Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературных источников и постановка задачи исследования 13
1.1. Нормативно-правовые основы мониторинга атмосферного воздуха 14
1.2. Основные подходы к созданию системы мониторинга негативного воздействия ТЭС на окружающую среду 22
1.3. Опыт внедрения систем контроля выбросов в атмосферу 33
1.4. Постановка задачи исследования 47
Выводы по первой главе 52
Глава 2. Структура единого руководящего документа на проектирование и эксплуатацию СНКиУВ 53
2.1. Структура руководящего документа на разработку и проектирование СНКиУВ ТЭС 57
2.2. Цели и задачи СНКиУВ ТЭС 61
Выводы по второй главе 65
Глава 3. Структура и состав СНКиУВ ТЭС 67
3.1. Основные системы обеспечения функционирования СНКиУВ ТЭС 68
3.2. Состав измерительной системы, обеспечивающей функционирование СНКиУВ ТЭС 76
Выводы по третьей главе 101
Глава 4. Обоснование выбора мест установки измерительного оборудования 104
4.1 Принципиальные возможности для установки измерительного оборудования в газовом тракте 106
4.2 Влияние конверсии продуктов сгорания вдоль газового тракта
4.3. Влияние неравномерности скоростных и концентрационных полей в дымовой трубе 112
4.4. Рекомендации по выбору измерительных сечений 115
Выводы по четвертой главе 120
Глава 5. Выбор измерительного оборудования для снкиув на газоходах котла 121
5.1. Общие требования к измерительному оборудованию 121
5.2. Требования к газоанализаторам и вспомогательному оборудованию123
5.3. Разработка рекомендаций по выбору газоаналитического оборудования 129
Выводы по пятой главе 166
Глава 6. Организация непрерывных измерений содержания продуктов сгорания и массы вредных выбросов в реальных условиях действующего оборудования 170
6.1. Методика непрерывных измерений концентраций различных продуктов сгорания в потоке дымовых газов с учетом неравномерности концентрационных полей 170
6.2. Обеспечение достоверности измерений 174
6.3. Осреднение результатов измерений 180
6.4. Методика расчета массовых выбросов маркерных веществ 182
6.5. Общие требования к представлению текущей и отчетной информации 185
Выводы по шестой главе 188
Глава 7. Этапы создания системы непрерывного контроля и учета выбросов ТЭС в атмосферу 190
7.1. Предварительное обследование энергетических объектов 191
7.2. Разработка технического задания на проектирование СНКиУВ ТЭС и основные требования к нему 194
7.3. Ввод в эксплуатацию СНКиУВ ТЭС 195
7.4. Метрологическое обеспечение СНКиУВ ТЭС 199
Выводы по седьмой главе 203
Общие выводы по работе 204
Список литературы .
- Опыт внедрения систем контроля выбросов в атмосферу
- Цели и задачи СНКиУВ ТЭС
- Состав измерительной системы, обеспечивающей функционирование СНКиУВ ТЭС
- Влияние неравномерности скоростных и концентрационных полей в дымовой трубе
Опыт внедрения систем контроля выбросов в атмосферу
Создание автоматизированной системы контроля и учета выбросов загрязняющих веществ на предприятиях, оказывающих значительное негативное воздействие на окружающую среду, является обязательным нормативным требованием, установленным в Федеральном законе 219-ФЗ [3]. Данный закон вносит поправки, направленные на внедрение принципа наилучших доступных технологий (НДТ), в основные федеральные законы 7-ФЗ и 96-ФЗ [4,5], регламентирующие подходы к охране атмосферного воздуха. По сути, 219-ФЗ существенно меняет принципы природоохранной политики государства, в частности: - внедряется технологическое нормирование, основанное на принципах наилучших доступных технологий (НДТ) - технологий производства продукции, выполнения работ, определяемых на основе современных достижений науки и техники и наилучшего сочетания критериев достижения целей охраны окружающей среды при условии наличия технической возможности их применения [3]; - проводится дифференцирование мер государственного регулирования в области охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности в зависимости от степени негативного воздействия предприятия на окружающую среду.
В соответствии с 219-ФЗ объекты, оказывающие негативное воздействие на окружающую среду подразделяются на четыре категории: I категория. Объекты, оказывающие значительное негативное воздействие на окружающую среду и относящиеся к областям применения наилучших доступных технологий. Для таких объектов должны быть разработаны нормативы допустимых выбросов и технологические нормативы, т.е. нормативы выбросов, устанавливаемые с применением технологических показателей (из расчета на единицу времени или единицу производимой продукции). Кроме того, обязательным условием для таких объектов является получение комплексного экологического разрешения, в которое входит согласованная программа производственного экологического контроля. При невозможности соблюдения нормативов допустимых выбросов и технологических нормативов для объектов I категории дополнительно разрабатывается программа повышения экологической эффективности. II категория. Объекты, оказывающие умеренное негативное воздействие на окружающую среду. Для данных объектов необходим расчет нормативов допустимых выбросов и заполнение декларации о воздействии на окружающую среду, которая также должна содержать информацию о программе производственного экологического контроля. В случае невозможности соблюдения нормативов допустимых выбросов для предприятий II категории должен быть разработан план мероприятий по охране окружающей среды. III категория. Объекты, оказывающие незначительное негативное воздействие на окружающую среду. IV категория. Объекты, оказывающие минимальное негативное воздействие на окружающую среду. В таблице 1.1 представлены подзаконные нормативно-правовые акты, обеспечивающие реализацию основных российских федеральных законов в области контроля загрязнения атмосферного воздуха.
Одним из ключевых подзаконных актов, обеспечивающих переход на наилучшие доступные технологии, является Распоряжение Правительства РФ от 19.03.2014 № 398-р [6]. Комплекс мер, обозначенных в данном Распоряжении, был впоследствии расширен Распоряжениями Правительства РФ [7,8] и на настоящий момент включает в себя такие меры как: - разработка и принятие новых нормативно-правовых актов, регламентирующих переход на НДТ, в том числе и в области охраны окружающей среды; - разработка «дорожной карты» по переходу на НДТ; - разработка предложений и мер государственного софинансирования при переходе промышленности на принципы НДТ; - разработка нормативно-технических документов на основе информационно-технических справочников НДТ; - разработка и реализация мер по стимулированию производства в нашей стране высокотехнологичного оборудования, соответствующего принципам НДТ; - обеспечение реализации пилотных проектов по внедрению НДТ в субъектах РФ; - разработка методических рекомендаций по отнесению технологии к НДТ; - подготовка предложений по оценке соответствия промышленного предприятия принципам НДТ; - определение Росстандарта, как организации, осуществляющей функции Бюро НДТ. Для реализации заявленного комплекса мер Распоряжением Правительства РФ от 31.10.2014 № 2178-р [9,10] утвержден график создания отраслевых справочников наилучших доступных технологий на 2015-2017 годы. На 2016 год запланирована разработка справочника НДТ "Общие принципы производственного экологического контроля и его метрологического обеспечения".
Для реализации положений Климатической доктрины РФ [11] и Распоряжений Правительства и Президента РФ [12,13] была разработана Концепция формирования системы мониторинга, отчетности и проверки объема выбросов парниковых газов [14]. В данном документе подчеркивается, что одной из основных сложностей выполнения международных соглашений, направленных на реализацию Киотского протокола, в нашей стране является отсутствие отчетности по вкладу конкретных предприятий (источников загрязнения) в суммарный выброс парниковых газов, и, соответственно, невозможности отслеживания эффективности реализации мероприятий по сокращению выбросов парниковых газов конкретными предприятиями.
В связи с этим регламентируется необходимость организации мониторинга антропогенных выбросов парниковых газов из источников в субъектах Российской Федерации и подготовки региональных кадастров, а также сбора сведений об объемах выбросов парниковых газов конкретными предприятиями.
Цели и задачи СНКиУВ ТЭС
Как было показано выше, внедрение СНКиУВ на ТЭС обусловлено необходимостью соблюдения требований природоохранного законодательства, предъявляемых к тепловым электростанциям. Для энергетических объектов к таким требованиям прежде всего относятся необходимость соблюдения предельно допустимых выбросов (ПДВ) загрязняющих веществ в атмосферу [56], а также нормативов удельных выбросов вредных веществ в соответствии с ГОСТ Р 50831-95 [57]. Кроме того, внедрение СНКиУВ в атмосферу является одним из мероприятий, обеспечивающим переход на наилучшие доступные технологии (НДТ) согласно новым природоохранным принципам [3, 52].
Таким образом, целью внедрения СНКиУВ ТЭС на энергетических объектах является снижение негативного воздействия тепловых электрических станций на окружающую среду путем обеспечения непрерывного контроля вредных выбросов в атмосферу и организации целенаправленной деятельности по снижению этих выбросов. Исходя из вышесказанного, основной задачей системы непрерывного контроля и учета вредных выбросов являются прямые непрерывные круглосуточные инструментальные измерения с установленной погрешностью концентраций маркерных загрязняющих веществ в дымовых газах энергетических установок ТЭС, получение информации о фактических массовых выбросах этих веществ в атмосферный воздух от стационарных источников загрязнения атмосферы (ИЗА) и передача информации о массе выбросов в государственный фонд данных государственного экологического мониторинга (государственного мониторинга окружающей среды).
Опыт внедрения СНКиУВ в странах Евросоюза [17] показывает, что существуют две основные причины необходимости создания систем непрерывного контроля эмиссий загрязняющих веществ: для подтверждения непревышения эмиссии установленных предельно допустимых уровней (например, для оценки соблюдения природоохранных требований); для выявления влияния энергетического объекта на состояние окружающей среды на прилегающих территориях (например, в рамках подготовки периодической экологической отчетности перед компетентными органами, в том числе и для оценки выполнения международных обязательств).
Результаты, полученные в процессе функционирования систем промышленного мониторинга, могут являться источником информации, необходимой сотрудникам энергетического объекта для понимания механизмов их взаимодействия с окружающей средой и обществом и управления этими механизмами.
В соответствии с ГОСТ Р 56059-2014 [58] в рамках программы производственного экологического контроля, которые обязаны разрабатывать все предприятия I, II и III категории, должен проводиться производственный экологический мониторинг состояния и загрязнения окружающей среды, основными задачами которого являются: - регулярные наблюдения за состоянием и изменением окружающей среды в районе воздействия энергетического объекта; - прогноз изменения состояния окружающей среды в зоне влияния объекта; - выработка предложений о снижении и предотвращении негативного воздействия на окружающую среду.
Необходимо заметить, что в данном национальном стандарте не содержится требований по осуществлению предприятиями непрерывного контроля состояния окружающей среды в зоне влияния энергетических объектов. Следовательно, задачи производственного экологического мониторинга могут быть решены путем проведения периодических измерений собственными силами предприятия или привлеченных лабораторий. Такой подход позволит обеспечить требования российского природоохранного законодательства и снизить затраты предприятия на организацию контроля выбросов. Таким образом, мониторинг состояния окружающей среды в районе воздействия энергетического объекта может рассматриваться, как дополнительная задача СНКиУВ, которая может быть достигнута путем введения в систему блока оценки состояния окружающей среды.
Как было показано в главе 1, одной из основных задач СНКиУВ ТЭС в нашей стране является также контроль технологических параметров для оптимизации процессов сжигания и повышения экономической эффективности систем мониторинга.
Соответственно, основными задачами внедряемых СНКиУВ должны быть (рисунок 2.4) [45]: непрерывный инструментальный контроль и учет концентраций и массовых выбросов вредных веществ в атмосферу; снижение объема вредных выбросов в атмосферу за счет контроля и регулирования режимов сжигания топлива и работы пыле-, газоочистного оборудования; - контроль за соблюдением установленных для ТЭС предельно допустимых выбросов (ПДВ); - расчет платы за выбросы по результатам инструментальных измерений; передача информации о выбросах энергетических объектов в фонд данных государственного мониторинга окружающей среды.
Решение этих задач путем внедрения СНКиУВ ТЭС в атмосферу позволит энергетическим объектам выполнять требования природоохранного законодательства и при этом повышает экономическую эффективность технологического процесса. Следовательно, при разработке Руководящего документа СНКиУВ нужно ориентироваться именно на них. Основные цели и задачи СНКиУВ ТЭС приведены в Приложении А в разделе 4 Проекта Руководящего документа СНКиУВ ТЭС.
Состав измерительной системы, обеспечивающей функционирование СНКиУВ ТЭС
В основе тепловых методов газового анализа лежит зависимость тепловых характеристик анализируемой смеси от ее состава. К данным методам анализа можно отнести термокондуктометрический и термохимический методы. В термокондуктометрическом методе с помощью детектора по теплопроводности, описанного выше, проводится анализ зависимости теплопроводности рассматриваемой газовой смеси от концентраций определяемых газов. Такие газоанализаторы не отличаются высокой избирательностью и применяются только для анализа бинарных смесей или в тех случаях, когда теплопроводность определяемого газа значительно отличается от других.
Термохимические методы основаны на измерении теплового эффекта реакций, сопровождающихся изменениями температуры чувствительного элемента [68]. При этом тепловой эффект прямо пропорционален концентрации измеряемого компонента. К данному типу методов относится и термокаталитический метод анализа.
Термокаталитический метод, в котором реакция окисления определяемого компонента протекает при использовании катализатора, чаще всего применяется для контроля пожаровзрывоопасных смесей и горючих газов и паров. Данный метод основан на окислении горючего газа на поверхности катализатора, в результате которого происходит повышение температуры чувствительного элемента. В настоящий момент термохимический метод успешно применяется и для анализа негорючих газов. Например, для контроля NOх в отходящих газах. При этом для начала экзотермической реакции а анализируемый газ дополнительно непрерывно подается аммиак [63].
Недостатками термохимических методов являются ограниченный срок службы и снижение чувствительности датчика со временем. Кроме того, присутствие некоторых газов и паров, таких, например, как сероводород или пары щелочей, могут «отравлять» сенсор.
Магнитные методы газового анализа основаны на изменении физических свойств газовой смеси под воздействием магнитного поля [69]. Необходимо отметить, что кислород обладает парамагнитной восприимчивостью на два порядка выше, чем другие газы. Для газового анализа могут применяться две группы анализаторов: термомагнитные (парамагнитные) и магнитомеханические. В магнитомеханических газоанализаторах проводятся измерения сил, действующих в неоднородном магнитном поле на помещенный в анализируемую смесь ротор. Вращающий момент, который определяется по углу поворота ротора, позволяет определить концентрацию анализируемого компонента. Погрешность в измерения с помощью магнитомеханических газоанализаторов вносят температура и давление анализируемой смеси, так как от этих параметров зависит магнитная восприимчивость газа [70].
Для измерения кислорода наибольшее распространение получил термомагнитный (парамагнитный) анализатор, в основе которого лежит термомагнитная конвекция – конвекция газовой смеси, содержащей кислород и окружающей нагретое тело в неоднородном магнитном поле. Изменение концентрации кислорода в анализируемой смеси приводит к изменению конвекционных потоков и, следовательно, к изменению температуры нагревательных элементов.
Полупроводниковые методы позволяют измерить содержание водорода, кислорода, оксидов углерода, азота и др. путем оценки изменения сопротивления полупроводника (например, тонкой пленки оксида цинка на кремниевой пластине) при взаимодействии с определяемым компонентом газовой смеси [70]. Полупроводниковые датчики характеризуются, как правило, невысокой стоимостью и простотой конструкции, но при этом они не обладают достаточной селективностью и зависят от температуры и влажности газовой среды. Электрохимические методы основаны на зависимости между физическим параметром газоаналитической системы, который изменяется в результате процесса, протекающего на электроде или в межэлектродном промежутке, и составом газа, поступающего в нее. Электрохимические методы могут быть без протекания реакции на электродах (кондуктометрия) и с электродными реакциями при отсутствии тока (потенциометрия) и при наличии тока (кулонометрия) [71]. Во всех электрохимических методах используется измерительная ячейка, которая представляет собой электроды, погруженные в раствор, или твердоэлектролитный датчик.
Потенциометрический метод предполагает установление зависимости между потенциалом индикаторного электрода и химической активностью ионов, образовавшихся при растворении измеряемого вещества. Газоанализаторы, реализующие потенциометрический метод, могут использоваться для определения CO2, H2S, HF, NH3 и др. Потенциометрические газоанализаторы с твердым электролитом, который представляет собой керамическую пластину диоксида циркония ZrO2, стабилизированного монооксидом кальция CaO, с нанесенным на поверхность тонким слоем платины, применяются для определения концентрации кислорода [70]. При высокой температуре твердый электролит начинает проводить ионы O2. Большую погрешность в измерения данным типом приборов могут вносить углеводороды, присутствующие в анализируемой смеси, кроме того для эффективной работы твердого электролита необходимо поддержание достаточно высоких температур (от 500 0С и выше). Между тем, данные приборы обладают малой инерционностью и позволяют проводить измерения в достаточно широком концентрационном диапазоне.
Влияние неравномерности скоростных и концентрационных полей в дымовой трубе
Для обеспечения соответствия требованиям, установленным законодательством Российской Федерации об обеспечении единства измерений [25], все средства измерений, включенные в СНКиУВ ТЭС, должны: -иметь сертификат (свидетельство) об утверждении типа средств измерений, выданный федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по оказанию государственных услуг и управлению государственным имуществом в области обеспечения единства измерений (Росстандарт); - входить в Реестр средств измерения Федерального информационного фонда по обеспечению единства измерений; - реализуемые в средствах измерений методы измерений должны быть включены в «Перечень методик измерения концентраций загрязняющих веществ в выбросах промышленных предприятий, допущенных к применению», утвержденный Минприроды РФ, и в Реестр аттестованных методик (методов) измерений Федерального информационного фонда по обеспечению единства измерений; - соответствовать обязательным метрологическим требования к средствам измерений; - до ввода в эксплуатацию, а также после ремонта быть направлены на первичную поверку, а в процессе эксплуатации - на периодическую поверку.
В соответствии с требованиями к автоматизированной системе контроля выбросов загрязняющих веществ ТЭС [76] допускаемая относительная погрешность инструментальных измерений не должна превышать: - для концентрации O2,СО, NOx, SO2 - ±10%; - для концентрации твердых частиц - ±25%; - для скорости дымовых газов - ±10%; - для массового выброса газообразных компонентов - ±20%. Условия работы средств измерений в местах их установки (температура, влажность и запыленность окружающей среды, вибрации, уровень электромагнитного излучения и др.) должны строго соответствовать требованиям, описанным в инструкции по их эксплуатации. Отклонение условий работы средств измерений от их паспортных условий эксплуатации вызывает дополнительную погрешность и должно учитываться при обработке результатов испытаний в соответствии с [80].
Соответственно, все автоматизированные измерительные системы должны иметь в своем составе средства измерения параметров отходящих газов, таких как: температура, избыточное давление (разрежение), влажность, скорость (объемный расход). Необходимость выполнения указанных требований объясняется тем, что скорость (объемный расход) газового потока измеряется в реальных условиях (температура, избыточное давление/разрежение, влажность), а концентрации загрязняющих веществ приводятся к стандартным условиям (0 0С, 101,3 кПа, О2=6%, сухой газ).
СИ (средства измерения) указанных выше параметров газового потока и контроллеры для сбора, хранения и передачи информации должны иметь промышленное исполнение и обеспечивать их автоматическое непрерывное измерение в газовых средах со следующими параметрами: - температура газов от 100 до 600 С; - давление (разрежение) - от минус 25 до 15 кПа; - объемный расход - в зависимости от мощности котла выбирается соответствующий диапазон расходов в рабочем диапазоне нагрузок; - влажность от 0,5 до 20 % об. При этом объемный расход определяется расчетным путем с использованием данных измерений скорости газового потока и площади поперечного сечения газохода с учетом профиля скорости в измерительном сечении газохода.
Калибровка и обслуживание газоанализаторов должны проводиться в соответствии с инструкцией по их эксплуатации. Для калибровки газоанализаторов в зависимости от их типа используются аттестованные поверочные газовые смеси (ПГС), имеющие действующие паспорта, или имитаторы [75].
В состав СНКиУВ ТЭС могут входить пробоотборные и беспробоотборные газоаналитические системы, основанные на различных методах газового анализа, имеющие существенные отличия в условиях эксплуатации и в сервисных возможностях, стоимости и т.д. Сравнительный анализ пробоотборных и беспробоотборных газоанализаторов представлен в таблице 5.1.
Контроль и регулирование режимов горения топлива в топочной камере может осуществляться на основании информации о содержании в продуктах сгорания за топкой котла кислорода О2, монооксида углерода СО и монооксида азота NO, а также о величине температуры газов. В реальных условиях из-за высоких температур газов эти параметры измеряются за поворотной камерой в конвективной шахте котла в области температур 500-700С (см. главу 4). Применение для данных целей беспробоотборных оптических газоаналитических систем затруднено наличием температурных ограничений измерительных датчиков таких систем (не более 300-400 0С). В связи с этим, а также для снижения стоимости СНКиУВ ТЭС на котлах целесообразна установка пробоотборных измерительных систем, способных обслуживать несколько точек (пробоотборников) одновременно [54].
Основными сложностями работы с пробоотборными газоаналитическими системами являются: необходимость извлечения и транспортировки пробы без изменения концентраций компонентов и состава измеряемого газа и опасность накопления в системе твердых частиц, влаги, и агрессивных кислот конденсата.