времени не разработана теория процессов формирования паров и капель различных кислот в атмосфере.

Целью нашей работы была численная оценка условий образования серной кислоты в пограничном слое атмосферы при различных метеорологических условиях.

Постановка задачи и метод решения

Рассматривается стационарный источник выбросов высотой Н (газоотводящая труба ТЭС) с объемной концентрацией загрязняющих веществ (С80 и и СН Ои) на выходе из устья. В исследуемой области ось х ориентирована по направлению ветра в пограничном слое. Выбрасываемый в атмосферу дымовой газ считается ньютоновской жидкостью, несжимаемой и удовлетворяющей приближению Буссинеска. Движение дымовых газов и тепломассоперенос в рассматриваемой области считаются двумерными. Область решения представлена на рис. 1.

Процесс образования и распространения серной кислоты зависит от следующих факторов: температуры окружающего воздуха; температуры дымовых газов ТЭС; скорости перемещения

воздушных масс; скорости истечения дымовых газов из устья источника; фоновой концентрации водяного пара в атмосфере; концентрации водяного пара в дымовых газах ТЭС.

Механизм образования серной кислоты основан на взаимодействии, при котором серный ангидрид 803 поглощается водяным паром [5]:

803+^0-^04.

Процесс взаимодействия 803 и Н20 протекает практически мгновенно и в совокупности с метеорологическими условиями определяет интенсивность выпадения продуктов окисления в зоне антропогенных источников.

Приняты следующие условия образования серной кислоты:

1) достижение дымовыми газами ТЭС, содержащими водяной пар, состояния насыщения;

2) достижение текущей абсолютной влажности газов максимального значения при данной температуре [4, 5].

Выполнение этих условий обеспечивает образование серной кислоты в воздушном пространстве.

При разработке математической модели учитывались следующие процессы:

1) перенос газообразных продуктов сгорания ТЭС конвекцией и диффузией;

2) теплофизические и химические процессы, приводящие к изменению концентрации первичных антропогенных соединений и химического состава воздушного потока.

В работе используется математическая модель, описывающая изменение концентрации и температуры продуктов сгорания натуральных топлив ТЭС и участки, на которых будет происходить образование серной кислоты в пограничном слое атмосферы.

Процесс переноса энергии, количества движения и массы в рассматриваемых условиях описывается системой нестационарных уравнений Навье — Стокса [6—8]. Считается, что температура и концентрация на источнике не зависят от времени. Для моделирования изменения абсолютной концентрации использованы нестационарные двумерные уравнения смешанной конвекции в приближении Буссинеска [7].

Безразмерные уравнения Навье — Стокса в приближении Буссинеска в переменных «вихрь скорости — функция тока — температура — концентрация» имеют следующий вид:

дП ггдП тлдП 1 — + U— + V— = — дт дХ dY Re

д2Р д2 Q дХ 2 дY 2

= П;

2

д2Т д 2 Т

Н--;г

дХ2 дY

дв ттд& ТЛд0 1

— + U— + V— =-

дт дХ дY Pr Re

+ -

Gr дв;

Re2 дХ!

д2 в д 2в

- + —т

дХ2 дY

дС

SO,

дт

+ U -

дС

SO

дХ

+ V-

дС

SO

дY

Pr Sc

д 2С

SO

д 2С

SO

дХ2

дY2

дСи

дт

- + U-

дСи

дХ

_ + v-

дС

но

дY

1

Pr Sc

д 2Сн2о + д 2сН2О

L.

^x

Рис. 1. Область решения задачи:

1—газоотводящая труба; 2—верхняя горизонтальная граница области решения; 3 — вертикальная границы области решения; 4 — подстилающая поверхность; 5—дымовой факел; 6 — участок истечения дымовых газов

С

НО

НО С0 Н2О )/ (СН

- С'

12Ои сОН2ОИ

дХ dY

v

В качестве масштаба расстояния выбрана длина рассматриваемой области решения по оси х. Для приведения к безразмерному виду системы уравнений использованы следующие соотношения:

X = x/l; Y=y/l; т = t/t0; U = u/Uu; V = v/U;

V = vJUu'; H1 = hjh;

Ни = hи/h; Lx = li/l; L2 = l2/l; L3 = I3/I;

@ = (T-T,)/(T-T)9 W = y/%;

Q = ш/Шо , ^o = Uuh 4 = Uu/1, СSOз = (SO3 -С0SO3 )/(SO^ -С0SOзИ );

где х, у — координаты декартовой системы координат; X, У— безразмерные координаты, соответствующие координатам х, у; I, Н1 — длина и высота газовой полости рассматриваемой области решения по оси х и у; 12,13 — геометрические размеры, характеризующие месторасположение источника загрязнения; — высота источника загрязнения; / — время; Ти — температура дымовых газов на выходе из устья дымовой трубы; Т0 — температура окружающей среды; Си — объемная концентрация серного ангидрида на выходе из устья дымовой трубы; С0 80 — объемная концентрация серного ангидрида в атмосфере промышленного района; Сн20и — объемная концентрация водяного пара на выходе из устья дымовой трубы; С0н 0 — объемная концентрация водяного пара в атмосфере промышленного района; /0 — масштаб времени; т — безразмерное время; и, V — составляющие скорости в проекции на оси х, у соответственно; vг — скорость дымовых газов на выходе из устья дымовой трубы; и, V — безразмерные скорости, соответствующие скоростям и, V; К — безразмерный аналог скорости дымовых газов на выходе из устья дымовой трубы; и — масштаб скорости (скорость перемещения воздушных масс); Их — безразмерная высота; Ни — безразмерная высота источника загрязнения; Ьх — безразмерная длина; 0 — безразмерная температура; Сн 0 — безразмерная концентрация водяного пара; у — функция тока; у0 — мас-

3

1

штаб функции тока; ^ — безразмерный аналог функции тока; ю — вихрь скорости; ю0 — масштаб вектора вихра; Й — безразмерный аналог вектора вихря; Ог = (яРХ 3(Ти — Т0))/у 2 — число Грасгофа; в — температурный коэффициент объемного расширения; g — ускорение, создаваемое массовыми силами; X — характерный размер; V — коэффициент кинематической вязкости; Яе = (UХ)/v — число Рейнольдса; Рг = = v/a — число Прандтля; а — коэффициент температуропроводности; 8с = v/D — число Шмидта; Б — коэффициент диффузии.

Начальные условия для системы уравнений (2) в момент времени т = 0 имеют вид

Й(Х, У, 0) = 0; С(Х, У, 0) = 0;

^

0(Х, У, 0) = 0; ¥(Х, У, 0) = 0.

Граничные условия:

X = 0, 0 < У < Н„ — = 1,0 = 0,0 = 0, С = 0;

' 1ду ' ' ' '

X=ц_, 0 < У < нь —=0, д0=0 д0=0, дС=0;

^ 1 дХ дХ дХ дХ

дС

X = Хи,0< У < Н , Т = 0,0 = 0,0 = 0, — = 0; и дХ

X = 1и,0< У < Н , Т = 0,0 = 0,0 = 0,С = 0;

У = 0,0 < Х < 13, Т = 0,0 = 0,0 = 0, С = 0;

дС

У = 0,13 < Х < Ц, Т = 0,0 = 0,0 = 0, — = 0;

д^ дС

У = Ни, Ь2 < Х < Ц,-= Ут, 0 = 0,0 = 1,-= 1;

и ^ ^ дХ г дУ

дС

У = Нъ0 < Х < Ц, Т = Нъ 0 = 0,0 = 0, — = 0.

1' 1 ' 'дУ

Граничные условия для уравнения диффузии серного ангидрида и водяного пара идентичны.

Для решения задачи (1)-(4) использовался алгоритм, разработанный [10, 11] для решения задач свободной и смешанной конвекции методом конечных разностей при записи системы уравнений в переменных «функция тока — вихрь». Разностные аналоги дифференциальных

уравнений решены локально-одномерным методом [8]. Верификация метода расчета и алгоритма проведена по результатам решения аналогичных задач [12, 13].

Анализ результатов численного моделирования

В качестве примера рассмотрены условия образования серной кислоты в открытом воздушном пространстве протяженностью 10000 м и высотой 400 м. Источник загрязнения — устье газоотводящей трубы тепловой электрической станции. Теплофизические параметры дымовых газов на источнике считаются постоянными. Абсолютная концентрация водяного пара в атмосфере принималась равной 2000 мг/м3, серного ангидрида — 0,04 мг/м3. Концентрация водяного пара на срезе газоотводящей трубы — 3-105 мг/м3, серного ангидрида — 100 мг /м3. Тем -пература наружного воздуха изменялась от 263 до 297 К, Температура дымовых газов на срезе газоотводящей трубы принималась равной 413 К, скорость ветра — 20 м/с. Типичные результаты численного моделирования с погрешностью ±50 м для расстояний и ±0,1 мг/м3 для концентрации приведены в табл. 2.

Из анализа приведенных в таблице характеристик следует, что в различные термические периоды года выполнение условий образования серной кислоты начинается на различных расстояниях от источника поступления 803. Так, например, в летний период при температуре наружного воздуха 297 К микрокапли серной кислоты начинают образовываться на расстоянии 100-200 м от источника загрязнения. Абсолютная концентрация серной кислоты в осадках при этом достигает 3 мг/м3. В зимний период образование осадков, содержащих серную кислоту, начинается на расстоянии 1400 м от источника загрязнения, содержание серной кислоты на таком расстоянии может достигать 2,5 мг/м3. В осенний и весенний период образование серной кислоты начинается почти на одинаковых расстояниях. Протяженность области возможного выпадения осадков находится в диапазоне 1650-1800 м. Абсолютная концентрация серной кислоты в осадках при этом составляет 1,5-3 мг/м3.

На рис. 2 представлены результаты численного моделирования в виде зависимости изменения границы возможного образования серной

Таблица 2

Результаты численной оценки условий образования серной кислоты

Название параметра и единиц измерения

Значение параметра в указанный термический период

Весенний

Летний

Осенний

Зимний

Температура окружающей среды, К

Расстояние от источника загрязнения до области образования серной кислоты, м

Протяженность области возможного выпадения осадков, м

Концентрация серной кислоты в области возможного выпадения осадков, мг/м3

284 1300

1650

3,0-1,5

297

100-200

от 100-200 и далее

3,0-0,04

280 1350

1800

2,5-1,5

263

1400

от 1300 и далее

2,5-0,04

кислоты от температуры. В исследуемом воздушном бассейне при температуре воздуха 263 К выполнение условий образования серной кислоты начинается на расстоянии 1400 м от антропогенного источника. В зависимости от термического периода содержание серной кислоты в области возможного выпадения кислотных осадков находится в диапазоне 0,04-3 мг/м3. На рис. 3 в виде диаграмм представлены диапазоны изменения абсолютной концентрации серной кислоты.

Из рис. 3 видно, что среднее значение абсолютной концентрации серной кислоты в различные периоды года находится в диапазоне 1,5-2,5 мг/м3.

Полученные результаты иллюстрируют возможность пространственного моделирования координат участков территорий, прилегающих к ТЭС, на которых возможно выпадение кислотных дождей в различные времена года. Для оценки площади участков возможного загрязнения достаточно информации о параметрах дымовых газов ТЭС и метеорологической обстановке в районе станции.

Проведена численная оценка выполнения условий образования серной кислоты в воздушном пространстве, прилегающем к тепловой электрической станции. Установлено, что протяженность участков, над которыми образуется серная кислота, зависит от времени года. Значение абсолютной концентрации серной кислоты при этом находится в диапазоне от 3 до 0,04 мг/м3.

300 П

ей 295 -

290 -

£ а л £ 285 -

1 £ Е о 280 -

и Н 275 -

270 -

/, м

О

500

1000

1500

Рис. 2. Зависимость расстояния, на котором возможно образование серной кислоты от температуры воздуха

С, мг/м3 3,0 2,5 2,0 1,5

284

Т, К 297/

100 1300 1350 1400

/, м

Рис. 3. Содержание серной кислоты в атмосфере в различное время года

Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (ГК № П2225 от 11.11.2009).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. РД 34.02.305—98. Методика определения валовых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от котельных установок ТЭС [Текст].— М.: ВТИ, 1998.— 76 с.

2. Внуков, А.К. Защита атмосферы от выбросов энергообъектов [Текст]: Справочник.— М.: Энерго-атомиздат, 1992.— 176 с.

3. Путилов, В.Я. Анализ состояния и перспективы использования золошлаковых отходов тепловых электростанций [Текст ] / В.Я. Путилов, К.П. Бори-чев, Б.Л. Вишня, В.М. Микушевич // Энергетик.— 1997. № 9. С. 12-13.

4. Заиков, Г.Е. Кислотные дожди и окружающая среда [Текст] / Г.Е. Заиков, С.А. Маслов, В.Л. Рубай-ло.— М.: Химия, 1991.— 144 с.

5. Израэль, Ю.А. Кислотные дожди [Текст] / Ю.А. Израэль, И.М. Назаров, А.Я. Прессман [и др.].— Л.: Гидрометеоиздат, 1989.— 270 с.

6. Роуч, П. Вычислительная гидродинамика [Текст ] / П. Роуч.— М.: Мир, 1980.— 616 с.

7. Пасконов, В.М. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена [Текст] / В.М. Пасконов, В.И. Полежаев, Л.А. Чудов.— М.: Наука, 1984.—288 с.

8. Берковский, Б.М. Вычислительный эксперимент в конвекции [Текст] / Б.М. Берковский, В.К. Полевиков.— Минск.: Университетское, 1988.— 167 с.

9. Самарский, А.А. Разностные схемы газовой динамики [Текст ] / А.А. Самарский, Ю.П. Попов.— М.: Наука, 1975.— 424 с.

10. Kuznetsov, G.V. Conjugate natural convection with radiation in an enclosure [Текст ] / G.V. Kuznetsov, M.A. Sheremet // International Journal of Heat and Mass transfer.— 2009.— T. 52. № 9-10.— P. 22152223.

11. Kuznetsov, G.V. Conjugate heat transfer in an enclosure under the condition of internal mass transfer and in the presence of the local heat source [Текст ] / G.V. Kuznetsov, M.A. Sheremet // International Journal of Heat and Mass transfer.— 2009.— T. 52. № 1-2.— P. 1-8.

12. Кузнецов, Г.В. Двумерная задача естественной конвекции в прямоугольной области при локальном нагреве и теплопроводных границах конечной толщины [Текст] / Г.В. Кузнецов, М.А. Шеремет // Известия РАН. Механика жидкости и газа.— 2006. № 6.— С. 29-39.

13. Кузнецов, Г.В. Сопряженный теплоперенос в замкнутой области с локально сосредоточенным источником тепловыделения [Текст ] / Г.В. Кузнецов, М.А. Шеремет // Инженерно-физический журнал.— 2006. Т. 79. №1.— С. 5-6.

УДК 316.774

А.С. Крутолапов

МЕТОДИКА ОБНАРУЖЕНИЯ И КОРРЕКЦИИ ПРЕРЫВАНИЙ ВНЕ ПРОТОКОЛА В СЕТЯХ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ

МЧС РОССИИ

Увеличивается число пользователей, количество и функциональность сетевых приложений, растет интенсивность информационного обмена и, как следствие, повышаются требования к производительности. Поэтому особое значение для обеспечения более высокого качества обслуживания приобретает задача повышения пропускной способности сетей передачи данных АСДУ ГПС МЧС России, что определяет необходимость разработки методики обнаружения и коррекции прерываний вне протокола.

Можно выделить два основных подхода к обработке прерываний по умолчанию:

при возникновении прерываний протокол не меняет состояние; прерывания либо игнорируются, либо выдается сигнал об ошибке, который должен обработать пользователь;

при прерываниях вне протокола запускается механизм восстановления от ошибок.

Первый способ имеет серьезный недостаток из-за времени, которое пользователь затратит на исправление ошибки, и не всегда