Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Эксплуатация объектов энергетики оказывает физическое (шум, вибрация, электромагнитное и тепловое излучение) и химическое загрязнение окружающей природной среды [2-4, 7]. Тепловое загрязнение характеризуется увеличением температуры выше естественного уровня.

Согласно Российскому статистическому ежегоднику в 2011 г. в России добыча составила: уголь 335 млн. т, нефти 512 млн. т,природного и попутного газа 671 млрд. м3. Крупнейшим потребителем органического топлива являются тепловые электрические станции. В России в 2011 г. было произведено электроэнергии1054,8 млрд. кВт·ч. С учетом того, что современные теплоэнергетические станции имеют КПД не выше 40 %, то неизбежные потери тепла при выработке электроэнергии составят до 60 %. Этим теплом «обогревается» атмосфера и гидросфера. Кроме того, следует учесть, что значительная часть выработанной электроэнергии, в конечном счете, вновь преобразуется в тепло в электронагревательных и технологических установках, осветительных приборах и также рассеивается в окружающую среду.

Сброс тепла в окружающую среду приводит к техногенному изменению температурного режима компонентов геосфер: атмосферы, гидросферы и верхних слоев литосферы.

По оценкам ученых, тепло антропогенного происхождения в настоящее время еще неизмеримо мало по сравнению с теплом, поступающим от Солнца и из земных недр, и составляет примерно 0,005 % этого количества, и таким образом не может существенно сказаться на тепловом балансе Земли.

Однако мощные источники антропогенных выбросов тепла при условии их высокой концентрации на небольших территориях могут оказывать заметное влияние на тепловой режим этих территорий, пространств, акваторий. Температура воздуха зимой в крупных городах обычно на несколько градусов выше, чем поблизости расположенных небольших населенных пунктах. Также заметно изменяется тепловой режим рек и озер при сбросе в них сточных нагретых вод тепловых электростанций. Это существенно влияет на условия обитания водных организмов и на структуру экологических систем таких водоемов. Таким образом, влияние мощных антропогенных источников тепла на биосферу вполне ощутимо, хотя и имеет локальный характер.

Наиболее опасно теплового загрязнения водоемов, т.к. водные обитателинеспособны регулировать температуру тела. Возможна тепловая гибель рыб, т.к. для каждого вида существует свой интервал температур, наиболее благоприятный для его выживания. При увеличении температуры воды происходит понижение концентрации кислорода. Возможно снижение репродуктивной функции организмов, например,форель способна выживать в теплой воде, но не способна размножаться. Происходит повышение чувствительности к болезням и снижается устойчивость экосистемы.

Прогретый грунт взаимодействует с растениями, животными и микробными сообществами, меняя параметры среды обитания.

Техногенные изменения температурного режима могут ухудшать условия жизни и работы людей. Возможнотакже усиление коррозии материалов и повреждение тепло- и газопроводов, канализации и т.п.

Материалы и методы исследования

Тепловыми источниками воздействия на окружающую среду в данной работе рассматриваются мини-ТЭЦ. При анализе источников воздействия учитывали их пространственное наземное положение[5].

По виду воздействия их можно классифицировать как, привносимые в окружающую среду. Тепловое излучение, которое через воду и атмосферный воздух воздействует на живые организмы, и зависит от месторасположения источника (низина, склон, берег водоема) и климатических факторов территории (давление, влажность, осадки, направление ветра).

Распределение тепла, выделившегося при сжигании топлива, на полезное тепло и на потери тепла, сопровождающие работу котла, называется тепловым балансом котельного агрегата.

Уравнение теплового баланса котельного агрегата включает в себя [6]:

1 – тепло, полезно использованное в котле на получение пара или горячей воды;

2 – потери тепла с дымовыми газами в окружающую среду. Эти потери определяются как разность энтальпий продуктов сгорания, уходящих из котельного агрегата, и холодного воздуха, поступающего в агрегат;

3 – потери тепла от химической неполноты сгорания топлива. При сжигании твердых топлив показателем химической неполноты горения является присутствие в уходящих дымовых газах окиси углерода, а при сжигании газообразного топлива – окиси углерода и метана;

4 – потери тепла от механической неполноты сгорания топлива. Потери тепла от механической неполноты горения состоят из потерь от провала несгоревших частиц топлива через колосники в зольник и уноса мелких частиц топлива в газоходы котла. Эти потери зависят от конструкции колосниковой решетки, силы тяги, размеров кусков топлива и их спекаемости;

5 – потери тепла в окружающую среду. Потери тепла нагретыми внешними поверхностями в окружающую среду зависят от типа и паропроизводительности котла, его конструкция, качества обмуровки и нагрузки котлоагрегата;

6 – потери с физическим теплом шлаков, удаляемых из топки. Эти потери учитывают только при сжигании твердых топлив, как в кусковом, так и в пылевидном состоянии. Они зависят от зольности топлива и системы шлакозолоудаления.

Исследования теплового загрязнения окружающей среды проводили для мини-ТЭЦ с газопоршневыми, работающими на природном газе и биотопливе, газотурбинными, работающими на природном газе, и дизельными двигателями. Диапазон мощностей двигателей от 10 до 1000 кВт.

Для оценки воздействия были определены количественные показатели теплового воздействия:

• интенсивность воздействия (удельное тепловое загрязнение, ГДж/кВт*год);

• периодичность воздействия во времени (непрерывное);

• продолжительность воздействия (год);

• пространственные границы воздействия (глубина, размеры и форма зоны воздействия).

Результаты исследования
и их обсуждение

В расчетах использовались технические характеристики газопоршневых установок Caterpillar, работающих на природном газе и биотопливе. Технические характеристики газопоршневых установок Caterpillarи,расчетное тепловое загрязнение приведены в табл. 1 – для биогаза, табл. 2 – для природного газа.

Таблица 1

Технические характеристики и тепловое загрязнение газопоршневых установок Caterpillarна биогазе

В расчетах использовались формулы [6, 8]:

– коэффициент полезного действия:

, (1)

где Nэ – электрическая мощность, кВт; G – расход топлива, нм³/ч; Qнр – средняя теплота сгорания;

для биогаза, содержащего 60 % метана,Qнр= 22 МДж/м3;

для природного газа для газопоршневых установок Qнр= 33 МДж/м3.

– тепловое загрязнение:

Q = Qнр G τ (1 – ή) 10-3. (2)

где τ – время эксплуатации агрегата на номинальной мощности, τ = 8760 ч.

Таблица 2

Технические характеристики и тепловое загрязнение газопоршневых установок Caterpillarна природномгазе

В расчетах использовались технические характеристики дизельных установок Челябинского тракторного завода, Алтайского моторного завода и Уральского дизель-моторного завода, работающих на дизельном топливе. Технические характеристики дизельных установок и расчетное тепловое загрязнение приведены в табл. 3.

В расчетах использовались формулы
[6, 8]:

– коэффициент полезного действия:

. (3)

где N – электрическая мощность, кВт; τ – время эксплуатации агрегата на номинальной мощности,τ =8760 ч; Gг – расход топлива, т/г; Qнр – средняя теплота сгорания, для дизельного топлива Qнр=42 МДж/м3.

– тепловое загрязнение:

Q = Qнр Gг (1 – ή). (4)

Таблица 3

Технические характеристики и тепловое загрязнение дизельных двигателей

В расчетах использовались технические характеристики газотурбинных двигателей производства Kawasaki Heavyindustries Ltd, работающих на природном газе. Технические характеристики газотурбинных двигателей и расчетное тепловое загрязнение приведены
в табл. 4.

Таблица 4

Технические характеристики и тепловое загрязнение газотурбинных двигателей производитель KawasakiHeavyindustriesLtd

В расчетах использовались формулы
[6, 8]:

– тепловое загрязнение:

, (5)

где τ – время эксплуатации агрегата на номинальной мощности, τ = 8760 ч; G – расход топлива, нм³/ч; Qнр – cредняя теплота сгорания, для природного газа газотурбинных установок Qнр= 37 МДж/м3; ή – коэффициент полезного действия; ρг – плотность газа, ρг= 0,72 кг/м3.

На рисунке показаны средние значения удельного теплового загрязнения мини-ТЭЦ с газопоршневыми, работающими на природном газе и биотопливе, газотурбинными, работающими на природном газе, и дизельными двигателями.

Удельное тепловое загрязнение мини-ТЭЦ с различными двигателями

Выводы

Проведенные исследования показали:

– уровень теплового загрязнения главным образом зависит от типа двигателя и значения его КПД;

– наименьшим тепловым загрязнением обладают дизельные установки, имеющие более высокий КПД;

– набольшим тепловым загрязнением обладают газотурбинные установки, имеющие более высокий объем дымовых газови низкий КПД.

По масштабу экологического воздействия тепловое загрязнение можно оценить как точечное. Последствия теплового загрязнения строительства мини-ТЭЦ можно оценить как очень слабое для здоровья населения иокружающей среды [1].