Моделирование и прогнозирование состояния окружающей среды

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ  ЗАВЕДЕНИЕ 

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

Кафедра  «Машины и  аппараты

химических производств»

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

«Моделирование  и прогнозирование состояния  окружающей среды»

 

 

 

Выполнила:

ст. гр. ОС-09         Ланец А.И.

 

Руководитель:

доцент                 Топоров А.А.

 

 

 

 

 

 

 

Донецк 2013

РЕФЕРАТ

 

Курсовой проект содержит: 35 с., 7 рис., 1 табл., 16 ссылок.

Целью курсового проекта является определение влияния основных параметров источника выбросов на окружающую среду и характер рассеивания выбросов вредных веществ в атмосферном воздухе.

Курсовой проект содержит общие положения, постановку задачи, методику расчета загрязнения приземного слоя атмосферы выбросами точечного источника. Приведены функциональные зависимости, связывающие характеристики источника выброса и окружающей среды, блок-схема алгоритма по автоматизации расчетов величин приземных концентраций вокруг источника выброса. Рассмотрен пример расчета и его реализации с помощью средств VBA в MS Ехсеl.

 

ПРИЗЕМНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ, ИСТОЧНИК ВЫБРОСА, ЗАПЫЛЕННОСТЬ ГАЗА, ТЕМПЕРАТУРА ГАЗА, ВРЕДНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ОПАСНАЯ СКОРОСТЬ ВЕТРА, ТРУБА.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………4

1 Исходные данные для расчета ........................................................................ 5 
2 Теоретические положения и описание математической модели ................. 6 
2.1 Теоретические положения ........................................................................ 6 
2.2. Описание математической модели ............................................................. 7 
2.2.1 Расчет рассеивания вредных веществ в подогретых газах …….......7 
2.2.2 Расчет рассеивания вредных веществ в охлажденных газах ............ 10 
2.2.3 Расчет рассеивания вредных веществ по оси факела выброса 
 на различных расстояниях х от источника выброса ....................................... 10 
3. Разработка алгоритма и программы для математической модели ............. 15 
3.1 Разработка алгоритма .................................................................................... 16 
3.2 Разработка программы с помощью VВА в МS Ехсе1 ................................ 23 
4. Результаты расчета по программе .......................................................... 31 
ВЫВОДЫ………………………………………………………………………..34

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………….35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Основной целью применяемых  в настоящее время различных  методик расчета рассеивания  выбросов примесей от стационарных организованных промышленных источников является определение  концентрации вредных веществ в  приземном слое воздуха.

В настоящее время в  Украине для предприятий расчет рассеивания вредных веществ  в атмосферном воздухе ведется  согласно методике утвержденной Госстроем  СССР, которая изложена в ОНД-86 [1]. Эта методика была разработана в  Главной геофизической обсерватории СССР и проверена на большом количестве экспериментального материала. По методике ОНД-86, которая содержит значительный объем формул и рекомендаций, необходимых  предприятиям при проектировании различного оборудования для выбросов, а также  для расчета санитарно-защитной зоны, производится расчет концентраций в двухметровом слое над поверхностью земли, а также вертикальные распределения  концентраций, что соответствует  неблагоприятным метеорологическим  условиям, как для опасной скорости ветра, автоматически учитывает  динамический и тепловой подъем струй  от дымоходов предприятий, так и  для любой другой скорости.

К особенностям методики ОНД-86 можно отнести отсутствие рекомендаций для расчета рассеивания примесей от кратковременно действующего источника, а также для крупных (более  100 км) расстояний от источников выброса, где начинает сказываться верхняя граница пограничного слоя. Расчетами определяются разовые концентрации, которые относят к 20-30-минутному интервалу усреднения.

 

 

 

 

 

1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА

 

Район источники выброса: Украина, для источников высотой  меньше 200 м в зоне южнее 50 ° с.ш.

Коэффициент, учитывающий  влияние рельефа местности, η = 1.

Загрязнение газа: для мелкодисперсных  аэрозолей при степени очистки  газа более 90%.

Характеристики для источника  выброса приведены в табл.2.1. 
 
Таблица 2.1 - Исходные данные для расчета

 

Характеристики источника выброса	Значение	Размерность
А – коэффициент температурной стратификации	200
η – коэффициент рельефа местности	1	—
F – коэффициент скорости оседания вредных веществ	2	―
V – объемный расход газовоздушной смеси	31	м3/ с
D – диаметр устья источника выброса	1,9	м
Н – высота источника выброса	95	м
tг – температура газовоздушной смеси	50…90	°С
tв – температура воздуха	25	°С
q – запыленность газа	7000	мг/м3

 
Обозначения данных в программе  приводятся в скобках.

 
 
 
 

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ОПИСАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

 

2.1. Теоретические положения

 

Развитие промышленности и транспорта обостряет проблему загрязнения атмосферы. В настоящее  время загрязнение воздушного бассейна является глобальной проблемой не только крупных промышленных мегаполисов, но и регионов, находящихся далеко от главных источников загрязнения. Рост фоновых концентраций, перенос  загрязняющих веществ на большие  расстояния ставят задачу глобальной социально - экологической защиты населения.

Основными источниками антропогенного загрязнения воздуха являются энергетика, промышленность и транспорт. По статистике примерно 80℅ всех видов загрязнения  поступают в результате энергетических процессов - добычи, переработки и  использования энергоресурсов. Более 85℅ мировой потребности в энергии  удовлетворяется за счет использования  органического топлива - нефти, угля, природного газа, сланцев, торфа, деревьев. Энергетика дает более 30 ℅ выбросов вредных веществ, в том числе 46 ℅ - диоксида серы, 59 ℅ - оксидов азота, 35,8 ℅ - пыли, 1,5 ℅ - оксида углерода.

Уровень загрязнения воздуха  энергетическими предприятиями  зависит от технологических процессов  сгорания топлива, видов используемого  сырья, степени и технологии очистки. Основными загрязнителями являются продукты полного (оксиды серы и пепла) и неполного (оксиды углерода, сажа и углеводороды) сгорания.

Как показывает практика очистки  газовых выбросов, современные методы борьбы с оксидами серы и азота  не обеспечивают ПДК этих веществ  в выбросах в атмосферу. Фактические  концентрации вредных веществ превышают  предельно допустимые на несколько  порядков, поэтому рассеивание вредных  газовых выбросов в атмосферу  из дымовых и вентиляционных труб производственных цехов является необходимым  технологическим приемом. Чем больше высота дымовой трубы, тем лучше  происходит рассеивание вредных  веществ, и тем меньше их количество попадает в жилые районы, расположенные  на определенном расстоянии от промышленного  предприятия.

Газ, выходящий из устья  трубы, имеет определенную температуру  и скорость. Если температура газа будет выше температуры окружающего  воздуха, то вследствие разности плотности  воздуха и газа образуется подъемная  сила, от которой струя газа поднимается  над устьем трубы на определенную высоту. Газ, выходящий из трубы, подвергается, кроме того, влиянию скорости. Если скорость ветра меньше скорости газа в устье трубы, он поднимается  на высоту, которая будет тем больше, чем больше разность скоростей газа и ветра. Достигнув определенной высоты над устьем трубы, газ теряет скорость и под воздействием ветра  разворачивается в горизонтальном направлении. При этом струя газа в результате диффузии расширяется, концентрация пыли в нем или других вредных веществ уменьшается.

При скорости ветра большей  скорости газа на выходе из трубы, струя  газа отклоняется от первоначального  направления движения и начинает параллельно земле двигаться  на уровне устья дымовой трубы. У  низкой дымовой трубы газ и  вредные компоненты, содержащиеся в  нем, очень быстро достигают приземного слоя атмосферы и загрязняют ее. У высокой дымовой трубы загрязненный газ достигает приземного слоя атмосферы  на расстоянии от трубы (рис. 3.1). При  этом вредные вещества, содержащиеся в нем, успевают рассеиваться в атмосфере, в результате чего их концентрация с достижением приземного слоя будет  незначительной.

Рисунок 3.1. Распределение дымовых газов в атмосфере под действием ветра: а - у низких труб; б - у высоких труб.

 

На рис.3.2 приведена аксонометрическая  схема загрязнения воздуха от одного источника. Непосредственно  под трубой загрязнения воздуха  отсутствуют, но начиная с точки, в которой дымовой факел при  неблагоприятных метрологических  условиях на земле, приземная концентрация вредных веществ быстро растет и  на расстоянии, равном 10...40 высотам  трубы, достигает максимального  значения. Для средних условий  это значение равно примерно 20Н. После точки максимального загрязнения  приземная концентрация медленно убывает  вдоль оси ветра. При этом происходит расширение дымового факела. Как видно  из схемы, концентрация в любой точке (например, в точке А) зависит от расстояния х, на которое она удалена  от трубы, и от смещения в по отношению  к оси ветра.

Рисунок 3.2. Аксонометрическая схема приземной концентрации от одного источника (стрелкой показано направление ветра).

 

Степень опасности загрязнения атмосферного воздуха характеризуется наибольшим рассчитанным значением концентрации, соответственно неблагоприятным метрологическим условиям, в том числе опасной скорости ветра.

 

2.2. ОПИСАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

 

2.2.1. Расчет рассеивания вредных веществ в подогретых газах

 

Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества С_M (Cm) (в мг/м³) при выбросе подогретых газов, с одной трубы при неблагоприятных метеорологических условиях на расстоянии Хm от трубы определяют по формуле:

 

,                                                   (3.1)

 

где А (A) - коэффициент, зависящий  от температурной стратификации  атмосферы.

Значение коэффициента А, соответствующее неблагоприятным  метеорологическим условиям, при  которых концентрация вредных веществ  в атмосферном воздухе максимальна, принимается равным:

а) 250 - для районов Средней  Азии южнее 40 ° (с.ш. бывшей Бурятской  АССР и Читинской области;

б) 200 - для Европейской  территории бывшего СССР: для районов  Российской Федерации южнее 50 ° с.ш., для других районов Нижнего Поволжья, Кавказа, Молдавии, для Азиатской  территории бывшего СССР: Казахстана, Дальнего Востока и остальной  территории Сибири и Средней Азии; 
в) 180 - для Европейской территории бывшего СССР и Урала от 50 ° до 52 ° пивнич.ш. за исключением перечисленных выше ра ¬ ионов, попадающих в эту зону и Украины;

г) 160 - для Европейской  территории бывшего СССР и Урала  севернее 52 ° с.ш. (За исключением  Центра ЕТС), а также для Украины (для расположенных на Украине  источников высотой меньше 200 м в  зоне от 50 ° до 52 ° с.ш. - 180, а южнее 50 ° с.ш. - 200);

д) 140 - для Московской, Тульской, Рязанской, Владимирской, Калужской, Ивановской областей.

М (M) - масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в  единицу времени, г / с:

 

,                                                            (3.2)

 

где q (q) - загрязнение газа, мг/м³;

F (F) - безразмерный коэффициент,  учитывающий скорость оседания  вредных веществ в атмосферном  воздухе. Значение безразмерного  коэффициента F принимается:

а) для газообразных вредных  веществ и мелкодисперсных аэрозолей F = 1; 
б) для мелкодисперсных аэрозолей при степени очистки газа более 90% F = 2, от 75 до 90% - F = 2,5; менее 75% и при отсутствии очистки F = 3; 
Н (H) - высота источника выброса над уровнем земли, м;

(dt) - разница между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси t_г (tg) и температурой окружающего атмосферного воздуха t_в (tv), ˚ С:

 

,                                                           (3.3)

 

m, n (mm, n) - безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газа  из устья трубы.

η (eta) - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа  местности, в случае равной или слабопересеченной  местности с перепадом высот, не превышающих 50 м на 1 км, η = 1;

V (V) - объемный расход газа  из трубы, м³ / с:

 

,                                                     (3.4)

 

где D (D) - диаметр устья трубы, м;

v0 (v₀) - средняя скорость выхода газа из устья трубы, м / с, определяется по формуле:

 

 ,                                                         (3.5)

 

Значение коэффициента m определяется по формуле: