Моделирование загрязнения атмосферы выбросами из низких иcточников

1. Обоснование мероприятий по защите атмосферного воздуха от загрязнения вентиляционными и технологическими выбросами

При проектировании промышленных предприятий требуется в соответствии с Санитарными нормами СН 245-71 проводить  расчет возможного загрязнения атмосферного воздуха вентиляционными и технологическими выбросами. Расчет проводят с целью проверки эффективности предусмотренных проектом мероприятий по обеспечению чистоты атмосферного воздуха населенных пунктов, а также воздуха на площадках предприятий у приемных отверстий систем вентиляции и кондиционирования воздуха и у аэрационных приточных проемов. Полученные расчетом концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных пунктов не должны превышать максимальных разовых концентраций, указанных в табл. 3 СН 245-71, а в воздухе, поступающем внутрь зданий и сооружений через приемные отверстия систем вентиляции и кондиционирования воздуха и через аэрационные проемы, - 30% предельно допустимых концентраций (Спдк) этих веществ в рабочей зоне производственных помещений, указанных в табл. 4 СН 245-71. При превышениии этих пределов следует разработать дополнительные мероприятия по снижению уровня загрязнения, например предусмотреть повышение эффективности очистных устройств, сооружение новых газоочистных установок, совершенствование отдельных технологических узлов и установок, увеличение высоты труб, уменьшение выбросов соседних предприятий. Степень загрязнения наружного воздуха, определенная расчетным путем, будет соответствовать действительному состоянию воздуха только в том случае, если при расчете использованы достоверные данные, учитывающие весь комплекс одновременно действующих источников выделения вредных веществ, а также существующий фон загрязнения.

2. Математическая модель определения степени загрязнеия атмосферы

2.1. Обозначения используемые при построении математической модели

·      C, C_x, C_y - концентрация вредных веществ в наружном воздухе, мг/м3;

·      M - количество вредных веществ, выбрасываемых источником в атмосфесу, мг/с;

·      k - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние возвышения устья источника на уровень загрязнения ;

·      v - расчетная скорость ветра, принимаемая по рекомендации Главного санитарно-эпидемиологического управления равной 1м/с;

·      H_зд - высота здания от поверхности земли до его крыши при плоской кровле, до конька крыши при двускатной кровле, до верха карниза фонаря при продольных фонарях, расположенных ближе 3 м от наветренной стены здания, м;

·      l - длина здания (размер, перпендикуларный направлению ветра), м;

·      b - ширина здания (размер вдоль направления ветра), м;

·      x - расстояние от заветренной стены здания до точки, в которой определяется концентрация, м;

·      S, S₁, S₂, S₃, S₄ - вспомагательная безразмерная величина, позволяющая определять концентрации вредных веществ на расстоянии y, м, по перпендикуляру от оси факела выброса из точечных источников;

·      b₁ - расстояние в пределах крыши широкого здания от его наветренной стороны до точки, в которой определяется концентрация, м;

·      b₂ - расстояние в пределах крыши широкого здания от источника до точки, в которой определяется концентрация, м;

·      L - количество газовоздушной смеси, выбрасываемой из источника м³/с;

·      m - безразмерный коэффициент, показывающий какое количество выделяемых источником примесей участвует в загрязнении циркуляционных зон;

·      b₃ - расстояние в пределах крыши широкого здания от источника до заветренной стены здания, м;

H^~ - относительная высота здания, равная

(H-1,8H_зд)/(H_гр-1,8H_зд)

при расположении устья источника вне единой или межкорпусной зоны узкого здания и над наветренной зоной широкого здания и равная

(H-H_зд)/(H_гр-H_зд)

при расположении устья источника вне наветренной, над заветренной или над межкорпусной зоной широкого здания;

·      H_гр - предельная высота низких источников, м;

·      x₁ - расстояние между зданиями;
2.2. Область применения расчетных формул

При расчете степени загрязнения, решении различных вопросов по сокращению выбросов и выборе мест расположения приемных отверстий систем вентиляции и кондиционирования воздуха необходимо учитывать возникновение вблизи зданий при обтекании их воздушным потоком циркуляционных (замкнутых плохо проветриваемых) зон (рис.1). При обтекании воздушным потоком узкого здания над и за ним возникает ЕДИНАЯ ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ ЗОНА, распространяющаяся от заветренной стены здания на расстояние шесть его высот (6 Н_зд). Высота этой зоны в среднем составлляет 1,8 Н_зд (рис.1.а) При обтекании воздушным потоком широкого здания над ним возникает НАВЕТРЕННАЯ ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ ЗОНА длиной 2,5 Н_зд и высотой 0,8 Н_зд, а за ним - ЗАВЕТРЕННАЯ ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ ЗОНА длиной 4 Н_зд и высотой около Н_зд (рис.1.б). При обтекании воздушным потоком группы зданий между двумя смежными зданиями возникает МЕЖКОРПУСНАЯ ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ ЗОНА длиной до 10 Н_зд, если первое по потоку здание узкое (рис.1.в) и до 8 Н_зд, если первое по потоку здание широкое (рис.1.г). При больших межкорпусных расстояниях здания можно рассматривать как отдельно стоящие.

Источники вредных веществ, загрязняющие циркуляционные зоны зданий, следует относить к НИЗКИМ.

Граничное положение устья источника (рис.2), до которого он действует как низкий, находят по формулам:

·      для узкого отдельно стоящего здания

Н_гр=0.36b₃+2.5H_зд;                       (2.2.1)

·      для широкого отдельно стоящего здания

Н_гр=0.36b₃+1.7H_зд;                                   (2.2.2)

·      для группы зданий

    Н_гр=0.36(b₃+x₁)+H_зд,                                 (2.2.3)

   где b₃-расстояние от источника, расположенного в пределах крыши, до заветренной стены здания.

Источники, выбрасывающие вредные вещества на высоте, превышающей Н_гр и не загрязняющие циркуляционные зоны над и за зданием, следует относить к ВЫСОКИМ.

Загрязнение, создаваемое низкими источниками, рассчитывают в соответствии с "Руководством по расчету загрязнения воздуха на промышленных площадках", разработанным ЦНИИПромзданий и ВЦНИИОТ в 1975 г.
2.3. Расчетные формулы для выбросов из низких источников.

Формулы для расчета концентраций вредных веществ в наружном воздухе при загрязнении его выбросами из низких источников выбирают в зависимости от вида здания (узкое или широкое отдельно стоящее, группа зданий), вида источника (точечный или линейный), места расположения устья источника и места определения концентраций.
2.3.1. Узкое отдельно стоящее

1.    В единой циркуляционной зоне или над ней

_·       В единой циркуляционной зоне при 0£x£6H_зд 
                                           
                 (2.3.1 а)
;                                                              
_·       Вне циркуляционной зоны за зданием при x>6H_зд    
           

                        (2.3.1 б)

           
2.3.2 Широкое отдельно стоящее

1.    В наветренной циркуляционной зоне

_·       На крыше в наветренной циркуляционной зоне при b₁£2,5H_зд
                                           
                  (2.3.2.1 а)
;                                                                               
_·       На крыше вне наветренной циркуляционной зоны при b₁³2,5H_зд


(2.3.2.1 б)


_·       В заветренной циркуляционной зоне при 0<x£4H_зд        


       (2.3.2.1 в)


_·       Вне заветренной циркуляционной зоны за зданием при x>4H_зд


         (2.3.2.1 г)


2.    Вне наветренной циркуляционной зоны над крышей при H^~<0,3
_·       На крыше вне наветренной циркуляционной зоны при b₁³2,5H_зд


(2.3.2.2 а)


_·       В заветренной циркуляционной зоне при 0<x£4H_зд           
                              
                   (2.3.2.2 б)
;                                                                
_·       Вне заветренной циркуляционной зоны за зданием при x>4H_зд


         (2.3.2.2 в)


3.    Вне наветренной циркуляционной зоны над крышей при H^~>0,3
_·       На крыше вне наветренной циркуляционной зоны при   b₁³2,8(H-H_зд)   и   y<(H-H_зд)


       (2.3.2.3 а)





_·       В заветренной циркуляционной зоне при 0<x£4H_зд           
                              
                                                             (2.3.2.3 б)
;                                                    
_·       Вне заветренной циркуляционной зоны за зданием при x>4H_зд
                                     

                                         (2.3.2.3 в)

                                         
4.    В заветренной циркуляционной зоне или над ней
_·       В заветренной циркуляционной зоне при 0<x£4H_зд
                                            
                       (2.3.2.4 а)
;                                                                               
_·       Вне заветренной циркуляционной зоны за зданием при x>4H_зд


         (2.3.2.4 б)


2.3.3. Группа зданий
1.    В наветренной циркуляционной зоне первого по потоку широкого здания
·      В межкорпусной циркуляционной зоне при H_зд<x₁£4H_зд


         (2.3.3.1 а)


·      В межкорпусной циркуляционной зоне при 4H_зд<x₁£8H_зд


         (2.3.3.1 б)

2.    Вне наветренной циркуляционной зоны первого по потоку широкого здания на крыше при H^~<0,3
·      В межкорпусной циркуляционной зоне при H_зд<x₁£4H_зд
                                                        
                                 (2.3.3.2 а)
;                                                                                       
·      В межкорпусной циркуляционной зоне при 4H_зд<x₁£8H_зд
                                                     
                   (2.3.3.2 б)
;                                                                            
3.    Вне наветренной циркуляционной зоны первого по потоку широкого здания на крыше при H^~>0,3
·      В межкорпусной циркуляционной зоне при H_зд<x₁£4H_зд


         (2.3.3.3 а)

;
·      В межкорпусной циркуляционной зоне при 4H_зд<x₁£8H_зд


         (2.3.3.3 б)

;
4.    В межкорпусной циркуляционной зоне при первом по потоку широком здании и H^~<0,3
·      В межкорпусной циркуляционной зоне при H_зд<x₁£4H_зд
                                   
                          (2.3.3.4 а)
;                                                                              
·      В межкорпусной циркуляционной зоне при 4H_зд<x₁£8H_зд
                                 
                       (2.3.3.4 б)
;                                                                    
5.    Над межкорпусной циркуляционной зоной при первом по потоку широком здании и H^~>0,3
·      В межкорпусной циркуляционной зоне при H_зд<x₁£4H_зд


         (2.3.3.5 а)

;
·      В межкорпусной циркуляционной зоне при 4H_зд<x₁£8H_зд


         (2.3.3.5 б)

;
6.    В межкорпусной циркуляционной зоне или над ней при первом по потоку узком здании
·      В межкорпусной циркуляционной зоне при H_зд<x₁£6H_зд
                                         
   (2.3.3.6 а)
                                                   
·      В межкорпусной циркуляционной зоне при 6H_зд<x₁£10H_зд
                           
                 (2.3.3.6 б)
;                                                                               
За расчетное принимают направление ветра, перпендикулярное продольной стороне здания. При продольном направлении ветра концентрации вредных веществ будут меньше, ориентировочно их можно определить по формулам _____

При действии линейных источников (аэрационных фонарей, ряда близко расположенных шахт и труб) концентрации вредных веществ в единой, заветренной или межкорпусной циркуляционной зоне достаточно рассчитать для любой точки зоны, так как ониодинаковы в пределах каждой зоны.

При действии точечных источников концентрации вредных веществ рассчитывают на оси их факела х, где они будут наибольшими.

Понижающие коэффициенты S, S₁, S₂, S₃ и S₄, вводимые при выборе мест воздухозаборов и решении других задач, связанных с определением концентраций, находят по графику на рис. __ или подсчитывают по формулам:
                     (2.3.4 а)
                (2.3.4 б)
                          (2.3.4 в)
                      (2.3.4 г)
(2.3.4 д)
При расчете концентрации вредных веществ за вторым и последующими зданиями по направлению ветра поступление вредных веществ определяют с учетом расстояния x по оси факела и расстояния y, перпендикулярного оси факела.

3. Описание  программной реализации математической модели

3.1. Общее описание программого продукта
После запуска программы перед пользователем появляется вертикальное меню, которое состоит из следующих пунктов:
·      “Исходные данные”;
·      “Результат”;
·      “О программе”;
·      “Выход”.
            Пункт “Исходные данные” предназначен для ввода начальных данных, таких как:

·      тип источника- точечный или линейный;

·      тип здания - группа или отдельно стоящее (анализ того узкое оно или широкое происходит в программе);

·      размеры здания - длина, ширина и высота;

·      параметры источника(трубы) - высота и местоположение;

·      межкорпусное расстояние - можно ввести только если была выбрана группа зданий, минимально возможное межкорпусное расстояние равно высоте первого по ходу ветра здания (весь контроль выполняется программой);

·      скорость ветра - принято задавать равной 1м/c;

·      характеристики выбросов - расход газовоздушной смеси и количество вредных веществ;

·      место расчета - место определения концентрации вредных веществ. Пользователь задает интервал по направлению ветра и шаг расчета, а также интервал и шаг расчета по перпендикуляру к направлению ветра.
ВНИМАНИЕ!!! При работе с программой следует помнить, что за начало отсчета принята наветренная сторона здания! Следовательно, при задании параметров источника загрязнения и места определения концентрации следует, если требуется, проебразовать соответствующие данные к виду необходимому для работы программы!
Пункт “Результат” приводит аглоритм работы в действие. В данном пункте можно выбрать порядок вывода результата – на дисплей или в файл, имя которого задается пользователем.
Пункт “О программе” содержит информацию о наименовании и версии программного продукта, а также информацию о разработчике данного ПО.
Пункт ”Выход” позволяет завершить работу с программой и выйти в DOS.
3.2.  Руководство по работе с программой
Клавиши для работы:
·      Перемещение по пунктам меню - стрелки влево и вправо;

·      Перемещение в поле радиокнопки - SPACE;

·      Перемещение по полям ввода и кнопкам - TAB, SHIFT+TAB, CTRL-стрелка влево/вправо;

·      Ввод значения - ENTER;

·      Просмотр таблицы разультатов - стрелки влево и вправо;

·      Выход из пункта меню “Исходные данные” - ESC;

·      Отказ от введенных значений - ESC.