ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
КЕМЕРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Математический факультет
Кафедра Вычислительной математики
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Разработка программного модуля для нахождения оптимальных предельно-допустимых выбросов в атмосферу от группы источников
студента 5 курса
Гурова Павла Владимировича
Кемерово 2009
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. Существующая система установления ПДВ для промышленных источников
1.1 Нормативы и показатели загрязнения атмосферы.
1.2 Данные об источниках загрязнения атмосферы.
1.3 Метеопараметры
1.4 Данные наблюдений за загрязнением атмосферы
1.5 Модели расчета загрязнения атмосферы
1.6 Унифицированные программы расчета загрязнения атмосферы
1.7 МетодЫ равного квотирования и МРН-87
2. Симплекс-метод
2.1 Общая характеристика симплекс метода
2.2 Алгоритм симплекс метода (первая симплекс таблица)
3. Формализация поставленной задачи
4. Программная реализация и пример практического применения
4.1 Выбор загрязняющих веществ
4.2 Обработка точек с повышенным загрязнением
4.3 Обработка источников
4.4 Обработка таблиц влияния источников на точки
4.5 Применении симплекс-метода
4.6 Вывод полученных результатов
4.7 Сравнение различных методов расчета ПДВ для реального предприятия
Заключение
Список литературы
Вспомогательные указатели
Перечень сокращений
Приложения
Unit1.pas
Simplex.pas
ВВЕДЕНИЕ
В нашей стране существует государственная система управления выбросами промышленных источников загрязнения атмосферы (ИЗА) [1-4]. Целью системы является достижение и поддержание на нормативном уровне N загрязнения воздушного бассейна населенных мест, которое характеризуется приземной разовой (осредненной за 20 минут) концентрацией С.
Основными разделами данной системы является проведение воздухоохранной экспертизы вновь строящихся объектов и установление предельно допустимых норм (ПДВ) для существующих объектов.
В этих задачах расчетным путем устанавливается связь между выбросами Q предприятий и приземными концентрациями C загрязняющих веществ (ЗВ), выбрасываемыми промышленными источниками.
Для расчета концентраций С по известным значениям Q и характерным для данной территории метеопараметрам используется единая, утвержденная на государственном уровне методика ОНД-86 [2].
В настоящее время проектные расчеты осуществляются с использованием программных комплексов (ПК) сертифицированных главной геофизической обсерваторией им. А.И. Войекова (г. Санкт-Петербург).
При проведении атмосферноохранной экспертизы проекта нового предприятия, решается прямая задача моделирования загрязнения атмосферы.
При установлении ПДВ для существующего предприятия, решается обратная задача – подбираются такие значения выбросов Х, при которых в прилегающих к предприятию жилых районах приземные концентрации С не превышают санитарную норму N.
В соответствии с нормативными документами по нахождения ПДВ [1,4] в этом случае обратная задача решается путем подбора реальных (технологически применимых) для данного производства атмосфероохранных мероприятий (АОМ), таких как замена оборудования, установка газоочистки и т.д. Фактически, обратная задача решается при этом методом подбора. Однако при большом числе источников большую помощь в выборе первоочередных мероприятий дает решение задачи форматизированными методами. Пользуясь линейностью модели ОНД-86 по выбросам источников можно представить загрязнение атмосферы в контрольных точках жилой зоны в виде линейной формы:
,
где 
- концентрация в i-ой точке, 
- выброс j-го источника, 
- вклад j-го источника в i-й точке, который в дальнейшем будем называть коэффициентом влияния.
Санитарные требования приводят к системе линейных неравенств:
,
решение которой ищется на интервале
,
где 
- технологически обоснованный минимум выброса j-го источника.
На сегодняшний день в методической литературе описаны два метода нахождения решения поставленной задачи: МРН-87 [24] и метод равного квотирования [25]. Оба метода дают частное решение поставленной системы неравенств из соображений удобства нахождения единственного решения. Однако любое предприятие заинтересовано в минимальных затратах, необходимых для установления нормативных выбросов 
. Для этой цели, к поставленной системе неравенств добавляем целевую функцию:
,
где в общем случае 
- стоимость снижения на единицу выброса для j-го источника. В данном виде решение Xj дает минимум затрат на достижение нормативного загрязнения атмосферы.
В предположении 
получаем
,
что эквивалентно 
.
Следовательно, задача сводится к поиску максимально допустимого по сумме сочетания выбросов Xj данного предприятия, позволяющего достичь нормативного загрязнения атмосферы. В связи с линейностью модели ОНД-86 по отношению к выбросам для поиска решения поставленной задачи может быть применён симплекс-метод.
Целью настоящей работы является разработка программного модуля для расчета оптимальных значений ПДВ с использованием симплекс-метода. Данный модуль должен не просто реализовать решение задачи линейного программирования, но и быть интегрирован в среду программного комплекса ЭРА-ВОЗДУХ, который предназначен для решения проектных задач, использует стандартизированные данные об источниках выбросов, метеорологических параметрах распространения примесей и выдает выходную информацию в установленной нормативными документами форме (подробности на сайте www.logos-plus.ru). После разработки и отладки модуля в работе предполагается решить задачу на основе реальных данных и сравнить оптимальное решение с методами, описанными в методической литературе.
1. Существующая система установления ПДВ для промышленных источников
Метеопараметры
Состояние локального загрязнения приземного слоя воздуха существенно зависит от метеорологических условий. Хорошо известно, что при одних и тех же параметрах выбросов ИЗА, в зависимости от метеоусловий, концентрация у земли может меняться на порядок и более.
С точки зрения распространения ЗВ в атмосфере метеоусловия подразделяются на нормальные и аномальные [10]. Нормальные характеризуются, прежде всего, наличием ярко выраженного среднего направления ветра. Таковыми в крупных городах являются условия со скоростью ветра более 1-2 м/сек. При меньших скоростях (штиль или близкое к штилевому состояние) в результате рельефных особенностей и температурной неоднородности подстилающей поверхности могут образовываться локальные циркуляционные зоны, приводящие к накоплению ЗВ в слое дыхания [17,18]. Ситуация становится особенно опасной при наличии вертикальной температурной инверсии, препятствующей уносу примеси в верхние слои атмосферы. Именно при таких метеоусловиях фиксируются максимальные уровни загрязнения при инструментальных наблюдениях.
Подразделение метеоусловий на нормальные и аномальные играет важную роль для осознания результатов инженерных расчетов загрязнения атмосферы. Дело в том, что все инженерные модели применимы только при нормальных метеоусловиях, поскольку единое направление ветра и его стационарность являются их непременным условием. Поэтому расчетная "максимальная" концентрация является не абсолютным максимумом загрязнения, а наибольшей из концентраций для нормальных условий. Даже если предположить, что методика расчета и параметры выбросов полностью соответствуют происходящему в природе, то превышение расчетного максимума все является равновозможным и зависит от частоты появления аномальных неблагоприятных метеоусловий.
В рамках любой локальной стационарной модели наиболее важными с точки зрения рассеяния примесей метеорологическими параметрами являются скорость и направление ветра, а также показатели диффузионной активности (устойчивости) атмосферы. Скорость и направление ветра измеряются непосредственно. Обзор методов измерений скорости ветра показывает, что относительная погрешность составляет от 15% (при скоростях порядка 5 м/с) до 55% (при скорости порядка 1м/с) [26]. С точки зрения решения задач переноса аэрозолей локального масштаба представляет интерес, что погрешности при определении направления ветра могут привести к ошибке положения оси дымового факела на карте территории порядка 10-15%, в результате чего при достаточно устойчивой стратификации атмосферы факел просто не накроет расчетную точку и приведет к большой ошибке моделирования. Это следует учитывать при интерпретации понятия "опасное направление ветра" и определении основных виновников загрязнения заданной точки города. Сказанное еще раз подчеркивает, что на практике при решении краткосрочных задач нормирования выбросов в смысле неравенства (1) представляет интерес предсказание с разумной точностью максимума разовой концентрации даже без указания момента времени, когда это произойдет.
Симплекс-метод
Симлекс-метод - это характерный пример итерационных вычислений. используемых при решении большинства оптимизационных задач.
В вычислительной схеме симплекс-метода реализуется упорядоченный процесс, при котором, начиная с некоторой исходной допустимой угловой точки (обычно начало координат), осуществляются последовательные переходы от одной допустимой экстремальной точки к другой до тех пор, пока не будет найдена точка, соответствующая оптимальному решению.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
КЕМЕРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Математический факультет
Кафедра Вычислительной математики
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Разработка программного модуля для нахождения оптимальных предельно-допустимых выбросов в атмосферу от группы источников
студента 5 курса
Гурова Павла Владимировича
Кемерово 2009
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. Существующая система установления ПДВ для промышленных источников
1.1 Нормативы и показатели загрязнения атмосферы.
1.2 Данные об источниках загрязнения атмосферы.
1.3 Метеопараметры
1.4 Данные наблюдений за загрязнением атмосферы
1.5 Модели расчета загрязнения атмосферы
1.6 Унифицированные программы расчета загрязнения атмосферы
1.7 МетодЫ равного квотирования и МРН-87
2. Симплекс-метод
2.1 Общая характеристика симплекс метода
2.2 Алгоритм симплекс метода (первая симплекс таблица)
3. Формализация поставленной задачи
4. Программная реализация и пример практического применения
4.1 Выбор загрязняющих веществ
4.2 Обработка точек с повышенным загрязнением
4.3 Обработка источников
4.4 Обработка таблиц влияния источников на точки
4.5 Применении симплекс-метода
4.6 Вывод полученных результатов
4.7 Сравнение различных методов расчета ПДВ для реального предприятия
Заключение
Список литературы
Вспомогательные указатели
Перечень сокращений
Приложения
Unit1.pas
Simplex.pas
ВВЕДЕНИЕ
В нашей стране существует государственная система управления выбросами промышленных источников загрязнения атмосферы (ИЗА) [1-4]. Целью системы является достижение и поддержание на нормативном уровне N загрязнения воздушного бассейна населенных мест, которое характеризуется приземной разовой (осредненной за 20 минут) концентрацией С.
Основными разделами данной системы является проведение воздухоохранной экспертизы вновь строящихся объектов и установление предельно допустимых норм (ПДВ) для существующих объектов.
В этих задачах расчетным путем устанавливается связь между выбросами Q предприятий и приземными концентрациями C загрязняющих веществ (ЗВ), выбрасываемыми промышленными источниками.
Для расчета концентраций С по известным значениям Q и характерным для данной территории метеопараметрам используется единая, утвержденная на государственном уровне методика ОНД-86 [2].
В настоящее время проектные расчеты осуществляются с использованием программных комплексов (ПК) сертифицированных главной геофизической обсерваторией им. А.И. Войекова (г. Санкт-Петербург).
При проведении атмосферноохранной экспертизы проекта нового предприятия, решается прямая задача моделирования загрязнения атмосферы.
При установлении ПДВ для существующего предприятия, решается обратная задача – подбираются такие значения выбросов Х, при которых в прилегающих к предприятию жилых районах приземные концентрации С не превышают санитарную норму N.
В соответствии с нормативными документами по нахождения ПДВ [1,4] в этом случае обратная задача решается путем подбора реальных (технологически применимых) для данного производства атмосфероохранных мероприятий (АОМ), таких как замена оборудования, установка газоочистки и т.д. Фактически, обратная задача решается при этом методом подбора. Однако при большом числе источников большую помощь в выборе первоочередных мероприятий дает решение задачи форматизированными методами. Пользуясь линейностью модели ОНД-86 по выбросам источников можно представить загрязнение атмосферы в контрольных точках жилой зоны в виде линейной формы:
,
где - концентрация в i-ой точке, - выброс j-го источника, - вклад j-го источника в i-й точке, который в дальнейшем будем называть коэффициентом влияния.
Санитарные требования приводят к системе линейных неравенств:
,
решение которой ищется на интервале
,
где - технологически обоснованный минимум выброса j-го источника.
На сегодняшний день в методической литературе описаны два метода нахождения решения поставленной задачи: МРН-87 [24] и метод равного квотирования [25]. Оба метода дают частное решение поставленной системы неравенств из соображений удобства нахождения единственного решения. Однако любое предприятие заинтересовано в минимальных затратах, необходимых для установления нормативных выбросов . Для этой цели, к поставленной системе неравенств добавляем целевую функцию:
,
где в общем случае - стоимость снижения на единицу выброса для j-го источника. В данном виде решение Xj дает минимум затрат на достижение нормативного загрязнения атмосферы.
В предположении получаем
,
что эквивалентно .
Следовательно, задача сводится к поиску максимально допустимого по сумме сочетания выбросов Xj данного предприятия, позволяющего достичь нормативного загрязнения атмосферы. В связи с линейностью модели ОНД-86 по отношению к выбросам для поиска решения поставленной задачи может быть применён симплекс-метод.
Целью настоящей работы является разработка программного модуля для расчета оптимальных значений ПДВ с использованием симплекс-метода. Данный модуль должен не просто реализовать решение задачи линейного программирования, но и быть интегрирован в среду программного комплекса ЭРА-ВОЗДУХ, который предназначен для решения проектных задач, использует стандартизированные данные об источниках выбросов, метеорологических параметрах распространения примесей и выдает выходную информацию в установленной нормативными документами форме (подробности на сайте www.logos-plus.ru). После разработки и отладки модуля в работе предполагается решить задачу на основе реальных данных и сравнить оптимальное решение с методами, описанными в методической литературе.
1. Существующая система установления ПДВ для промышленных источников
Нормативы и показатели загрязнения атмосферы
Основными нормативами чистоты атмосферы, лимитирующими загрязнение (следовательно и выбросы ИЗА), являются предельно допустимые концентрации (ПДК) для населенных мест, которые подразделяются на среднесуточные (ПДКс - длительных периодов воздействия) и максимально-разовые (ПДКр - 20-ти минутного осреднения) [6,7,8]. Такие ПДК отражают критерии качества воздуха для человека (гигиенические). В документах [1,5] при определении допустимых выбросов в атмосферу предусмотрен учет ПДК для растительности, животного мира, сельхозугодий и т.д. (экологические) с выбором в качестве определяющей наиболее жесткой величины. Однако пока утвержденные какими-либо нормативными документами экологические ПДК отсутствуют [1], а управление выбросами ведется с ориентацией только на гигиенические ПДК.
ПДКс имеет цель предупреждение хронического воздействия ЗВ при длительном вдыхании. Концентрация ЗВ в пределах ПДКс не должна оказывать на человека прямого или косвенного воздействия при неограниченно продолжительном вдыхании. Поэтому и гигиенистами [9] и специалистами по атмосферной диффузии [10] отмечается, что ПДКс, несмотря на название, можно использовать для таких времен осреднения, как год или сезон. Список ПДКс дополняют максимально разовые предельно допустимые концентрации (ПДКр), при установлении которых учитывается рефлекторное воздействие. В случае отсутствия какого-либо ПДК используется уравнение ПДКр=10ПДКс. Для ряда ЗВ, по которым пока не определены нормативы ПДК, расчетным путем установлены ориентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ), используемые в качестве ПДКр. На сегодняшний день в перечне [7] около 3000 веществ имеющих какой-либо норматив ПДК. В нашей стране в качестве основной размерности ПДК принят мг/м3.
Рассмотрение списка ПДК показывает, что отношение ПДКр/ПДКс лежит в интервале от 1 до 20.
Наличие ПДК, регламентирующих как длительное, так и кратковременное воздействие ЗВ на здоровье человека, свидетельствует, что показателями загрязнения атмосферы населенных мест должны являться концентрации, согласованные с ПДКс и ПДКр по времени осреднения. Таким образом, названными показателями будут среднегодовая Сг и разовая С концентрации, периодами осреднения которых являются год и 20 минут соответственно.
В настоящее время, согласно [1], считается, что чистота ВБ населенных мест для некоторого ЗВ соответствует нормативной, если на границах санитарно-защитных зон предприятий и в пределах жилой зоны выполняется неравенство
См < mПДКр (1.1)
где См – максимальная суммарная концентрация данного ЗВ; m = 0.8 для особо охраняемых территорий и m = 1.0 в остальных случаях. К особо охраняемым территориям относятся места массового отдыха населения (подробно см. [16]) и территории размещения лечебно-профилактических учреждений длительного пребывания больных и центров реабилитации. В качестве См берется вычисленная по [2] суммарная от всех источников концентрация, достигающаяся при неблагоприятном сочетании метеорологических условий (МУ) и параметрах выбросов ИЗА данного ЗВ. Однако, как отмечается в [10], “при планировании долгосрочных АОМ часто невозможно или экономически нецелесообразно предусматривать, чтобы абсолютно ни при каких МУ концентрации примесей не превышали ПДКр. Обычно оказывается достаточным учесть часто наблюдаемые неблагоприятные МУ, а на периоды особо опасных аномальных МУ вводить в действие оперативные АОМ”. Поэтому в неравенстве (1.1) под См подразумевается не абсолютный максимум, а разовая концентрация при так называемых “нормальных неблагоприятных метеоусловиях”. Частота появления МУ, способных вызвать большее загрязнение ВБ (называемых “аномальными, неблагоприятными”) при тех же уровнях выбросов зависит от метеорологического режима района расположения предприятий [10]
Отсутствие в нормативных указаниях [1] аналогичного (1.1) неравенства для годового осреднения
Сг < ПДКс (1.2)
объясняется тем, что если (1.1) выполняется, то (1.2) для того же ЗВ будет следовать автоматически. Действительно, отношение ПДКр/ПДКс за редким исключением не превосходит 10, в то врем как отношение См/Сг числом из интервала от 25 до 40 [10]. Однако этот интервал относится прежде всего к случаю изолированного или группы близко расположенных ИЗА. В крупном промышленном городе, при наличии большого числа распределенных по территории и различных по типу источников, нижняя граница указанного интервала существенно снижается. Оценки отношения См/Сг на основе статистического анализа результатов стационарных наблюдений в различных городах России рассматриваются в работах Э.Ю.Безуглой [11,12]. Фактические соотношения между См/Сг для серистого ангидрида, полученные по данным регулярных наблюдений на 863 стационарных постах, расположенных в городах России показывают, что нормирование выбросов по разовым концентрациям в 30% случаев не обеспечит соблюдение (1.2). Кроме того, следует подчеркнуть, что определение риска от загрязнения атмосферы для здоровья населения основано именно на долгопериодных концентрациях ЗВ. Отсюда следует, что в общем случае следует предусматривать проверку обеих условий (1.1) и (1.2).
С начала 90-х годов в состав нормативных данных по загрязняющим веществам добавились базовые удельные стоимостные показатели [19] по выбросам каждого ЗВ за превышение нормативов предельно допустимых выбросов (ПДВ). Под ПДВ для предприятия понимается такая совокупность выбросов его ИЗА [1,3,4,5], при которой (с учетом фонового загрязнения атмосферы от других предприятий) соблюдается условие (1.1). За выброс в пределах установленного проектом нормативов ПДВ лимита предприятие платит базовый норматив (руб/тонну в год), а за превышение – в пятикратном размере. Кроме того, начисляемая плата умножается на коэффициент экологической ситуации (территориальный показатель, от 1.0 до 1.44) и коэффициент индексации. Для примера можно сказать, что годовая плата бытовой котельной может составлять от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч рублей, а крупного химического или металлургического предприятия достигает нескольких миллионов.
Здесь хотелось бы еще раз подчеркнуть, что при разработке проекта норм ПДВ условие (1.1) проверяется расчетным путем на основе данных о выбросах ИЗА с использованием методики ОНД-86 [2]. Следовательно, и плата за выброс зависит от локальной модели расчета загрязнения атмосферы, которая нормативно утверждена на федеральном уровне. Как и любая (а тем более - инженерная) модель столь сложного явления как атмосферная диффузия, она не описывает всех природных закономерностей и может допускать значительные погрешности. Тем не менее данная проблема в нормативных работах не обсуждается, поскольку в разрешении финансовых вопросов обязательно требуется ссылка на законодательно утвержденный документ, которым и является ОНД-86.
Дата: 2019-05-29, просмотров: 228.
