Сеть комплексных систем для экологической реабилитации и способ управления такой сетью

Группа изобретений относится к системе для экологической реабилитации, требующейся после атмосферного загрязнения. Сеть содержит одну или несколько комплексных систем (BAT), предназначенных для выполнения экологической реабилитации и абсорбции загрязнений воздуха, способных обрабатывать поток воздуха со скоростью, превышающей 10 м³/ч, коррелирующих по времени и взаимосвязанных с трехмерным пространственным распределением на уровне земли, а также на подземных и на возвышенных уровнях относительно уровня земли, центральную операционную систему (COS), предназначенную для управления данной сетью и указанными одной или несколькими комплексными системами. Комплексные системы структурно организованы в виде одного или нескольких кластеров, при этом каждый кластер содержит комплексную систему в качестве ведущего компонента и несколько комплексных систем в качестве подчиненных компонентов, каждый подчиненный компонент подчиняется соответствующему ведущему компоненту и каждый ведущий компонент подчиняется указанной центральной операционной системе, в которой комплексная система контролируется указанной центральной операционной системой так, чтобы управлять уровнем вклада каждой комплексной системы в указанную экологическую реабилитацию и абсорбцию загрязнений в зависимости от результатов измерения степени загрязнения, и в которой комплексная система содержит первое измерительное устройство, предназначенное для выполнения измерений: параметров окружающей среды, температуры, давления, влажности, скорости и направления ветра, плотности в текучей среде одного или нескольких из оксидов углерода, оксидов азота, оксидов серы, озона, метана, бензола, спирта, РАН (полициклические ароматические углеводороды), твердых частиц, H₂, H₂S, углерода, кислорода, серы, диапазона диаметра твердых частиц. Повышается эффективность экологической реабилитации. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к сети комплексных систем для экологической реабилитации и к способу управления такой сетью и, в частности, к высокоинтенсивной пространственной сети взаимосвязанных комплексных систем для экологической реабилитации.

Уровень техники

Атмосферные загрязнения представляют серьезную проблему, требующую быстрого решения в ближайшем будущем, по меньшей мере для существенного снижения глобального загрязнения и следующих их него побочных эффектов в отношении здоровья и возрастания температуры.

Основными источниками загрязнения атмосферы являются транспортные системы (около 40%), системы жилищного сектора (около 30%), другие источники (30%). Из них городские районы, где проживает 70% людей, приблизительно на 57% страдают от накопления загрязнений, возникающих в результате эксплуатации транспорта и жилого фонда.

Принципы снижения атмосферного загрязнения известны и глубоко изучены; главным образом они базируются на молекулярной абсорбции или химических превращениях, а именно, на обнаружении систем или способов снижения образования или выброса загрязнений.

Стратегия этих способов и системных приложений действует в направлении решения проблемы выбросов посредством фиксации их в источнике или до него, например, с очень дорогим модернизированием промышленных предприятий, которое в данном случае затрагивает лишь 25% общего источника загрязнений.

Высокая стоимость, сложность вмешательства, длительное прерывание деятельности и следующие из этого коммерческие убытки на этих промышленных предприятиях в целом по всему миру приводят от небольших до полностью отсутствующих результатов снижения загрязнений.

Транспортное сообщение обеспечивает плотно распределенные и мобильные источники выбросов загрязнений на большой площади, представленной общей уличной сетью. Бортовые системы ограничения плотности (при прекращении движения) или очистки газовых выбросов не стали средством решительного воздействия на проблему загрязнения.

Жилой фонд производит плотно распределенные источники выбросов загрязнителей в большом объеме, представленном общей сетью зданий в городах, где люди живут и работают. Кухонные очаги в домах - исключительно интенсивный источник загрязняющих, совершенно не обработанных выбросов. Тепловые котлы обычно используются для повышения температуры воды, предназначаемой для гигиенических нужд и для применений в системах отопления, от комнатной температуры до 60°С. В этих системах производится сжигание газа или бензина, то есть ископаемого топлива. Никаких систем очистки для этого жилого фонда не существует. Обычная практика состоит в сбрасывании произведенных загрязнений в окружающую среду.

Поэтому в настоящее время такие подходы эффективности не гарантируют.

Сущность изобретения

В свете вышесказанного, главная цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить сеть комплексных систем для экологической реабилитации и способ управления такой сетью, которые преодолевали бы указанные выше проблемы, ограничения и недостатки.

Настоящее изобретение, в частности, предлагает сеть взаимосвязанных комплексных систем для экологической реабилитации, коррелирующих по времени и взаимосвязанных с плотным трехмерным пространственным распределением, предназначенную для абсорбирования присутствующих в атмосфере загрязнений.

Конкретной целью настоящего изобретения является сеть для экологической реабилитации, содержащая одну или несколько комплексных систем, приспособленных для экологической реабилитации и абсорбции загрязнений, коррелирующих по времени и взаимосвязанных в виде трехмерного пространственного распределения; центральную операционную систему, приспособленную для управления данной сетью и указанными одной или несколькими комплексными системами; комплексные системы, структурно организованные в один или несколько кластеров, при этом каждый кластер, содержит одну комплексную систему в качестве ведущего компонента и комплексные системы в качестве подчиненных компонентов, при этом каждый подчиненный компонент подчиняется соответствующему ведущему компонента и каждый ведущий компонент подчиняется указанной центральной операционной системе.

Эти и дальнейшие цели достигаются с помощью сети комплексных систем для экологической реабилитации и способа управления данной сетью в силу установленного в прилагаемой формуле изобретения, которая представляет неотъемлемую часть настоящего описания.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет полностью понятно из следующего далее подробного описания, представленного с привлечением являющегося лишь иллюстративным и неограничивающим примера, рассматриваемого с обращением к прилагаемым чертежам, на которых:

фиг. 1 представляет принципиальную схему пространственного распределения сети для экологической реабилитации в соответствии с изобретением;

фиг. 2 показывает принципиальную схему иерархической структуры сети.

Одинаковые числовое и буквенные обозначения определяют на данных фигурах одинаковые или функционально эквивалентные части.

Подробное описание предпочтительных воплощений

Как показано на фиг. 1, сеть согласно изобретению демонстрирует структуру из взаимосвязанных комплексных систем для экологической реабилитации, коррелирующих по времени и объединенных с плотным трехмерным пространственным распределением, предназначенную для абсорбирования присутствующих в атмосфере загрязнений.

В частности, настоящее изобретение обращается к обусловленным влиянием человека и к естественным загрязнениям, то есть загрязнениям, которые являются опасным для нормального человеческого и природного жизненного цикла.

Сетевая система развивается в трехмерной пространственной структуре, не только на плоскости (x, y), но и также в третьем пространственном измерении (z). Это означает, что комплексные системы в узлах сети помещаются на уровне земли, а также на подземных (например, в туннелях системы метро) и на возвышенных уровнях (например, на верхних этажах зданий).

Как также показано на фиг. 2, сеть образована одним или несколькими кластерами; каждый кластер образован одной комплексной системой, именуемой «ведущий» (2), и некоторым количеством комплексных систем, именуемых «подчиненный» (3); количество подчиненных находится в диапазоне от 0 до N. Каждый подчиненный подчиняется соответствующему ведущему и каждый ведущий подчиняется центральной операционной системе (COS).

В частности, квадратная рамка на фиг. 1 представляет сеть, которая управляется COS (1); трехмерные кластеры выделены окружностями или эллиптическими кривыми; каждый кластер содержит ведущего (2) и некоторое количество подчиненных (3).

Фиг. 1 показывает, что кластер может быть трехмерным, двухмерным или одномерным. Кластерная ячейка и в целом ячеистая структура всей системы не постоянна, это означает, что постоянным не является расстояние между одной системой и ее окрестностью первого порядка.

Комплексная система в узле сети воплощается в виде установки ВАТ, то есть установки наилучшей доступной технологии (Best Available Technology unit) для восстановления окружающей среды.

Концепция наилучшей доступной технологии (ВАТ) известна, например, из определения, данного в Директиве 96/61/ЕС IPPC по защите окружающей среды.

ВАТ определяется как «наиболее эффективная и продвинутая стадия в развитии деятельности и режимов ее функционирования, которые определяют практическую пригодность конкретных методик для обеспечения принципиальной основы для установления величин предельно допустимых выбросов, предназначенных для недопущения или устранения, или, где это практически нереализуемо, вообще для снижения выбросов и их воздействия на окружающую среду в целом», где:

«наилучшая» по отношению к методикам означает наиболее эффективную в достижении высокого общего уровня защиты окружающей среды в целом;

«доступные технологии» означают технологии, разработанные в масштабе, который делает возможным воплощение в соответствующем классе деятельности под экономически и технически жизнеспособными условиями, учитывающими затраты и преимущества вне зависимости от того, применяются или создаются данные технологии в пределах отдельного государства или нескольких государств, при условии, что они вполне доступны для человека, выполняющего такую деятельность;

«технология» включает как применяемую технологию, так и способ, с помощью которого аппаратура разработана, построена, управляется, поддерживается, эксплуатируется и выводится из эксплуатации.

Установка ВАТ абсорбирует загрязнения, производимые и присутствующие в атмосфере вокруг нее; она не пытается снизить выработку или образование загрязняющих веществ, включенных в образование основного загрязнения, или уменьшить участок его сосредоточения.

Установка ВАТ способна обрабатывать поток воздуха со скоростью, превышающей 10 м³/час.

В одном неограничивающем примере воплощения установка ВАТ может включать электростатический осадитель, или электростатический воздухоочиститель, который является устройством для сбора твердых частиц, которое удаляет частицы из газового потока (такого как воздух) с помощью сил, индуцируемых электростатическим зарядом. Электростатические осадители являются очень эффективными фильтрующими устройствами, которые минимально препятствуют прохождению через устройство потока газов и могут легко удалять из воздушного потока тонкодисперсные твердые частицы, такие как пыль и дым.

В самом общем виде осадитель содержит ряд тонких вертикальных проводников и сопровождается пакетом больших плоских металлических пластин, ориентированных вертикально. Воздушный или газовый поток протекает горизонтально через пространство между проводниками и далее проходит через пакет пластин.

Между проводом и пластиной прикладывается отрицательное напряжение для получения интенсивного электрического поля в несколько кВ/см и ионизации газа около электродов. Отрицательно заряженные ионы перетекают к пластинам и заряжают частицы в газовом потоке.

Следуя электрическому полю, ионизированные частицы перемещаются к заземляющим пластинам.

Частицы накапливаются на собирающих пластинах и образуют слой. Благодаря электростатическому давлению такой слой не разрушается.

Установка ВАТ может также включать мокрый скруббер. Под наименованием мокрого скруббера описывается ряд устройств, которые удаляют загрязняющие вещества из дымового газа или из других газовых потоков. В мокром скруббере загрязненный газовый поток приводится в контакт с орошающей жидкостью посредством его распыления с жидкостью, продавливанием его через ванну с жидкостью или с помощью каких-либо других способов обеспечения контакта с целью удаления загрязняющих веществ.

Конструкция мокрых скрубберов или любых других устройств для контроля газовых загрязнений зависит от условий процесса и вида имеющихся газовых загрязнений. Первоочередное значение имеют характеристики входящего газа и свойства пыли. Скрубберы могут быть сконструированы так, чтобы собирать твердые примеси и/или газообразные загрязняющие вещества. Эксплуатационная гибкость мокрых скрубберов позволяет встраивать их в разнообразные конфигурации, все из которых подразумевают обеспечение хорошего контакта между жидкостью и загрязненным газовым потоком.

Трехмерное пространственное распределение ВАТ зависит от анализа распределения и плотности источников загрязнения.

Типичное распределение является таким, при котором минимальное расстояние между соседними комплексными системами составляет 2 метра по координате (z) и 10 метров по координате (x) или (y).

Динамический диапазон ячейки сети имеет инфраструктурные ограничения, особенно в вертикальном направлении (координата z), где на ячейку воздействуют характеристики здания. В целом ячейка рассчитывается с рассмотрением предварительного набора данных по плотности загрязняющих воздействий C_i. Мы рассматриваем нормальное преобразование функции:

Концентрация C_i загрязняющего вещества ограничивается в виде поля скалярных величин:

C_i представляет атмосферное загрязняющее вещество, такое как РМ₁₀, РМ₅, PM_2,5, NO_x, SO_x, O₃ и т.д. Рассматривая целевое загрязняющее вещество, мы анализируем плотность и вычисляем координату нулевой точки градиента:

В зависимости от характеристик снижения степени загрязнения ВАТ расстояние D_hk между соседними ВАТ в сети рассчитываются с тем, чтобы уменьшить плотность загрязняющего вещества в нулевой точке градиента (x₀, y₀, z₀) ниже целевой пороговой величины:

В городской структуре установка ВАТ должна удовлетворять требованиям акустического уровня, юридически определяемого национальным законодательством. Обычно производимый шум в терминах дБА должен быть на 5% ниже средней зашумленности в окружающей среде.

Сеть комплексных систем структурируется таким образом, чтобы организовываться на нескольких уровнях управления и эксплуатации.

А) Уровень для сетевого управления.

- Сеть управляется централизованным образом центральной операционной системой (COS);

- Сеть имеет иерархию COS-M-S;

- Контролируется каждая отдельная комплексная система так, чтобы управлять ее уровнем вклада в зависимости от результатов измерения степени загрязнения;

- COS может иметь полностью централизованную структуру или же может содержать части, располагающиеся в ведущих компонентах.

B) Уровень для непрерывного химического, физического и биологического мониторинга окружающей среды.

Каждая отдельная комплексная система содержит измерительные приборы, способные измерять:

- такие параметры окружающей среды, как температура, давление, влажность, скорость и направление ветра;

- плотность в текучей среде оксидов углерода, оксидов азота, оксидов серы, озона, метана, бензола, спирта, РАН (полициклические ароматические углеводороды), твердых частиц; Н₂, H₂S, углерода, кислорода, серы и т.д.;

- диапазон диаметра твердых частиц.

Все измерения скоррелированы по времени и непротиворечивы в смысле равных временных рамок измерений. Измерения также применяются на уровне сетевого управления, могут поддерживаться для целей наблюдения и статистики и передаваться к центральной операционной системе COS.

Частый мониторинг параметров окружающей среды позволяет проверять достоверность применяемых моделей качества атмосферы и создавать новые на основе непрерывных экспериментальных измерений.

C) Уровень для химического, физического и биологического системного контроля эффективности любого ВАТ с возможными инструкциями по техническому обслуживанию и ремонту.

Каждая отдельная комплексная система содержит измерительные приборы, способные измерять одно или несколько из следующих параметров в зависимости от внутреннего устройства установки ВАТ:

- уровни жидкости;

- потоки воздуха;

- потоки жидкостей;

- рабочие температуры воздуха, жидкости, электромеханических компонентов ВАТ;

- рабочие электрические напряжения;

- рабочие электрические токи;

- общее энергообеспечение любого вида, сущности и количества;

- акустические волны;

- оптические волны;

- чтение сигнала RFID для распознавания и разблокирования оператором, при этом оператор оснащается устройством TAG-RFID.

D) Уровень для коммуникации комплексных систем сети;

- Каждая отдельная подчиненная (S) комплексная система сообщается с ее непосредственной ведущей (М) комплексной системой;

- Каждая отдельная ведущая (М) комплексная система сообщается с центральной операционной системой (COS);

- COS управляет каждой отдельной комплексной системой;

- система организована в виде кластера;

- COS оценивает все измерения показателей качества окружающей среды и их адаптации, изменения или флуктуации на непрерывной основе, например, поминутно, основываясь на измерениях сигналов, поступающих от комплексных систем, а именно, непосредственно от ведущих компонентов и от подчиненных через ведущие компоненты;

- COS сохраняет все полученные каждой отдельной комплексной системой данные, включающие дату и время, в базе данных.

E) Уровень для эксплуатации комплексных систем сети.

- Каждая отдельная комплексная система питается от электросети или непосредственно от автономного возобновляемого источника энергии. Общее энергопотребление генерируется возобновляемым источником энергии.

- COS контролирует включение и выключение для каждой отдельной комплексной системы;

- соответственно, COS управляет потоками воздуха в терминах притока воздуха и оттока воздуха через комплексные системы;

- COS управляет критическими ситуациями для каждой отдельной комплексной системы;

- COS контролирует и управляет процедурами технического обслуживания и действиями операторов, включая контроль присутствия (RFID), звуковую и видео коммуникации;

Посредством настоящего изобретения достигается множество преимуществ.

Главным преимуществом является снижение атмосферного загрязнения внутри сети в случаях, когда отсутствует возможность сокращения источников выбросов. В сети качество атмосферы оказывается хорошим вне зависимости от природы и расположения источников выбросов.

Специалистам в данной области после рассмотрения описания и сопровождающих его чертежей, которые раскрывают предпочтительные воплощения данного изобретения, будет очевидна возможность внесения в него множества изменений, модификаций, создания вариантов и других применений и приложений. Все такие изменения, модификации, варианты и другие применения и приложения, которые не отступают от объема изобретения, рассматриваются как охватываемые данным изобретением.

Элементы и признаки, описанные в различных формах предпочтительных воплощений, могут без отступления от объема изобретения взаимно объединяться.

Более подробные описания воплощения не приводятся, поскольку специалист в данной области сможет осуществить данное изобретение, исходя из указаний приведенного выше описания.

В частности, исходя из пояснения, представленного выше для функций комплексных систем, специалист в данной области окажется в состоянии реализовать установку ВАТ, содержащую средства для обеспечения таких функций.

1. Сеть систем, предназначенных для использования для экологической реабилитации, отличающаяся тем, что она содержит:

- одну или несколько комплексных систем (BAT), предназначенных для выполнения экологической реабилитации и абсорбции загрязнений воздуха, способных обрабатывать поток воздуха со скоростью, превышающей 10 м³/ч, коррелирующих по времени и взаимосвязанных с трехмерным пространственным распределением на уровне земли, а также на подземных и на возвышенных уровнях относительно уровня земли;

- центральную операционную систему (COS), предназначенную для управления данной сетью и указанными одной или несколькими комплексными системами;

комплексные системы структурно организованы в виде одного или нескольких кластеров, при этом каждый кластер содержит комплексную систему в качестве ведущего компонента и несколько комплексных систем в качестве подчиненных компонентов, каждый подчиненный компонент подчиняется соответствующему ведущему компоненту и каждый ведущий компонент подчиняется указанной центральной операционной системе, в которой комплексная система контролируется указанной центральной операционной системой так, чтобы управлять уровнем вклада каждой комплексной системы в указанную экологическую реабилитацию и абсорбцию загрязнений в зависимости от результатов измерения степени загрязнения, и в которой комплексная система содержит первое измерительное устройство, предназначенное для выполнения измерений:

- параметров окружающей среды, температуры, давления, влажности, скорости и направления ветра;

- плотности в текучей среде одного или нескольких из оксидов углерода, оксидов азота, оксидов серы, озона, метана, бензола, спирта, РАН (полициклические ароматические углеводороды), твердых частиц; H₂, H₂S, углерода, кислорода, серы;

- диапазона диаметра твердых частиц.

2. Сеть по п. 1, в которой комплексная система является установкой наилучшей доступной технологии (BAT) для экологической реабилитации, предназначенной для абсорбирования загрязнений.

3. Способ управления сетью систем, предназначенных для использования для экологической реабилитации по любому из предшествующих пунктов, содержащий:

- сообщение каждой отдельной подчиненной (S) комплексной системы с ее непосредственной ведущей (M) комплексной системой;

- сообщение каждой отдельной ведущей (M) комплексной системы с указанной центральной операционной системой (COS);

- управление указанной центральной операционной системой (COS) каждой комплексной системой так, чтобы управлять уровнем вклада каждой комплексной системы в указанную экологическую реабилитацию и абсорбцию загрязнений в зависимости от результатов измерения степени загрязнения;

- измерение указанной центральной операционной системой (COS) показателей качества окружающей среды и ее адаптаций, изменений или флуктуаций на непрерывной основе, базирующееся на измерении сигналов, сообщаемых комплексными системами;

- сохранение указанной центральной операционной системой (COS) всех данных, полученных каждой комплексной системой;

- анализирование указанной центральной операционной системой (COS) в режиме реального времени всех данных, полученных каждой комплексной системой.

4. Способ управления сетью для экологической реабилитации по п. 3, в котором указанная центральная операционная система (COS), управляющая каждой комплексной системой, содержит:

- контролирование включения и выключения для каждой отдельной комплексной системы;

- управление потоками воздуха в терминах притока воздуха и оттока воздуха через комплексные системы;

- управление критическими ситуациями для каждой отдельной комплексной системы;

- управление процедурами технического обслуживания.