Моделирование загрязнения атмосферы выбросами из низких источников
1. Обоснование мероприятий по защите атмосферного воздуха от загрязнения вентиляционными и технологическими выбросами
При проектировании промышленных предприятий требуется в соответствии с Санитарными нормами СН 245-71 проводить расчет возможного загрязнения атмосферного воздуха вентиляционными и технологическими выбросами. Расчет проводят с целью проверки эффективности предусмотренных проектом мероприятий по обеспечению чистоты атмосферного воздуха населенных пунктов, а также воздуха на площадках предприятий у приемных отверстий систем вентиляции и кондиционирования воздуха и у аэрационных приточных проемов. Полученные расчетом концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов не должны превышать максимальных разовых концентраций, указанных в табл. 3 СН 245-71, а в воздухе, поступающем внутрь зданий и сооружений через приемные отверстия систем вентиляции и кондиционирования воздуха и через аэрационные проемы, - 30% предельно допустимых концентраций (Спдк) этих веществ в рабочей зоне производственных помещений, указанных в табл. 4 СН 245-71.
При превышении этих пределов следует разработать дополнительные мероприятия по снижению уровня загрязнения, например предусмотреть повышение эффективности очистных устройств, сооружение новых газоочистных установок, совершенствование отдельных технологических узлов и установок, увеличение высоты труб, уменьшение выбросов соседних предприятий. Степень загрязнения наружного воздуха, определенная расчетным путем, будет соответствовать действительному состоянию воздуха только в том случае, если при расчете использованы достоверные данные, учитывающие весь комплекс одновременно действующих источников выделения вредных веществ, а также существующий фон загрязнения.
2. Математическая модель определения степени загрязнения атмосферы
2.1. Обозначения используемые при построении математической модели
C, Cx, Cy - концентрация вредных веществ в наружном воздухе, мг/м3;
M - количество вредных веществ, выбрасываемых источником в атмосферу, мг/с;
k - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние возвышения устья источника на уровень загрязнения ;
v - расчетная скорость ветра, принимаемая по рекомендации Главного санитарно-эпидемиологического управления равной 1м/с;
Hзд - высота здания от поверхности земли до его крыши при плоской кровле, до конька крыши при двускатной кровле, до верха карниза фонаря при продольных фонарях, расположенных ближе 3 м от наветренной стены здания, м;
l - длина здания (размер, перпендикулярный направлению ветра), м;
b - ширина здания (размер вдоль направления ветра), м;
x - расстояние от заветренной стены здания до точки, в которой определяется концентрация, м;
S, S1, S2, S3, S4 - вспомагательная безразмерная величина, позволяющая определять концентрации вредных веществ на расстоянии y, м, по перпендикуляру от оси факела выброса из точечных источников;
b1 - расстояние в пределах крыши широкого здания от его наветренной стороны до точки, в которой определяется концентрация, м;
b2 - расстояние в пределах крыши широкого здания от источника до точки, в которой определяется концентрация, м;
L - количество газовоздушной смеси, выбрасываемой из источника м3/с;
m - безразмерный коэффициент, показывающий какое количество выделяемых источником примесей участвует в загрязнении циркуляционных зон;
b3 - расстояние в пределах крыши широкого здания от источника до заветренной стены здания, м;
H~ - относительная высота здания, равная
(H-1,8Hзд)/(Hгр-1,8Hзд)
при расположении устья источника вне единой или межкорпусной зоны узкого здания и над наветренной зоной широкого здания и равная
(H-Hзд)/(Hгр-Hзд)
при расположении устья источника вне наветренной, над заветренной или над межкорпусной зоной широкого здания;
Hгр - предельная высота низких источников, м;
x1 - расстояние между зданиями;
2.2. Область применения расчетных формул
При расчете степени загрязнения, решении различных вопросов по сокращению выбросов и выборе мест расположения приемных отверстий систем вентиляции и кондиционирования воздуха необходимо учитывать возникновение вблизи зданий при обтекании их воздушным потоком циркуляционных (замкнутых плохо проветриваемых) зон (рис.1). При обтекании воздушным потоком узкого здания над и за ним возникает ЕДИНАЯ ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ ЗОНА, распространяющаяся от заветренной стены здания на расстояние шесть его высот (6 Нзд). Высота этой зоны в среднем составлляет 1,8 Нзд (рис.1.а) При обтекании воздушным потоком широкого здания над ним возникает НАВЕТРЕННАЯ ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ ЗОНА длиной 2,5 Нзд и высотой 0,8 Нзд, а за ним - ЗАВЕТРЕННАЯ ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ ЗОНА длиной 4 Нзд и высотой около Нзд (рис.1.б). При обтекании воздушным потоком группы зданий между двумя смежными зданиями возникает МЕЖКОРПУСНАЯ ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ ЗОНА длиной до 10 Нзд, если первое по потоку здание узкое (рис.1.в) и до 8 Нзд, если первое по потоку здание широкое (рис.1.г). При больших межкорпусных расстояниях здания можно рассматривать как отдельно стоящие.
Источники вредных веществ, загрязняющие циркуляционные зоны зданий, следует относить к НИЗКИМ.
Граничное положение устья источника (рис.2), до которого он действует как низкий, находят по формулам:
для узкого отдельно стоящего здания
Нгр=0.36b3+2.5Hзд; (2.2.1)
для широкого отдельно стоящего здания
Нгр=0.36b3+1.7Hзд;(2.2.2)
для группы зданий
Нгр=0.36(b3+x1)+Hзд, (2.2.3)
где b3-расстояние от источника, расположенного в пределах крыши, до заветренной стены здания.
Источники, выбрасывающие вредные вещества на высоте, превышающей Нгр и не загрязняющие циркуляционные зоны над и за зданием, следует относить к ВЫСОКИМ.
Загрязнение, создаваемое низкими источниками, рассчитывают в соответствии с "Руководством по расчету загрязнения воздуха на промышленных площадках", разработанным ЦНИИПромзданий и ВЦНИИОТ в 1975 г.
2.3. Расчетные формулы для выбросов из низких источников.
Формулы для расчета концентраций вредных веществ в наружном воздухе при загрязнении его выбросами из низких источников выбирают в зависимости от вида здания (узкое или широкое отдельно стоящее, группа зданий), вида источника (точечный или линейный), места расположения устья источника и места определения концентраций.
2.3.1. Узкое отдельно стоящее
В единой циркуляционной зоне или над ней
В единой циркуляционной зоне при 0x6Hзд
(2.3.1
а)
;
Вне циркуляционной зоны за зданием при x6Hзд
(2.3.1 б)
2.3.2 Широкое отдельно стоящее
В наветренной циркуляционной зоне
На крыше в наветренной циркуляционной зоне при b12,5Hзд
(2.3.2.1
а)
;
На крыше вне наветренной циркуляционной зоны при b12,5Hзд
(2.3.2.1 б)
В заветренной циркуляционной зоне при 0x4Hзд
(2.3.2.1 в)
Вне заветренной циркуляционной зоны за зданием при x4Hзд
(2.3.2.1 г)
Вне наветренной циркуляционной зоны над крышей при H~0,3
На крыше вне наветренной циркуляционной зоны при b12,5Hзд
(2.3.2.2 а)
В заветренной циркуляционной зоне при 0x4Hзд
(2.3.2.2
б)
;
Вне заветренной циркуляционной зоны за зданием при x4Hзд
(2.3.2.2 в)
Вне наветренной циркуляционной зоны над крышей при H~0,3
На крыше вне наветренной циркуляционной зоны при b12,8(H-Hзд) и y(H-Hзд)
(2.3.2.3 а)
В заветренной циркуляционной зоне при 0x4Hзд
(2.3.2.3
б)
;
Вне заветренной циркуляционной зоны за зданием при x4Hзд
(2.3.2.3 в)
В заветренной циркуляционной зоне или над ней
В заветренной циркуляционной зоне при 0x4Hзд
(2.3.2.4
а)
;
Вне заветренной циркуляционной зоны за зданием при x4Hзд
(2.3.2.4 б)
2.3.3. Группа зданий
В наветренной циркуляционной зоне первого по потоку широкого здания
В межкорпусной циркуляционной зоне при Hздx14Hзд
(2.3.3.1 а)
В межкорпусной циркуляционной зоне при 4Hздx18Hзд
(2.3.3.1 б)
Вне наветренной циркуляционной зоны первого по потоку широкого здания на крыше при H~0,3
В межкорпусной циркуляционной зоне при Hздx14Hзд
(2.3.3.2
а)
;
В межкорпусной циркуляционной зоне при 4Hздx18Hзд
(2.3.3.2
б)
;
Вне наветренной циркуляционной зоны первого по потоку широкого здания на крыше при H~0,3
В межкорпусной циркуляционной зоне при Hздx14Hзд
(2.3.3.3 а)
;
В межкорпусной циркуляционной зоне при 4Hздx18Hзд
(2.3.3.3 б)
;
В межкорпусной циркуляционной зоне при первом по потоку широком здании и H~0,3
В межкорпусной циркуляционной зоне при Hздx14Hзд
(2.3.3.4
а)
;
В межкорпусной циркуляционной зоне при 4Hздx18Hзд
(2.3.3.4
б)
;
Над межкорпусной циркуляционной зоной при первом по потоку широком здании и H~0,3
В межкорпусной циркуляционной зоне при Hздx14Hзд
(2.3.3.5 а)
;
В межкорпусной циркуляционной зоне при 4Hздx18Hзд
(2.3.3.5 б)
;
В межкорпусной циркуляционной зоне или над ней при первом по потоку узком здании
В межкорпусной циркуляционной зоне при Hздx16Hзд
(2.3.3.6
а)
В межкорпусной циркуляционной зоне при 6Hздx110Hзд
(2.3.3.6
б)
;
За расчетное принимают направление ветра, перпендикулярное продольной стороне здания. При продольном направлении ветра концентрации вредных веществ будут меньше.
При действии линейных источников (аэрационных фонарей, ряда близко расположенных шахт и труб) концентрации вредных веществ в единой, заветренной или межкорпусной циркуляционной зоне достаточно рассчитать для любой точки зоны, так как они одинаковы в пределах каждой зоны.
При действии точечных источников концентрации вредных веществ рассчитывают на оси их факела х, где они будут наибольшими.
Понижающие коэффициенты S, S1, S2, S3 и S4, вводимые при выборе мест воздухозаборов и решении других задач, связанных с определением концентраций, находят по графику или подсчитывают по формулам:
(2.3.4
а)
(2.3.4
б)
(2.3.4
в)
(2.3.4
г)
(2.3.4
д)
При расчете концентрации вредных веществ за вторым и последующими зданиями по направлению ветра поступление вредных веществ определяют с учетом расстояния x по оси факела и расстояния y, перпендикулярного оси факела.
3. Описание программной реализации математической модели
3.1. Общее описание программого продукта
После запуска программы перед пользователем появляется вертикальное меню, которое состоит из следующих пунктов:
“Исходные данные”;
“Результат”;
“О программе”;
“Выход”.
Пункт “Исходные данные” предназначен для ввода начальных данных, таких как:
тип источника- точечный или линейный;
тип здания - группа или отдельно стоящее (анализ того узкое оно или широкое происходит в программе);
размеры здания - длина, ширина и высота;
параметры источника(трубы) - высота и местоположение;
межкорпусное расстояние - можно ввести только если была выбрана группа зданий, минимально возможное межкорпусное расстояние равно высоте первого по ходу ветра здания (весь контроль выполняется программой);
скорость ветра - принято задавать равной 1м/c;
характеристики выбросов - расход газовоздушной смеси и количество вредных веществ;
место расчета - место определения концентрации вредных веществ. Пользователь задает интервал по направлению ветра и шаг расчета, а также интервал и шаг расчета по перпендикуляру к направлению ветра.
ВНИМАНИЕ!!! При работе с программой следует помнить, что за начало отсчета принята наветренная сторона здания! Следовательно, при задании параметров источника загрязнения и места определения концентрации следует, если требуется, проебразовать соответствующие данные к виду необходимому для работы программы!
Пункт “Результат” приводит аглоритм работы в действие. В данном пункте можно выбрать порядок вывода результата – на дисплей или в файл, имя которого задается пользователем.
Пункт “О программе” содержит информацию о наименовании и версии программного продукта, а также информацию о разработчике данного ПО.
Пункт ”Выход” позволяет завершить работу с программой и выйти в DOS.
3.2. Руководство по работе с программой
Клавиши для работы:
Перемещение по пунктам меню - стрелки влево и вправо;
Перемещение в поле радиокнопки - SPACE;
Перемещение по полям ввода и кнопкам - TAB, SHIFT+TAB, CTRL-стрелка влево/вправо;
Ввод значения - ENTER;
Просмотр таблицы разультатов - стрелки влево и вправо;
Выход из пункта меню “Исходные данные” - ESC;
Отказ от введенных значений - ESC.