Оценка максимального значения приземной концентрации вредных веществ при реостатных испытаниях тепловозов

УДК 621. 436

Черняк Ю. В., к.т.н., доцент

ОЦЕНКА МАКСИМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ ПРИЗЕМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ РЕОСТАТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ ТЕПЛОВОЗОВ

Постановка проблемы. Проблемы экологии в последнее время ощущаются все чаще и острее, ужесточаются требования к железнодорожному транспорту, загрязняющему окружающую среду. Основным источником вредных выбросов на железных дорогах являются двигатели внутреннего сгорания тепловозов. Высокотоксичные компоненты отработавших газов выбрасываются дизелями во время реостатных испытаний тепловозов в течении нескольких часов. Поэтому в локомотивных депо наиболее мощным источником выбросов вредных веществ в атмосферу является пункт реостатных испытаний тепловозов.

Анализ последних публикаций [3, 4, 6, 7] показывает, что в основном все исследования направлены на разработку средств, снижающих загрязнения окружающей среды тепловозами, определения зависимостей загрязнения от эксплуатационных факторов. Однако практически не ведется работа по изучению ущерба, наносимого окружающей среде отработавшими газами тепловозных дизелей. Особенно важно, что отсутствуют сведения о максимальных значениях приземной концентрации вредных веществ и их суммарной безразмерной концентрации, в газах тепловозных двигателей.

Целью статьи является экспериментальное и теоретическое исследование максимальных приземных концентраций и их суммарной безразмерной концентрации в отработавших газах тепловозов при проведении реостатных испытаний.

Степень токсического воздействия на человека вредных веществ определяется их концентрацией. Концентрация, которая не оказывает прямого или вредного косвенного влияния на человека и окружающую

среду называется предельно допустимой концентрацией (ПДК). Величина ПДК зависит от химического состава вещества и времени его воздействия на человека и окружающую среду. Санитарными нормами устанавливаются ПДК в воздухе рабочей зоны и в атмосферном воздухе населенных пунктов. Значения ПДК в атмосферном воздухе населенных пунктов делят на максимально разовую и среднесуточную. Приземной концентрацией вредных веществ в атмосфере считается их концентрация на высоте 2м от поверхности земли [3].

Для оценки и определения максимального значения приземной концентрации вредных веществ, выбрасываемых отработавшими газами тепловозов серий 2ТЭ116 и ЧМЭЗ, были использованы результаты измерений во время плановых реостатных испытаний на пунктах экологического контроля локомотивных депо Волноваха, Славянск (Донецкой железной дороги), Батайск (Северо - Кавказкой железной дороги). Замеры производились на пяти режимах: Ре ном, 0,75Ре ном , 0,5Ре ном, 0,25Ре ном, и Рехх- Под мощностью холостого хода понимается суммарная мощность вспомогательных машин и оборудования.

На рисунке 1 показаны изменения максимального значения приземной концентрации 1"Юх и СО в зависимости от развиваемой дизелем тепловоза ЧМЭЗ мощности. Расчеты изменения максимальных значений приземных концентраций были выполнены по данным пунктов экологического контроля локомотивных депо Батайск, Славянск и Волноваха, которые по своим результатам имеют незначительные расхождения. Все расчеты производились по нормативному документу ОНД91.

Как показывают графики, максимальные значения приземной концентрации окислов азота наблюдаются на средних нагрузках, при которых тепловоз работает наиболее продолжительное время. При выходе на номинальную мощность максимальная приземная концентрация СО превышает Ж)х.

На рисунке 2 представлены изменения максимальной приземной концентрации выбросов Ж)х и СО в зависимости от мощности дизеля Д80, который был установлен на тепловозе ЧМЭЗ, после проведенной модернизации, в локомотивном депо Славянск. Расчеты изменения максимальных значений приземных концентраций были выполнены по данным пункта экологического контроля депо Славянск.

СО, Nox, мг/м? 1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 ре, кВт

—♦—СО -e-NOx

Рисунок 1 - Максимальные значения приземной концентрации СО и Nox в отработавших газах тепловозов ЧМЭЗ в зависимости от мощности дизеля.

Из рисунка видно, что значения максимальной приземной концентрации NOx и СО на тепловозах ЧМЭЗ с дизелем Д80 значительно выше полученных для тепловозов ЧМЭЗ с серийными двигателями (рисунок 1). Максимальная приземная концентрация NOx дизеля Д80 почти в два раза превышает выбросы NOx тепловозов ЧМЭЗ, оборудованных серийными дизелями, а значения максимальной приземной концентрации СО дизеля Д80 выше на 30 - 40%, чем на дизеле K6S310DR.

На рисунке 3 представлены значения максимальной приземной концентрации NOx и СО в зависимости от мощности дизеля 1А-5Д49 тепловоза 2ТЭ116, рассчитанные по данным пункта экологического контроля депо Волноваха. Из рисунка видно, что максимальная приземная концентрация окислов азота NOx на холостом ходу и средних нагрузках на много ниже, чем у тепловозов ЧМЭЗ. Однако при номинальной нагрузке значения максимальной приземной концентрации окислов азота дизелями тепловоза 2ТЭ116 на 30-40% выше, чем у тепловозов ЧМЭЗ с серийным дизелем. Значения максимальной приземной концентрации СО на всех режимах работы тепловоза 2ТЭ116 мало отличается от значения приземной концентрации СО тепловозами ЧМЭЗ оснащенных серийными дизелями.

СО, NOx, мг/м? 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 ре, кВт

—•—СО -"—NOx

Рисунок 2 - Максимальные значения приземной концентрации СО и NOx в отработавших газах тепловозов ЧМЭЗ с дизелем Д80 в зависимости от мощности дизеля.

СО, 0,6

0,5

0,4

0,3 0,2 0,1 0

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250Ре, кВт —♦—СО —"—NOx

Рисунок 3 - Максимальные значения приземной концентрации СО и NOx в отработавших газах тепловозов 2ТЭ116 в зависимости от мощности дизеля.

NOx, мг/м

При одновременном совместном присутствии в атмосферном воздухе нескольких (п) веществ, обладающих эффектом суммации вредного действия, для каждой группы веществ вредного однонаправленного действия рассчитывается безразмерная суммарная концентрация q. Безразмерная концентрация q определяется по формуле [1]:

q= С1 / ПДК1 + С2 / ПДК2 + ... + Сп / ПДКп,

где С 1,С2,...,Сп - расчетные концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе в одной же точке местности мг/м3;

ПДК1, ПДК2, ..., ПДКп - соответствующие максимальные разовые ПДК в атмосферном воздухе, мг/м3.

При наличии в атмосфере несколько (п) вредных веществ, обладающих суммацией действия, их безразмерная суммарная концентрация q, определенная по формуле (1), не должна превышать единицы: q < 1 .

На рисунке 4 показаны изменения суммарных безразмерных концентраций СО и Ж)х для воздуха рабочей зоны, построенные по расчетам изменения значений максимальных приземных концентраций. Графики показывают, что суммарная безразмерная концентрация на всех режимах не превышает единицы, хотя заметно ее приближение до предельного значения при средних нагрузках для тепловоза ЧМЭЗ с дизелем Д80; снижение безразмерной концентрации окиси углерода и окислов азота на номинальных нагрузках для тепловозов ЧМЭЗ; суммарная безразмерная концентрация, выбрасываемая дизелем 1А-5Д49, при мощностях Ре близких к номинальным имеет незначительное увеличение.

На рисунке 5 показаны изменения суммарных максимально разовых безразмерных концентраций СО и 1"Юх для населенных пунктов в зависимости от нагрузки, построенные по расчетам изменения значений максимальных приземных концентраций. Графики показывают, что максимально разовая суммарная безразмерная концентрация для населенных пунктов на всех режимах Ре превышает установленную норму в 23 раза для тепловозов ЧМЭЗ с дизелем Д80, в 10 раз для тепловозов ЧМЭЗ с серийным двигателем и в 7 раз для тепловозов 2ТЭ116 с дизелем 1А-5Д49.

О 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250Ре, кВт

-•-2ТЕ116 -В-ЧМЭЗ "-А-=ЧМЭЗ

Рисунок 4 - Значения суммарной безразмерной концентрации окиси углерода и окислов азота для воздуха рабочей зоны

24  21 -18  15 -12 -

3 -I

0 1

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250Ре, кВт

-♦-2ТЕ116 -И-ЧМЭЗ =*-ЧМЭЗ

Рисунок 5 - Значения суммарной максимально разовой безразмерной концентрации окиси углерода и окислов азота для населенных пунктов

На рисунке 6 показаны изменения суммарных среднесуточных безразмерных концентраций СО и Ж)х для населенных пунктов, построенные по расчетам изменения значений максимальных приземных концентраций. Из графиков видно, что среднесуточная суммарная безразмерная концентрация на всех режимах Ре превышает установленную норму в 50 раз для тепловозов ЧМЭЗ с дизелем Д80 на средних нагрузках, в 22 раза для тепловозов ЧМЭЗ с серийным двигателем на средних

нагрузках и в 15 раз для тепловозов 2ТЭ116 с дизелем 1А-5Д49 на номинальных нагрузках.

—♦—2ТЕ116 -И-ЧМЭЗ -А-ЧМЭЗ

Рисунок 6 - Значения суммарной среднесуточной безразмерной концентрации окиси углерода и окислов азота для населенных пунктов

Выводы:

1. Анализ проведенных исследований показывает:

- при работе на холостом ходу и средних нагрузках более низкие значения приземной концентрации СО и 1\Юх, и их суммарной концентрации присущи дизелям тепловозов 2ТЭ116, по сравнению с тепловозами ЧМЭЗ;

- тепловозы ЧМЭЗ с дизелями Д80 имеют наихудшие экологические показатели по сравнению с тепловозами той же серии с двигателями К683КЮЯ.

2. Установлено, что на номинальных нагрузках значения приземной концентрации дизелей 1А-5Д49 увеличивается. Однако на номинальных нагрузках и близких к ним эти двигатели работают не более 20%, и в основном выход на номинальную мощность происходит за пределами населенных пунктов, поэтому можно считать, что магистральные тепловозы 2ТЭ116 с экологической точки зрения более предпочтительны чем тепловозы ЧМЭЗ у которых наибольшие выбросы Ж)х и суммарная концентрация СО и ЫОх приходятся на малые и средние нагрузки, при которых тепловоз работает 70 - 80% [8].

3. Анализ графиков суммарных безразмерных концентраций СО и NOx при выполнении реостатных испытаний тепловозов показывает что:

- концентрация суммарных безразмерных концентраций для воздуха рабочей зоны, соответствует значениям утвержденным санитарным нормам;

- максимально разовые и среднесуточные суммарные безразмерные концентрации для населенных пунктов превышают предельно допустимые нормы.

Вследствие того, что среднесуточные безразмерные концентрации значительно превышают значения, утвержденные санитарными нормам при реостатных испытаниях необходимо осуществлять разработку устройств позволяющих снизить концентрации вредных выбросов до установленных норм.

Список литературы

1. Суворов C.B. Вредные вещества на железнодорожном транспорте. - М.: Транспорт, 1986. 172с.;

2. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1981. 160с.;

3. Маслов Н.Н.Охрана окружающей среды на железнодорожном транспорте. - М.: Транспорт, 1996. 238с.;

4. Павлов Е.И. Экология транспорта. - М.: Транспорт, 1998. 232с.;

5. ДСТУ «Викиди забруднюючих речовин з вщпрацьованними газами тепловозних дизел1в. Норми та методи визначення. Видання офщшне. ГСТУ 32.001-94».;

6. Скрежендевский В.В. Экологический показатель тепловоза. - Локомотив №2. 2004г.;

7. Овчинников В.М. Снижение приземных концентраций вредных веществ при реостатных испытаниях тепловозов. - Наука и транспорт №1. 2001г.;

8. Общесоюзный нормативный документ ОНД-91, 1991. 20с.;

Симеон А.Э. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания. - М.: Транспорт, 1987. 536с.