Требования экологического законодательства постоянно ужесточаются, и всё больше предприятий переходит к установке систем автоматического контроля выбросов на дымовых трубах. ГОСТ 15259-2015 предусматривает ряд требований к местам размещения систем контроля, для соблюдения которых требуются многократные измерения скорости потока в различных сечениях дымовой трубы. CFD-моделирование позволяет проводить такие измерения на численной модели, что обеспечивает возможность выбора оптимального расположения систем контроля в сжатые сроки и с минимальными финансовыми затратами.

Загрязнение воздуха повышает риск респираторных и сердечно-сосудистых заболеваний, и, по оценкам ВОЗ, приводит к преждевременной смерти около 7 млн человек в год [2] по всему миру. Кроме того, промышленные выбросы вносят вклад в глобальное изменение климата. Поэтому всё большее количество стран принимают законодательные меры, направленные на уменьшение загрязнения воздуха. В России одним из таких требований является внедрение систем автоматического контроля выбросов вредных веществ (САКВ).
Основной функцией САКВ является автоматическое измерение массовых концентраций загрязняющих веществ. При этом информация о показателях выбросов автоматически попадает в государственный реестр объектов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду (НВОС). Это является удобным и наиболее выгодным решением проблемы контроля вредных выбросов.

Вызовы, связанные с размещением САКВ

Размещение САКВ должно удовлетворять требованиям ГОСТ Р ЕН 15259-2015. Данный стандарт требует, чтобы САКВ была расположена в той секции газохода (дымовой трубы), где предполагаются однородные условия течения потока и однородное содержание определяемых компонентов. Согласно ГОСТ, предположить однородные условия в сечении можно, если: 

• в данном сечении отсутствует местный обратный поток;
• отношение максимальной скорости потока к минимальной составляет менее 3:1;
• длина прямолинейного участка выше по потоку от сечения составляет не менее пяти диаметров, а ниже по потоку – не менее двух диаметров дымовой трубы;
• сечение расположено на участке дымовой трубы с постоянной формой и площадью поперечного сечения [3]. 

После того, как выбрано сечение, удовлетворяющее перечисленным требованиям, в нём необходимо провести проверку однородности в соответствии с процедурой, изложенной в п. 8.3 ГОСТ 15259-2015. Методика оценки однородности сложна и предполагает проведение измерений в 20 или более точках (в зависимости от диаметра дымовой трубы). 
В случае, если в предварительно выбранном сечении условия однородности не выполняются, необходимо повторять процедуру оценки в другом сечении. Процедура поиска сечения, подходящего для размещения САКВ, показана на блок-схеме ниже. 

Процедура поиска сечения, подходящего для размещения САКВ

Реализация описанной процедуры требует значительных временных и материальных затрат.

Выбор оптимального сечения для размещения САКВ с помощью CFD-моделирования

CFD-моделирование позволяет заменить проведение физических испытаний численными экспериментами и, таким образом, избежать вышеописанных затруднений. Большой опыт инженеров АО «ЦИФРА» даёт возможность получить в сжатые сроки достоверную информацию об однородности газового потока в дымовой трубе и выбрать оптимальное сечение для размещения САКВ. 
По запросу заказчика специалистами АО «ЦИФРА» было проведено CFD-моделирование движения воздуха в газоходах различного типа. Целью моделирования было определение минимального по высоте сечения, в котором поток газа будет однородным.
Примечание. Кейс, приведённый в данной статье, подготовлен исключительно в демонстрационных целях. Работая как внешние эксперты, специалисты АО «ЦИФРА» строго соблюдают обязательства по конфиденциальности и не распространяют ни данные, полученные от заказчика, ни результаты своей работы.

Общий вид дымовой трубы

По результатам CFD-моделирования видно, что столкновение потока воздуха, выходящего из воздухопровода, со стенкой трубы дестабилизирует поток. Образуется зона застоя воздуха (отмечена на рисунке контуром чёрного цвета).
Поле скорости в вертикальном сечении дымовой трубы

По результатам CFD-моделирования выбрано сечение, соответствующее требованиям ГОСТ 15259-2015 и при этом расположенное на наименьшей возможной высоте. Распределение скорости газа в данном сечении показано ниже.
Поле скорости в горизонтальном сечении газохода

Видно, что:

• скорость дымовых газов в горизонтальном сечении лежит в пределах от 2,5 до 5,0 м/с;
• в данном сечении отсутствует местный обратный поток;
• отношение максимальной скорости потока к минимальной составляет менее 3:1.

В рамках выполненного проекта на основании результатов CFD-моделирования для дымовых труб различного типа определены минимальные по высоте уровни сечения, в которых поток будет однородным. Это позволило с минимальными затратами организовать размещение САКВ, максимально используя уже имеющиеся измерительные площадки.   
CFD-моделирование может также помочь выбрать оптимальные места для размещения измерительных площадок на вновь проектируемых дымовых трубах.

Список использованных источников

1. Федеральный закон от 25 декабря 2023 г. № 622-ФЗ “О внесении изменений в Федеральный закон «Об охране окружающей среды» и отдельные законодательные акты Российской Федерации” [Электронный ресурс] // ГАРАНТ.РУ: Информационно-правовой портал: [сайт]. [2024]. URL: https://www.garant.ru (дата обращения: 05.12.2024).
2. Загрязнение атмосферного воздуха (воздуха вне помещений) и здоровье человека [Электронный ресурс] // Всемирная организация здравохранения: [сайт]. [2024]. URL: https://www.who.int (дата обращения: 05.12.2024).
3. ГОСТ Р ЕН 15259. Национальный стандарт Российской Федерации. Качество воздуха. Выбросы стационарных источников. Требования к выбору измерительных секций и мест измерений, цели и плану измерений и составлению отчета. Москва: Стандартинформ, 2015.

Изображение заголовка: Jacek Dylag на Unsplash