Оценка аэрологических последствий перехода с природного газа на уголь на теплоэлектростанциях Центрального региона России

Актуальность проблемы.

В настоящее время развитие современного мира невозможно представить без развития крупных городов. Техногенное воздействие на окружающую среду наиболее ярко проявляется в городах, где на относительно небольших территориях сконцентрировано значительное количество населения, производственных и непроизводственных фондов, транспортных средств. Все это служит причиной обострения экологических, социальных, экономических и политических проблем.

Очевидно, что развитие человеческого общества невозможно без взаимодействия с окружающей средой, а, следовательно, и воздействия на природу, без использования природных ресурсов. Люди преобразовывали, и будут преобразовывать природу. Важнейшей проблемой стратегии управления качеством окружающей природной среды является вопрос об организации системы, определяющей эффективность комплексного и экологически рационального использования природных ресурсов.

Актуальность предлагаемой темы подтверждается тем, что в современной России доля природного газа как топлива на теплоэлектростанциях будет снижаться вследствие падения добычи. Мировая электроэнергетика в среднем на 43% основана на угле: в Европе — более 50%, в США — на 56%, в Китае — на 70%. В России его доля на тепловых станциях составляет 27%, а с учетом атомных и гидростанций — 18%. В Тульской области на ТЭС и котельных доля газа в 1999 году составляла 76%, а угля — 22%.

Разведанных запасов газа хватит на 80 лет, тогда как угля на 300 лет. Традиционные месторождения иссякают, а для освоения новых (на Ямале, в Баренцевом море) требуются огромные затраты. Цена газа вырастет в 5−6 раз. Настолько же подорожает электроэнергия. На данный момент средняя стоимость выработки электроэнергии на электростанциях, работающих на природном газе равна 0,064 у.е./1кВт'ч, на угле — 0,052 у.е./1кВт'ч. Целесообразно прогнозировать те социальные, экономические и политические риски, которыми подвергнется наша страна через 50 лет, если ситуация в данной области останется без изменений. Однако наряду с очевидной социально-экономической выгодой перехода с газа на уголь, возникает геоэкологическая проблема оценки последствий данного шага на окружающую среду и, в первую очередь, на атмосферу. Поэтому тема диссертации актуальна.

Фундаментальные и прикладные аспекты воздействия тепловых электростанций на атмосферу изучались в Тульском государственном университете, Институте проблем комплексного освоения недр РАН, Московском государственном университете, Научном производственном предприятии «Импульс» (г. Москва), Институте проблем прикладной экологии и природопользования (г.Уфа), Всероссийском теплотехническом институте, Оренбургском государственном университете, Московском институте стали и сплавов и в ряде других университетов. Основные научные и практические результаты этих организаций показывают, что необходимо продолжать исследования системы «теплоэлектростанция — атмосфера».

Основные научные положения работы заключаются в следующем:

• оценка выбросов в атмосферу при условии, когда не работают внешние законодательные условия на ограничения выбросов, описывается экспоненциальной зависимостью выбросов от значения энергопроизводительности;

• оценка пылегазовых выбросов при условии, когда внешние законодательные условия на ограничение выбросов работают, может быть произведена с помощью логистической зависимости;

• показатели пылегазовых выбросов в атмосферу в зависимости от параметра энергопроизводительности описываются нормальным законом распределения;

• оценка экологического состояния территории основывается на методах традиционного математического моделирования и методах, существующих в рамках ландшафтно-экологического подхода.

Новизна основных научных и практических результатов:

• получены уравнения регрессии для определения пылегазовых выбросов в атмосферу в зависимости от параметра энергопроизводительности;

• разработаны математические модели для оценки воздействия на атмосферу выбросами при переходе теплоэлектростанций с природного газа на уголь с учетом внешних законодательных условий на ограничения выбросов;

• установлена корреляционная зависимость экономического ущерба от динамики выбросов с целью его прогнозирования при переходе теплоэлектростанций с природного газа на уголь;

• предложена имитационная модель работы системы «теплоэлектростанция-атмосфера», позволяющая выявить и изучить факторы взаимозависимых элементов системы, оказывающих влияние на формирование пылегазовых выбросов в атмосферу.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

• корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием методов математической статистики, теории вероятностей, математического анализа и современных достижений вычислительной техники;

• достаточным объемом вычислительных экспериментов, проведенных в процессе теоретических исследований динамики показателей пылегазовых выбросов в атмосферу;

• значительным объемом обработанных расчетных и статистических данных, результаты которых свидетельствуют об адекватности разработанных моделей, эффективности технических решений, обоснованности выводов и рекомендаций.

Практическое значение работы.

Полученные зависимости для определения выбросов от параметра энергопроизводительности дают возможность производить оценку изменений воздействия на атмосферу пылегазовыми выбросами при переходе теплоэлектростанций с природного газа на уголь.

С помощью регрессионных уравнений может быть проанализирована динамика выбросов в случае изменения законодательства в области регламентирования выбросов в атмосферу производственными объектами.

Установленные закономерности, а также разработанные программы с помощью языка Visual Basic 6.0. в среде Windows, позволяют прогнозировать изменение экономического ущерба от загрязнения атмосферы в зависимости в случае перехода теплоэлектростанций с природного газа на уголь.

Усовершенствованная методика геоэкологической оценки изменения топливного баланса теплоэлектростанций позволяет более точно прогнозировать возможные последствия перехода с природного газа на уголь.

Внедрение результатов исследований.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы использовались при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР на кафедре «Аэрология, охрана труда и окружающей среды» ТулГУ. Теоретические положения и практические рекомендации по геоэкологической оценке воздействия на атмосферу пылегазовых выбросов, изложенные в работе, частично использованы в лекционных материалах по курсу «Аэрология и защита атмосферы» для студентов специальности 320 700 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов».

Апробация работы.

Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Аэрология, охрана труда и окружающей среды» ТулГУ (г. Тула, 2001;2003 гг.), ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2001;2003 гг.), 1-й Международной геоэкологической конференции «Региональные проблемы биосферы» (г. Тула, 2000 г.), Международной конференции «Освоение недр и экологические проблемы — взгляд в 21 век» (г. Москва, 2000 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 4 работы.

Автор диссертационной работы выражает глубокую благодарность д.т.н., проф. Э. М. Соколову за постоянную методическую помощь, а также сотрудникам кафедры «Аэрология, охрана труда и окружающей среды» за содействие и поддержку при проведении научных исследований.

Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следующему:

1. Получены уравнения регрессии для определения пылегазовых выбросов в атмосферу в зависимости от параметра энергопроизводительности. Составлен комплекс программных средств с помощью языка Visual Basic 6.0. в среде Windows, позволяющий рассчитывать значения выбросов в зависимости от заданных условий.

2. Установлено, что динамика выбросов в атмосферу при условии, когда не работают внешние законодательные условия на ограничения выбросов, может быть описана экспоненциальной зависимостью. Предложенная математическая модель адекватно описывает данные при коэффициенте корреляции равном 0,90 (р< 0,05).

3. Разработана математическая модель для оценки выбросов при условии работы внешних законодательных условий на ограничение выбросов. Логистическая регрессия неадекватно описывает статистические данные (коэффициент корреляции равен 0,18 при р< 0,05). Результаты моделирования подтверждают, что законы в области ограничения выбросов в атмосферу, а также технические средства и методы по ограничению выбросов недостаточно эффективно работают.

4. Разработана имитационная модель для изучения и прогнозирования результатов работы системы «теплоэлектростанция-атмосфера» в условиях априорной неопределенности. Описание ее поведения представляется комплексом локальных моделей, алгоритм взаимосвязи между которыми копирует физические процессы изучаемой системы, что позволяет оценивать результаты выходных параметров, задавать начальные условия с помощью вероятностных законов распределения.

5. Исследованы результаты имитационного моделирования системы «теплоэлектростанция-атмосфера». В результате статистической обработки данных установлено, что значения пылегазовых выбросов описываются линейной регрессией (коэффициент корреляции не ниже 0,7 при р<0,05). Все данные описываются нормальным законом распределения.

6. Проведен прогноз изменения нагрузки на атмосферу выбросами в случае перехода теплоэлектростанций с природного газа на уголь до 2008 г. Рассчитано, что в случае замены газа углем, не только увеличатся выбросы оксида азота в 4 раза, оксида углерода в 2,8 раза, но и возрастет нагрузка на атмосферу другими выбросами: твердыми частицами золы и оксидом серы.

7. Проанализирован экономический ущерб от загрязнения атмосферы при переходе теплоэлектростанций с природного газа на уголь. Экономический ущерб от загрязнения атмосферы выбросами оксида углерода увеличится в 2,5 раза, выбросами оксида азота в 4 раза при переходе с природного газа на уголь. Общий экономический ущерб от загрязнения атмосферы пылегазовыми выбросами возрастет как минимум в 70 раз.

8. Исследована экологическая обстановка в Тульской области. Установлено, что наибольшее число промышленных предприятий, дающих около 92% всех выбросов, расположено в Алексинском, Суворовском, Ефремовском, Новомосковском, Узловском, Щекинском районах и в г. Туле. Наибольший вклад в загрязнение атмосферы (по объему выброса) вносят предприятия энергетики (48% от общего выброса по промышленности области), топливная промышленность — 4%, металлургия -32,7%, химическая и нефтехимическая промышленность — 4,3%, машиностроение и металлообработка — 2,7%, промышленность строительных материалов — 1%. Помимо промышленных выбросов, ежегодно в воздушный бассейн области выбрасывается значительное количество загрязняющих веществ от автомобильного транспорта.

9. Проанализирован уровень заболеваемости и смертности, как взрослых, так и детей в Тульской области, в результате чего установлено, что данный регион один из самых неблагоприятных в России. Определяющим фактором депопуляции в Тульской области остается естественная убыль населения, которая сохраняет устойчивый и долговременный характер. В 2002 году число умерших превысило число родившихся на 24,2 тыс. человек или в 2,9 раза. По сравнению со средними данными по Российской Федерации смертность в Тульской области от болезней системы кровообращения, органов пищеварения, злокачественных новообразований выше в 1,2 — 1,4 раза, от болезней органов дыхания — в 1,7 -1,8 раз, от несчастных случаев, отравлений и травм — в 1,3 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на основе экспериментальных и теоретических исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности функционирования системы «теплоэлектростанция — атмосфера» для прогнозирования геоэкологических последствий при переходе с природного газа на уголь и разработки эффективных природоохранных мероприятий, что имеет важное социальное значение для экономики России. Полученные взаимосвязи между значением выбросов и параметром энергопроизводительности позволили спрогнозировать изменение нагрузки на атмосферу пылегазовыми выбросами и возможное увеличение экономического ущерба.