Содержание к диссертации
Введение
1. Технологическая система оборотного водоснабжения 11
1.1. Система водоснабжения на градирне 11
1.2. Система водоснабжения на водоемах-охладителях 20
2. Влияние аэрометеорологических условий на характер теплового загрязнения атмосферы 28
2.1. Антропогенные облачные образования и основные условия их эволюции 28
2.2. Методы расчета теплового влияния водоемов-охладителей на микроклимат окружающей территории 39
3. Математическая модель распространения паро-конденсатного факела градирни в пограничном слое атмосферы 61
3.1. Общая система уравнений. Математические и физические упрощения 61
3.2. Граничные условия. Безразмерная система уравнений 66
4. Математическая модель влияния водоема-охладитея на микроклиматические особенности района размещения ТЭС и АЭС 106
4.1. Общая постановка вопроса 106
4.2. Расчет антропогенного влияния водоема-охладителя на микроклимат близлежащих районов 112
Заключение 118
Список используемых источников 122
- Система водоснабжения на водоемах-охладителях
- Антропогенные облачные образования и основные условия их эволюции
- Методы расчета теплового влияния водоемов-охладителей на микроклимат окружающей территории
- Расчет антропогенного влияния водоема-охладителя на микроклимат близлежащих районов
Система водоснабжения на водоемах-охладителях
Рассмотрим теперь еще один тип промышленных охладителей: водоемы-охладители. При оборотной системе технического водоснабжения с использованием водоемов-охладителей температура воды в водохранидище повышается за счет сброса циркулирующей в конденсаторах АЭС и ТЭС воды. Тепло, поступившее от электростанции, отводится в атмосферу при испарении, теплоотдаче турбулентной конвекцией в излучении водной поверхности /34/.
Метеорологические элементы, влияющие на температуру воды водоемов, на равнинной территории России изменяются плавно, поэтому можно картировать характеристики теплового и ледового режимов для водоема-охладителя типового размера.
Охлаждение пара в конденсаторах агрегатов ТЭС и АЭС осуществляется путем создания мощных потоков циркуляционной воды, которая нагревается там на 8 - 10 Си даже более. Прогретая вода поступает в водоемы-охладители, в результате чего температура в них повышается. В водоеме-охладителе изменяется ледовый режим. Первые ледовые образования осенью появляются позже, в районе сброса подогретой воды в течение всей зимы существует термическая майна, весной водоем очищается ото льда раньше, причем обычно это происходит не за счет таяния ледового покрова по всей его площади, а путем увеличения-размеров майны.
Сильное воздействие оказывает увеличение температуры воды на содержание в ней кислорода. Причем, в подогреваемых водоемах наблюдаются процессы как улучшающие, как и ухудшающие кислородный режим.
Повышение температуры воды водоемов-охладителей вызывает увеличение испарения с поверхности /35/. Из-за этого происходит рост минерализации воды, что способствует усилению деятельности редуцирующих бактерий и увеличению жесткости воды. Для борьбы с этими явлениями приходится предусматривать затрату воды на промывку (продувку) водоема.
Подогрев воды изменяет и условия существования его флоры и фауны - увеличивается содержание биогенных элементов, что способствует повышению торфности водоема.
Таким образом, повышение температуры воды в водоемах-охладителях является причиной изменения многих внутри водоемных процессов и их взаимосвязей, что вызывает, в свою очередь, изменение взаимодействий в системе энергетический водоем - водоем - ВХК (водохозяйственный комплекс) как отрицательного, так и положительного характера. Температура охлажденной воды, поступающей в конденсаторы АЭС и ТЭС to» зависит от средней по акватории водохранилища-охладителя температуры поверхности воды хп и разности этой температуры и хох, а это разность определяется перепадом температуры воды в конденсаторах АЭС и ТЭС (At) и организацией движения воды в водохранилище, влияние которого удобно оценивать с помощью коэффициента 3, предложенного в /36/. Он колеблется от 0 до 0,35. Температура охлажденной воды вычисляется по формуле:
Как отмечалось выше, зимой на всех водоемах-охладителях в месте сброса в них подогретой воды из конденсаторов АЭС и ТЭС образуется термическая майна. Ее размер зависит от количества тепла, поступающего от ТЭС, и от метеорологической обстановки (рис. 1.2).
Над майной создаются условия, способствующие увеличению испарения воды и образованию тумана испарения (далее будут подробно рассмотрены условия образования туманов техногенного происхождения), а значит, осложнению экологической обстановки вблизи энергетических объектов (ТЭС и АЭС) и дорог (туманы, обледенения и т.п.).
Повышение температуры воды и увеличение испарения с водной поверхности влияют на гидрохимический режим подогреваемого водоема. Органические загрязняющие вещества, поступающие в водоем, претерпевают сложные биохимические превращения /37/, некоторые промежуточные и конечные продукты могут быть более вредными, чем исходное вещество. Однако, эти внутри водоемные процессы не имеют хорошего теоретического фундамента.
Влияние энергетических объектов на гидробиологический режим водоемов-охладителей связан, в основном, с изменением их гидрологического режима: с повышением естественной температуры воды из-за сброса тепла ТЭС или АЭС, со сдвигом дат начала и конца безледного и вегетационного периодов и, вследствие этого, с увеличением продолжительности безледного и вегетационного периодов, с усилением циркуляции водных масс в водоеме, с изменением гидрохимического режима воды в водоемах-охладителях.
Технико-экономические последствия обусловлены изменениями гидрологических, гидрохимических, гидробиологических и других условий функционирования отраслей водохозяйственного комплекса (ВХК), совместно с ТЭС использующих подогреваемое водохранилище.
Повышение температуры воды в водоеме-охладителе прежде всего влияет на работу самой электростанции, так как, если повышается температура охлаждающей воды, поступающей в конденсаторы тепловой электростанции, для поддержания мощности станции на заданном уровне приходится увеличивать количество подаваемого в турбину пара, а для этого нужно сжигать больше топлива.
Антропогенные облачные образования и основные условия их эволюции
С каждым годом, а тем более десятилетием, растет экологическая нагрузка на окружающую природную среду, в том числе и на атмосферу. Достаточно ощутимый вклад вносят и облачные образования антропогенного происхождения /40/. Наиболее известными из них являются облачные (конденсационные) следы за самолетами. Для краткости, облака, возникающие под влиянием человеческой деятельности, будем называть антропогенными /40/.
К сожалению, в вышедшем в полезном и всеобъемлющем справочнике по облакам /41/, упоминается только об облачных следах за самолетами, и то на одной с.568. В действительности их много и встречаются они гораздо чаще.
По классификации В.Г.Морачевского /42/ эти воздействия следует отнести к подклассу газовых и аэрозольных выбросов в атмосферу.
Антропогенные облачные образования (АОО) возникают как над водной поверхностью, так и над сушей. К последним можно отнести облачные полосы от труб промышленных предприятий, а также от обширных пожаров, особенно лесных /43/. К антропогенным образованиям можно отнести печные или аэродромные (морозные) туманы /44/, возникающие при температурах ниже 30 С вблизи населенных пунктов при топке печей, а на аэродромах - от выхлопных газов авиационных двигателей. АОО следует считать и туманы и низкие облака, которые возникают вблизи градирен ТЭС и АЭС, а также в непосредственной близости от небольших искусственных водоемов, предназначенных для охлаждения воды, используемой в технических целях.
В настоящее время можно выделить не менее восьми атмосферных образований антропогенного происхождения. Их аэрометеорологические и пространственно-временные характеристики представлены в табл.2 Л. Сейчас хорошо изучены первые семь из перечисленных в табл.2.1 разновидностей облаков и туманов (смогов) антропогенного происхождения, кроме восьмого. Данная работа позволяет ликвидировать этот пробел и дозаполнить приведенную таблицу. Рассмотрим аэрологические условия развития неконвективной облачности, и туманов антропогенного происхождения. Под термином неконвективная облачность будем понимать, в основном, такие облака нижнего яруса, как слоисто - кучевые и слоистые. Эти облака могут переходить друг в друга, а слоистые - в туман. Последний, наоборот, при усилении ветра и турбулентности может превращаться в низкие разорвано слоистые облака. Из литературы известны 7 условий, способствующим возникновению и формированию облачности НФ и туманов следует отнести: 1. наличие задерживающих слоев; 2. понижение со временем температуры воздуха; 3. слабый ветер или штиль; 4. высокая относительная влажность воздуха; 5. наличие гигроскопических частиц (ядер конденсации); 6. смешение ВМ с различными термогигрометрическими свойствами; 7. вертикальные движения или определенная циркуляция. Из анализа аэросиноптического материала видно, что главным и необходимым условием развития облаков НФ и туманов, которые возникают обычно в устойчивых влажных воздушных массах, является наличие задерживающего слоя в атмосфере, как правило, в виде изотермии или инверсии различной мощности и интенсивности. Вторым условием, связанным с первым, оказывается понижение со временем температуры воздуха в пограничном слое. Это и обуславливает появление задерживающего слоя при постоянстве или более медленном понижении температуры на вышележащих уровнях. При понижении температуры она оказывается ниже точки росы, в связи с этим начинается конденсация водяного пара и происходит возникновение тумана у подстилающей поверхности, а на высоте - облачности. Третьим условием, способствующим возникновению облачности НФ и в особенности туманов, следует считать слабый ветер или ослабление его до штиля. Нумерация условий достаточно произвольная, поскольку трудно сказать что первично, а что вторично: первично ли понижение температуры за счет выхолаживания приземного воздуха, когда при увеличении трения ветер ослабевает или, наоборот, он ослабевает, начинается выхолаживание и появляется задерживающий слой. Четвертым условием является высокая относительная влажность воздуха, которая позволяет при охлаждении воздуха до температуры точки росы или инея достичь состояния насыщения. Пятым условием следует считать наличие ядер конденсации и сублимации, без которых процессы облако- и туманообразования затягиваются. Шестым условием является смешение воздушных масс (ВМ). Оно наиболее ярко проявляется при значительном различии их 7. вертикальные движения или определенная циркуляция. Из анализа аэросиноптического материала видно, что главным и необходимым условием развития облаков НФ и туманов, которые возникают обычно в устойчивых влажных воздушных массах, является наличие задерживающего слоя в атмосфере, как правило, в виде изотермии или инверсии различной мощности и интенсивности.
Методы расчета теплового влияния водоемов-охладителей на микроклимат окружающей территории
Анализ полей концентрации примеси С показал, что она рассеивается главным образом, в слое выброса, в приземном же слое ее концентрация на 2 - 3 порядка ниже начального значения Со Влияние водоема заметно не сказывается на качественной структуре поля концентрации примеси: изолинии С (х, 0, z) = const в вертикальной плоскости, проходящей через ось струи, во всех случаях вытянуты по потоку и вверх. Вариации же концентрации в слое z = 2 м С (х, 0, z) довольно значительны. Очевидно, это связано с изменением как режима турбулентности во внутреннем пограничном слое, так и условий взаимодействия с подстилающей поверхностью.
Также следует, что за водоемом (вариант 3) значения С в районе максимума увеличиваются на 30 — 35 %, а на расстояниях больше 2,5 - 5 км эти значения увеличиваются в несколько раз. Во втором варианте из-за поглощения примеси подстилающей поверхностью (С (х, 0, z) = 0) максимальные значения С уменьшаются почти в 2 раза. На расстоянии больше 0,5 км концентрация падает в 5 - 10 раз, несмотря даже на усиление турбулентного перемешивания во внутреннем пограничном слое. При этом, не только изменяется величина С (х, 0, 2), но и наблюдается смещение максимума С ближе к источнику. Расчеты были проведены при разных атмосферных условиях: при геострофической скорости от 5 до 15 м/с, ширине водоема 1-10 км, стратификации от сильно устойчивой до умеренно неустойчивой. Замечено, что при варьировании одного из параметров в указанных пределах, другие оставались фиксированными. Модельные оценки показали, что с ростом G изолинии полей 0 и С все больше вытягивались по направлению ветра при одновременном уменьшении скорости всплывания струи. Концентрация примеси в слое «дыхания» на расстояниях до 6 км при этом тоже уменьшилась. Влияние размера водоема проявилось в интенсификации турбулентного перемешивания с ростом ав примерно до 5 км, потом оно становилось более слабым.
Как показали расчеты, наиболее сильное влияние на структуру и величину полей С, W, и 0 оказывает стратификация атмосферы. При конвекции, например, ( 0h - 0о = - 5К, 0О = 278,1 К) в отличие от нейтральной стратификации концентрация С (х, 0, 2) наиболее высока в невозмущенном потоке (см.табл.2.1). При расположении источника на наветренном берегу (вариант 2) загрязненность слоя z = 2 м над холодным водоемом уменьшается, главным образом, из-за поглощения примеси водной поверхностью. Рассеяние примеси от источника на подветренном берегу (вариант 3) происходит в шлейфе холодного и влажного воздуха с ослабленным турбулентным перемешиванием внутри него. Хотя струя при этих условиях и поднимается выше, но концентрация примеси в слое z = 2 м все же выше, так как примесь не поглощается подстилающей поверхностью.
Менее всего приземный слой загрязняется при умеренной устойчивости ( 0h - 0о = 5 К). Из-за ослабленного турбулентного перемешивания в набегающем невозмущенном потоке (вариант 1) концентрация в слое воздуха z = 2 м под осью струи примерно в 2 раза ниже, чем при других условиях (см.табл.2.1). В возможном же АПС за водоемом (вариант 3) загрязненность по сравнению с невозмущенным потоком увеличивается более, чем в 2 раза, но все же ее уровень ниже, чем при нейтральной стратификации.
Таким образом, при нейтральной стратификации набегающего потока воздуха под воздействием водоема загрязненность приземного слоя может возрасти почти в 2 раза в том случае, когда выброс происходит внутри внутреннего пограничного слоя от источника на подветренном берегу. В приводном же слое концентрация примеси уменьшается вследствие поглощения водной поверхностью. При конвективных условиях из-за ослабления турбулентного перемешивания над холодной водной поверхностью концентрация примеси над водоемом уменьшается в несколько раз, над берегом несколько меньше.
Полученные результаты дают представление о влиянии подогретого водоема на загрязненность атмосферы выбросами труб промышленных и теплоэнергетических объектов. Это подтверждает важность подобных исследований. Результаты показывают, что при высоте источника 50 м максимальная концентрация примеси на 2 - 3 порядка ниже, чем на оси струи. Это означает, что влиянием водоема допустимо пренебречь только при выбросах нейтральных или небольшого количества слаботоксичных веществ. В других случаях влияние водоема надо учитывать.
При теоретическом исследовании трансформации воздушных масс под влиянием подстилающей поверхности обычно ограничиваются изучением изменения их характеристик при смещении над однородной подстилающей поверхностью, свойства которой резко отличаются от свойств подстилающей поверхности, над которой воздушные массы смещались ранее. При этом обычно полагают, что ветер направлен перпендикулярно к линии раздела этих поверхностей, начало координат помещают на данную линию, после чего трансформация изучается при однородных по горизонтали условиях тепло- и влагообмена /52/.
Вместе с тем, нередко следует принимать во внимание более сложный характер неоднородностей подстилающей поверхности и условий турбулентного обмена в нижних слоях атмосферы.
Интересный результат получили М.Е.Берлянд и Я.С.Кочган /58/ при оценке радиационных свойств облаков: облачные слои толщиной порядка 100 м почти полностью поглощают тепловое излучение и могут приближенно рассматриваться как черное тело. Очевидно, что данный вывод может быть отнесен и к достаточно плотным туманам, высота которых нередко достигает 100 м и более, и которые часто характеризуются значениями водности, превышающими водность облаков вследствие более высоких температур в приземном слое воздуха.
Расчет антропогенного влияния водоема-охладителя на микроклимат близлежащих районов
Горизонтальная протяженность паро-конденсатного факела в зависимости от погодных условий изменяется от 8.0 м до 10 - 12 км. Вертикальная мощность факела может достигать 0,55 км. Суммарная (от четырех блоков) ширина факела в поперечном к ведущему потоку направлении на расстоянии 1 км в среднем составляет около 800 м. В условиях среднего ветра при среднегодовых климатических данных факел насыщения имеет вертикальную мощность порядка 200 м и распространяется по потоку примерно на 3,5 км (рис.3.1). В ближней 200-м зоне, непосредственно примыкающей к градирне, образуется туман.
Для среднемесячных климатических условий теплого времени года горизонтальная протяженность факела насыщения увеличивается от 1,2 км в июне до 2,4 км в августе при средней вертикальной мощности факела 200 м (рис.3.2 - 3.4). Сокращение размеров видимого факела в июне месяце связано с некоторым уменьшением (по сравнению с июлем -августом) относительной влажности воздуха, выбросов водяного пара и температуры выбрасываемого воздуха.
В холодную половину года степень влияния градирен возрастает. Это обусловлено, с одной стороны, повышенной относительной влажностью воздуха, а с другой - низкими температурами зимой. Благодаря этому паро-конденсатное облако распространяется на большие расстояния.
Антропогенный конденсатный факел для среднемноголетних условий декабря и января может распространяться до 11 - 12 км по потоку (рис.3.5 - 3.6), а в феврале протяженность факела имеет порядок 9 км (рис.3.7). Вертикальная мощность облака составляет 200 - 250 м, его нижняя граница опускается до 50 - 100 м. При среднем ветре в зимние месяцы в ближней 100-м зоне возможно образование тумана.
На рис.3.8 - 3.10 приведены примеры распределения поля относительной влажности с подветренной стороны градирен при сильных ветрах. Он способствует резкому увеличению турбулизации пограничного слоя атмосферы, степень турбулизации воздушного потока еще более усиливается под влиянием градирен. В условиях интенсивного турбулентного перемешивания размеры видимого облачного факела существенно уменьшаются. Летом горизонтальная протяженность факела не превышает 150 м при вертикальной мощности менее 50 м (рис.3.8).
В январе месяце благодаря высокой относительной влажности воздуха и экстремально низким температурам видимый факел насыщения при сильных ветрах прослеживается до расстояний около 1 км при вертикальной мощности 50 - 100 м (рис.3.9). Максимальная скорость ветра за год превышает ее значения как для зимних, так и для летних месяцев, вследствие чего в среднегодовых условиях при максимальных ветрах факел насыщения вообще не возникает (рис.3.10).
Из этих данных можно заключить, что при сильном ветре воздействие градирен на микроклимат наименее существенно, особенно в теплую половину года. Следует отметить, что повторяемость скоростей ветра более 10 м/с в заданном районе невелика - в среднем за год она составляет 9,1 %, причем летом она не превышает 7,1 %, а зимой - 10,2 %.
Вертикальная мощность и горизонтальная протяженность видимого облачного факела резко возрастает при слабых ветрах. Зимой при слабом ветре облачный факел распространяется по потоку до расстояний порядка 14 км, его вертикальная мощность составляет около 550 м, нижняя граница облака опускается до 50 м (рис.3.11). В ближней к градирне 1,5 км зоне область максимального увлажнения захватывает приземный слой, образуя мощный локальный туман. Видимость в тумане может уменьшиться до 1 км и менее. В среднегодовых условиях при слабом ветре протяженность факела составляет около 5 км при той же вертикальной мощности (рис.3.12). Туман образуется в зоне 0,5 км.
В теплую половину года при слабых ветрах за градирней формируется устойчивый слой низкой облачности с нижней границей 50 м и вертикальной протяженностью 550 м. Облако распространяется по потоку до расстояний 2,5 - 2,8 км (рис.3.13). В ближней зоне до 250 м может образоваться туман.
После рассеяния видимого факела антропогенного облака в атмосфере еще долго сохраняется «след факела» - область повышенной влажности в направлении ведущего потока. След факела распространяется до значительных расстояний. Так, в июле при слабом ветре на удалении 10 км от градирни относительная влажность на высотах 800 - 1000 м возрастает в среднем на 6 - 7 % по сравнению с невозмущенным состоянием. В летние месяцы в условиях развитой конвекции можно ожидать развития факела в вертикальном направлении с формированием купола тепла над градирней и переходом факела в кучевую облачность антропогенного происхождения. В условиях повышенной влажности воздуха развитие кучевой облачности антропогенного происхождения может наблюдаться на значительном (до 10-15 км) удалении от АЭС.
Кроме этого, вынос водно-капельных брызг из сопла градирни сопровождается выпадением осадков в подветренной зоне. Количество осадков зависит от процента капельного уноса, а распространение зоны осадков по горизонтали - от распределения водно-капельных брызг по размерам и скорости ветра. Дополнительное образование осадков связано с конденсацией водяного пара в облачном факеле.
На рис.3.14 - 3.16 показано распределение осадков вдоль ветрового потока в различные сезоны года в зависимости от скорости ветра. Как видно из этих рисунков, с увеличением скорости ветра интенсивность осадков вблизи градирни уменьшается, но при этом увеличивается их горизонтальная протяженность за счет сноса капельных брызг по потоку. В среднегодовых условиях (рис.3.14) при среднем ветре основная доля осадков выпадает в ближней 1-км зоне с максимальной интенсивностью 20 мм/сут при х 300 м, на расстояниях 1 - 3 км наблюдаются очень слабые осадки и их следы.
При слабом ветре в ближней 0,8-км зоне количество осадков увеличивается почти вдвое по сравнению со случаем умеренных ветров, максимальная интенсивность составляет 300 мм/сут; затем в 2,5-км области интенсивность дождя быстро уменьшается до нуля.
Похожие диссертации на Моделирование и оценка влияния тепловых выбросов ТЭС и АЭС в атмосферу на микроклимат районов их размещения
