Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ РАБОТЫ ТЕПЛО-ГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК НА РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ ТОПЛИВА 10
1.1. Характеристика состава потребителей энергоресурсов крупного промышленно-аграрного региона (на примере Волгоградской области) 10
1.2. Оценка структуры потребления основных видов энергоносителей 12
1.3. Анализ динамики изменения потребности в энергоресурсах промышленно-аграрного региона. 19
1.4. Анализ эколого-технологических особенностей использования различных видов энергоносителей (топлив) 21
1.5. Оценка экономических показателей использования различных видов энергоносителей (топлив) 28
1.6. Обобщение методов оценки экологических последствий (ущерба) от техногенного воздействия выбросов ТГУ при использовании различных энергоносителей (топлив) 32
1.7 Выводы по первой главе 42
Цели и задачи исследования 42
ГЛАВА 2. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ФАКТОРОВ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮ-ЩИХ УСТАНОВОК НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ 44
2.1. Методологические принципы систематизации режимно-технологических характеристик теплогенерирующих установок, как техногенный фактор 44
2.2. Анализ режимно-технологических характеристик теплогенерирующих установок, как фактор техногенного воздействия на окружающую среду 44
2.2.1. Техногенный фактор величины теплогенерирующей мощности установки 48
2.2.2. Техногенное влияние конструктивных особенностей теплоге-нерирующих установок (котел, печи, сушильных барабаны и
т.д.) 51
2.2.3. Техногенное проявление физико-химических (режимных) особенностей сжигание топлива 59
2.2.4. Техногенное значение структуры валовых выбросов (тепловые, твердодизельные, газообразные) 60
2.2.5. Техногенное влияние удельных объемов валовых выбросов на единицу теплопроизводительности установок 62
2.2.6. Техногенное значение величины соотношения удельного объема валового выброса и ПДВ 65
2.2.7. Значение удельных затрат в оценке на снижения техногенного воздействия теплогенерирующей установки 70
2.3. Оценка взаимосвязи режимно-технологических параметров техногенного воздействия теплогенерирующей установок на окружающую среду 72
2.4. Обобщение природных и антропогенных факторов формирования техногенного воздействия теплогенерирующих установок на окружающую среду 75
2.5. Анализ закономерностей техногенного воздействия теплогенерирующих установок на окружающую среду 78
Выводы по второй главе ' 87
ГЛАВА 3. ОСНОВЫ РЕЖРЇМНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОИ ОПТИМИЗАЦИИ ЭКОЛОГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ПЕРЕВОДА ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК НА АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТОПЛИВА 88
Определение технической и математической задач оптимизации 93
Обоснование критерия оптимальности и ограничений 97
Выбор состава независимых переменных 98
Выбор области допустимых значений независимых перемен ных 100
Выбор исходных данных оптимизационного расчета 102
Разработка алгоритма оптимизационного расчета 105
Анализ и обобщение результатов оптимизации 107
Выводы по третьей главе 108
ПРАКТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ ПЕРЕВОДА УСЛОВНОГО ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩЕГО ОБЪЕКТА НА РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВА 109
Характеристика базового варианта работы ТГУ 109
Оптимизационный расчет технико-экономических показателей эколого-сберегающего перевода ТГУ на альтернативные топлива ПО
Обобщение результатов оптимизационного расчета перевода ТГУ на альтернативные топлива. 112
Условия эколого-сберегающей работы ТГУ на серосодержащем природном газе 114
Обеспечение эколого-сберегающего перевода ТГУ на мазут... 116
Режимно-технологические условия эколого-сберегающего перевода ТГУ на уголь 118
Отраслевые особенности режимов перевода ТГУ на альтернативные топлива 120
Выводы по четвертой главе 121
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ 122
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 123
ПРИЛОЖЕНИЯ
- Характеристика состава потребителей энергоресурсов крупного промышленно-аграрного региона (на примере Волгоградской области)
- Методологические принципы систематизации режимно-технологических характеристик теплогенерирующих установок, как техногенный фактор
- Определение технической и математической задач оптимизации
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время на долю строительного комплекса и объектов жилищно-коммунального хозяйства приходится 45% потребляемых энергоресурсов, в первую очередь - тепла.
В системах теплоснабжения при сжигании газа в теплогенерирующих установках (ТГУ) в атмосферный воздух населенных пунктов поступает значительно меньше вредных примесей, чем при использовании мазута и каменного угля.
Однако, в связи со значительным спросом и высокой рыночной стоимостью природного газа возникает необходимость анализа перспектив перевода объектов жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) на альтернативные виды топлива.
При переходе на использование мазута и каменного угля в качестве топлива для теплогенерирующих установок систем теплоснабжения возникает две основные проблемы. Первая связана с возрастанием количества и разновидностей вредных веществ, образующихся при сжигании и выбрасываемых в атмосферный воздух населенных пунктов с дымовыми газами. Другая обусловлена возрастанием капитальных вложений и эксплуатационных затрат, связанных с реконструкцией котельного хозяйства, в связи с переводом на жидкое или твердое топливо.
Таким образом, становится актуальным решение задачи оценки воздействия выбросов от ТГУ систем теплоснабжения на состояние атмосферного воздуха в населенных пунктах при переходе на альтернативные топлива с учетом основополагающих принципов экономической оптимизации перевода теплогенерирующих установок систем теплоснабжения на каменный уголь и мазут.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательской работы Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Цель работы. Оценка техногенных последствий воздействия на окружающую среду теплогенерирующих установок при переводе на альтернативные топлива при строительстве и реконструкции объектов ЖКХ на основе разработки методологических основ эколого-экономической оптимизации.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: анализ воздействия ТГУ систем теплоснабжения на атмосферный воздух населенных пунктов при использовании различных видов топлива;
оценка режимно-технологических характеристик формирования выбросов от ТГУ в атмосферный воздух населенных пунктов, как фактора техногенного воздействия на окружающую среду;
уточнение математической модели, описывающей закономерности распространения вредных примесей в приземном слое атмосферы населенных пунктов при использовании различных видов топлив в ТГУ систем теплоснабжения;
разработка методических основ оценки эколого-экономических показателей перевода систем теплоснабжения ЖКХ на альтернативные газу виды топлива;
анализ особенностей потребления энергоресурсов крупным промышленно-аграрным регионом (на примере г. Волгограда и Волгоградской области);
оценка эффективности вероятных вариантов перевода на различные виды топлива ТГУ при их строительстве или реконструкции.
Основная идея работы состоит в разработке методологических принципов прогнозирования уровня загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов вредными примесями от теплогенерирующих установок и оптимизации условий их работы на различных видах топлива при строительстве и реконструкции.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, математическое моделирование, численный эксперимент и статистическую обработку данных с применением ПЭВМ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений аэродинамики при моделировании изучаемых процессов, подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов исследований и расчетов.
Научная новизна работы состоит в том, что:
предложена уточненная математическая модель, описывающая закономерности распространения вредных примесей в приземном слое атмосферы населенных пунктов при использовании различных видов топлив в теплогенерирующих установках систем теплоснабжения;
установлены аналитические зависимости,"характеризующие процессы накопления в приземном слое атмосферы населенных пунктов вредных примесей от теплогенерирующих установок систем теплоснабжения с учетом направления и скорости ветра, а также шероховатости подстилающей поверхности и вертикальной устойчивости атмосферы;
разработаны методические основы оценки эколого-экономических показателей перевода теплогенерирующих установок жилищно-коммунального хозяйства на альтернативные газу виды топлива;
получены аналитические зависимости, характеризующие условия оптимизации эколого-сберегающего перевода теплогенерирующих установок на альтернативные топлива при их строительстве и реконструкции.
Практическое значение работы:
сформулированы методические принципы эколого-экономической оптимизации перевода теплогенерирующих установок на различные виды топлива при строительстве и реконструкции объектов жилищно-коммунального хозяйства;
разработаны рекомендации по размещению теплогенерирующих установок в населенных пунктах с учетом климатических условий и результатов оптимизации эколого-сберегающего перевода ТГУ на другие виды топлива;
уточнены факторы методики расчета концентраций и накопительных доз вредных примесей в атмосферном воздухе населенных пунктов при работе теплогенерирующих установок систем теплоснабжения на различных видах топлива.
Реализация результатов работы: -рекомендации по эколого-сберегающему переводу теплогенерирующих установок на альтернативные топлива использованы Управлением архитектуры и градостроительства города Волжского Волгоградской области при разработке генерального плана города;
- материалы диссертационного исследования использованы комитетом жилищ
но-коммунального хозяйства Администрации Волгоградской области при раз
работке проекта «Перевод работы паровых котлов марки ДКВР в котельной
города Палласовка Волгоградской области»;
-материалы диссертационной работы использованы кафедрами ОВЭБ и ТГС ВолгГАСУ при подготовке инженеров специальности 330200 «Инженерная защита окружающей среды», 290700 «Теплогазоснабжение и вентиляция». На защиту выносятся:
-уточненная математическая модель, описывающая закономерности распространения вредных примесей в приземном слое атмосферы населенных пунктов при использовании различных видов топлива в теплогенерирующих установках систем теплоснабжения;
-аналитические зависимости, характеризующие процессы накопления в приземном слое атмосферы населенных пунктов вредных примесей от теплогене-рирующих установок систем теплоснабжения с учетом направления и скорости ветра, а также шероховатости подстилающей поверхности и вертикальной устойчивости атмосферы; -методические основы оценки эколого-экономических показателей перевода теплогенерирующих установок жилищно-коммунального хозяйства на альтернативные газу виды топлива; - аналитические зависимости, характеризующие условия оптимизации эколого-сберегающего перевода теплогенерирующих установок на альтернативные топлива при их строительстве и реконструкции.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Волгоград, 2002 г.); III Международной научно-практической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2003 г.); научно-практической конференции «Энергосбережение в жилищно-коммунальном хозяйстве Волгоградской области» (Волгоград, 2003 г.); VIII Международной конференции молодых ученых и студентов «Экологическая безопасность как ключевой фактор устойчивого развития» (Москва, 2004 г.); Всероссийском постоянно действующем научно-техническом семинаре «Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных аварий и катастроф» (Пенза, 2004 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» (Ростов-на-Дону, 2004 г.); ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 7 работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы - 175 страниц, в том числе: 122 страницы - основной текст, содержащий 17 таблиц на 17 страницах, 10 рисунков на 10 страницах; список литературы из 132 наименований на 13 страницах, 4 приложения на 32 страницах.
Характеристика состава потребителей энергоресурсов крупного промышленно-аграрного региона (на примере Волгоградской области)
Топливно-энергетический комплекс России является одним из крупнейших в мире и по масштабам производства энергетических ресурсов уступает лишь США. В отличии от многих других стран в топливно-энергетическом балансе России достаточно велик удельный вес наиболее экологически чистого топлива - природного газа и низка доля каменного угля.
За прошедшие три десятилетия структура энергопотребления на глобальном и национальном уровнях претерпела значительные изменения, однако по-прежнему исключительно важное значение имеют ископаемые виды топлива, на которые в конце 90-х годов приходилось более 90% мирового потребления энергоресурсов, в том числе: на нефть- 40,1 %, уголь- 27,8%, природный газ — 22,9%. [5, 70 ]
Несмотря на почти трехкратное увеличение производства энергии за счет использования водных и ядерных источников, их доля в мировом энергобалансе остается незначительной и составила в конце 90-х годов соответственно примерно 5% и 6%.[107]
В этих условиях вопросы наиболее экономичного использования газа в народном хозяйстве становятся весьма актуальными. Особое значение приобретает выбор наиболее эффективных направлений использования природного газа и установление наиболее рациональной очередности перевода на природный газ отдельных потребителей.
Трудно найти такую отрасль в нашем народном хозяйстве, где бы не использовался природный, нефтепромысловый или сжиженный газ. Свыше 85% всего добываемого и производимого в России газа используется в промышленности как высококалорийное топливо или как технологическое сырье, всюду давая значительный экономический эффект.
Перевод на газ значительно повышал производительность многих промышленных печей, ранее работавших на твердом топливе. Внедрение природного газа в ряде отраслей промышленности давало возможность вводить в эксплуатацию новые типы высокопроизводительных газоиспользующих агрегатов, облегчает автоматизацию процессов нагрева и термообработки изделий, значительно улучшало технико-экономические показатели производства.
Анализ современного состояния и использования энергетических ресурсов свидетельствует о том, что высокого уровня потребление энергии достигли лишь промышленно развитые страны.
Рассмотрим особенности формирования топливно-энергетического баланса крупных агропромышленных регионов на примере Волгоградской области.
Территориально крупнейшими потребителями энергоресурсов области являются Волгоград и Волжский (черная и цветная металлургия, химия и нефтепереработка, машиностроение, значительная часть населения области).
На севере области - это Камышинскии, Жирновский, Котовский районы, где развиты нефтегазодобыча, текстильная и частично машиностроительная промышленность, а также проживает значительная часть населения области, потребляющая энергоресурсы.
Кроме того, значительным потреблением энергоресурсов отличается город Михайловка с сильно развитой цементной промышленностью и производством строительных материалов. Область также имеет развитую транспортную сеть, а Волгоград является крупнейшим транспортным узлом юга России.
После мирового кризиса были приняты меры по сохранению и рациональному использованию энергии, что способствовало значительному снижению энергоемкости материального производства. В результате общая энерго / емкость единицы ВВП в промышленно развитых странах с 1973 г. до начала 90-х годов снизилась на 22%, при этом нефтеемкость - почти на 38%. [70]
Топливный баланс Волгоградской области построен на использовании преимущественно природного газа. На его долю приходится 78% от общего объёма потребляемых энергоресурсов, на долю нефтепродуктов- 21% и каменного угля- 1%.
Начиная с 1991 года, происходило устойчивое снижение энергопотребления обусловленное общим сокращением выпуска промышленной продукции и транспортных потребителей. Однако с 2000 года отмечается увеличение энергопотребления. При этом основная часть энергопотребности области удовлетворяется за счёт поставок энергоносителей из-за её пределов (табл. 1.1.).
Методологические принципы систематизации режимно-технологических характеристик теплогенерирующих установок, как техногенный фактор
Общими для ТЭК факторами техногенного загрязнения [68] являются следующие:
- выбросы в атмосферу содержащие твердые вещества SO2, NOx, СО, углеводороды, парниковые и другие газы;
- сброс вредных веществ в поверхностные и подземные водоемы и водотоки;
- накопление отходов и проблемы, возникающие в связи со складированием отходов - изъятие земельных ресурсов, нарушение и загрязнение земель, истощение водных ресурсов и нарушение гидрологического режима подземных и поверхностных вод;
- загрязнение природной среды объектами энергетики в результате производственных аварий и аварий, вызванных стихийными бедствиями.
Энергоемкость технологических газов соответствует примерно одной шестой части расхода природного газ в Германии - это огромный резерв энергии. Технологические газы возникают в качестве побочных продуктов во многих технологиях производства и могут быть использованы для производства тепла. концентраций оксидов азота и других токсичных веществ в дымовых газах котлов во взаимосвязи с режимом работы и конструктивными особенностями горелоч ных и топочных устройств, применяемых в нашей стране, под руководством И.Я.
Сигала, было проведено исследование широкой гаммы котлов.[99]
Так как содержание оксида углерода в продуктах сгорания котельных агрегатов также мало изучено, а выброс оксида углерода даже при сравнительно малых концентрациях, соответствующих значений #3=0,1 % , может быть достаточно велик по абсолютному значению, параллельно с концентрациями оксида азота изучались и концентрации углерода.
В связи с различными нагрузками и режимами топочных камер и многообразием типов применяемых горелок влияние теплопроизводительности котла на выброс оксидов азота в отдельных случаях недостаточно четко выражено. Вместе с тем обработка большого количества данных указывает, что средний выброс диоксида азота для ряда котлов разной производительности имеет четкую тенденцию повышаться с увеличением мощности котла:
CNOx=9ii.BQP) (p2{d3). (2.1)
где (р - скорость охлаждения продуктов сгорания
d3 - эквивалентный диаметр топочной камеры
Проведенные исследования показали, что производительность не определяет однозначно выход оксидов азота. В связи с этим, а также из-за необходимости оценки влияния вида топлива были проведены длительные наблюдения за работой котлов на различных режимах при сжигании твердого топлива и газа.
Для определения концентраций оксидов азота и оксида углерода в продуктах сгорания котлов были отобраны две группы котлов: А- котлы электростанций, Б- промышленные и отопительные котлы.
Группа А (котлы электростанций) состояли из котлов производительностью 950-475, 500, 430, 230, 220, 210, 90, 60 т/ч, а также водогрейные котлы большой производительности. Паровые котлы электростанций испытывались на номинальной нагрузке при работе на угле и на природном газе (Ссш 98%), а котлы водогрейные -главным образом на пониженной нагрузке при работе ан природном газе и мазуте.
Группа Б (промышленные и отопительные котлы) включала в себя котлы паровые и водогрейные малой производительности.
В процессе исследования были получены разные значения для концентрации оксидов азота при постоянном режиме работы котла. Это объясняется не только погрешностью в измерениях, но и тем, что система автоматического регулирования режима горения обеспечивает некоторое колебание концентрации кислорода и максимальной температуры факела в пределах ±20С. Влияние пульсации в зоне горения сглаживается вследствие длительности отбора проб. Перепад максимальных температур в ядре факела на 10-20С сопровождается существенным изменением концентрации оксида азота. Сравнительный анализ с учетом всех факторов (концентрация атомарного азота", температура, время реакции, турбулентность) представляет значительные трудности.
С целью определения средних значений концентраций оксидов азота в продуктах сгорания котлов ТЭЦ, работающих на угле и газе, были проведены длительные наблюдения за группой котлов паропроизводительностью 170-220 т/ч типов ТП-170, ТП-47, Тп-15 [100].
Среднеарифметическое значение концентрации оксидов азота в продуктах сгорания в котлах ТЭЦ, работающих на угле и газе, паропроизводительностью 170-220 т/ч составило
Определение технической и математической задач оптимизации
Рассматриваемая задача оптимизации теплогенерирующей установки любого типа, т. е. задача поиска оптимальных значений того или иного комплекса взаимосвязанных параметров, с математической точки зрения сводится к отысканию экстремального значения функции конечного числа переменных при наличии системы условий в виде равенств и неравенств, которая отражает физико-технические и экономические ограничения задачи. Как известно, сложность решения многофакторных задач в значительной степени определяется характером связей и отношений оптимизируемых параметров между собой, между оптимизируемыми параметрами и учитываемыми факторами, оптимизируемых параметров с критерием эффективности и, наконец, оптимизируемых параметров с ограничивающими условиями. Анализ современных теплогенерирующих установок показывает большую сложность взаимосвязей оптимизируемых параметров между собой, а также зависимостей критериев эффективности и ограничивающих условий от оптимизируемых переменных.
Анализ [62, 94] показал, что современная теплогенерирующая установка может служить объектом системного подхода. Во-первых, теплогенерирующая установка действительно представляет собой сложную систему, которая, с одной стороны, является составной частью более общей системы топливно-энергетического хозяйства страны, определяющей цели и ограничительные рамки ее сооружения и функционирования; с другой стороны, ввиду технологической различимости отдельных участков теплогенерирующей установки эту систему в свою очередь можно рассматривать как сложную совокупность взаимосвязанных подсистем. Во-вторых, задачи оптимизации теплогенерирующих установок совпадают с целью системного подхода - выбрать наилучшие пути приспособления исследуемой системы к постоянно меняющимся и не вполне определенным внешним условиям. Тем самым подтверждаются принципиальная возможность и необходимость системного подхода к решению задачи оптимизации теплогенерирующих установок.
В зависимости от цели оптимизации в качестве критерия оптимальности могут быть приняты различные величины.
Основное требование к критерию оптимальности состоит в том, что это должна быть единственная величина, которая, по возможности, наиболее полно отвечает поставленной цели оптимизации теплогенерирующей установки. Требование единственности критерия" существенно, так как при решении одной задачи в общем случае невозможно свести к минимуму или максимуму более чем одну величину.
Именно невозможность удовлетворить одновременно более чем одному критерию оптимальности и требует от этой величины наиболее полного соответствия цели самой оптимизации.
Выбор вида критерия оптимальности является одним из самых ответственных моментов при оптимизации теплогенерирующей установки, так как от него зависит направленность расчета и результаты выбора окончательного варианта.
Для работы теплогенерирующей установок такие характеристики, как масса, компактность и т.д., не имеют решающего значения. Проектирование работы теплогенерирующей установки на различных видах топлива должно быть подчинено основной задаче - обеспечению высокой экономической эффективности. Иными словами, из всех вариантов работы теплогенерирующей установки на природном газе или мазуте или каменном угле, оптимальным признается экономически более эффективный.
Поскольку критерий оптимальности может быть в задаче только один, от него требуется, чтобы он учитывал сумму по возможности большего числа характеристик рассматриваемого варианта. Такой величиной является применяемый в настоящее время во всех областях народного хозяйства универ 95 сальный технико-экономический критерий, известный также в литературе «приведенные затраты».
Сущность этой величины состоит в следующем. Пусть имеется два варианта работы теплогенерирующей установки, выполняющих поставленную задачу.
Вариант А при своей реализации требует вложений Kj руб. капитальных затрат, а вариант В соответственно К.2 руб. Пусть для определенности вариант А дороже, т. е. К{ К2.
По этим сведениям невозможно еще ответить на вопрос, целесообразно ли идти на реализацию более дорогого варианта. Понятно также, что высокая стоимость реализации первого варианта не может сама по себе (без учета всей суммы достоинств) служить причиной отказа от него. Важно ответить на вопрос, выгодно или нет идти на вариант, требующий повышенных капитальных затрат, т. е. окупится ли разница в капитальных затратах этих вариантов в процессе их эксплуатации. Более того, эта окупаемость должна быть достаточно быстрой.
