1

Кај термоенергетските постројки во текот на редовната работа се јавуваат отпадни гасови кои во себе содржат зголемена концентрација на сулфур-двооксид, азотни оксиди, други гасови и честички, кои негативно влијаат врз квалитетот на воздухот во околината.

ЗАГАДУВАЊЕ НА ВОЗДУХОТ ЗАГАДУВАЊЕ НА ВОЗДУХОТ

Бидејќи најчесто отстранувањето на штетните материи на самиот извор не може да се оствари во потполност, или пак ако нивното потполно отстранување по физички или хемиски пат е исклучително скапо, се користи методот на нивно расејување - дисперзијадисперзија, во атмосферата.

Зачувувањето на квалитетот на воздухот во околината од објектите кои користат фосилни горива се обезбедува преку законските прописи кои го ограничуваат количеството на штетни материи кои излегуваат од оџакот - емисија, и нивните приземните концентрации во околината на објектот - имисија.

2

ДИСПЕРЗИЈА НА ПОЛУТАНТИТЕДИСПЕРЗИЈА НА ПОЛУТАНТИТЕ

ветер

дисперзија

кисел дожд

таложењесуво влажно

Дисперзија на полутанти емитирани од оџак во атмосферата

3

TEОРЕТСКИ ОСНОВИ НА ПРОЦЕСОТ НА TEОРЕТСКИ ОСНОВИ НА ПРОЦЕСОТ НА ДИСПЕРЗИЈА НА ПОЛУТАНТИТЕДИСПЕРЗИЈА НА ПОЛУТАНТИТЕ

Дисперзијата на полутантите со одвива во слој на атмосферата кој се нарекува планетарен граничен слојпланетарен граничен слој (PBL - Planetary boundary layer), во кој процесот на триење на воздухот со рапавата земјина површина е интензивен.

профили на ветерот: одредуваат на кое место и со која брзина ќе бидат пренесени полутантите;турбулентноста на атмосферата: го одредува расејувањето на полутантите по пат на турбулентна дифузија;вертикален температурски профил: е фактор од кој директно зависи височината на издигнување на перјаницата над оџакот, и многу други параметри

Најважни влијателни фактори за дисперзионите процеси се:

4

ден ноќ

нестабилна неутрална стабилнанестабилна неутрална стабилна

Услови на небото

Температурен профил

Интензитет на турбуленција

Квантитативно претставување на влијателните фактори во зависност од состојбата на атмосферата

5

ФЛУКТУАЦИИ НА ПАРАМЕТРИТЕ НА ФЛУКТУАЦИИ НА ПАРАМЕТРИТЕ НА СТРУЕЊЕТО ВО ТУРБУЛЕНТЕН ГРАНИЧЕН СЛОЈСТРУЕЊЕТО ВО ТУРБУЛЕНТЕН ГРАНИЧЕН СЛОЈ

а)

u u u v v v w w w T T T q q q ' ; ' ; ' ; '; '

Мерени податоци за флуктуациите на брзината, температурата и апсолутната влажност на воздухот

6

ТИПОВИ НА РАСПРОСТРАНУВАЊЕ НА ПЕРЈАНИЦАТА ТИПОВИ НА РАСПРОСТРАНУВАЊЕ НА ПЕРЈАНИЦАТА (униформен температурски профил)

а)

б)

в)

U

U

U

Бранување (looping)

Конусно расејување (coning)

Разветрува-ње (fanning)

7

ТИПОВИ НА РАСПРОСТРАНУВАЊЕ НА ПЕРЈАНИЦАТА ТИПОВИ НА РАСПРОСТРАНУВАЊЕ НА ПЕРЈАНИЦАТА (неуниформен температурски профил)

Издигнување (lofting)

Кадење (fumigation)

Заробување (trapping)

а)

б)

в)

U

U

U

8

КЛАСИФИКАЦИЈА НА ДИСПЕРЗИОНИТЕ МОДЕЛИКЛАСИФИКАЦИЈА НА ДИСПЕРЗИОНИТЕ МОДЕЛИ Во зависност од просторниот размер:

локални; локално-регионални; регионално-континентални; глобални.

Во зависност од областа на примена: за законски потреби; за поддршка на политиката за заштита на околината; за информирање на јавноста; за научни истражувања.

Во зависност од временската скала: епизодни; модели кои даваат усреднети податоци за подолг период.

Во зависност од третирањето на равенките за транспортот: Ојлерови (Eulerian); Лагранжови (Lagrangian)

Во зависнот од третирањето на разни процеси: хемиски модели; модели кои пресметуваат суво и влажно таложење.

Во зависност од математичките методи користени за нивна формулација, односно од комплексноста на приодот: емпирички, стохастички, интегрални, диференцијални модели.

9

ИНТЕГРАЛНИ (GAUSS-ИНТЕГРАЛНИ (GAUSS-ОВИ) ОВИ) МОДЕЛИМОДЕЛИ

Сл. 3.2. Основен концепт на Gauss-ов дисперзионен модел

y

z

x

Ho

H

y

z

222

21exp

21exp

21exp

2),,,(

z

ef

z

ef

yzy

eflef

HzHzyU

mHzyxC

H H Hef o

yqyy xp zq

zz xp

),,,,,( * ivy zLuxuf

),,,,,( * iwz zLuxwf

Ефективна висина на оџакот

Дисперзиони коефициенти Pasquill-Gifford

Дисперзиони коефициенти (препроцесирање на

метеоролошки податоци)

10

Модел MESOCONVМодел MESOCONV

ct

U cx

V cy

W cz

K cx z

K cy z

K cz

Sx y z

2

2

ut

u ux

v uy

w uz

fvg

px

DF

vt

u vx

v vy

w vz

fug

py

DF

tu

xv

yw

zDF C R

qt

u qx

v qy

w qz

DF C

qt

u qx

v qy

w q

u

v

q q

1

1

zDF C

qt

u qx

v qy

w qz

DF C

q q

R R R Rq qR R

pz

g pc

R cpo

R cp

p

/ /

ux

vy

wz

1 0

p R T

Компјутер Брзина MFLOPS Време на извршувањеCRAY - 2CRAY - 2 488488 80 80 минутиминутиConvex C-2 50 13 часовиVAX 11/780 0,16 5,5 месециIBM PC XT 0,004 18,6 години

40 x 40 x 20 = 32000 точкихоризонтално растојание 500 мвертикално растојание 250 м

11

СТРУЈНО-ДИФУЗИОНЕН СТРУЈНО-ДИФУЗИОНЕН МОДЕЛМОДЕЛ

12

СТРУЈНО-ДИФУЗИОНЕН МОДЕЛСТРУЈНО-ДИФУЗИОНЕН МОДЕЛ

Во конципирањето на струјно-дифузиониот модел усвоен е концептот на Брујцки (1986), според кој на растојание xo од оџакот каде брзината на гасовите (брзината на оската на перјаницата) се изедначува со брзината на ветерот, завршува струјниот а започнува дифузиониот дел. Според тоа, решавањето на дисперзијата на полутанти може да се сведе на две независни постапки, односно модели, поврзани на границата со гранични услови. Во почетокот на дифузниот дел може посебно да се издвои термален дел во кој силата која се јавува како резултат на разликата на температурите на димните гасови и околниот воздух дополнително ја издигнува перјаницата нагоре.

z

xNMAxo

Ho

U

Принципиелна шема на истекување на гасовите од оџакотПринципиелна шема на истекување на гасовите од оџакот

13

JT wT U

v o

g

2

2

H J Dd o 110 0 60, ,

Хидродинамички параметар

z J

1 2011

0 60,expexp

,

2 250 675

0 25, ,,

,

xJ

xo = 1,96J0,31Do

FD L

DJs

o t

o

o

222

43 76 1

, ,

r Fs s /

Динамички подем на факелот

Издигнување на траекторијата на чадните гасови

Параметар

Растојанието на кое завршува струјниот дел

Површина на попречниот пресек наперјаницата на крај на струјниот дел

Радиус на еквивалентниот конус

МОДЕЛИРАЊЕ НА СТРУЈНИОТ ДЕЛМОДЕЛИРАЊЕ НА СТРУЈНИОТ ДЕЛОстварено е врз основа на физичкиот модел на Волков и др. (1984) кој е доста едноставен, и неговата верификација е извршена со мерени податоци на оџаци од термоенергетски објекти високи и до 320 m.

14

МОДЕЛИРАЊЕ НА ДИФУЗИОНИОТ ДЕЛ

ct

ucx

vcy

wcz x

Kcx y

Kcy z

Kcz

R Sx y z

дисперзијата на полутанти при константна јачина на изворот на емисијa, и при непроменети метеоролошки услови за време од (ред на величина) 5-10 min, може да се третира како стационарен процес.

ако се претпостави дека за време од неколку минути преферентниот правец на дување на ветерот се поклопува со x оската, тогаш за тој интервал може да се елиминира постоењето на бочен ветар;

конвективното пренесување на полутанти во правец на x оската доминира над турбулентната дифузија во истиот правец.

чадните гасови од термоелектраните имаат доста повисока температура од околниот воздух, и вертикалната компонента на векторот на брзината на гасовите w е значаен фактор;

со оглед на тоа дека овој модел се развива за примена во микро-скала, растојанијата до кои се вршат пресметувањата се мали и значењето на хемиските реакции за полутанти емитирани од термоенергетски објекти е мало, така да овој член заедно со членот кој ги опфаќа дополнителните извори и понори, се претставени со линеарна зависност .

15

Заради поедноставување на нумеричкото решение изразот со кој е претставена дифузиона равенка може да се напише во обликот:

и да се раздели на две дводимензионални равенки:

при што граничните услови го добиваат обликот

(x, y, z)=a(x, y)b(x, z),c

Uax y

Kayy

U

bx

wbz z

Kbz

bz

a MU

yx xo

2 2

2

2 exp a y 0

b M

U

z H Hx x

o d

o

2 2

2

2 exp

( )K

bzz

z z

1

0 Kbzz

z z

2

0

НУМЕРИЧКО РЕШАВАЊЕ НА ДИФУЗИОНИОТ ДЕЛНУМЕРИЧКО РЕШАВАЊЕ НА ДИФУЗИОНИОТ ДЕЛ

Нумеричкото решавање е остварено со користење на методот на конечни разлики и примена на експлицитна шема кај која доста прегледно се прати конвергенцијата и стабилноста на системот

16

Разликата на температурите на смешата на димни гасови и температурата на воздухот предизвикува постоење на компонента од векторот на брзините насочена вертикално нагоре. Како чадот се оддалечува од изворот гасовите се оладуваат и во моментот кога овие две температури се изедначат (односно многу малку се разликуваат), завршува термалниот подем на перјаницата.

МОДЕЛИРАЊЕ НА ТЕРМАЛНИОТ ДЕЛМОДЕЛИРАЊЕ НА ТЕРМАЛНИОТ ДЕЛ

Шематски приказ на видливиот дел од перјаницата

z

x

xi

i

xo

Ho

U

S

Si+1

O O

wi

1

1

2

2i i+1

17

КОРИСТЕНИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ ПОДАТОЦИ Во дисертацијата користени се податоците од експериментите во Kincaid - USA,

извршени во 1980 и 1981 година. За време на овие експерименти испуштан е гасот SF6 (сулфур-хексафлуорид) oд

oџак со висина 187 m и дијаметар 9 m. Поставени се 200 монитори за мерење на часовни приземни концентрации на

SF6 на растојанија 0,5 до 50 km од oџакот. Влезните метеоролошки податоци се добиени од приземни мерења од блиската

метеоролошка станица, мерења од метеоролошки столб со висина 100 m, и балонски радио-сондажни мерења на вертикалниот профил на атмосферата.

Од страна на Hanna и Paine (1989) извршено е и препроцесирање на метеоролошките податоци, и добиените вредности за параметрите на граничниот слој (L, u*, w* и други) се исто така составен дел на MVKit.

ВЕРИФИКАЦИЈА НА МОДЕЛОТВЕРИФИКАЦИЈА НА МОДЕЛОТЗа верификација на струјно-дифузиониот модел користен е т.н.н. Model Model Validation KitValidation Kit стандардна алатка која што во светот ја користат голем број истражувачки групи кои се занимаваат со моделирање на дисперзијата.

18

РЕЗУЛТАТИ ОД ПРЕСМЕТКИТЕРЕЗУЛТАТИ ОД ПРЕСМЕТКИТЕДобиени резултати на нормализирани концентрации пресметани со струјно-дифузиониот модел за податоци со квалитет 3 од експериментите во Kincaid

Scatter plot Quantile-Quantile plot

19

Mean Sigma Bias NMSE COR FAC2 FB FSмерења54,34 40,25 0 0 1 1 0 0HPDM 44,84 38,55 9,5 0,75 0,441 0,565 0,192 0,043IFDM 29,42 26,03 24,92 2 -0,132 0,423 0,595 0,429INPUFF 34,61 26,76 19,72 1,29 0,14 0,497 0,443 0,403OML 47,45 45,48 6,89 1,24 0,146 0,547 0,135 -0,122UK-ADMS 86,32 103,78 -31,99 2,45 0,228 0,518 -0,455 -0,882СДМ 61,76 47,33 -7,15 0,57 0,526 0,708 -0,123 -0,162

средна вредност (Мean), стандардно отстапување (Sigma), поместување (Bias), nормализирана средно-квадратна грешка (NMSE), коефициент на корелација (COR), дел од податоците во рамките на фактор 2 (FA2), делимично поместување (FB) фракционална варијанса (FS).

Квантитативни показатели на карактеристиките на моделите

20

ПРИМЕНА НА СТРУЈНО-ДИФУЗИОНИОТ МОДЕЛПРИМЕНА НА СТРУЈНО-ДИФУЗИОНИОТ МОДЕЛ

ПРЕСМЕТКИ ЗА ЗАКОНСКИ ПОТРЕБИ ПРИ ПРОЕКТИРАЊЕ НА НОВ ОБЈЕКТ

ПРИМЕНА ВО АНАЛИЗИТЕ НА РАЗНИ ИМИСИОНИ СЦЕНАРИЈА ПРИМЕНА ВО РАМКИТЕ НА СИСТЕМОТ ЗА ЗАШТИТА НА ВОЗДУХОТ

ОД АЕРОЗАГАДУВАЊЕ КАЈ ТЕРМОЕНЕРГЕТСКИТЕ ОБЈЕКТИ

21

ПРОГРАМСКИ ПАКЕТ DISTASПРОГРАМСКИ ПАКЕТ DISTAS

Во рамките на докторската дисертација е развиен посебен програмски пакет DISTAS DISTAS (Dispersion Simulator for TAll Stacks)(Dispersion Simulator for TAll Stacks) напишан во програмскиот јазик DELPHI кој ги користи сите погодности на една графички ориентирана околина како што е оперативниот систем Windows 95/98

22

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

1000

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

-1000

0

1000

10501602504008001500

Резултати од симулацијата на многу нестабилни услови(L=-6.3, u*=0.25, zm=1355 m, T=286.6 K, U=2.1 m/s) Kincaid 25.04.1980, 15 h.

23

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

1000

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000-1000

0

1000

10501602504008001500

Резултати од симулацијата на умерено нестабилни услови(L=-27.0, u*=0.44, zm=1548 m, T=287.5 K, U=4.2 m/s) Kincaid 07.05.1980, 12h.

24

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

1000

z (m

)

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

x (m )

-1000

0

1000

y (m

)

1 05 01 6 02 5 04 0 08 0 01 5 0 0C m od

Резултати од симулацијата на неутрални услови(L=-131.8, u*=0.59, zm=1539 m, T=297.1 K, U=7 m/s) Kincaid 25.05.1980, 16h.

25

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

1000

z (m

)

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

x (m )

-1000

0

1000

y (m

)

1 05 01 6 02 5 04 0 08 0 01 5 0 0Cm od

Резултати од симулацијата на стабилни услови(L=56.7, u*=0.24, zm=1100 m, T=291.3 K, U=3.5 m/s) Kincaid 24.05.1980, 20 h.

26

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

500

1000

13 h

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

500

1000

14 h

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

500

1000

z (m

)

15 h

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

500

1000

16 h

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

x (m )

500

1000

17 h

Симулација на дисперзијата во вертикална рамнина при многу нестабилни услови за ден 25.04.1980 год во периодот од 13 до 17 ч.

27

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

500 10 h

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

500

1000

11 h

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

500

1000

1500

z (m) 12 h

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

500

1000

1500

2000

13 h

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

x (m )

0

500

1000

1500

2000

14 h

Симулација на дисперзијата во вертикална рамнина при умерено нестабилни услови за ден 07.05.1980 год во периодот од 10 до 14 часот.

28

Распределба на концентрациите во хоризонтална рамнина на разни висини од тлото (0, 200, 500, 1000, 1500 m) при неутрални услови.

29

ЗАКЛУЧОЦИЗАКЛУЧОЦИ

Тродимензионалниот диференцијален модел базиран врз струјно-дифузиониот пристап значително поточно го опишува процесот на дисперзија во однос на постоечките Gauss-ови модели.

Овој модел е поедноставен од комплексните метеоролошки модели, наменет е за пресметки во микро-скала, а може да се извршува и на персонални компјутери.

Моделот се одликува со голема флексибилност при користењето на потребните метеоролошки податоци.

Поделбата на струењето на два дела и третирањето на перјаницата како топол млаз кој истекува во бочна турбулентна струја дава далеку подобри резултати од концептот на точкест извор поставен на ефективна висина над оџакот.

Моделирањето на термалниот дел овозможува третирање на дополнителното издигнување на перјаницата.

Овој модел може да се користи за практични пресметки при проектирањето на нови објект.

Можностите за реална симулација на расејувањето на полутантите , посебно во вертикална рамнина, овозможува негова примена во анализите на критични краткотрајни имисиони сценарија.