08.01.2011 г.

  На главную раздела "Научные работы"


Безуглая Э.Ю., Смирнова И.В.


 

2.2.2 Определение КТ
 
          Чтобы определить величину выбросов диоксида азота, необходимо знать значение коэффициента трансформации оксидов азота в диоксид азота.
В нормативном документе для тепловых электростанций численное значение коэффициента трансформации (КТ) определяется из отношения концентрации диоксида азота к концентрации суммы оксидов азота в диоксид азота. Для расчета выбросов, поступающих от сжигаемого топлива, в РД [37] предлагается принять это отношение равным 0,8. В несколько позднее изданной методике это значение снижено до 0,7 [43]. Предложенное в РД значение КТ получено на основе ограниченного ряда данных наблюдений, нигде не проводились длительные исследования того, что в действительности происходит, неизвестно, какая часть оксидов азота переходит в атмосферном воздухе в NO2. Неизвестно также, каким образом значение КТ может быть установлено достаточно надежно для конкретного предприятия.

          Как показали наши первые результаты исследований, значения КТ близкие или равные 0,8 практически никогда не отмечаются [21] .
В последние годы наблюдается постепенное увеличение концентраций NO2 в отдельных городах из-за постоянно растущих выбросов. Поэтому изучения закономерностей распространения и уточнение коэффициента трансформации окислов азота приобретают большое значение для правильного понимания роли КТ в расчетах выбросов и планирования работ по уменьшению загрязнения атмосферы.

          Определение значения КТ для отдельного предприятия является довольно сложной задачей.

          Значительное количество оксидов азота производится тепловыми электростанциями, крупными и мелкими котельными. Поэтому рассмотрим условия образования диоксида азота и возможности оценки коэффициента трансформации на примере предприятия энергетики.

          Как любой статистический параметр, КТ может определяться средним и максимальным значениями. Поэтому расчет КТ для предприятия сводится к ответам на вопросы о выборе сезона, для оценки, статистической характеристики, которая необходима (среднее, максимальное или вероятностное при заданной концентрации). Необходимо также определить количество измерений концентрации NO2 и NO, необходимых для оценки. Отсюда вытекает более общий вопрос о продолжительности периода, используемого для расчета.

          Выбор периода. Для расчета максимальных концентраций, создаваемых предприятиями в приземном слое атмосферы, выбирается период, наиболее благоприятный для накопления примесей в атмосфере. Известно, в холодное полугодие создаются метеорологические условия, неблагоприятные для рассеивания низких выбросов. Чаще наблюдаются приземные инверсии, слабые ветры, застои воздуха. Из результатов наблюдений на стационарных станциях в городах получено [8], что максимум концентрации диоксида азота в годовом ходе чаще приходится на зимние месяцы. Следовательно, чтобы правильно рассчитать максимальную концентрацию, казалось бы, необходимо использовать данные о выбросах диоксида азота за холодный период.

          Вместе с тем, наиболее неблагоприятные условия для рассеивания высотных нагретых выбросов от тепловых электростанций наблюдаются летом, особенно когда возникают условия для фотохимических реакций в атмосфере. В этой связи трудно сразу решить, в какое время года будет наблюдаться наибольшее значение максимальной концентрации NO2 для высотных источников: летом, в период неблагоприятных условий погоды, или зимой, при максимальной деятельности предприятия теплоэнергетики и, следовательно, наибольших выбросах.

          Было проведено специальное исследование связи концентрации оксида и диоксида азота отдельно для зимних и летних условий в городах, где основными источниками являются тепловые электростанции [21].

          Для выполнения работы использованы значения средних концентраций NO2 и NO за 1998–2001 гг. для холодного (октябрь – март) и теплого периода (июнь – август), полученные по данным наблюдений в семи городах, где основными и крупными источниками являются электростанции (Назарово, Нерюнгри, Норильск, Магадан, Петропавловск-Камчатский, Южно-Сахалинск и Якутск); города расположены на разных широтах.

          Из полученных данных были рассчитаны средние концентрации диоксида и оксида азота, а также суммы оксидов азота (NOx) за каждый месяц, отдельно для холодного и теплого периода и за каждый год пятилетнего периода. Все исследования проводились после пересчета мкг/м3 в объемные концентрации (части на млн.).

          Сложность поставленной задачи заключалась в необходимости использования средних отношений NO2/NОx для каждого месяца заданного периода. Отдельные разовые значения концентрации примеси, как известно, являются случайными из-за значительной их изменчивости. Результаты наблюдений под факелом выбросов предприятия в этом случае редко могут быть использованы, поскольку на каждом расстоянии от источника выбросов определяется максимальная концентрация диоксида и оксида азота, но при этом совсем не обязательно максимальная концентрация NO2 будет соответствовать максимуму концентрации оксида азота, которая к тому же редко определяется. Необходимы были более надежные осредненные результаты. Для этого была предпринята попытка определения КТ по средним за год и средним за месяц концентрациям примесей.

          Важным для определения КТ является длительность периода, из которого он получен.

          Из рисунка 2.8, где показаны значения КТ за сравнительно небольшой период в Норильске, видно, что даже в течение одного месяца КТ изменяется в широких пределах. Он также изменяется от месяца к месяцу (рисунок 2.7). Следовательно, недостаточно данных за один месяц, а возможно, и за год.

          Обычно зависимость концентраций диоксида азота от суммы оксидов азота очень тесная. Была рассмотрена связь между указанными концентрациями вблизи крупных предприятий энергетики.

          Анализ данных наблюдений показывает, что и для холодного, и для теплого периодов зависимость NO2 от NOx всегда очень четкая (рисунки 2.9, 2.10), что подтверждается высокими коэффициентами корреляции (0,91 и 0,98 для теплого и холодного времени года соответственно). 
 
 
Увеличить

Рисунок2.9 ─ Связь концентраций диоксида азота с суммой оксидов азота в городах с предприятиями энергетики в холодный период за 1998–2001 гг.

 

Увеличить
Рисунок 2.10 ─ Связь концентраций диоксида азота с суммой оксидов азота в городах с предприятиями энергетики в теплый период за 1998–2001 гг.
 
Уравнения связи в целом имеют вид для теплого периода года
 
 
 
для холодного
 
 
          Видим, что уравнения почти одинаковые. Если не учитывать свободный член уравнения, который не превышает половины чувствительности метода определения концентраций, то можно сказать, диоксид азота в среднем составляет 40–39% от суммарной концентрации оксидов азота. В целом за год при концентрации NOx, равной 100 частей на млн., средняя за месяц концентрация NO2 составит 37 частей на млн., т.е. КТ=0,37.

          Поэтому можно полагать, что использование теплого или холодного периода не изменит заметно значение КТ по сравнению с его значениями за год. Следовательно, можно использовать данные за оба периода измерений.

          При какой концентрации определять КТ? При проведении данного исследования мы полагали, что поскольку концентрация диоксида азота связана с концентрацией суммы оксидов азота, то коэффициент трансформации следует определять только при некоторой заданной концентрации NOx, например, при NOx= 100 частей на млн. Поэтому для электростанций получено, что при концентрациях NOx, равных 100 частей на млн., средняя концентрация NO2 будет равна 42─43 части на млн. и, следовательно, КТ составит 0,42–0,43. Однако не для каждой станции можно получить результаты наблюдений с такими высокими концентрациями NOx, обычно концентрация NOx ниже 100 частей на млн.

          Кроме того, как показывают результаты анализа [8], во всех вариантах счета реальная связь между NO2 и NOX не совсем линейная. При малых значениях NOX (менее 100 частей на млн.) образуется в среднем больше NO2, чем в случае NOx= 100 частей на млн., т. е. значение КТ может оказаться выше. Поэтому необходимо либо знать реальные концентрации веществ, либо устанавливать некий другой критерий.

          Какое значение КТ следует принимать для расчета выбросов? Возможно, если мы хотим определить суммарные выбросы за год, то необходимо рассчитать среднее значение КТ за рассматриваемый период. Но если необходимо определить максимальные выбросы для расчета ожидаемой максимальной концентрации NO2 (См) с определенной вероятностью ее превышения, то необходимо рассчитывать КТ с такой же вероятностью превышения. Однако вероятность определения См точно не известна. Поэтому приходится условно принимать ее за 95%. Тогда и КТ следует рассчитывать с вероятностью его превышения в 5% случаев. Таким образом, для расчета каждым предприятием выбросов необходимо устанавливать два значения КТ: среднее и 95%-ный квантиль распределения.

          Необходимое количество измерений. При определении среднего значения концентрации примеси принимается, что количество наблюдений, из которых оно рассчитано, не может быть менее 300 (если концентрация примесей определяется из разовых проб, отобранных в течение 20–30 минут) [47]. Очевидно, не меньшее количество измерений должно быть использовано для расчета КТ. Но этого также недостаточно. Расчетный период должен быть таким, чтобы его увеличение практически не влияло на величину КТ.

          Какие данные лучше использовать? Можно определять КТ из длинного ряда разовых определений концентрации, из средних за месяц или из средних за год. Чтобы оценить возможность использования среднемесячных значений вместо разовых, проверялось отличие значений КТ, полученных из разовых концентраций, от значений, полученных по среднемесячным данным. Нам представляется, что использование средних за месяц значений должно быть предпочтительнее, поскольку осредненные значения всегда надежнее, чем случайные разовые определения.

          С целью определения различий в значении КТ, полученном из разовых или средних за месяц концентраций, выполнен вначале анализ разовых концентраций оксидов азота и выделены годы, в которые наблюдались наибольшие значения КТ. Оказалось, что в рассматриваемом городе наибольшие значения КТ получены в 2002 и 2003 годах. Поэтому за эти два года выбраны для расчета КТ из двух баз данных (разовых и средних за месяц) концентрации оксида и диоксида азота. При этом разовые определения концентраций примесей взяты за 2002–2003 годы, а средние за месяц - за больший период, включая эти два года. Как известно, концентрации оксида и диоксида азота изменяются от нескольких десятых до целых мг/м3. Это позволяет рассматривать зависимость трансформации оксидов азота в большем диапазоне концентраций.

          Из двух баз данных: из разовых и среднемесячных концентраций - рассчитывались КТ, и из каждой базы выбирались наибольшее значение КТ и КТ, соответствующий 95% квантилю.
Из разовых концентраций за два года получено более 1400 значений КТ. Из них на двух станциях выбраны наибольшие величины КТ (таблица 2.3).

          Максимальные значения КТ на двух станциях во все месяцы в основном не превышали 0,5. Только на одной станции в феврале и ноябре отмечены два больших значения, равные 0,6 и 0,71.

          Все значения КТ, полученные за все годы рассматриваемого периода для зимы, лета и в целом за год, ранжировались по возрастанию значений КТ, и определялась величина, соответствующая 95% квантилю распределения.
 
 
Таблица 2.3 – Наибольшие значения КТ (числитель) и КТ, соответствующие 95% квантилю (знаменатель), за два года по разовым и среднемесячным концентрациям 
Станция Разовые Среднемесячные
1
 0,71/ 0,47   
 0,49/0,49
2
 0,71/ 0,56   
 0,71/ 0,68
 
          Из среднемесячных концентраций на станции 1 наибольший КТ равен 0,49, а на станции 2 — 0,71, как и из разовых значений.
Значения КТ, соответствующие 95%-ному квантилю, по разовым концентрациям всегда были ниже, чем по среднемесячным концентрациям. Это объясняется тем, что за счет большего количества значений концентраций примесей, из которых значительную часть составляют нули, при разовых определениях КТ чаще получается более низкое значение, чем из среднемесячных определений. Среднемесячные концентрации являются более надежными, поскольку получены за больший период при осреднении результатов случайных измерений.

          Естественно, прежде чем определять значение КТ, необходимо убедиться в надежности используемых данных. Простым критерием может служить теснота связи между NO2 и NO. Чем выше коэффициент корреляции (КК), тем надежнее результаты. На рисунках 2.9 и 2.10 показан вид связи между рассматриваемыми параметрами для групп городов с предприятиями энергетики, а на рисунке 2.11 ─ для конкретных городов. Как было сказано, КК для данных групп городов очень высокие, что является подтверждением надежности используемых значений. Связь между концентрациями примесей для конкретных городов также тесная.

          По результатам наблюдений за пятилетний период в Череповце, Новокуйбышевске, Магнитогорске, Ярославле и некоторых других городах были рассчитаны средние концентрации диоксида и оксида азота за каждый месяц рассматриваемого периода, суммы оксидов азота (NOx) и уравнения регрессии, позволяющие вычислять значение КТ при заданной концентрации NOx в этих городах (рисунок 2.11).

          Из уравнений регрессии для этих городов, которые приведены в таблице 2.9, можно сделать вывод, что в атмосферном воздухе городов в среднем содержится 35–50% диоксида азота от общей суммы оксидов.

          Анализ данных наблюдений в Магнитогорске показал, что значения КТ от месяца к месяцу сильно варьируют. Если в других городах концентрация оксидов азота не превышает 100 частей на млн., то в Магнитогорске она достигает 300 частей на млн. В летние месяцы получены самые высокие значения КТ. Это говорит о том, что летом здесь за счет высокой температуры воздуха и выбросов фотохимические реакции ускоряются. 

 Увеличить
 Рисунок 2.11 ─ Зависимость концентраций диоксида азота от концентраций суммы оксидов азота в городах
 
          Продолжительность периода. Чтобы определить оптимальный период, из которого следует устанавливать КТ, использовалось два ряда среднемесячных значений за период 5 и 10 лет (таблица 2.4) и для каждого периода определялось значение КТ, соответствующее 95%-ному квантилю распределения. Как оказалось, значения КТ, полученные за пять и десять лет, различаются незначительно. Следовательно, достаточно использовать период пятилетних наблюдений, охватывающих все условия протекания фотохимических реакций и различные выбросы. 

Таблица 2.4 – Значения КТ за различные периоды наблюдений на двух станциях
Станции   
1999–2003гг.   
1995–2003 гг.

1

2

0,49

0,56

0,49

0,51

 
 
          Следует ли учитывать нули? Имеется еще один «подводный камень». В любом наборе измерений концентрации примеси обычно большая его часть включает результаты, показывающие нулевые значения. Следует ли их учитывать или нужно определять КТ без учета этих значений?

          Методология определения коэффициента трансформации (КТ) суммы оксидов азота в диоксид азота разрабатывалась на примере города, где основными источниками выбросов были тепловые электростанции, расположенные в разных направлениях от города.

          Чтобы проверить, как влияют нулевые концентрации на определение КТ, использовался весь массив разовых концентраций примесей с добавлением случаев нулевых концентраций примесей и без них. При использовании всего массива данных, естественно, увеличивалось число случаев в распределении, из которого устанавливался 95% квантиль, почти в два раза. Добавление нулевых концентраций увеличивало вариационный ряд распределения и, следовательно, уменьшало значение КТ, соответствующее 95%-ному квантилю (таблица 2.5). Для лета, зимы и за год значения КТ на каждой станции всегда были выше при расчетах из массива данных без нулевых концентраций.
 
Таблица 2.5 – Значения КТ (95% квантиль) по данным станций по разовым значениям концентраций примесей с учетом нулевых концентраций (1) и без них (2) для лета, зимы и за год
Станция, год   
Количество
наблюдений
Лето
ЗимаГод
12121212
1, 2003747210
0,390,440,440,520,390,46
2, 2003
736
346
0,45
0,49
0,51
0,52
0,49
0,52
1, 2002
906
464
0,44
0,49
0,46
0,48
0,44
0,49
2, 2002
906
553
0,56
0,56
0,56
0,56
0,56
0,56
 
          Таким образом, для определения КТ не следует учитывать нулевые концентрации, поскольку они занижают искомое значение КТ.

          Результаты измерений показали, что аналогичные случаи нулевых концентраций наблюдались, когда КТ рассчитывался из средних за месяц концентраций. Одна из примесей могла оказаться ниже чувствительности метода измерений. Поэтому в процессе обработки при определении КТ из средних за месяц значений также исключались нулевые значения концентраций примесей, которые могли бы исказить результаты. Однако при этом сокращается объем информации и может возникнуть необходимость увеличения периода используемых данных.

          Можно сделать следующие выводы. Для определения КТ необходимо использовать данные наблюдений за летний и зимний периоды. Из данных за год КТ определяется как 95%-ный квантиль распределения полученных значений КТ.

          Количество используемых данных наблюдений должно быть таким, чтобы увеличение их не изменяло бы значение КТ. Иначе, для расчета КТ необходимо столько же результатов наблюдений, сколько их необходимо для расчета достоверного среднего значения.

          КТ предпочтительнее рассчитывать из средних за месяц концентраций, чем из разовых определений.

          При расчете КТ не следует учитывать нулевые значения концентрации и концентрации ниже чувствительности метода определений, если такие имеются.

          Мы рассмотрели основные вопросы, связанные с расчетом коэффициента трансформации по данным наблюдений за концентрациями оксида и диоксида азота. Осталось лишь дополнить, что представляет собой коэффициент трансформации, который нами определен.

          Когда определяется коэффициент трансформации для какого-либо предприятия, следует иметь в виду, что атмосфера городов не имеет границ. Все попадающие в атмосферный воздух вещества перемешиваются, вступают в химические и фотохимические реакции и уносятся далеко от места выбросов. Поэтому даже если провести измерения концентраций примесей вблизи трубы, осуществляющей выбросы, невозможно определить КТ для конкретного предприятия. Всегда это будет КТ для района предприятия. Это связано с тем, что процесс трансформации не заканчивается с выходом примесей из трубы источника. Он продолжается и далее в атмосфере до наступления равновесного состояния для этих веществ. Но в это время могут добавиться выбросы другого источника, которые усилят или ослабят фотохимическую реакцию.

          При этом следует учитывать, что трансформация происходит под влиянием метеорологических условий (температуры воздуха, солнечной радиации) в данном районе, она изменяется под влиянием скорости и направления ветра, приносящего добавления тех же веществ или новых, которые продолжают процесс трансформации. Возможно поступление чистого воздуха, и ситуация вновь изменяется. Поэтому нельзя разделить концентрации примеси в атмосферном воздухе и сказать, что этот КТ относится к рассматриваемому предприятию, а другой − к другому. Всегда определяется коэффициент трансформации для района, в котором находится предприятие, но одновременно этот КТ характеризует процесс трансформации, относящийся к данному предприятию.
 
 
В начало                              Продолжение  
 

Добавить комментарий Сообщение модератору


Защитный код
Обновить