Введение к работе
Актуальность работы. Важнейшей проблемой современности, от решения которой во многом зависит наше будущее, является задача обеспечения экологической безопасности. Мировая общественность обеспокоена глобальным потеплением и ростом числа природных катастроф. Как считает большинство ученых, это вызвано выбросом в атмосферу огромных количеств загрязняющих веществ, в основном, продуктов сгорания углеводородных топлив.
В настоящее время со стороны ИМО значительно возросли требования к выбросу в составе отработавших газов судовых энергетических установок (СЭУ) различных токсических веществ: NОх , SO2, СО, СnНm, СО2 и др. Наиболее экологически опасные из них - выбросы оксидов азота и оксидов серы с отработавшими газами дизелей и котлов морских судов нормируются в рамках Приложением VI «Предотвращение загрязнения атмосферы с судов» к Международной конвенцией MARPOL 73/78, вступившим в силу с 19 мая 2005 года. В настоящее время принята программа поэтапного их снижения и уже с 1 июля 2010 года вступила в силу новая редакция Приложения VI, предусматривающая более жесткие требования к ним.
Несмотря на то, что вклад СЭУ в глобальное загрязнение воздушного бассейна во всех странах оценивается в 2 – 3 % от общего количества выбрасываемых вредных веществ всеми источниками, в местах интенсивного судоходства и скопления судов – портах, проливах, каналах и пр. – судовые дизели и котлы становятся мощными источниками локального и регионального загрязнения атмосферы.
Указанное требует разработки системы мониторинга выбросов рассматриваемых загрязняющих веществ в атмосферу с отработавшими газами (ОГ) судовых дизелей и котлов. Требует разработки методов прогнозирования влияния их выбросов на качество окружающей среды, без которой невозможно организовать качественный контроль администрациями морских портов выполнения судовладельцами требований VI приложения конвенции MARPOL 73/78.
Проблемам мониторинга и снижения выбросов загрязняющих веществ с отработавшими газами рассматриваемых энергетических установок в атмосферу для целей оценки текущего и прогнозирования возможного изменения качества окружающей среды посвящены работы ученых: Н.Н. Моисеева, В.Г. Шеманина, В.Е. Привалова, А.Э. Фотиади, А.А. Иванченко, В.И. Смайлиса, В.Н. Стаценко, А.Ф. Дорохова, В.Е Зуева, Р. Межериса, Ф.С. Робертса, Н.В. Чепурных, А.Л. Новоселов, В.Н. Холиной.
Несмотря на большой объем выполненных исследований и проведенных экспериментов, работы большинства ученых направлены на мониторинг выбросов загрязняющих веществ от стационарных энергетических установок или передвижных береговых транспортных средств, что подтверждает актуальность исследований направленных на мониторинг выбросов оксидов азота и оксидов серы в отработавших газах дизелей и котлов установленных на судах морского флота, обеспечивающих в глобальном масштабе перевозку преобладающего количества грузов.
Объект исследования: судовые дизельные и котельные установки.
Предмет исследования: система и метод мониторинга выбросов оксидов азота и оксидов серы с отработавшими газами дизельных и котельных установок судов, а также оценки текущего и прогнозируемого их вклада в изменение качества окружающей среды в местах скопления судов транспортного флота.
Цели и задачи исследования. Целью диссертации является разработка метода мониторинга выбросов загрязняющих веществ с отработавшими газами дизельных и котельных установок судов, оценки текущего и прогнозирования возможного изменения качества окружающей среды в местах скопления судов.
Для достижения поставленной цели в работе потребовалось решение следующих задач:
-
Анализ существующих средств и методов инструментального определения концентрации загрязняющих веществ в отработавших газах судовых дизелей и котлов, а также систем экологического мониторинга.
-
Разработка метода и обоснование выбора средств и методов текущего мониторинга концентраций оксидов азота и диоксида серы с отработавшими газами дизельных и котельных установок судов и прогнозирования уровня их влияния на окружающую атмосферу в местах скопления транспортных судов.
-
Обосновать привязку дистанционной системы мониторинга и контроля концентрации оксидов азота и диоксида серы в отработавших газах дизельных и котельных установок судов и окружающей их атмосфере на основе лидаров.
-
Проведение экспериментальной проверки разработанных рекомендаций, разработать метод использования Интернет-каналов для управления и переноса информационных потоков в центр управления системой.
-
Разработать логико-графическую модель для прогнозирования загрязнения воздушного бассейна выбросами вредных веществ с отработавшими газами судовых энергетических установок.
Методы исследования. В диссертации при решении поставленных задач использованы методы системного и статистического анализа, экспертных оценок, математического моделирования и экспериментальных исследований газодинамических, оптических и электрических процессов в элементах разрабатываемой системы.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
1. Методика обоснования выбора наиболее приемлемых средств и методов мониторинга оксидов азота и диоксида серы в составе отработавших газов дизельных и котельных установок судов и окружающем воздушном бассейне в местах скопления судов.
2. Обоснование выбора лазерных систем для текущего мониторинга оксидов азота и диоксида серы в отработавших газах дизельных и котельных установок судов, оптимальных режимов и параметров их работы.
3. Аппаратно-модульная система дистанционного мониторинга оксидов азота и диоксида серы в отработавших газах судовых дизельных и котельных установок и окружающее их атмосфере в местах скопления судов.
4. Логико-графическая модель прогнозирования загрязнения окружающей атмосферы в местах скопления судов выбросами оксидов азота и диоксида серы с отработавшими газами судовых котлов и дизелей.
Новизна научного исследования заключается:
- в разработке обоснованной методики, базирующейся на использовании экспертных оценок, позволившей выполнить обоснованный выбор средств и методов контроля концентраций оксидов азота и диоксида серы в составе отработавших газов судовых котлов и дизелей и окружающем воздушном бассейне в местах скопления судов;
- в обоснованной комплектации лазерной системы мониторинга и определении оптимальных режимов и параметров ее работы в процессе дистанционного измерения концентраций оксидов азота и диоксида серы в продуктах сгорания судовых котлов и дизелей, подтвержденной экспериментально найденными значениями постоянных исследуемых молекул и расчетами на базе уравнения лазерного зондирования;
- в разработке системы контроля загрязнений прилегающей к местам скопления судов атмосферы с использованием предложенных информационных модулей обработки и хранения данных, полученных применением лазерных систем зондирования выбросов оксидов азота и диоксида серы с отработавших газов судовых котлов и дизелей;
- в новой логико-графической модели, позволяющей получить количественные данные и прогнозировать влияние выбросов загрязняющих веществ судовыми энергетическими установками на состояние окружающей среды, построенной на основе системного подхода и теории ориентированных графов.
Достоверность научных результатов обеспечивается использованием комплекса последовательных поэтапных общепринятых методов исследования: экспертных оценок, системного анализа, математического моделирования, проведением натурных экспериментальных исследований, использованием статистических методов обработки данных и оценки погрешностей. При таком подходе погрешности, допущенные в ходе предварительных исследований, выявляются на этапе более углубленных теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая ценность диссертации заключается в получении опытных результатов, способствующих решению важной задачи контроля выбросов диоксидов азота и серы с отработавшими газами судовых дизелей и котлов, мониторинга загрязнения воздушного бассейна указанными выбросами с отработавшими газами судовых дизелей и котлов, которые могут быть использованы администрациями морских портов, работающими над созданием и внедрением новых систем дистанционного мониторинга, судовладельцами, эксплуатирующими суда морского, речного, рыбопромыслового флотов, проектными научными организациями.
Результаты диссертации, подтвержденные актами, внедрены:
- в ФГУ «Администрация морского порта Новороссийск»;
- в ОАО «Новошип» – Группа компаний Совкомфлот;
- в ООО «Туапсинский балкерный терминал»;
- в ООО «Центр безопасности транспортных систем», г. Новороссийск;
- в учебный процесс ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» при подготовке инженеров по специальности 180403 «Эксплуатация судовых энергетических установок» и инженеров-экологов по специальности 280202 «Инженерная защита окружающей среды».
Апробация результатов исследования. Основные материалы диссертации поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на трех международных и трех региональных научно-технических конференциях, а также представлялись на стендах Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт – 2009» (в рамках 200-летия транспортной отрасли) и на IV Международной Выставке «Транспорт России 2010» в г. Москве.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ. Из них 4 статьи по перечню ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объём работы. Диссертация, объёмом 160 страниц, состоит из списка сокращений, введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 110 наименований, 31 рисунка, 12 таблиц, списка опубликованных работ автора по разделам диссертации, приложения, включающего акты внедрения результатов исследования в практическую деятельность организаций и учебный процесс.
