Анализ опасных и вредных факторов в малой энергетике

Анализ опасных и вредных факторов технологических процессов малой энергетики.

Развитие мировой и российской энергетики требует решения проблемы экологической оценки возможных последствий на окружающую среду, жизнь и здоровье населения. Объекты энергетики по степени влияния на окружающую среду принадлежат к числу наиболее интенсивно воздействующих на биосферу. Поэтому при решении выбора источника энергии необходимо учитывать не только экономические, но и экологические последствия возможного влияния объектов энергетики при строительстве и эксплуатации.

[http://www.rae.ru/use/?section=content&op=show_article&article_id=10000962 ]

Экологический кризис биосферы – это кризис не природы, а человеческого общества. Среди главных проблем, обусловивших его возникновение, – объем антропогенного воздействия на природу в XX веке, приблизивший биосферу к пределу устойчивости; противоречия между сущностью человека и природой, его отчуждение от природы.

Многократное расширение ресурсной базы человечества потребовало и роста энергетических мощностей. Выявлена историческая тенденция, в соответствии с которой суммарное потребление энергии на Земле возрастает пропорционально квадрату численности населения. Повышение уровня благосостояния человека на Земле требует постоянного увеличения потребляемой энергии. В то же время резкое увеличение производства энергии за последнее время стремительно ухудшает экологическую обстановку на Земле.

Предприятия энергетики воздействуют на четыре сферы:

• атмосферу: потребление кислорода, выброс газов и твердых частиц, полученных при горении, тепловое воздействие, электромагнитное воздействие, ионизация;

• литосферу: потребление ископаемых, отходы;

• гидросферу: загрязнение жидкими стоками, тепловое воздействие с охлаждающей водой,

• биосферу: нарушение биоценозов, миграции и вымирание животных и растений.

Развитие мировой и российской энергетики требует решения проблемы экологической оценки возможных последствий на окружающую среду, жизнь и здоровье населения. Объекты энергетики по степени влияния на окружающую среду принадлежат к числу наиболее интенсивно воздействующих на биосферу. Поэтому при решении выбора источника энергии необходимо учитывать не только экономические, но и экологические последствия возможного влияния объектов энергетики при строительстве и эксплуатации.

Комбинированное производство энергии двух видов на мини-ТЭЦ способствует не только гораздо более экологичному использованию топлива по сравнению с раздельной выработкой электроэнергии и тепловой энергии на котельных установках, но и повышению чистоты воздушного бассейна, улучшению общего экологического состояния окружающей среды.

Мини-ТЭЦ работает, как правило, в двух основных производственных режимах: получение электричества и тепла (когенерация) и получение электричества, тепла и холода (тригенерация).

Основными достоинствами мини-ТЭЦ являются малые потери при транспортировке тепловой и электрической энергии; автономность функционирования; повышение надежности теплоснабжения; более низкая себестоимость тепловой и электрической энергии, экологическая безопасность.

При эксплуатации мини-ТЭЦ происходит загрязнение атмосферного воздуха продуктами сгорания топлива, тепловое и акустическое загрязнение окружающей среды

 

Загрязнение атмосферного воздуха

Основное внимание уделяется выбросам загрязняющих веществ в атмосферу. Отрицательное влияние загрязнения атмосферы выражается в ухудшении здоровья людей и животных, снижении урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животных. Воздействию вредных веществ подвержены лесные угодья. Загрязнение атмосферы влияет также на коррозионные процессы строительных конструкций, ускорение износа зданий и оборудования.

При работе мини-ТЭЦ с газопоршневыми и газотурбинными двигателями на природном газе в атмосферу будут выбрасываться следующие вредные вещества: оксиды азота и оксид углерода. Для мини-ТЭЦ с дизельными двигателями: оксиды азота, оксид углерода, углеводороды, сажа, диоксид серы, формальдегид, 3,4 бенз(а)пирен [2].

Неблагоприятное действие на окружающую среду оказывают оксиды серы, разрушающие хлорофилл растений, повреждающие листья и хвою. Поступающий в атмосферу триоксид серы (SО3), взаимодействуя с влагой воздуха, образует серную кислоту. При неполном сгорании топлива продукты сгорания содержат токсичную окись углерода, углеводороды, в том числе сложные полициклические ароматические углеводороды (некоторые из них являются канцерогенными соединениями) и сажу. Оксид углерода (СО) изменяет состав крови (вытесняет молекулы О2 в гемоглобине), приводит к нарушению нервной деятельности. При сжигании топлива могут образовываться оксиды азота. При окислении молекулярного азота кислородом воздуха образуется окись азота (NО). В дальнейшем окись азота частично окисляется до двуокиси (NО2). Диоксид азота оказывает раздражающее действие на дыхательные пути и слизистую оболочку глаза. В присутствии влаги NO2 легко вступает во взаимодействие с кислородом воздуха, образуя азотную кислоту (НNO3). Оксиды азота, поглощая естественную солнечную радиацию, снижают прозрачность атмосферы и способствуют образованию фотохимического смога.

Было проведено экологическое сравнение мини-ТЭЦ с газопоршневыми и дизельными двигателями, использующими различные виды топлива. Исходными данными для расчета являлись паспортные данные двигателей: концентрации загрязняющих веществ в выхлопных газах, объем сжигаемого топлива, которые были взяты из Каталога энергетического оборудования. Расчет для дизельных двигателей выполнялся в соответствии с «Методикой расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных дизельных установок» с учетом мощности двигателя, частоты вращения и расхода топлива.

Паспортные данные газопоршневых двигателей производства РУМО и дизельных двигателей производства Уральского дизель-моторного завода мощностью 1 МВт приведены в табл. 1.

Таблица 1 Паспортные данные газопоршневых и дизельных двигателей

Производитель двигателей	Модель двигателя	Мощность двигателя, кВт	Расход топлива
РУМО	8Г4Н22/28	1090	0,0869 н∙м3/с
Уральский дизель-моторный завод	8ДМ-21С	1080	0,055 кг/с

Расчет количественных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу выполнен в соответствии с ОНД-86 «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий», «Руководство по контролю источников загрязнения атмосферы», «Методическое пособие по расчету, нормированию и контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух» в программном комплексе «Призма». Предельно допустимые концентрации приняты согласно ГН 2.1.6.1338-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест».

Результаты расчета валовых выбросов загрязняющих веществ для газопоршневых и дизельных двигателей мощностью 1 МВт приведены в табл. 2.

Расчеты максимальных приземных концентраций были выполнены для климатической зоны г. Н.Новгорода. Основные расчетные климатические характеристики, необходимые для расчетов приземных концентраций вредных веществ, приняты по СНиП 23-01–99 «Строительная климатология». В расчете рассмотрен вариант мини-ТЭЦ при высоте дымовой трубы 15 м, диаметр трубы – 0,325 м. Температура дымовых газов принималась 110 °С. Результаты расчета представлены в табл. 3.

Таблица 2 Расчет валовых выбросов загрязняющих веществ

Загрязняющее вещество	Валовые выбросы загрязняющих веществ, т/год для типа двигателя
	Газопоршневой 8Г4Н22/28	Дизельный 8ДМ-21С
СО	14,89	51,7
NO2	19,54	62,1
NO	0,229	10,1
СН	–	25,9
С	–	4,3
SО2	–	8,6
СН2О	–	1,0
С20Н12	–	9,48∙10–5

Таблица 3 Максимальные приземные концентрации загрязняющих веществ для мини-ТЭЦ в зависимости от высоты трубы

Загрязняющее вещество	Максимальные приземные концентрации загрязняющих веществ, доли ПДК для типа двигателя
	Газопоршневой 8Г4Н22/28	Дизельный 8ДМ-21С
СО	0,00506	0,0284
NO2	0,166	0,852
NO	0,00097	0,0692
С	–	0,231
SО2	–	0,0476
СН2О	–	0,0816
С20Н12	–	0,026

Проведенные исследования показали, что концентрации всех вредных веществ не превышают допустимые значения для мини-ТЭЦ с газопоршневыми и дизельными двигателями мощностью 1 МВт.

 

 

Эмиссия парниковых газов

Наблюдаемое в настоящее время изменение климата, которое выражается в постепенном повышении среднегодовой температуры, начиная со второй половины прошлого века, большинство ученых связывают с накоплением в атмосфере «парниковых газов» – диоксида углерода, метана, хлорфторуглеродов, озона, оксидов азота и др. В связи со сжиганием человеком все большего количества ископаемого топлива: нефти, газа, угля концентрация СО2, в атмосфере постоянно увеличивается.

В процессе сжигания органического топлива происходит также выброс парниковых газов, к которым в данным случае относятся СО2, СН4, N2O.

Исходными данными для расчета выброса парниковых газов являлся объем сжигаемого топлива.

Пересмотренные Руководящие принципы, разработанные МГЭИК, включают методологии расчета эмиссии парниковых газов при сжигании топлива, индустриальным процессам, сельскохозяйственным почвам, изменению землепользования и лесному хозяйству, отходам. При расчете учитывается потенциал глобального потепления для каждого вещества.

Результаты расчета эмиссии парниковых газов для мини-ТЭЦ газопоршневых и дизельных двигателей мощностью 1 МВт приведены в табл. 4.

Мини-ТЭЦ с газопоршневыми и дизельными двигателями являются источниками выброса парниковых газов, что необходимо учитывать при экологической оценке воздействия на окружающую среду.

Интенсивное шумовое воздействие на организм человека неблагоприятно влияет на протекание нервных процессов, способствует развитию утомления, изменениям в сердечно-сосудистой системе и появлению шумовой патологии, среди многообразных проявлений которой ведущим клиническим признаком является медленно прогрессирующее снижение слуха.

Таблица 4 Расчет эмиссии парниковых газов для мини-ТЭЦ для газопоршневыми и дизельными двигателями

Парниковый газ	Эмиссия парниковых газов, т/год для типа двигателя
	Газопоршневой 8Г4Н22/28	Дизельный 8ДМ-21С
СО2	5045	5477
N2О	0,009	0,045
СН4	0,46	0,15
Эмиссия парниковых газов в пересчете на СО2экв	5057	5494

Также было рассмотрено воздействие мини-ТЭЦ с дизельными и газопоршнеыми двигателями мощностью 1000 кВт на окружающую среду.

Двигатель является сложным источником акустического излучения, мощность которого определяется потоками звуковой энергии от нескольких различных источников. Источниками шума являются узлы и агрегаты двигателя, а также газодинамические процессы, происходящие в системах и топливной аппаратуре [3]. По укрупненной классификации источники шума, производимого двигателем внутреннего сгорания, складываются из:

1) акустического излучения  аэродинамического происхождения;

2) шума, вызываемого механическими  колебаниями наружных поверхностей  двигателя.

Шумы аэродинамического происхождения связаны с системой турбонаддува и непосредственно с всасыванием и выпуском. Причинами шума газодинамического (гидравлического) происхождения являются возмущения, проявляющиеся при движении газообразной и жидкой сред в проточных частях механизмов и трубопроводах, при обтекании тел и сгорании топлива. В окружающую среду шум передается в виде вибраций и колебаний наружных поверхностей двигателя, колебаний воздуха на впуске и выпуске.

Шум механического происхождения возникает вследствие неуравновешенности вращающихся частей механизмов и устройств, наличия сил инерции и моментов этих сил, соударении деталей в подвижных сочленениях кривошипно-шатунного механизма, в системе газораспределения и в элементах топливоподающей аппаратуры; резкое возрастание сил от действия газов на основные детали двигателя, возникающие при процессе сгорания.

Акустическое загрязнение мини-ТЭЦ

Дизельные мини-ТЭЦ

Для оценки шумового воздействия дизельной установкой мощностью 1000 кВт необходимо произвести расчет уровня звукового давления на территории, прилегающей к зданию.

Дизельная установка размещена в здании, имеющем размеры 10×16×5 м. Стены выполнены в один кирпич.

Согласно каталогу технических данных дизельные электроагрегаты номинальной мощностью 500–1000 кВт создают уровень звукового давления 102 дБА.

Расчет шума выполняли в соответствии со СНиП 23.03.2003 «Защита от шума» [4, 5]. Рассчитаем шум у стены здания.

Октавные уровни звукового давления L, дБ, в расчетных точках внутри здания при работе одного источника шума определяли по формуле:

 (1)

где Lw – октавный уровень звуковой мощности, дБ; χ – коэффициент, учитывающий влияние ближнего поля; Ф – фактор направленности источника шума; Ω – пространственный угол излучения источника, рад; r – расстояние от акустического центра источника шума до расчетной точки, м; k – коэффициент, учитывающий нарушение диффузности звукового поля в помещении; В – акустическая постоянная помещения, м2.

Акустическая постоянная помещения:

 (2)

где αcp – средний коэффициент звукопоглощения; А – эквивалентная площадь звукопоглощения, м2.

Эквивалентная площадь звукопоглощения:

 (3)

где αi – коэффициент звукопоглощения i-й поверхности; Si – площадь i-й поверхности, м2.

Для расчета приняты следующие значения:

Lw = 102 дБА, χ = 2; Ф = 1; Ω = 2π рад; r = 4 м; k = 1,25; αcp = 0,15; S = 260 м2; А = 39 м2; В = 45,9 м2.

Величина шума внутри здания составляет: L = 91,5 дБА.

Уровень звуковой мощности шума Lпр, дБ, прошедшей через ограждение на территорию, рассчитывается по формуле:

 (4)

где Li – уровень звуковой мощности источника, дБА; Вш – акустическая постоянная помещения с источником (источниками) шума, м2; k – коэффициент, учитывающий нарушение диффузности звукового поля в помещении; S – площадь ограждения, м2; R – изоляция воздушного шума ограждением, дБА.

Для расчета шума, прошедшего через стену, приняты следующие значения:

Lw = 91,5 дБА, Вш = 45,9 м2, k = 1,25; S = 80 м2, R = 54 дБ уменьшение шума стеной в один кирпич.

В результате расчета получается, что величина шума с наружной стороны здания составляет Lпр = 36,8 дБА.

Допустимые уровни шума на территории около домов согласно СН 2.2.4/2.1.8.562–96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки» приведены в табл. 5.

Таблица 5 Допустимые уровни шума

Назначение территорий	Время суток, ч	Уровни звука и эквивалентные уровни звука (в дБА)
Территории, непосредственно прилегающие к жилым зданиям, домам отдыха, домам-интернатам для престарелых и инвалидов	7.00–23.00	55
	23.00–7.00	45

Таким образом, шум, создаваемый дизельной установкой, будет ниже допустимого для территории, непосредственно прилегающей к жилым домам. Поэтому специальных мероприятий по снижению шума не требуется.

Газопоршневые мини-ТЭЦ

Для оценки шумового воздействия электростанции, состоящей их 4 газопоршневых двигателей мощностью 1000 кВт, необходимо произвести расчет уровня звукового давления на территории, прилегающей к зданию.

Электростанция размещена в здании, имеющем размеры 30×16×6 м. Стены выполнены в один кирпич.

Согласно каталогу технических данных электроагрегат номинальной мощностью 1000кВт создает уровень звукового давления 99 дБА.

Акустический расчет уровня звукового давления L, дБ, в помещении с несколькими источниками шума:

 (5)

где Lw – октавный уровень звуковой мощности, дБ; χ – коэффициент, учитывающий влияние ближнего поля; Ф – фактор направленности источника шума; Ω – пространственный угол излучения источника, рад; r – расстояние от акустического центра источника шума до расчетной точки, м; k – коэффициент, учитывающий нарушение диффузности звукового поля в помещении; В – акустическая постоянная помещения, м2.

Для расчета приняты следующие значения:

Lw = 99 дБА, χ = 2; Ф = 1; Ω = 2π рад; r = 1 м; k = 1,25; αcp = 0,15; S = 1032 м2; А = 154,8 м2; В = 182,12 м2.

Величина шума внутри здания составляет: L = 98,86 дБА.

Для расчета шума, прошедшего через стену, приняты следующие значения:

L = 98,86 дБА, Вш = 182,12 м2, k = 1,25; Sогр = 180 м2, R = 54 дБ уменьшение шума стеной в один кирпич.

В результате расчета получается, что величина шума с наружной стороны здания составляет Lпр = 43,9 дБА.

Таким образом, шум, создаваемый электростанцией, состоящей их 4 газопоршневых двигателей мощностью 1000 кВт, будет ниже допустимого для территории, непосредственно прилегающей к жилым домам. Поэтому специальных мероприятий по снижению шума не требуется.

[http://www.rae.ru/fs/?section=content&op=show_article&article_id=10000628]

Расчет системы вентиляции рабочего помещения для разработчиков энергетических установок мини-ТЭЦ.

Нормирование параметров микроклимата.

Для легкой категории работ представим в виде таблицы сравнения с фактическими нормативными параметрами параметры температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха:

Таблица 18. Оптимальные нормы микроклимата в помещении

Период года	Категория работ	Температура воздуха,гр.С не более	Относительная влажность воздуха, %	Скорость движения воздуха, м/с
Холодный	легкая-1а	22-24	40-60	0,1
Теплый	легкая-1а	23-25	40-60	0,1

 

Таблица 19. Фактические параметры микроклимата в помещении

Период года	Категория работ	Температура воздуха,гр.С	Относительная влажность воздуха, %	Скорость движения воздуха, м/с
Холодный	легкая-1а	22	45	0,1
Теплый	легкая-1а	23	55	0,1

 

Из таблиц мы видим, что фактические параметры микроклимата в помещении соответствуют нормативным.

 

 

Нормирование уровней вредных химических веществ.

Источниками загрязнения помещения являются вредные вещества внешней среды и более ста соединений, выделяющихся из строительных материалов здания, мебели, одежды, обуви и биоактивные соединения(антропотоксины) самого человека.

Рассматривая загрязнение помещения вредными веществами внешней среды, надо прежде всего учитывать местоположение здания, в нашем случае это место вблизи автострады. Наиболее частыми загрязнителями, попадающими из внешней среды в помещение, являются оксид углерода, диоксид азота, диоксид серы, свинец, пыль, сажа и др.

Строительные конструкции являются источниками поступления в помещение главным образом радона и торона, при этом наиболее высокая концентрация создается в домах из бетонных конструкций при плохом проветривании.

Мебель, одежда и обувь выделяют пыль с содержанием минерального волокна, углеводороды, полиэфирные смолы и другие соединения. Из биоактивных соединений наиболее значимы диоксид углерода, сероводород и др.

К наиболее опасным загрязнителям помещения относятся продукты курения, концентрация которых при наличии курящих людей в десятки раз выше, чем в их отсутствии.

В таблице приведем возможный состав вредных веществ в анализируемом помещении с указанием их предельно допустимых концентраций:

 

 

 

 

Таблица 20. Характеристика вредных веществ, содержащихся в воздухе помещения (ГОСТ 12.1.005-88 и ГН 2.2.5.686-98)

Вредные вещества	ПДК, мг/м3	Класс опасности	Действие на человека
1. Внешние источники  (от автострады)
Оксид углерода	20	4	Блокирует гемоглобин, нарушает тканевое дыхание
Диоксид азота	5	2	Наркотическое действие, действие на кровеносную систему
Свинец (выхлопы автомобилей)	0,01/0,0070	1	Общетоксическое, канцерогенное
Пыль (сажа)	4	4	Раздражающее, канцерогенное
2. Строительные материалы (бетонные конструкции)
Радон, торон, полоний, уран	0,015	1	Канцерогенное, общетоксическое
3. Мебель, одежда, обувь
4. фенопласты	6	3	Общетоксическое, аллергическое, канцерогенное
Полиэфирный лак	6	2
Капролактам	10	3
Формальдегид	05	9
Бензол	5	2
Пыль растительного и животного происхождения	2-6	4
5. Антропоксины
Диоксид углерода	10	2	Раздражающее, действует на ЦНС
Сероводород	3	3
Микробы			Общетоксическое
Клещи			Аллергическое
6. Продукты курения
Никотин	10	3	Наркотическое

В помещении имеется приточно-вытяжная вентиляция.

Нормирование уровней аэроионизации.

Основное применение ионизаторов - создание в помещениях оптимальной концентрации отрицательно заряженных аэроионов, которые необходимы для нормальной жизнедеятельности. Лишенный аэроионов воздух - "мертвый", ухудшает здоровье и ведет к заболеваниям.

В таблице приведем согласно СанПиН 2.2.2.542-96 уровни положительных и отрицательных аэроионов в воздухе помещения:

Таблица 21. Уровни ионизации воздуха помещений при работе на ВДТ и ПЭВМ

Уровни	Число ионов в 1 см. куб. воздуха
	n+	n-
Минимально необходимые	400	600
Оптимальные	1500-3000	3000-5000
Максимально допустимые	50000	50000

 

Расчет приточно-вытяжной вентиляции.

Системы кондиционирования следует устанавливать так, чтобы ни теплый, ни холодный воздух не направлялся на людей. В помещениях рекомендуется создавать динамический климат с определенными перепадами показателей. Температура воздуха у поверхности пола и на уровне головы не должна отличаться более чем на 5 градусов. В помещениях помимо естественной вентиляции предусматривают приточно-вытяжную вентиляцию. Основным параметром, определяющим характеристики вентиляционной системы, является кратность обмена, т.е. сколько раз в час сменится воздух в помещении.

Расчет для помещения

Vвент - объем воздуха, необходимый для обмена;

Vпом - объем рабочего помещения.

Для расчета примем следующие размеры рабочего помещения:

• длина В = 8м.
• ширина А = 6м.
• высота Н = 3,5м.

Соответственно объем помещения равен:

V помещения  = А * В * H =168  м3

Необходимый для обмена объем воздуха Vвент определим исходя из уравнения теплового баланса:

Vвент * С( tуход - tприход ) * Y = 3600 * Qизбыт

Qизбыт - избыточная теплота (Вт);

С = 1000 - удельная теплопроводность воздуха (Дж/кгК);

Y = 1.2 - плотность воздуха (мг/см).

Температура уходящего воздуха определяется по формуле:

tуход = tр.м. + ( Н - 2 )t , где

t = 1-5 градусов - превышение t на 1м высоты помещения;

tр.м. = 25 градусов - температура на рабочем месте;

Н = 4.2 м - высота помещения;

tприход = 18 градусов.

tуход = 25 + ( 3,5 - 2 ) 2 = 28

Qизбыт = Qизб.1 + Qизб.2 + Qизб.3 , где

 

Qизб. - избыток тепла от электрооборудования и освещения.

Qизб.1 = Е * р  , где

Е - коэффициент потерь электроэнергии на топлоотвод ( Е=0.55 для освещения);

р - мощность, р = 40 Вт * 14 = 560 Вт.

Qизб.1 = 0.55 * 560=308 Вт

Qизб.2 - теплопоступление от солнечной радиации,

Qизб.2 =m * S * k * Qc  , где

m - число окон, примем m = 4;

S - площадь окна, S = 2.3 * 2 = 4,6 м2.

k - коэффициент, учитывающий остекление. Для двойного остекления

k = 0.6;

Qc = 127 Вт/м - теплопоступление от окон.

Qизб.2 = 4 * 4,6  *  0,6 * 127 = 1402 Вт

Qизб.3 - тепловыделения людей

Qизб.3 = n * q  , где

q = 80 Вт/чел. , n - число людей, например, n = 15

 Qизб.3 = 15 * 80 = 1200 Вт

Qизбыт = 308 +1402 + 1200 = 2910 Вт

Из уравнения теплового баланса следует:

Vвент м3

К = 1048/186 = 6,2

Оптимальным вариантом является кондиционирование воздуха, т.е. автоматическое поддержание его состояния в помещении в соответствии с определенными требованиями (заданная температура, влажность, подвижность воздуха) независимо от изменения состояния наружного воздуха и условий в самом помещении.

[Методические указания  «Безопасность и экологичность проектных решений для студентов инженерно-экономических специальностей». Москва, 1999]