Введение к работе
Актуальность работы. Одной из ключевых сфер деятельности человечества, оказывающих негативное влияние на окружающую природную среду, является энергетика, которая по масштабам воздействия на климат планеты превосходит все остальные антропогенные факторы и сравнима лишь с мощными природными силами. В настоящее время мировая энергетика носит преимущественно природоразрушающий характер. Наряду с локальными экологическими бедствиями, такими как загрязнение воздуха, воды и почвы, существует также опасность резкого усиления парникового эффекта в результате сжигания органического топлива, сопровождаемого выбросами углекислого газа, что приводит к дальнейшему более заметному повышению средней температуры атмосферы (за последние 100 лет она повысилась на 0,6 градуса) и изменению климата нашей планеты. Такое положение усугубляется тем, что при эксплуатации как тепловых, так и атомных электростанций происходят также значительные тепловые выбросы в окружающую среду (градирни, пруды-охладители и др.), так как КПД преобразования тепловой энергии в электрическую составляет в среднем 30-45 %.
Прошла всего пара десятилетий с тех пор, как в мировом сообществе заговорили о глобальном потеплении, а переломные моменты начинают следовать один за другим. Полученные данные свидетельствуют о растущем числе случаев засухи и, соответственно, наводнений, а также катастрофическом сокращении размеров ледников, которые питают водой города, расположенные в Южной Америке и на азиатском субконтиненте. Исследования ледников Гренландии и западной Антарктики показывают, что ледяные щиты, размываемые нагревающимися морскими водами, стали перемещаться в направлении океана. По прогнозам экологов уровень воды в мировом океане в течение столетия может подняться почти на 2 метра, что представляет реальную угрозу для всей цивилизации. В таких экологических последствиях нет ничего неожиданного. Ведь сейчас бесконтрольно используется углеводородное топливо, которое образовалось под воздействием солнечного излучения и копилось в недрах Земли на протяжении многих миллионов лет. Поэтому экологическая политика, наряду с состоянием ресурсной базы, становится одним из главных регуляторов развития мировой энергетической отрасли.
Существенное отрицательное воздействие энергетики на биосферу и условия жизни людей вызывает необходимость срочного решения двух научно- технических проблем: повышение эффективности технических средств и методов защиты окружающей среды от действующих объектов энергетики; освоение новых экологически чистых технологий для получения энергии, так как применение возобновляемых источников энергии (вода и ветер) носит локальный характер и вызывает определенные экологические последствия (нарушение режима рек и опасные низкочастотные колебания в окружающей среде).
Цель работы. Цель диссертационной работы заключается в исследовании и разработке способов снижения негативного воздействия основных объектов энергетики (ТЭС и АЭС) на окружающую природную среду с использованием инновационных технологий и систем. Для реализации этой цели были определены следующие задачи:
-
Защита окружающей природной среды от вредных выбросов оксидов азота в котельных установках путем оптимизации процесса сжигания топлива.
-
Повышение уровня контроля и степени очистки воздуха, воды и почвы от загрязняющих веществ.
-
Ограничение выбросов углекислого газа в атмосферу при эксплуатации энергетических объектов, сжигающих органическое топливо
-
Усиление экологической безопасности АЭС путем повышения надежности оперативного персонала.
-
Обоснование фотокаталитического разложения воды для получения водорода в солнечно-водородной энергетике, которая не вызывает поступление вредных веществ в окружающую среду и не нарушает тепловой баланс Земли.
Научная новизна работы:
-
показана возможность применения технологий искусственного интеллекта и наноструктурных материалов для решения экологических проблем в энергетике;
-
впервые в отечественной практике проведена цифровая обработка непрерывного изображения пламени в горелках действующей котельной установки;
-
предложена модель интеллектуальной системы для мониторинга и управления процессом горения на основе использования нейронных сетей и цифровой обработки изображения пламени;
-
выявлены факторы, определяющие поведение и ошибки персонала, а также показатели, характеризующие его надежность, на основе комплексного анализа роли человеческого фактора во время аварийных ситуаций; разработана интеллектуальная система для оценки профессиональной подготовки оператора;
-
выбраны наносистемы для контроля газообразных выбросов и водной среды на основе применения наноструктурных материалов: самособирающихся мономолекулярных слоев на мезопористых подложках (СМСМП) и углеродных нанотрубок (УНТ);
-
рекомендованы наноструктурные материалы для очистки грунтовых вод от тяжелых металлов от ТЭС и радиоактивных элементов от АЭС с использованием наноразмерного нуль-валентного железа (ННВЖ);
-
рекомендовано для улавливания углекислого газа из дымовых газов котельных установок вместо достаточно дорогих традиционных методов удаления использовать материалы СМСМП с аминовым сорбентом и метал- лоорганические каркасные полимеры, включающие ионы магния;
-
предложен пакет программных продуктов для моделирования процессов наноочистки грунтовых вод от вредных загрязняющих веществ;
-
рекомендованы наиболее эффективные наноструктурные материалы для создания солнечных элементов;
-
выбраны методы фотокаталитического разложения воды на молекулярном уровне с целью получения водорода для использования в солнечно- водородной энергетике.
Практическая значимость. Использование разработанной нейросетевой модели для управления процессом горения на отечественных ТЭС даст возможность повысить эффективность топочного процесса и снизить выбросы оксидов азота в окружающую среду.
Применение интеллектуальных систем обучения и подготовки оперативного персонала энергетических экологически опасных объектов (АЭС) позволит повысить надежность операторов, снизить количество аварий и загрязнение окружающей среды.
Применение рекомендованных наноструктурных материалов при мониторинге и очистке воздушной и водной среды приведет к существенному улучшению экологического состояния природной окружающей среды.
Осуществление на наноразмерном уровне фотокаталитического разложения воды с получением молекулярного водорода даст возможность создать солнечно-водородную энергетику, самую экологически чистую энергетику, когда при использовании водорода не происходит никаких выбросов загрязняющих веществ и не выделяется дополнительное тепло в окружающую среду (происходит лишь внутреннее перераспределение на Земле поступающей солнечной энергии).
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
-
методология цифровой обработки и анализа непрерывного изображения пламени в горелках котлов;
-
нейросетевая модель мониторинга и управления процессом горения в котельных установках;
-
результаты анализа причин ошибок оперативного персонала во время аварийных ситуаций и оценка профессиональной подготовки оператора энергетических объектов;
-
функциональные свойства и структуры наносистем, предназначенных для контроля и очистки атмосферы и грунтовых вод от загрязняющих органических веществ, тяжелых металлов и радиоактивных элементов, возникающих при эксплуатации АЭС;
-
наиболее эффективные наноструктурные материалы для создания солнечных элементов;
-
методы фотокаталитического разложения воды на молекулярном уровне с целью получения водорода для его использования в солнечно-водородной энергетике.
Личный вклад автора. Самостоятельная работа автора диссертации заключается в постановке задач исследования экологических проблем в энергетике с применением инновационных технологий и систем, в разработке и обосновании способов и методов, позволяющих снизить негативное воздействие энергетики на окружающую природную среду, в анализе результатов исследований и составлении рекомендаций по дальнейшему использованию полученных результатов в промышленных испытаниях. Решение задач по применению интеллектуальных систем для мониторинга и управления процессом горения в котельных установках проводилось автором совместно с Беликовым С. Е., который выполнял экспериментальную часть работы, а автор диссертации — постановку задачи, расчетно-теоретическую часть и анализ результатов работы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и форумах: XXXIII научная конференция «Электронный мир МГОУ», г. Москва, 2002 г.; XV Международная конференция «Информационные технологии в образовании ИТО-2005», г. Москва, 2005 г.; Международная научно-практическая конференция «Нанотехнология и информационные технологии — технологии XXI века», г. Москва, 2006 г.; V Международное совещание по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и транспорте, г. Москва, 2006 г.; 4-й Международный форум «Энергетика и экология», г. Москва, 2008 г., VI Международное совещание по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и транспорте, г. Москва, 2009 г.; Международная научно-техническая конференция «Нанотехно- логии и наноматериалы», г. Москва, 2009 г.; II Международный форум по нанотехнологиям «Роснанотех-2009», г. Москва, 2009 г.; XIX Международная конференция «Информационные технологии в образовании ИТО-2009», г. Москва, 2009 г.; Международная научно-практическая конференция «Исторические, научные и социальные проблемы отечественной космонавтики», г. Москва, 2010 г.; IV Международная научно-практическая конференция «Энергия и энергоэффективные технологии», г. Липецк, 2010 г.
Публикации. Содержание диссертационной работы изложено в 48 печатных публикациях, в том числе в 8 книгах и 13 статьях, которые опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы, включающего 185 наименований. Общий объем работы составляет 243 стр., в том числе 47 рисунков и 2 таблицы.
