Метрологическое обеспечение для ТЭЦ

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ТЭС

А.М. ГРИБКОВ *, Д.С. ТЮКЛИН **

*Казанский государственный энергетический университет **Набережночелнинская ТЭЦ

В предлагаемой работе приведена система метеорологического обеспечения для перспективных систем контроля загрязнения воздуха от выбросов ТЭС, включая приборное обеспечение, схему установки приборов, методику обработки показаний приборов с оценкой стоимости ее основных составляющих.

С ростом промышленного производства и начавшегося в связи с этим увеличения вредных выбросов, растет внимание к вопросам загрязнения атмосферы тепловыми электростанциями (ТЭС).

В настоящее время можно достаточно точно определять выбросы вредных веществ в любой момент работы станции. Но еще нужно определить, какие загрязнения в приземном слое воздуха при этом будут иметь место.

Однако утвержденной в качестве нормативной методики расчета приземных концентраций, при различных турбулентных состояниях атмосферы, для ТЭС России в настоящее время нет, хотя с теоретической точки зрения вопрос проработан достаточно подробно и для реализации, на наш взгляд, требует только достаточно грамотной адаптации для условий работы конкретной станции, а также соответствующего технического обеспечения.

В настоящее время вопрос решается следующим образом: на основании методики [1] рассчитывается высота дымовых труб, которая, при предельно допустимых выбросах (ПДВ) вредных веществ и при опасных метеоусловиях, обеспечит непревышение предельно допустимой концентрации (ПДК) вредных веществ на уровне земли. Под опасными метеоусловиями при этом понимается совпадение опасной скорости ветра (им) и развитой турбулентности атмосферы (1-й или 2-й класс устойчивости атмосферы). А так как такие условия бывают не всегда, а ТЭС тоже не всегда работает с ПДВ, то большую часть времени ТЭС создают концентрации значительно меньшие, чем ПДК.

Однако в процессе эксплуатации ТЭС могут иметь место и так называемые особо опасные или неблагоприятные метеоусловия (НМУ) по рассеиванию примесей в атмосфере, когда концентрации могут увеличиваться, по сравнению с рассчитанными по [1], на порядок. Эти условия различны для низких и высоких источников. Чаще всего источники могут быть разделены на три группы: 1) высокие с горячими выбросами, 2) высокие с холодными выбросами, 3) низкие. Под низкими понимаются источники высотой до 30 м [2]. Дымовые трубы ТЭС относятся к высоким источникам с горячими выбросами.

НМУ для низких и для высоких источников не совпадают. Для низких - это штиль и низкая турбулентность приземного слоя атмосферы (приземная инверсия), а для высоких - приподнятая инверсия с нижней границей, расположенной над источником выброса, когда ниже источника расположен штилевой слой с высокой турбулентностью, а на уровне выбросов скорость ветра близка к им.

В связи с этим обычно выявляется наличие двух максимумов загрязнения воздуха в зависимости от скорости ветра на уровне флюгера: при штиле и при скорости ветра около 4 - 6 м/с [3].

© А. М. Грибков, Д. С. Тюклин

Проблемы энергетики, 2008, № 7-8

Если прогноз условий распространения примеси для низких источников базируется на данных обширной сети наземных метеостанций и достаточно отработан, то прогноз для высоких источников представляет собой значительно более сложную задачу.

В этом случае при прогнозе условий рассеивания выбросов учитывается скорость разрушения инверсионного слоя у земли и рассчитывается трансформация вертикального профиля температуры и образование слоев приподнятой инверсии. Для этого разработаны прогностические правила по определению изменения ночного профиля температуры. Учитывается, что длительные приподнятые инверсии в холодную часть года формируются главным образом между циклоническими и антициклоническими образованиями при низких температурах воздуха, а также то, что в теплое полугодие почти над всей территорией России (за исключением побережий и орошаемых районов) приподнятые инверсии могут наблюдаться преимущественно в короткие периоды времени после восхода солнца. В ночные часы в подавляющем большинстве случаев отмечаются приземные инверсии. При этом их наличие ночью является прогностическим указанием на отсутствие инверсий днем в нижнем 500-метровом слое [4].

Для своевременного оповещения о наступлении НМУ большое значение имеет оперативное поступление и анализ аэрологической информации, в том числе данных наблюдений на телевизионных мачтах. Однако такой информации иногда не хватает, в связи с чем прогноз условий рассеивания вредностей от выбросов через высокие трубы ТЭС имеет более низкую оправдываемость, чем для низких источников.

Решением проблемы явилось бы установка датчиков температуры воздуха и скорости ветра на дымовых трубах ТЭС. И совершенно необходимой является установка метеорологических датчиков на трубах тех ТЭС, на которых будет устанавливаться система контроля за загрязнением воздуха.

В 1983 г. была введена в опытную эксплуатацию первая в СССР система автоматизированного контроля за состоянием воздуха на Запорожской ГРЭС, где на дымовой трубе высотой 320 м предварительно отрабатывалась методика ее использования для анализа турбулентного состояния атмосферы [5].

Следующая подобная система должна была быть сооружена на Березовской ГРЭС-1 с использованием для сбора метеопараметров дымовой трубы № 2 высотой 360 м. К сожалению труба № 2 на этой ГРЭС до сих пор не построена, а станция состоит всего лишь из двух, вместо планировавшихся ранее восьми, блоков К-800.

Методические вопросы установки датчиков ветра на дымовых трубах ТЭС рассмотрены в работе [6], где предложен метод определения истинной скорости и направления ветра, а именно: на площадке дымовой трубы необходимо установить четыре выносные реи относительной длиной Я/Я0 = 1,3-1,5 под углом 90° друг к другу. Рабочими метеореями считаются две реи, расположенные в период измерения в секторе ±90° к направлению невозмущенного потока.

В связи с тем, что направление воздушного потока еще только предполагается определить, это требования удобнее сформулировать следующим образом: рабочими метеореями считаются две соседние реи, суммарные показания скорости ветра которых максимальны. Более высокую скорость из показаний этих датчиков обозначаем и1, скорость, показываемую другим датчиком, - и2 (рис. 1).

Ппощадка

Рис. 1. Схема установки датчиков ветра на дымовой трубе

По показаниям двух датчиков рассчитывается отношение скоростей н1/н2 и по табл. 1 определяется направление ветра с учетом турбулентного состояния атмосферы. В первом приближении считаем, что состояние атмосферы нейтральное. Затем для найденного значения угла находим и1/и и и2/и. Здесь и - скорость ветра на таком расстоянии от трубы, где труба на нее уже не влияет. Зная и1 и и2, найдем и по двум датчикам.

Таблица 1

Отношение Состояние атмосфе] ы Угол

скоростей устойчивое нейтральное неустойчивое а о

1 2 3 4 5

0,296 0,362 0,426 0

0,405 0,410 0,445 10

0,537 0,540 0,548 20

0,637 0,692 0,705 30

их/и2 0,884 0,884 0,895 40

1,13 1,13 1,12 50

1,455 1,445 1,418 60

1,865 1,85 1,825 70

2,47 2,44 2,25 80

3,48 2,76 2,35 90

0,415 0,50 0,575 0

0,575 0,575 0,61 10

0,740 1,74 0,74 20

0,900 0,90 0,90 30

их/и 1,06 1,06 1,05 40

1,21 1,20 1,175 50

1,31 1,30 1,275 60

1,38 1,37 1,35 70

1,42 1,41 1,37 80

1,40 1,38 1,35 90

На рис. 2 показана предлагаемая нами схема установки датчиков на кольцевых площадках дымовой трубы. Если принять, что наружный радиус оболочки дымовой

трубы в данной схеме составляет 5 м, то отношение Я/Я составит как раз 1,4. Датчик при этом оказывается легко доступен для обслуживания. В качестве такого датчика может быть использован, например, датчик ветра М-127М. На начало 2008 г. стоимость одного датчика составляет 17 тыс. руб.

Рис. 2. Схема установки датчика ветра

Датчик предназначен для работы в стационарных условиях. Ветрочувствительным элементом по скорости ветра является вертушка, по направлению - флюгарка.

Диапазон измерения скорости - от 1,5 до 60 м/с;

порог чувствительности датчика по скорости ветра - не более 0,8 м/с;

порог чувствительности датчика по направлению - не более 1,2°;

габаритные размеры - 640x290x635 мм;

масса датчика - не более 6,5 кг;

допустимая температура окружающей среды - от -50 до +50 °С.

Для измерения температуры воздуха можно использовать термопреобразователи сопротивлений, подключаемые к температурному контроллеру. Точность их показаний находится обычно в пределах ± 0,2 оС при скорости ветра более 1,5 м/с. Стоимость одного датчика ТС 125-50М.В2 (-50... +100) °С длиной 60 мм на начало 2008 г. не более 500 руб. Стоимость контроллера - примерно 80 тыс. руб.

Для подключения термопреобразователей сопротивления к приборам, как правило, используется трехпроводная схема, которая позволяет уменьшить погрешность измерения, возникающую при изменении сопротивления проводов (например, при изменении их температуры).

При установке датчиков температуры проблем обычно не возникает, но следует иметь в виду, что датчик должен быть защищен от прямого солнечного излучения, должен находиться рядом с датчиком ветра и быть хорошо обдуваемым. Сами датчики на разных уровнях должны быть одинаковы, одинаковым способом установлены и располагаться по вертикали один под другим. Даже в солнечный день по крайней мере один из датчиков будет

находиться в тени от дымовой трубы, поэтому за истинную температуру воздуха принимается минимальная температура из всех 4-х датчиков каждого уровня.

После того, как разности температуры и скорости ветра будут определены, уточняется правильно ли было предварительно оценено турбулентное состояние атмосферы, для чего определяется ее класс устойчивости.

Класс устойчивости атмосферы можно определить различными способами.

В работе [7] описан стандартный приземный способ. По этому способу

градиентные замеры могут осуществляться в двух вариантах: первый -температура воздуха определяется на уровнях 0,5 и 2 м, (Д^), а скорость ветра - на уровне 1 м (н1) и второй - температура воздуха определяется на уровнях 1 и 4 м, (Д2), а скорость ветра - на уровне 2 м (и2).

В первом варианте определяется параметр

Д1

Б1 = 0,033—2 ,

«1

во втором варианте определяется параметр Д 2

Б1 = 0,033—2.

« 2

В зависимости от величины параметра Б2 приводится классификация классов устойчивости атмосферы

Таблица 2

Параметр Б2 Тип атмосферы Класс устойчивости п*

Менее -0,03 сильная неустойчивость первый

От -0,03 до -0,005 умеренная неустойчивость второй

От -0,005 до -0,001 слабая неустойчивость третий

От -0,001 до 0,001 безразличное состояние четвертый

От 0,01 до 0,05 слабая устойчивость пятый

От 0,01 до 0,05 умеренная устойчивость шестой

Более 0,05 сильная устойчивость седьмой

* - если Д2 находится в пределах от 0 до - 0,033 оС

В ряде случаев для определения характера устойчивости слоя используются характеристики, рассчитанные по разностям в более высоком слое. Эти характеристики менее требовательны к точности, чувствительности и расположению аппаратуры и более устойчивы по отношению к кратковременным и случайным изменениям [8].

Так, например, в работе [9] разность температур бралась по границам 250метрового слоя, а скорость - средняя в слое. Для этих условий принималось

Д з

Б з =-^.

и 3

Исследования проводились при неустойчивом состоянии атмосферы и принималось:

Б3 < -0,25 - сильная неустойчивость, первый класс (п = 1);

-0,25 < Б3 < -0,05 - умеренная неустойчивость, второй класс (п = 2);

-0,05 < Б3 < 0,00 - слабая неустойчивость, третий класс (п = 3).

В связи с тем, что наиболее подробная классификация дана для параметра Б2, из уравнения (2) выразим

Д 2 Б 2

-2 =—.

«22 0,07

В связи с этим табл. 2 пересчитаем относительно Д2/(«2)2 в табл. 3:

Таблица 3

Параметр Д2/(«2)2 Тип атмосферы Класс устойчивости п*

Менее -0,43 сильная неустойчивость первый

От -0,43 до -0,071 умеренная неустойчивость второй

От -0,071 до -0,014 слабая неустойчивость третий

От -0,014 до 0,014 безразличное состояние четвертый

От 0,014 до 0,14 слабая устойчивость пятый

От 0,14 до 0,71 умеренная устойчивость шестой

Более 0,71 сильная устойчивость седьмой

Заменим интервалы средними значениями, табл. 3 пересчитаем в табл. 4:

Таблица 4

Параметр Д2/(«2)2 Тип атмосферы Класс устойчивости п*

Менее -0,43 сильная неустойчивость первый

-0,25 умеренная неустойчивость второй

-0,042 слабая неустойчивость третий

0 безразличное состояние четвертый

0,077 слабая устойчивость пятый

0,42 умеренная устойчивость шестой

Более 0,71 сильная устойчивость седьмой

Проделаем то же самое для параметра Б3:

Б3 < -0,25 - сильная неустойчивость, первый класс (п = 1);

Б3 = -0,15 - умеренная неустойчивость, второй класс (п = 2);

Б3 = -0,025 - слабая неустойчивость, третий класс (п = 3).

По средним значениям найдем отношение А = Б3/(Д2/«2) для классов устойчивости п = 1-3:

Б3 < -0,25 - А = 0,58, п = 1;

Б3 = -0,15 - А = 0,60, п = 2;

Б3 = -0,025 - А = 0,60, п = 3.

Сравнивая формулы (1) и (2), видим, что изменение уровня замера температуры приводит к одинаковому изменению коэффициента

пропорциональности для всех классов устойчивости атмосферы. Поэтому

параметр Б3 для п = 4-7 классов рассчитаем, приняв А = 0,60 и для этих классов. Тогда:

Б3 = 0 для п = 4;

Б3 = 0,046 для п = 5;

Б3 = 0,25 для п = 6;

Б3 > 0,43 для п = 7.

Однако разность высот в 250 метров слишком велика, т.к. мощность инверсий может быть меньше этой величины. Более удобным для анализа является слой воздуха толщиной 100 м. Принимая, что скорость ветра, за

исключением нижнего 100-метрового слоя, в соседних 100-метровых слоях в пределах 250-метрового интервала высот меняется незначительно, пересчитаем параметр Б3 на интервал высот 100 м. Тогда будем иметь следующие градиентные характеристики для 100-метрового слоя (табл. 5).

Таблица 5

Параметр Б Тип атмосферы Класс устойчивости п*

Менее -0,1 сильная неустойчивость первый

-0,06 умеренная неустойчивость второй

-0,01 слабая неустойчивость третий

0 безразличное состояние четвертый

0,018 слабая устойчивость пятый

0,1 умеренная устойчивость шестой

Более 0,17 сильная устойчивость седьмой

В табл. 5: Б = Д/«2, где Д - разность температур на границах 100-метрового слоя воздуха по высоте; « - средняя скорость ветра в этом 100-метровом слое. Разбиваем весь интервал изменения Б на интервалы для каждого класса:

Таблица 6

Параметр Б Тип атмосферы Класс устойчивости п*

Менее -0,1 сильная неустойчивость первый

От -0,1 до -0,035 умеренная неустойчивость второй

От -0,035 до -0,005 слабая неустойчивость третий

От -0,035 до 0,01 безразличное состояние четвертый

От 0,01 до 0,060 слабая устойчивость пятый

От 0,06 до 0,17 умеренная устойчивость шестой

Более 0,17 сильная устойчивость седьмой

За устойчивое состояние принимаем с 5-го по 7-й классы, за нейтральное -3-й и 4-й, а за неустойчивое - 1-й и 2-й классы по табл. 6.

В том случае, если действительное состояние атмосферы окажется отличным от предварительно принятого, делается пересчет скоростей ветра.

В работе [10] на основании модельных исследований определено влияние главного корпуса ТЭЦ на структуру ветра. Показано, что при направлении ветра на дымовую трубу от главного корпуса его влияние распространяется до двух высот главного корпуса, в результате чего делается вывод об установке метеодатчиков только на более высоких уровнях. Этот вывод нам кажется не совсем точным, т.к. такие условия имеют место относительно меньшую часть времени, а при направлении ветра с трех других сторон (при оборудовании дымовой трубы, расположенной рядом с торцем главного корпуса) показания датчиков, установленных и на более низких отметках, также будут репрезентабельны.

До настоящего времени для определения профилей температуры, направления и скорости ветра применяется, в основном, шаропилотное зондирование. Контрастная резиновая оболочка диаметром примерно 1 м заполняется легким газом, к ней крепится автоматический радиопередатчик температуры, оболочка отпускается и свободно поднимается в атмосфере. На земле радист принимает сигналы передатчика, а два наблюдателя синхронно регистрируют положение шара-пилота специальными теодолитами, пока он не пропадает из видимости. Далее полученные таблицы обрабатываются и получаются необходимые профили. Основной недостаток такого способа - в его

трудоемкости, а также в ограничении применения в темное время суток и при повышенных скоростях ветра. Для непрерывной регистрации профилей в режиме реального времени этот способ непригоден.

В настоящее время Институт оптики атмосферы СО РАН разработал лабораторный образец метеорологического акустического доплеровского локатора "ВОЛНА-3". Прибор состоит из трёх приёмо-передающих параболических антенн, защищённых от окружающих шумов коническими экранами, электронного блока формирования зондирующих импульсов и усиления принимаемых сигналов, блока управления системой на базе персонального компьютера. Производимая в настоящее время система - содар "Волна-3" - обладает потенциалом зондирования до высоты 700-730 м, разрешением по высоте при измерении ветра 12-25 м с периодом получения одного профиля в 15-17 с. Диапазон измеряемых скоростей ветра от 1 до 20 м/с. Точность измерений ±0,2 м/с по скорости и ±2° по направлению среднего ветра при периоде усреднения 10 минут. Несколько экземпляров проданы природоохранным структурам и исследовательским организациям без их сертификации по цене примерно 700 тыс. руб.

Смоленское ООО "Прибор" начало изготовление и поставку метеорологического температурного профилемера МТП-5. Прибор предназначен для дистанционного измерения профиля температуры атмосферы в диапазоне высот от уровня установки прибора до 600 м. Погрешность измерения ±1 К.

Таких приборов в системе Росгидромета на начало 2008 г. было всего пять. Стоимость его составляет 1,75 млн. руб. Прибор прошел аттестацию в Госстандарте России (имеется соответствующий сертификат) и внесен в Государственный реестр средств измерений.

Таким образом, два ориентированных на достаточно широкого потребителя прибора дистанционного зондирования атмосферы стоят вместе примерно 2,5 млн. руб. Стационарная система, установленная на площадках дымовой трубы, будет стоить около 1 млн. руб. и иметь значительно более высокую точность измерений.

Однако преимуществом дистанционных систем является возможность оценки состояния атмосферы выше устья дымовой трубы. Таким образом, в дальнейшем для оценки состояния слоя распространения примеси от устья трубы к земле следует, в первую очередь, использовать возможности дымовой трубы, тем более что аналогичные системы размещены на многих телебашнях и особых трудностей в эксплуатации не вызывают, а при наличии средств - дополнять их методами дистанционного контроля.

Summary

The system of meteorological providing for perspective control systems of air pollution because of TPS emittions, including the device providing, the device mounting scheme, the methods of device data processing with evaluating the cost of ist main components has been given in this paper

Литература

1. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий: ОНД-86 (РД 52.04.212-86). - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 94 с.

2. Регулирование выбросов при неблагоприятных метеорологических условиях: РД 52.04.52-85. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 38 с.

3. Охрана природы. Атмосфера. Руководство по прогнозу загрязнения воздуха: РД 52.04.306-92. - Л.: Гидрометеоиздат, 1993. - 90 с.

4. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 413 с.

5. Грибков А.М. Натурные исследования распространения дымового факела одноствольных и многоствольных труб мощных ТЭС: Дисс... канд. техн. наук. - Москва: МЭИ, 1978. - 228 с.

6. Волков Э.П. Контроль загазованности атмосферы выбросами ТЭС. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 256 с.

7. Бызова Н.Л. Методическое пособие по расчету рассеяния примесей в

пограничном слое атмосферы по метеорологическим данным. - М.:

Гидрометеоиздат, 1973. - 47 с.

8. Бызова Н.Л. Рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы. - М.: Гидрометеоиздат, 1974. - 191 с.

9. Зайцев А.С. Исследование характеристик турбулентности с помощью шаров-пилотов: Труды ГГО. Вып. 238. - 1969. - С. 180-183.

10. Использование высотных дымовых труб для контроля метеопараметров в автоматизированной системе контроля загрязнения воздуха КАТЭКа / Г.Е. Худяков, М.И. Хомяков, Р.М. Фаткуллин и др. // Труды МЭИ. Вып. 620. - 1983. -С. 59-63.

Поступила 12.03.2008