3. Автоматизированные системы контроля загрязнения воздушного бассейна

Бурное развитие промышленности, энергетики, транспорта и сельскохозяйственного производства, в особенности во второй половине XX в., увеличило загрязнение атмосферы вредными газами, которое в ряде случаев привело в некоторых странах к катастрофическим последствиям - массовым заболеваниям и гибели люден (например, при лондонских смогах и др.,).

Борьба с загрязнением воздуха (3В) в промышленных районах, городах и на промышленных площадках заводов, фабрик и ТЭС представляет сложную научно-техническую задачу, основой для решения которой является наличие надежных методов и средств контроля и прогнозирования качества воздушной среды.

При решении комплекса перечисленных вопросов пользуются термином «мониторинг атмосферы», в который включают анализ, контроль (т. е. наблюдение и оценка), прогноз основных параметров состояния и управление качественным составом атмосферы. В нашей стране данная проблема решается под общим руководством Государственного комитета Украины по гидрометеорологии и контролю природной среды. Наиболее сложным и трудоемким вопросом является создание эффективных средств и методов контроля загрязнения воздушной среды современного промышленного города, содержащей множество веществ, в том числе - вредных, с постоянно меняющейся концентрацией. Так, для воздуха населенных пунктов стандартом установлена ПДК по 120 веществам к 25 их комбинациям.

Все методы и средства анализа состава атмосферного воздуха можно разделить на четыре группы:

1) аналитические методы лабораторного анализа воздуха;

2) автоматические приборы для определения концентрации загрязняющих атмосферу веществ;

3) автоматизированные системы контроля загрязнения окружающей среды - АСКЗ;

4) дистанционная лазерная локация загрязнения атмосферы. Аналитическому методу предшествует разовый эпизодический (или в установленные заданием определенные отрезки времени) отбор проб воздуха с последующим их анализом и обработкой. Применяются инструментальные, химические и биологические разновидности аналитического метода. Из химических наиболее широко используются микрокалориметры, позволяющие с необходимой для практики точностью производить экспресс-анализ концентраций паров и пылей металлов, формальдегидов, оксидов азота и углерода, аммиака, сероводорода, фтора и других соединений. Инструментальные методы (спектрофотомерия, ультразвуковой и др.) - сложные и в промышленных условиях практически не применяются, а биологические, хотя и обладают высокой чувствительностью, но в основном дают лишь качественную оценку определяемого вещества.

Автоматические методы газового анализа целесообразно использовать в автоматизированных системах контроля загрязнения атмосферы (АСКЗ-А) в виде непрерывнодействующих приборов-датчиков для телеконтроля основных вредных ее ингредиентов. Была создана серия автоматических приборов для определения в указанных ниже пределах концентраций пяти ингредиентов (табл.2).

В условиях возрастающего загрязнения атмосферы городов и промышленных центров возникла необходимость создания на базе автоматических приборов автоматизированных систем для оперативной оценки состояния о загрязнении воздуха (3В) и предупреждения опасных ситуаций, возникающих в отдельных районах.

Таблица 2. Приборы-датчики АСКЗ-А

При ззначительных выбросах вредных веществ предприятиями, транспортом и другими источниками в условиях изменяющейся метеорологической обстановки. АСКЗ-А состоит из разветвленной сети непрерывно действующих датчиков вредных ингредиентов и метеопараметров и включает телеметрическую аппаратуру централизованного сбора и обработки (с помощью ЭВМ) получаемой от датчиков информации, которая используется для прогноза ожидаемого уровня загрязнения и оперативного управления качеством атмосферы данного региона. Первые работы по научному обоснованию, разработке и внедрению АСКЗ-А в нашей стране были выполнены в Институте технической теплофизики (ИТТФ) под руководством академика А. Н. Щербаня и доктора технических наук А. В. Примака. Алгоритм данной системы включает:

1) оперативный сбор информации от отдельных пунктов города - контрольно-замерных станций (КЗС) - об уровне концентрации вредных веществ и величине метеопараметров;

2) контроль достоверности полученных данных и передачу информации в центральную станцию (ЦС), где производится их оценка и анализ репрезентативности всей получаемой информации, и принимаются решения по управлению качеством состояния атмосферы. Здесь же на ЦС накапливается информация о 3В, производится ее обработка, усреднение (данные «пиковых» загрязнений: среднесуточные, месячные, сезонные и годовые) и передача систематизируемого и прогнозируемого материала в соответствующие организации и Информационный центр общегосударственной системы контроля загрязнения окружающей среды. Одновременно с этим создаются картотеки источников 3В с данными о их месторасположении и характеристикой качественного состава воздуха, определяются степень опасности загрязнения и возможности снижения его интенсивности в критических для данного района ситуациях (когда возникает необходимость регулирования выбросов); выдаются предупреждения о необходимости принятия срочных мер для ликвидации опасности критического 3В в данном районе. Одновременно с этим полученная от АСКЗ-А информация - это база для анализа и оценки эффективности работы очистных устройств, планирования и проведения необходимых научно-исследовательских работ, основа для повышения эффективности существующих и разработки новых очистных устройств и проведения других организационных и технических мероприятий по охране воздушного бассейна.

Для эффективного контроля загрязнения атмосферы города с населением до 100 тыс. чел. минимальное число КЗС должно быть не менее 3, до 300 тыс. чел.- 5, до 500 тыс. чел.- более 7, свыше 1 млн. чел.- от 11 до 24.

Кроме КЗС, которые рассредоточены по городу, в районах жилых массивов, около промышленных предприятий и вдоль автомагистралей целесообразно иметь передвижные замерные пункты (ПЗП), которые оборудуются необходимым комплектом аппаратуры для замера метеопараметров (температуры, влажности, скорости движения воздуха и барометрического давления) и концентрации вредных веществ, загрязняющих атмосферу.

В Украине выпускается серийно передвижная лаборатория «Атмосфера» на базе автомашины УАЗ-452А. Она имеет газоанализаторы ГКП-1 «Атмосфера-1» и «Атмосфера-2», барометр-анероид М-67, установочное оборудование и стенды, что позволяет производить: одновременный отбор до шести проб воздуха с последующим анализом ингредиентов; отбор пробы на пыль, сажу и инструментальный анализ SО2, Н₂S, О₂ и С1₂.

Для передачи информации от сети КЗС в системе предусматривается аппаратура передачи данных (АПД), а для отбора и обработки информации - информационно-вычислительный центр, включающий ЦС. Она осуществляет передачу команд и вызов (опрос) КЗС, синхронизирует их работу и накопляет информацию, а также имеет вычислительный центр (ВЦ), который оборудован ЭВМ и выполняет обработку информации КЗС.

Работа КЗС происходит следующим образом. Установленный на станции датчики концентрации вредных ингредиентов и метеопараметров выдают непрерывный аналоговый сигнал и усилитель-преобразователь производит их масштабирование и унифицирование, а первый коммутатор станции последовательно (друг за другом) подключает выходы таких сигналов от датчиков к единому аналого-цифровому преобразователю (АЦП), который преобразует аналоговую информацию в цифровую (двоичный код). Второй коммутатор последовательно подсоединяет выход АЦП к устройствам суммирования результатов отдельных измерений от каждого датчика к блокам памяти дискретного вида; КЗС по команде от ЦС последовательно опрашивает ячейки памяти каждого датчика и через устройство вывода информации выдает ее в АПД для очередной передачи в канал связи. В данном случае используются коммутируемые телефонные каналы связи, которые допускают уверенную передачу данных со скоростью до 600 бит/с.

При небольшом объеме информации ее накопление можно производить на перфоленте или телетайпе с дальнейшей обработкой на серийной ЭВМ. При расширении системы и увеличении информации целесообразно использовать специализированную ЭВМ, работающую в реальном масштабе времени. Структурная схема АСКЗ-А приведена на рис.

В зависимости от характера и объема задач, решаемых автоматизированными системами контроля окружающей среды, их можно разделить на пять типов: промышленные, городские региональные, общегосударственные и глобальные

Промышленные системы контролируют выбросы промышленного предприятия, степень загрязнения его промплощадок и прилегающего к нему района. Обычно они входят в систему предприятия и имеют датчики, характерные для ингредиентов его выбросов и метеодатчики, которые располагаются с учетом места выбросов вредностей в атмосферу, «розы ветров» и характера размещения жилых массивов в районе промышленного предприятия.

Городские системы предназначены для контроля уровня загрязнения воздушного бассейна города выбросами промышленных предприятий, автомобильного транспорта и измерения метеопараметров. Они позволяют установить величину загрязнения с учетом времени года и климатических факторов, «вклад» каждого источника загрязнения и всестороннюю его характеристику, прогнозировать опасные ситуации смогового характера, информировать о возможности их возникновения и других особенностях атмосферы контролируемого региона партийные и советские органы, а также руководителей отдельных предприятий.

Региональные системы обычно не имеют КЗС, а получают сведения о загрязнении атмосферы и водоемов от городских и промышленных АСКЗ. Они предназначены для статистической обработки и анализа данных о загрязнении окружающей среды на значительных территориях, на базе которых проводятся исследования и прогнозирование, а также разработка научно обоснованных рекомендаций по охране природной среды,

Общегосударственные системы получают материалы о загрязнении и состоянии окружающей среды от региональных систем, с искусственных спутников Земли и космических орбитальных станций. Они функционируют совместно со службой погоды Госкомгидромета и осуществляют прогнозирование состояния загрязнения атмосферы на больших территориях страны.

Глобальные системы мониторинга окружающей среды используются для исследований и охраны природы, осуществляемых па основании международных соглашений в этой области. Ряд стран имеет сеть наземных станций, на которых осуществляется непрерывный отбор и анализ проб на присутствие в атмосфере загрязняющих веществ, СО, СО2, пыли свинца, а также изотопов некоторых элементов (радионуклидов) естественного и искусственного происхождения.

Заслуживает внимания созданная система мониторинга фонового загрязнения окружающей природной среды, которая имеет сеть специальных станций в различных природных зонах и районах, значительно удаленных от локальных источников загрязнения, и, в частности, в биосферных заповедниках. Она охватывает все основные типы природных зон и предусматривает организацию систематических и комплексных фоновых наблюдений в семи главных типах зональных экосистем: арктических пустынь, сухих и луговых степей, таежных лесов и др.

Основу работ по автоматизированному мониторингу окружающей среды в нашей стране составляют системы семейства АНКОС (автоматического наблюдения, контроля окружающей среды) - специализированных аналитических станций.

Система АНКОС решает четыре основные задачи:

1. намерение уровня загрязнения в расположении КЗС;

2. оценка состояния загрязнения атмосферы и поверхностных вод;

3. прогноз уровня загрязнения воздушного и водного бассейна;

4. локализация интенсивных источников выбросов загрязняющих веществ. Структурная схема системы АНКОС для воздушного и водного бассейнов идентична описанной выше АСКЗ-А (дли контроля атмосферы), а для контроля загрязнения поверхностных вод (АНКОС-В) в систему включены автоматические анализаторы состава воды. Кроме стационарных КЗС в систему АНКОС-А в АНКОС-В могут быть включены и описанные выше передвижные замерные станции.

Кроме стационарной КЗС типа «Пост-1» и передвижной лаборатории «Атмосфера-2» разработана более совершенная КЗС для контроля загрязнения атмосферы «Воздух-1». Кроме непрерывного анализа воздуха на СО и SО₂, а также измерения метеопараметров и регистрации информации от датчиков на перфоленте (т. е. непосредственно ввода ее в ЭВМ) станция обеспечивает автоматический отбор проб воздуха для последующего анализа одновременно на 4 газовых ингредиента и возможность ручного отбора проб воздуха одновременно также на 4 ингредиента и пыль.

Своеобразная промышленная система применена для автоматизированного контроля загрязнения воздуха в районе тепловой электростанции (ТЭС) на Запорожской ГРЭС, общая мощность которой составляет 3600 МВт, а высота дымовых труб 320 м. Учитывая наличие большого объема выброса и повышенного содержания в отходящих дымовых газах вредных веществ, предусмотрена подсистема контроля концентрации в них сернистого газа и оксидов азота автоматическими газоанализаторами, установленными непосредственно в дымовых трубах. Одновременно с этим по показаниям цилиндрического термоанемометра замеряется расход и температура продуктов сгорания.

Замер метеопараметров производятся на специальной метеовышке Скорость и направление ветрового потока замеряются анеморумбометрами, установленными на отметках 0,5; 2; 10; 23 и 45 м, а температура воздуха - электрическими термометрами сопротивления ПТС-500. Кроме того, определяется температурный градиент по показаниям датчиков, которые расположены на светофорных площадках дымовой трубы на отметках-45; 100; 200 и 260 м.

Контрольно-замерные станции (КЗС) с автоматическими газоанализаторами размещаются в специальных павильонах, которые установлены в зонах максимальных концентраций вредных газов, выбрасываемых трубами ТЭС, и вблизи жилых массивов. Чтобы уточнить концентрацию оксидов азота и сернистого газа в атмосфере (вблизи от оси факела, т. е. непосредственно под дымовым шлейфом), используют передвижную КЗС, обеспечивающую передачу информации на центральную станцию (ЦС). Далее по каналам АТС все данные от стационарных и передвижных КЗС поступают в центр сбора информации на ЦС, где имеется выходное устройство, включающее перфоратор, электрическую пишущую машинку и информационное табло, и предусматривается механизированная обработка информации с помощью ЭВМ (микропроцессора). Таким образом, автоматизированная система позволяет накопить и обработать очень ценный материал о загазованности воздушного бассейна в районах, расположенных вблизи интенсивных источников загрязнения атмосферы.

Рассмотренные примеры некоторых систем являются лишь небольшой частью той огромной работы, которая проводится в нашей стране по практической реализации Закона Украины «Об охране атмосферного воздуха».

Внедрение АСКЗ-А обеспечивает непрерывный, более качественный контроль загрязнения атмосферы и существенно сокращает суммарные расходы на его осуществление по сравнению с обычным «ручным» методом, когда его производит штат наблюдателей и применяет обычные методы сбора и обработки информации. Однако такой автоматизированный контроль требует значительных затрат на приобретение и монтаж дорогостоящего оборудования.

Это положение привело к необходимости изыскания новых, более дешевых методов и средств для оперативного контроля загрязнения воздушного бассейна и, в частности, использования в этих целях лазеров. Диапазон длин волн, излучаемых лазерами, охватывает видимый спектр, инфракрасную и ультрафиолетовую области электромагнитных колебаний с длинами волн, мкм: 0,49... 0,51; 0,53; 0,63; 0,694; 1,06; 10,6.

Основой лазерной локации как дистанционного метода контроля загрязнения атмосферы является рассеяние электромагнитных волн на компонентах-загрязнителях воздуха. Импульс излучения лазера направляется в воздушное пространство по заранее выбранной трассе и пересекает исследуемую часть атмосферы; рассеянная часть излучения регистрируется чувствительным приемником и по специальному составу принятого излучения и его интенсивности определяется вид загрязнения, оценивается его концентрация, а по запаздыванию сигнала - расстояние - загрязняющего слоя от земной поверхности. Зондирование атмосферы может осуществляться на базе серийного лазерного оборудования. Работы целесообразно выполнять в ночное время, но данные информационного характера могут быть получены и днем. Электропотребление измерительного комплекса составляет несколько киловатт; обслуживается он тремя операторами и может быть выполнен в полевом исполнении. Лазернолокационные измерения атмосферы могут проводиться по высоте от 20...100 м до 40.,.50 км, а радиус лазерной локации составляет несколько километров (по горизонтали 3...10 км из одной точки). Обычно замеряемая концентрация аэрозолей находится в пределах от 0,001 до 10 мг/м³; по степени загрязнения здесь выделяют 6 классов, (мг/м³⁾: меньше 0,15; 0,15...0,5; 0,3...0,45; 0,45...0,75; 0,75..., больше 1.

Место установки лазерного локатора должно быть выбрано с учетом равномерного перекрытия площади всего города, на максимально возможно высоких крышах зданий, обеспеченных выводом электросиловой сети напряжением 380/220 В. Такой дистанционный метод контроля атмосферы с помощью лазерной локации дает возможность осуществить картографирование загрязнений воздушного бассейна города на различных высотах, изучить динамику возникновения и распространения их в отдельных регионах, установить опасные очаги загрязнений и оперативно их ликвидировать. Полученные при этом карты загрязнений и качества атмосферы являются основой для разработки комплекса мероприятий по оздоровлению воздушного бассейна; базой для проектных предложений по организации санитарно-защитных зон промышленных предприятий, выносу наиболее интенсивных источников выбросов за пределы города; рациональному размещению зон отдыха и зеленых насаждений; совершенствованию технологии производства и схемы транспортных магистралей и т. п. Лазерная локация позволяет: систематически контролировать эффективность разработанных на ее основе и осуществленных в городе природоохранных мероприятий по защите атмосферы от загрязнения; повышать уровень охраны окружающей природной среды; существенно снижать затраты времени и средств.

Новые, еще более широкие перспективы для решения указанных выше задач по контролю качества воздушного бассейна города открывает использование в этих целях химических лазеров, позволяющих осуществить полное преобразование химической энергии и энергию лазерного излучения.