Тепловое загрязнение окружающей среды объектами малой энергетики

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Охрана окружающей среды


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 502. 3:621. 311. 23
ТЕПЛОВОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОБЪЕКТАМИ
МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Маслеева О. В., Воеводин А. Г., Пачурин Г. В.
ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», Нижний Новгород, e-mail: PachurinGV@mail. ru.
В процессе эксплуатации объектов малой энергетики происходит физическое (шум, вибрация, электромагнитное и тепловое излучение) и химическое загрязнение окружающей природной среды. Тепловое загрязнение характеризуется увеличением температуры выше естественного уровня. Сброс тепла в окружающую среду приводит к техногенному изменению температурного режима компонентов геосфер: атмосферы, гидросферы и верхних слоев литосферы. Техногенные изменения температурного режима могут ухудшать условия жизни и работы людей, а также усиливать коррозию материалов и повреждение тепло- и газопроводов, канализации и т. п. В работе проведена оценка количественных показателей теплового воздействия мини-ТЭЦ с газопоршневыми, работающими на природном газе и биотопливе, газотурбинными, работающими на природном газе, и дизельными двигателями. Показано, что уровень теплового загрязнения главным образом зависит от вида двигателя — наименьшим тепловым загрязнением обладают дизельные, а набольшим газопоршневые установки. Последствия теплового загрязнения строительства мини-ТЭЦ можно оценить как очень слабое для здоровья населения и окружающей среды.
Ключевые слова: энергетика, тепловое загрязнение окружающей среды, биогаз, природный газ, газопоршневые установки, дизельные установки, газотурбинные установки
THERMAL POLLUTION OF THE ENVIRONMENT OF SMALL ENERGY OBJECTS Masleeva O.V., Voevodin A.G., Pachurin G.V.
Nizhny Novgorod State Technical University RE Alekseev, Nizhny Novgorod, e-mail: PachurinGV@mail. ru
In the process of operation of objects of small energy is physical (noise, vibration, electromagnetic and thermal radiation) and chemical pollution of environmental natural environment. Thermal pollution is characterized by temperature increase above natural levels. Discharge of heat into the environment leads to technological change in the temperature regime of the components of geospheres: the atmosphere, hydrosphere and upper layers of the lithosphere. Man-caused changes of a temperature mode can worsen the conditions of life and work of people, and also to strengthen the corrosion of materials and damage to heat — and gas pipelines, Sewerage, etc. To assess the quantitative indicators of thermal influence of mini-CHP gas engine running on natural gas and biofuels, gas-turbine working on natural gas, and diesel engines. It is shown that the level of thermal pollution mainly depends on the type of the engine — lowest thermal pollution have diesel, and limited gas-piston units. The effects of thermal pollution of the construction of mini-CHP can be assessed as very weak public health and the environment.
Keywords: energy, thermal pollution, biogas, natural gas, gas generator sets, diesel engines, gas turbines
Эксплуатация объектов энергетики ных приборах и также рассеивается в окру-
оказывает физическое (шум, вибрация, жающую среду.
электромагнитное и тепловое излучение) Сброс тепла в окружающую среду привои химическое загрязнение окружающей дит к техногенному изменению температур-
природной среды [2−4, 7]. Тепловое загряз- ного режима компонентов геосфер: атмосфе-
нение характеризуется увеличением темпе- ры, гидросферы и верхних слоев литосферы.
ратуры выше естественного уровня. По оценкам ученых, тепло антропоген-
Согласно Российскому статистическому ного происхождения в настоящее время еще
ежегоднику в 2011 г. в России добыча со- неизмеримо мало по сравнению с теплом,
ставила: уголь 335 млн. т, нефти 512 млн. поступающим от Солнца и из земных недр,
т, природного и попутного газа 671 млрд. м3. и составляет примерно 0,005% этого количе-
Крупнейшим потребителем органического ства, и таким образом не может существенно
топлива являются тепловые электрические сказаться на тепловом балансе Земли.
станции. В России в 2011 г. было произ- Однако мощные источники антропоген-
ведено электроэнергии1054,8 млрд. кВтч. ных выбросов тепла при условии их высо-
С учетом того, что современные теплоэнер- кой концентрации на небольших террито-
гетические станции имеют КПД не выше риях могут оказывать заметное влияние
40%, то неизбежные потери тепла при вы- на тепловой режим этих территорий, проработке электроэнергии составят до 60%. странств, акваторий. Температура воздуха
Этим теплом «обогревается» атмосфера зимой в крупных городах обычно на не-
и гидросфера. Кроме того, следует учесть, сколько градусов выше, чем поблизости рас-
что значительная часть выработанной элек- положенных небольших населенных пун-
троэнергии, в конечном счете, вновь преоб- ктах. Также заметно изменяется тепловой
разуется в тепло в электронагревательных режим рек и озер при сбросе в них сточных
и технологических установках, осветитель- нагретых вод тепловых электростанций.
Это существенно влияет на условия обитания водных организмов и на структуру экологических систем таких водоемов. Таким образом, влияние мощных антропогенных источников тепла на биосферу вполне ощутимо, хотя и имеет локальный характер.
Наиболее опасно теплового загрязнения водоемов, т.к. водные обитателинеспособны регулировать температуру тела. Возможна тепловая гибель рыб, т.к. для каждого вида существует свой интервал температур, наиболее благоприятный для его выживания. При увеличении температуры воды происходит понижение концентрации кислорода. Возможно снижение репродуктивной функции организмов, например, форель способна выживать в теплой воде, но не способна размножаться. Происходит повышение чувствительности к болезням и снижается устойчивость экосистемы.
Прогретый грунт взаимодействует с растениями, животными и микробными сообществами, меняя параметры среды обитания.
Техногенные изменения температурного режима могут ухудшать условия жизни и работы людей. Возможнотакже усиление коррозии материалов и повреждение тепло-и газопроводов, канализации и т. п.
Материалы и методы исследования
Тепловыми источниками воздействия на окружающую среду в данной работе рассматриваются мини-ТЭЦ. При анализе источников воздействия учитывали их пространственное наземное положение[5].
По виду воздействия их можно классифицировать как, привносимые в окружающую среду. Тепловое излучение, которое через воду и атмосферный воздух воздействует на живые организмы, и зависит от месторасположения источника (низина, склон, берег водоема) и климатических факторов территории (давление, влажность, осадки, направление ветра).
Распределение тепла, выделившегося при сжигании топлива, на полезное тепло и на потери тепла, сопровождающие работу котла, называется тепловым балансом котельного агрегата.
Уравнение теплового баланса котельного агрегата включает в себя [6]:
1 — тепло, полезно использованное в котле на получение пара или горячей воды-
2 — потери тепла с дымовыми газами в окружающую среду. Эти потери определяются как разность эн-
тальпий продуктов сгорания, уходящих из котельного агрегата, и холодного воздуха, поступающего в агрегат-
3 — потери тепла от химической неполноты сгорания топлива. При сжигании твердых топлив показателем химической неполноты горения является присутствие в уходящих дымовых газах окиси углерода, а при сжигании газообразного топлива — окиси углерода и метана-
4 — потери тепла от механической неполноты сгорания топлива. Потери тепла от механической неполноты горения состоят из потерь от провала несгоревших частиц топлива через колосники в зольник и уноса мелких частиц топлива в газоходы котла. Эти потери зависят от конструкции колосниковой решетки, силы тяги, размеров кусков топлива и их спекаемости-
5 — потери тепла в окружающую среду. Потери тепла нагретыми внешними поверхностями в окружающую среду зависят от типа и паропроизводитель-ности котла, его конструкция, качества обмуровки и нагрузки котлоагрегата-
6 — потери с физическим теплом шлаков, удаляемых из топки. Эти потери учитывают только при сжигании твердых топлив, как в кусковом, так и в пылевидном состоянии. Они зависят от зольности топлива и системы шлакозолоудаления.
Исследования теплового загрязнения окружающей среды проводили для мини-ТЭЦ с газопоршневыми, работающими на природном газе и биотопливе, газотурбинными, работающими на природном газе, и дизельными двигателями. Диапазон мощностей двигателей от 10 до 1000 кВт.
Для оценки воздействия были определены количественные показатели теплового воздействия:
• интенсивность воздействия (удельное тепловое загрязнение, ГДж/кВт*год) —
• периодичность воздействия во времени (непрерывное) —
• продолжительность воздействия (год) —
• пространственные границы воздействия (глубина, размеры и форма зоны воздействия).
Результаты исследования и их обсуждение
В расчетах использовались технические характеристики газопоршневых установок Caterpillar, работающих на природном газе и биотопливе. Технические характеристики газопоршневых установок Caterpillarи, расчетное тепловое загрязнение приведены в табл. 1 — для биогаза, табл. 2 -для природного газа.
Таблица 1
Технические характеристики и тепловое загрязнение газопоршневых установок
CaterpШarна биогазе
Модель установки G3306 (DM8658) G3406 (DM8660) G3412 (DM8662) G3512 (DM0762) G3516 (DM0761)
Электрическая мощность установки (кВт) 64 103 163 110 1030
КПД 0,28 0,29 0,27 0,32 0,32
Расход топлива: биогаза (нм3/ч) 37,6 37,6 97,9 391 526
Тепловое загрязнение. ГДж/год 5211 4881 13 113 51 240 68 932
Удельное тепловое загрязнение, ГДж/кВтгод 82 47 84 67 67
Среднее удельное тепловое загрязнение, ГДж/кВтгод 69
В расчетах использовались формулы [6, 8]:
— коэффициент полезного действия:
Ц = (1)
ее?
где Nэ — электрическая мощность, кВт- О -расход топлива, нм3/ч- & lt-2нр — средняя теплота сгорания-
для биогаза, содержащего 60%
метана, 2/= 22 мДж/м3-
для природного газа для газопоршневых установок 0, р= 33 МДж/м3.
— тепловое загрязнение:
Q = Qнр G т (1 — л) 10−3.
(2)
где т — время эксплуатации агрегата на номинальной мощности, т = 8760 ч.
Таблица 2
Технические характеристики и тепловое загрязнение газопоршневых установок
СаІегріПагна природномгазе
Модель установки G3406 (DM5447) G3406 (DM5448) G3412 (DM5449) G3412C (DM5450) 508GEX2 (DM8729) 512GEX1 (DM5210) 516GEX6 (DM5668)
Электрическая мощность (кВт), 125 160 280 360 505 110 1030
КПД 0,35 0,32 0,352 0,34 0,35 0,35 0,35
Расход топлива, нм3/ч 39 52 97 111 155 228 286
Тепловое загрязнение, ГДж/год 7328 10 222 18 226 21 178 29 125 42 842 53 740
Удельное тепловое загрязнение, ГДж/год 59 64 65 59 58 56 52
Среднее удельное тепловое загрязнение, ГДж/кВтгод 59
В расчетах использовались технические характеристики дизельных установок Челябинского тракторного завода, Алтайского моторного завода и Уральского дизель-мо-торного завода, работающих на дизельном топливе. Технические характеристики дизельных установок и расчетное тепловое загрязнение приведены в табл. 3.
В расчетах использовались формулы [6, 8]:
— коэффициент полезного действия:
л =
3,6tN
Of& lt-v io
з'-
(3)
где N — электрическая мощность, кВт- т -время эксплуатации агрегата на номинальной мощности, т =8760 ч- Ог — расход топлива, т/г- Qнр — средняя теплота сгорания, для дизельного топлива Qнр=42 МДж/м3.
— тепловое загрязнение:
Q = Qнр G (1 — л).
(4)
Таблица 3
Технические характеристики и тепловое загрязнение дизельных двигателей
Модель установки В2Ч8,2/7,8 А-41−31 А-41−33 Д-440−33 У1Д6-С5 И2-С6 6ДМ-21С 8ДМ-21С
Электрическая мощность установки (кВт), 10,3 33 55 13 139,7 315 100 1080
КПД 0,33 0,39 0,39 0,39 0,49 0,38 0,48 0,47
Расход топлива, т/год 23,1 63,8 105,8 140,2 215,1 630,7 1089,0 1724,0
Тепловое загрязнение, ГДж/год 650 1635 2111 3592 4607 16 426 23 784 38 376
Удельное тепловое загрязнение, ГДж/год 63 50 49 49 33 52 34 63
Среднее удельное тепловое загрязнение, ГДж/ кВтгод 41
В расчетах использовались техни- родном газе. Технические характери-
ческие характеристики газотурбин- стики газотурбинных двигателей и рас-ных двигателей производства Kawasaki четное тепловое загрязнение приведены
Heavyindustries Ltd, работающих на при- в табл. 4.
Таблица 4
Технические характеристики и тепловое загрязнение газотурбинных двигателей производитель KawasakiHeavyindustriesLtd
Модель установки S1A-02 S1T-02 S2A-01 S7A-01 М1А-01
Электрическая мощность установки (мВт), 0,2 0,4 0,6 0,65 1,1
КПД 0. 21 0. 21 0. 21 0,21 0,21
Расход газа на 100% нагрузке, кг/ч 120 190 218 229 390
Тепловое загрязнение, ГДж/год 42 676 67 570 77 528 81 440 138 696
Удельное тепловое загрязнение, ГДж/год 213 169 129 125 126
Среднее удельное тепловое загрязнение, ГДж/кВтгод 153
В расчетах использовались формулы [6, 8]:
— тепловое загрязнение:
Q =
QfG& lt-1-ц) 1000рг '
(5)
где т — время эксплуатации агрегата на номинальной мощности, т = 8760 ч- G — расход топлива, нм3/ч- Qр — средняя теплота
сгорания, для природного газа газотурбинных установок Qнр= 37 МДж/м3- ^ - коэффициент полезного действия- рг — плотность газа, рг= 0,72 кг/м3.
На рисунке показаны средние значения удельного теплового загрязнения мини-ТЭЦ с газопоршневыми, работающими на природном газе и биотопливе, газотурбинными, работающими на природном газе, и дизельными двигателями.
Удельное тепловое загрязнение мини-ТЭЦ с различными двигателями
Выводы
Проведенные исследования показали:
— уровень теплового загрязнения главным образом зависит от типа двигателя и значения его КПД-
— наименьшим тепловым загрязнением обладают дизельные установки, имеющие более высокий КПД-
— набольшим тепловым загрязнением обладают газотурбинные установки, имеющие более высокий объем дымовых газови низкий КПД.
По масштабу экологического воздействия тепловое загрязнение можно оценить как точечное. Последствия теплового загрязнения строительства мини-ТЭЦ можно оценить как очень слабое для здоровья населения иокружающей среды [1].
Список литературы
1. Временная инструкция о порядке проведения оценки воздействия на окружающую среду при разработке технико-экономических обоснований (расчетов) и проектов строительства народнохозяйственных объектов и комплексов. -М., 1990.
2. Маслеева О. В. Исследование влияния мини-ТЭЦ на уровень загрязнения атмосферного воздуха // Труды нижегородского государственного технического университета № 2(87) — Н. Новгород: НГТУ, 2011. С. 176−182.
3. Маслеева О. В., Пачурин Г. В., Солнцев Е. Б., Петров А. А. Шумовое загрязнение окружающей природной среды мини-ТЭЦ // Фундаментальные исследования, № 8 (часть 2). 2013. С. 291−294.
4. Маслеева О. В., Пачурин Г. В., Головкин Н. Н. Экологическая и экономическая оценка использования мини-ТЭЦ, работающих на природном и биогазе // Международный журнал экспериментального образования. 2014. № 1. С. 86−92.
5. Пособие по оценке воздействия на окружающую среду (ОВОС) при разработке технико-экономических обоснований (расчетов) инвестиций и проектов строительства народнохозяйственных объектов и комплексов. К Инструкции о порядке проведения оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС) при разработке материалов по выбору площадки (трассы), технико-экономических обосновании инвестиций и проектов строительства народнохозяйственных объектов и комплексов. — М., 1992.
6. Равич М. Б. Эффективность использования топлива. — М.: Наука, 1977. — 344 с.
7. Соснина Е. Н., Маслеева О. В., Пачурин Г. В., Филатов Д. А. Экологическое воздействие мини-ТЭЦ с газопоршневыми и дизельными двигателями на окружающую среду // Фундаментальные исследования. 2013, № 6 (часть 1). С. 76−80.
8. Шепелев И. А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. — М.: Стройиздат, 1978. — 144 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой