Моделирование и оценка влияния тепловых выбросов ТЭС и АЭС в атмосферу на микроклимат районов их размещения

Среди отраслей промышленности, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду, наиболее значимой является энергетика. Это обусловлено тем, что развитие общества и рост народонаселения постоянно требуют все большего количества энергии. Так, на долю энергетики приходится более четверти всех промышленных выбросов в России от стационарных источников, из них две трети выбросов оксидов азота, около половины выбросов твердых веществ, а также две трети объемов свежей воды, используемой промышленностью России. В электроэнергетике России основными загрязнителями являются ТЭС. Экологическая обстановка в местах работы ТЭС зависит от типа и объемов потребляемого топлива, способов его использования, уровня технологий по уменьшению загрязнения.

Необходимо заметить, что в России установки по очистке уходящих газов от оксидов азота и двуокиси серы находятся в стадии разработки, а действующие ТЭС оснащены только золоуловителями.

В структуре потребляемого топлива для производства электроэнергии в целом по России в 1994 году природный газ составлял 61,5%, мазут — 11,5%, твердое топливо- 27,5%.

За последние 20 лет средняя зольность углей, сжигаемых на ТЭС России, увеличилась с 22,4% до 29,5%, а по отдельным регионам достигла 40% и больше. Такая высокая зольность углей неблагоприятно воздействует на окружающую среду. Также существенную экологическую опасность представляет состояние противоаварийной устойчивости ТЭС, так как 65% от общей мощности ТЭС отработало расчетный срок службы.

Так как человечеству требуется, и будет требоваться все большее количество энергии, то должны увеличиваться и выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, поэтому изучение характера этих выбросов, их структура, воздействие этих загрязняющих веществ на элементы окружающей среды — является одной из актуальных задач современной прикладной экологии.

Структура выбросов и сбросов загрязняющих веществ в атмосферу зависит от технологической схемы получения электрической и тепловой энергии, мощности источников выбросов и сбросов загрязняющих веществ, расположения энергетических объектов по отношению к экологически значимым зонам, от физической природы выбросов. Так, например, сбросы от угольной промышленности и от ТЭС близки по величинам, но они существенно превышают сбросы от газовой промышленности. АЭС сбрасывают значительно меньше,^ чем ТЭС сульфатов, хлоридов и нитратов, но зато больше всех АЭС сбрасывают фосфора общего.

Кроме этого надо отметить, что в продуктах сжигания углей на электростанциях большой мощности (свыше 2 млн. кВт) ртуть, селен, фтор и др. элементы, полностью не улавливаемые системой фильтрационной очистки отходящих газов, становятся источником загрязнения воздушного бассейна. Летучие (свинец, медь, цинк и др.) и труднолетучие (цербий, иттерий и др.) элементы распределяются между твердыми продуктами сжигания топлива, что требует специальных мер утилизации золошлаковых отходов.

Кроме этого, характер воздействия на экологические системы зависит от природных условий района размещения и физической природы выбрасываемого ингредиента. В последнее время большое внимание уделяется воздействию различных загрязняющих веществ на элементы окружающей среды и на человека, а также моделям и физическим принципам распространения этих загрязняющих веществ в объектах окружающей среды.

В то же время, вопросы распространения тепловых выбросов и сбросов и их воздействие на экологические системы проработаны недостаточно. Наиболее успешно дело обстоит с оценкой воздействия тепловых выбросов и сбросов на тепловой режим, гидрологический режим рек и водоемов.

Однако, исследование тепловых выбросов и, связанные с ним эффекты изменения микроклиматических условий, воздействие на наземные экологические системы, требуют дальнейшей проработки с учетом концепций устойчивого экологического развития экосистем, систем мониторинга и экологической безопасности.

Основными источниками тепловых выбросов, как правило, являются системы охлаждения энергетических установок ТЭС и АЭС. Эти источники по виду можно разделить на два основных типа: высотные и наземные. К высотным источникам тепловых выбросов относятся градирни, в качестве наземных рассматриваются пруды-охладители и брызгальные бассейны. Системы охлаждения имеют различные конструктивные особенности.

Башенные градирни — один из давно известных типов промышленных охладителей. Они строились, чаще, в аварийной ситуации, когда возникала необходимость быстрого восстановления системы оборотного водоснабжения, а так же в случаях, когда технологический процесс не требовал больших перепадов температур горячей и охлажденной воды /1/. Несмотря на низкую эффективность этого типа охладителей, башенные градирни имеют ряд достоинств, которые вполне оправдывают их эксплуатацию: они просты в эксплуатации, не требуют большого объема строительных материалов, срок их возведения примерно в 1,5 — 2 раза меньше, чем для аналогичных по производительности капельных или пленочных градирен. Кроме этого, они предпочтительней с экологической точки зрения, так как являются оборотными системами водоснабжения и не связаны с водоемами /2, 3/.

Также надо отметить, что в башенных (или «мокрых») градирнях, проходящая через них вода, охлаждается преимущественно за счет испарения. «Сухие» градирни охлаждают воду в радиаторе, который обдувается вентилятором. «Мокрые» градирни бывают с естественной тягой воздуха и вентиляторные, с пленочными и брызгальными оросительными устройствами. «Сухие» и «мокро-сухие» градирни позволяют исключить, или значительно сократить потери воды на испарение и капельный унос. Однако, они требуют больших капитальных вложений и текущих затрат, эффективность охлаждения воды ниже и сложнее в эксплуатации. «Мокрые» градирни лучше охлаждают воду, но теряют значительное количество воды на испарение и капельный унос. Кроме того, градирни всех систем требуют затрат воды на продувку системы технического водоснабжения, так как из-за испарения постепенно увеличивается минерализация воды.

Из-за капельного уноса воды из градирен на окружающую территорию выпадают из атмосферы кислоты, щелочи, токсичные вещества. Потери воды на капельный унос без водоулавителей для башенных градирен площадью орошения до 500 м достигают 0,5 — 0,8% расхода охлаждаемой воды, а для градирен площадью орошения выше 500 м достигают от 0,3 до 0,5%. На современных мощных электростанциях капельный унос воды может достигать 500 м3/ч. Снизить капельный унос влаги можно с помощью водоулавителей.

Вентиляторные градирни используются, в основном, в химической, нефтеперерабатывающей и пищевой промышленности, где требуется постоянство перепада температуры воды при сравнительно небольшом расходе. Такие градирни, действующие в нашей стране, имеют плотность орошения 'от 5 до 12 м3/м2ч, или от 1,7 до 3,4 кг/м2с. Скорость воздуха на выходе из оросителя в вентиляторной градирне достигает 4−6 м/с, а это, естественно, приводит к увеличению количества выносимой из градирни воды /3/.

Башенные градирни обладают постоянной и высокой эффективностью, и сравнительно мало влияют на окружающую природную среду. Производительность башенных градирен достигает 150 Л.

— 200 м /ч при диаметре на уровне входных окон 120 — 150 м и на высоте 150 — 180 м и более. Такие большие башенные градирни требуют значительных капитальных вложений, однако, дают экономию эксплуатационных затрат по сравнению с вентиляторными градирнями.

Для увеличения производительности градирен в последнее время стали широко применять комбинированный тип охладителя, в котором используется, в основном, естественная тяга в башне градирни, а при необходимости увеличить ее применяются вентиляторы, установленные либо в центральной части градирни, либо на периферии.

С начала 80-х годов осуществляется опытно-промышленная проверка башенных брызгальных градирен /4/. Эти градирни просты в эксплуатации, для их возведения требуется небольшой объем недефицитных строительных материалов и меньше времени, чем для возведения обычных башенных градирен. Кроме этого, при своевременной профилактике охладительный эффект брызгальных градирен не зависит от времени их эксплуатации. Брызгальные градирни оказались перспективными в системах водоснабжения, в которых используется вода, содержащая более 100 мг/л взвешенных веществ, или вещества, способные образовывать трудноудаляемые отложения на щитах оросительных устройств «обычных градирен, а также при маневрировании режимом работы ТЭЦ, особенно в зимнее время.

Говоря о градирнях, надо учитывать и специфику их воздействия на окружающую среду /5 — 14/. Для интенсификации процесса теплообмена в градирнях проводятся следующие мероприятия:

— комбинирование естественной и искусственной тяги;

— увеличение высоты башен градирен;

— увеличение площади входных окон за счет повышения их высоты или за счет увеличения периметра входа;

— усовершенствование оросительного, водораспределительного и водоулавительного устройств.

По влиянию на микроклимат, в том числе на туманообразование в приземном слое атмосферы, на состояние дорог, сооружений, почвы и растительности, башенные (мокрые) градирни имеют значительные преимущества по сравнению с другими охладителями. При оборудовании эффективными водоулавителями они мало уступают «сухим» градирням в отношении охраны окружающей среды.

Если говорить о брызгальном бассейне, то его можно использовать как в качестве основного единственного охладителя циркуляционной воды, так и в комбинации с традиционными башенными градирнями или водохранилищами. По поводу эффективности брызгальных бассейнов до сих пор нет единого мнения. Использование брызгальных бассейнов для оборотных. систем водоснабжения мощных ТЭС и АЭС возможно лишь при выполнении широких исследований всего комплекса задач, связанных с теплои массоотдачей и аэродинамикой бассейна в сочетании с анализом результатов теоретических и экспериментальных исследований /15, 16/.

Наиболее используемым способом охлаждения служат водоемы-охладители. Они могут быть естественными и искусственными. В настоящее время для водоснабжения существующих ТЭС и АЭС используется порядка сотни водохранилищ. Из них около сорока создано специально" в связи со строительством электростанций. Основная задача при проектировании таких водохранилищ — обеспечение максимальной охлаждающей способности. При этом, с точки зрения экологии, требования сводятся только к ограничениям на термический режим только тех водоемов, которые помимо нужд электростанций используются в другой хозяйственной деятельности /17/.

Воздействие различных систем охлаждения на окружающую среду в настоящее время является предметом особого внимания в связи с тем, что тепловые выбросы ТЭС и АЭС становятся соизмеримыми с энергией некоторых процессов, происходящих в атмосфере. Такое воздействие рассматривалось рядом исследователей, но эти исследования, в основном, касались естественных тепловых источников, обладающих сравнительно небольшой мощностью. Были предложены различные модели теплового и влажностного взаимодействия воздушного потока с водокапельными брызгами: модель Матвеева-Быковой, Берлянда-Киселева, Качурина-Бекряева, однако, эти модели требуют дальнейшего совершенствования для получения наиболее объективной информации о воздействии загрязняющих веществ.

Целью настоящей работы является оценка влияния воздействия тепловых выбросов крупных энергетических объектов на окружающую среду на основе численной модели диффузии выбросов, поступающих от тепловых источников. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Проведено обобщение и анализ существующих моделей теплового воздействия охладительных систем на окружающую среду.

2. Сформулирована математическая модель теплового воздействия крупных энергетических объектов на окружающую среду.

3. Проведен выбор и обоснование основных функционалов задачи.

4. Разработана программа расчета теплового воздействия промышленных объектов на микроклимат прилегающих территорий.

5. Проведен выбор и обоснование метода численного решения задачи.

6. Проанализированы данные по изменению микроклимата (осадки, туманы, температура, влажность), по гололедообразованию, по рассеиванию примесей.

7. Проанализировано воздействие туманообразования и повышенного увлажнения на агропромышленное производство.

8. Проведена оценка влияния тепловых выбросов на микроклимат близлежащих районов.

В заключении работы делаются выводы на основании проведенных расчетов и даются некоторые рекомендации по экологической целесообразности использования тех или иных охладительных систем АЭС и ТЭС в различных регионах и их влиянии на микроклимат.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящее исследование посвящено влиянию тепловых выбросов на окружающую среду. Это первое исследование, которое было проведено по направлению, связанному с энергетикой.

В этой работе были исследованы основные моменты влияния теплового загрязнения на микроклимат прилегающих территорий.

На основании проведенных расчетов и анализа полученных материалов? можно сформулировать следующие основные выводы и дать некоторые рекомендации.

1. Влияние градирен на микроклимат окружающих территорий наиболее существенно в экстремальных условиях слабых ветров.

2. При слабых ветрах с подветренной стороны градирни образуется туман. Вероятность возникновения туманов за градирней связана с вероятностью слабых ветров. Она оказывается довольно высокой, достигая в зимние месяцы 42%, в то время как в невозмущенных условиях района число дней с туманами зимой с среднем составляет 0,2 — 0,5.

3. В зоне распространения паро-конденсатного факела увеличение влажности кроме дополнительного туманообразования может привести к дополнительному гололедообразованию на строительных конструкциях. Эти процессы будут прослеживаться на расстояниях до 1 — 1,5 км.

4. При слабом ветре в ближней 0,8-км зоне количество осадков увеличивается почти вдвое по сравнению со случаем умеренных ветров, максимальная интенсивность составляет 30 мм/сут, затем в 2,5-км области интенсивность дождя быстро уменьшается до нуля.

5. Зона распространения паро-конденсатного факела достигает от 5 до 7 км при минимальных значениях температуры воздуха, а его мощность оценивается величинами 200 — 300 м.

6. В результате взаимодействия паро-конденсатного факела с облачностью будет происходить увеличение зоны влияния факела, высота нижней границы которой для зимнего сезона в среднем составляет 200 — 300 м. То есть, факел будет практически полностью попадать в облачный слой, загрязняя его продуктами выбросов, что, в свою очередь, приведет к увеличению зоны его влияния и выпадению закисленных осадков. Моросящие осадки могут наблюдаться и при безоблачных условиях в непосредственной близости от градирни на расстояниях до 1 км.

7. Кроме этого, значительно меняется характер вертикального распространения температуры воздуха, особенно зимой. В частности, в зоне распространения паро-конденсатного факела температура увеличивается от 4 до 6 °C в зимний период, летом температура увеличивается от 1 до 2 °C. Это связано с более значительными перепадами температуры между выбрасываемой газо-воздушной смесью и окружающим воздухом в зимний период.

8. Установка градирен в районах Крайнего Севера, где в течение всего года наблюдаются такие перепады, является экологически нецелесообразной.

9. Анализ полученных данных также позволяет сделать вывод о том, что наличие водоема-охладителя в районе размещения АЭС и ТЭС неизбежно приведет к негативным экологическим последствиям.

К числу ожидаемых негативных последствий, в первую очередь, можно отнести:

1. Возникновение в зимний период максимальных аномалий температуры и относительной влажности (соответственно 1 °C и 6%).

2. Максимальные аномалии осадков (от 40 до 100 мм/мес) в осенний, зимний и весенний периоды близки или превосходят соответствующие нормы естественных осадков.

3. Примерно в два раза возрастает вероятность образования туманов, особенно в холодное время года.

4. Аномалии температуры и влажности неизбежно приведут к более позднему (с задержкой примерно на декаду) образованию снежного покрова и более раннему (до двух недель) его стаиванию.

5. Ожидаемое переувлажнение почвы в зоне размещения ТЭС и АЭС затруднит проведение осенних и весенних полевых работ.

6. Вследствие эффектов выпревания и вымокания ухудшаются условия произрастания озимых культур.

7. Ожидаемое переувлажнение почвы приведет к усилению процессов заболачивания местности.

8. Увеличение вероятности повышения относительной влажности и вероятности образования туманов приведет к негативным последствиям, связанным с повышением токсичности загрязняющих веществ и, следовательно, приведет к ухудшению здоровья населения.

9. Тепловое воздействие водоема-охладителя будет проявляться также в дополнительных гололедных нагрузках на строительные конструкции и линии электропередач.