ZESZYTY NAUOWE AADEMII MARYNARI WOJENNEJ RO XLIX NR 4 75 8 Lesze Paseczy, Tomasz azewcz Aadema Maryar Wojeej MOŻLIWOŚĆ WYORZYSTANIA INFORMACJI Z SYSTEMU AIS W MODELOWANIU EMISJI SŁADNIÓW SPALIN Z SILNIÓW STATÓW W REJONIE ZATOI GDAŃSIEJ STRESZCZENIE Rosąca presja proeologcza społeczeństwa spowodowała, że zaeczyszczee atmosfery przez spaly slów orętowych stało sę jedym z główych problemów ochroy środowsa morsego ostatch lat. Obszar Zato Gdańsej, podobe ja masta portowe czy rejoy admorse, arażoy jest a wpływ zaeczyszczeń zawartych w spalach załadów przemysłowych, eletrow pojazdów oraz zwązów szodlwych zawartych w spalach jedoste pływających. W celu oreślea udzału jedoste pływających w zaeczyszczau powetrza atmosferyczego oraz przecwdzałaa szodlwym wpływom zwązów tosyczych w spalach slów orętowych oecza jest zajomość wartośc emsj tych zwązów. Jest to możlwe przy zajomośc parametrów ruchu jedoste, wartośc stężeń poszczególych zwązów dla tych parametrów oraz waruów atmosferyczych. W pracy przedstawoo waru dotyczące modelowaa emsj sładów spal z slów statów pływających w rejoe Zato Gdańsej z wyorzystaem formacj pochodzących z systemu AIS. WSTĘP Problem zaeczyszczea powetrza w portach oraz w mejscach podejśca do portów jest o tyle waży, że porty zajdują sę zazwyczaj w poblżu lub a teree dużych mast, a ch ograczoy obszar powoduje dużą ocetrację jedoste a małym obszarze. Ne bez zaczea pozostają róweż szeroo pojęte uwaruowaa esploatacyje. Do tych ostatch zalczyć moża sposób użytowaa slów, częstość występowaa charater przebegu staów eustaloych, procesów przejścowych charateryzujących sę zacze węszą emsją zwązów tosyczych ż podczas pływaa a otwartych aweach ze stałym obcążeem 85
Lesze Paseczy, Tomasz azewcz slów. Na sposób użytowaa mają wpływ róweż waru zewętrze, czyl oddzaływae środowsa morsego a pracę sla. Oczywśce e mejszy wpływ a tosyczość spal mają stosowae rodzaje palwa oleju smarowego. Prowadzoe obece badaa dotyczące zaeczyszczaa atmosfery spowodowaej emsją zwązów szodlwych z slów tracyjych dotyczą przede wszystm slów pojazdów [, ] oraz slów lotczych []. Staową oe bardzo duży wład w rozwój modelowaa msj zwązów szodlwych emtowaych z slów spalowych, jeda ze względu a odmeość zarówo waruów topografczych, hydrometeorologczych, ja specyfę esploatacj jedoste pływających e mogą oe zostać zastosowae do ocey msj w obszarach admorsch. MODELOWANIE EMISJI SŁADNIÓW SPALIN Z SILNIÓW STATÓW Emsja E oraz stężee ajczęścej masowe zaeczyszczea rozproszoego w powetrzu atmosferyczym msja I w obszarach zurbazowaych jest przedmotem tesywych prac badawczych prowadzoych w welu ośrodach auowych w raju zagracą. Zależość pomędzy emsją zwązów szodlwych w spalach a ch msją moża zapsać astępująco []: gdze ℵ pewe operator matematyczy p. fucjoał. It ℵ[Et], Natężee emsj E będącej fucją czasu m t t z oreśloego źródła względem czasu t: gdze m t masa daego zwązu szodlwego. dmt t E t, dt Emsja drogowa jest defowaa jao pochoda emsj będącej fucją drog m s s ze źródła, jam jest jedosta pływająca, względem drog s przez ą przebywaej: dms s bs. 3 ds 86 Zeszyty Nauowe AMW
Możlwość wyorzystaa formacj z systemu AIS w modelowau emsj Na podstawe rówaa 3 moża zapsać, że emsja a drodze S wyese: a w czase T S s s m S b s ds, 4 T t t gdze vt prędość jedost pływającej. m T b t v t dt, 5 Modelowae emsj poszczególych sładów spal z uładów wylotowych slów orętowych w czase ruchu po oreśloym obszarze staow jede z luczowych problemów w zagadeach blasowaa sporządzaa daych wejścowych dla model dyspersj msj. Przedmotem blasowaa emsj zaeczyszczeń zawartych w spalach slów apędzających jedost pływające są procesy emsj globalej, uśredoe w dostatecze długm czase. Czas te oreślay jest przede wszystm suteczoścą uśredaa zmeych waruów esploatacj obetów. Czy, tóre determują emsję globalą substacj zawartych w spalach slów orętowych, moża slasyfować astępująco [7, 9]: strutura jedoste pływających ze względu a welość przezaczee jedoste pływających, welość rodzaj sla, lczba poszczególych rodzajów slów a jedostce pływającej slów główych pomocczych, sta techczy jedost pływającej uwzględający rozwązaa techcze, sta adłuba zużyce elemetów uładów apędowych jedost oraz ch lczość; tesywość esploatacj jedoste pływających; model ruchu jedoste pływających; waru otoczea: waru atmosferycze falowae, sle watry, oblodzee, awey pływaa porty, ceśy, aały e obszary ebezpecze trude awgacyje oraz wody otwarte, pływae w lodach; właścwośc eoomcze jedoste pływających ze względu a esploatacyje zużyce palwa; właścwośc eologcze slów stosowaych a jedostach pływających; właścwośc palw m.. ze względu a rodzaj palwa, sład zawartość zaeczyszczeń. 4 75 8 87
Lesze Paseczy, Tomasz azewcz Schemat modelu msj zwązów tosyczych emtowaych w spalach slów orętowych przedstawoo a rysuu. Wya z ego, że proces modelowaa emsj ZT w spalach sla orętowego będący jedym z elemetów modelowaa msj zwązów tosyczych w spalach jest bardzo złożoy wymaga zajomośc czterech grup parametrów waruu ruchu statu: parametry jedost długość, szeroość, zaurzee jedost, sta techczy uładu apędowego, rodzaj apędu w tym rodzaj lczba slów, rodzaj lczba śrub apędowych tp.; parametry ruchu jedost prędość urs jedost; 3 waru zewętrze sła erue watru, temperatura powetrza wody, cśee atmosferycze, wlgotość powetrza, sta morza; 4 lczość jedoste z uwzględeem ategor jedoste. Modele matematycze Parametry ruchu jedost Pomary Charaterysty emsj ZT w spalach Parametry jedost Model emsj ZT w spalach jedost pływającej Waru zewętrze Rówaa sta płyu Model turbulecj Model pola prędośc powetrza Model ośroda Waru zewętrze Lczość jedoste ch parametry Model dyspersj Parametry topografcze obszaru Model przema chemczych w obłou Imsja zaeczyszczeń pochodzących z jedoste pływających Rys.. Schemat modelu msj zwązów tosyczych emtowaych w spalach slów orętowych 88 Zeszyty Nauowe AMW
Możlwość wyorzystaa formacj z systemu AIS w modelowau emsj Ilość emtowaych zwązów szodlwych w spalach sla orętowego zależy od tach welośc opsujących sta pracy sla, ja momet obrotowy M o, prędość obrotowa, sta ceply sla J, sta techczy sla Z parametry uładu wymay ładuu, sta uładu TPC, sta techczy poprawość regulacj aparatury wtrysowej,waru otoczea G p. temperatura otoczea, cśee, wlgotość powetrza zmee opory pływaa jedost O opór orętu a wodze płytej, opór orętu podczas ruchu w aale, opór powetrza wpływ falowaa. Moża węc zapsać, że emsja -tego zwązu szodlwego w spalach e będze mała postać: e f M o,, J, Z, G, O. 6 Emsję drogową moża zapsać jao fucjoał przebegów welośc oreślających sta pracy sla spalowego, tz. mometu obrotowego M o, prędośc obrotowej oraz wetorów opsujących sta ceply sla Jt, waru otoczea Gt zmee opory pływaa jedost Ot: b t [M o t, t, Jt, Gt, Ot], 7 gdze operator przeształcający momet obrotowy prędość obrotową oraz wetory stau ceplego sla, oporów ruchu waruów otoczea w średą emsję drogową z jedost pływającej. Przy ta dużej lczbe czyów oraz złożoym opse zjaws determujących proces emsj e moża uąć założeń upraszczających. Tworzoe w Europe modele emsj ze środów trasportu lądowego, tae ja HBEFA, COPERT, DVG czy DRIVE-MODEM [3, 6], starają sę uwzględć ja ajwęszą lczbę parametrów wpływających a emsję. W pracach prowadzoych w AMW [] przyjęto, że teoretyczy tor ruchu jedost pływającej moża opsać za pomocą fucj slejaych perwszego stopa. Rozpatrując trajetorę ruchu jedost pływającej jao realzację dwuwymarowego procesu stochastyczego { S t X t, Y t : t } załadając, że proces te jest procesem o welowymarowym rozładze typu cągłego cągłych realzacjach, moża stwerdzć, ż realzacją procesu jest dwuwymarowa trajetora zależa od czasu { s t x t, y t : t T}. Długość wetora prędośc moża zapsać: X t] v t [ v [ v t] Y. 8 4 75 8 89
Lesze Paseczy, Tomasz azewcz Przyjmując długość wetora prędośc podaą wzorem 8 rozpatrując ruch jedost po { s t x t, y t : t T}, rówae opsujące masę wyemtowaych spal moża przedstawć jao: lub M f x t, y t [ v X t] [ vy t] dt 9 M f s t v t dt. Poeważ w rzeczywstośc droga od putu P do putu P, ze względu a myszowae statu, jest dłuższa ż Δ s vδt o pewą losową welość, moża zapsać, że całowta masa wyemtowaych spal przez pojedyczą jedostę pływającą w przedzale czasu [, ] jest zmeą losową W M ΔM o rozładze ormalym o wartośc oczewaej E W E ΔM M M γ d M ε γ Δs N N odchyleu stadardowym N σ W σ ΔM γ d ρ γ Δs N. 3 Masa wyemtowaych spal w oreśloym awee A w przedzale czasu [, ] jest sumą mas wyemtowaych przez wszyste jedost zajdujące sę w tym przedzale czasu w tym awee. Jeżel W,,, ozacza masę wyemtowaych spal przez -tą jedostę pływającą, to łącza masa wyemtowaych spal w awee A w przedzale czasu [, ] jest zmeą losową: W W. 4 9 Zeszyty Nauowe AMW
Możlwość wyorzystaa formacj z systemu AIS w modelowau emsj 4 75 8 9 Zmea losowa W jao suma ezależych zmeych losowych o rozładze ormalym ma rozład ormaly o wartośc oczewaej: ] [ ] [ Δ Δ N s M M M E W E γ ε W. 5 Odchylee stadardowe tej zmeej losowej wyos Δ Δ N s M V ] [ ] [ γ ρ σ W. 6 W modelu tym lczba jedoste została przyjęta jao stała. W rzeczywstośc lczba jedoste pływających zmea sę losowo w czase, jest węc procesem stochastyczym. Przyjęto założee, że proces Marowa { } T t t X :, tórego wartość w chwl t ozacza lczbę jedoste pływających w oreśloym awee w chwl t, jest procesem pojedyczym, co ozacza, że w rótm przedzale czasu możlwa jest zmaa stau o jede. W zwązu z tym, że aaltycze rozwązae uładu rówań różczowych lowych ejedorodych S j j S j t t P t P, λ 7 w ogólej postac e jest pratycze możlwe, zalezoo rozwązae przyblżoe [5], załadając, że elemety macerzy tesywośc przejść są stałe w pewych przedzałach czasowych oraz przyjęto, że zbór staów procesu jest sończoy,, },, { S. Rozład asymptotyczy otrzymamy, rozwązując uład rówań: S j j j S P S j P,, λ, 8 w tórym dae współczy j λ są elemetam macerzy tesywośc przejść t. 3 3 3 3 Λ. 9
Lesze Paseczy, Tomasz azewcz Rozwązae tego uładu rówań, przy zastąpeu stałych współczyam fucyjym, ma postać: p t t t t t t t p t t t p,,,,. t t t t Jao lczbę przyjmujemy masymalą lczbę statów w awee. Jeżel w oreśloym przedzale czasu [, ] rozład lczby statów w awee jest stały, to jao lczbę możemy przyjąć część całowtą wartośc oczewaej: 9 Zeszyty Nauowe AMW E[ X t] p. W celu realzacj opsaego stochastyczego modelu ruchu emsj spal z jedoste pływających w rejoe Zato Gdańsej ezbęda jest zajomość lczby jedoste pływających w aalzowaym rejoe, ch rozładów pod względem rodzaju jedoste, welośc, prędośc, mocy rodzaju slów apędu główego tp. W tabel. przedstawoo typy jedoste oraz ch procetowy udzał w ruchu statów po Zatoce Gdańsej w przedzale czasu od.5.3 do 3.4.5 [3]. Tabela. Typy jedoste pływających po Zatoce Gdańsej w oparcu o system VTS w orese od.5.3 do 3.4.5 [3] Typ statu Lczba jedoste Udzał procetowy Chemalowce 4 Drobcowce chłodowce 98 7 Gazowce 349 oteerowce 634 Masowce 59 9 Promy pasażerso-samochodowe 636 Samochodowce 3 Stat pasażerse 458 3 oteerowce typu ro-ro 96 6 Taowce 339 Jedost eowecjoale oręty wojee, jedost rybace, szole tp. 8 8 Jedost ezaego typu 84 8 Suma 3663
Możlwość wyorzystaa formacj z systemu AIS w modelowau emsj Do opracowaa statystyczego strume ruchu jedoste morsch przyjęto trasy torów podejścowych do portów Gdya Gdańs oraz toru wodego rozdzelającego sę a oba te tory. W tym celu a torach wodych ustaloo umowe, prostopadłe bram [], dla tórych dooao ocey statystyczej wejść wyjść jedoste w orese obejmującym mesęcy. W badaach wyorzystao dae archwale przesyłae w Systeme Automatyczej Idetyfacj Automatc Idetfcato System zarejestrowae brzegowym urządzeem AIS frmy SAAB typu R4 śledzącym ruch jedoste morsch a Zatoce Gdańsej [4]. W celu oszacowaa emsj zwązów tosyczych w spalach a podstawe daych uzysaych z systemu AIS opracowao modele statystycze opsujące wartość mocy chwlowej P e * dla prędośc chwlowej v* w zależośc od welośc jedost pływającej [8], czasu przebywaa jedoste w badaym obszarze oraz emsj zwązów tosyczych. Na rysuu. przedstawoo hstogram prędośc chwlowej v*, a a rysuu 3. hstogram wartośc mocy chwlowej P e * dla bram Gdya CD. Z wyresów wya, że ajwęsza lczba jedoste w tym rejoe płye z prędoścą 7 w rozwja moc chwlową P e * w zarese do MW. Wartośc te pozwalają a oszacowae wartośc atężea emsj E NOx w tym puce a pozome,6576 g/h rys. 4.. Zaczy udzał jedoste o wartośc atężea emsj E NOx powyżej 5 g/h wya z tego, że powyższy zares atężea emsj zwązay jest z slam rozwjającym moc chwlową P e * powyżej 8,3 MW.,4, 8, częstość,8,6,4, 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 7 8 9 3 średa wartość prędośc jedoste v [w] Rys.. Hstogram prędośc chwlowej v* dla jedoste przepływających bramę Gdya CD 4 75 8 93
Lesze Paseczy, Tomasz azewcz,35 8,3,5 częstość,,5,,5 < 3 5 7 9 3 5 7 9 3 5 7 9 3 33 35 37 39 4 >4 moc chwlowa Pe* [MW] Rys. 3. Hstogram wartośc mocy chwlowej P e * [MW] dla jedoste przepływających bramę Gdya CD,3,5 8, częstość,5,,5 < 5 5 35 45 55 65 75 85 95 5 >5 atężee emsj NOx [g/h] Rys. 4. Rozład oszacowaej wartośc atężea emsj E NOx [g/h] dla jedoste przepływających bramę Gdya CD Należy tu jeda zauważyć, że czas przebywaa jedost w rejoe bram wyos zaledwe la mut, a całowty czas przebywaa jedost w rejoe podejśca Hel Gdya bram AB CD wyos, w zależośc od prędośc jedoste, od do 44 mut. W zwązu z tym bardzej celowym wydaje sę oreślee wartośc atężea emsj E NOx w logramach a mlę morsą [g/mm] rys. 5.. 94 Zeszyty Nauowe AMW
Możlwość wyorzystaa formacj z systemu AIS w modelowau emsj,8,6 8,4, częstość,,8,6,4, <,5,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5,5 >,5 wartość średego atężea emsj NOx [g/mm] Rys. 5. Rozład oszacowaej wartośc średego atężea emsj E NOx [g/mm] dla jedoste przebywających w rejoe podejśca Hel Gdya bram AB CD PODSUMOWANIE Modelowae emsj zwązów szodlwych jest zagadeem bardzo ważym, a jedocześe bardzo złożoym. Prowadzoe obece prace auowe badawcze pośwęcoe rozprzestrzeau sę zaeczyszczeń dotyczą zaeczyszczeń w powetrzu atmosferyczym pochodzea stacjoarego eletrowe, załady przemysłowe, motoryzacyjego oraz w ostatm czase róweż lotczego. Obece opracowaa, dotyczące przede wszystm motoryzacj, mędzy ym ze względu a welość slów orętowych e mogą meć zastosowaa do modelowaa emsj zwązów tosyczych z slów orętowych, poeważ strutura modelu zależy e tylo od jego przezaczea, ale róweż w dużej merze od lośc jaośc daych wejścowych. Możlwość pozysaa daych z systemu AIS, tach ja azwa statu, długość szeroość statu, typ statu, czas uwersaly zwązay z przejścem jedost przez bramę, ąt drog ad dem prędość ad dem COG, VTG oraz zaurzee statu pozwala a stworzee owatorsch model opsujących ruch jedoste po badaym obszarze emsję zwązów szodlwych w spalach zarówo dla jedej jedost, ja dla całego badaego obszaru. Należy tu dodać, że oprócz problemów, z tórym przy modelowau emsj zwązów tosyczych boryają sę specjalśc od motoryzacj, w przypadu jedoste pływających do parametrów załócających dołade wyzaczee emsj 4 75 8 95
Lesze Paseczy, Tomasz azewcz poszczególych zwązów ze względu a bra formacj lub ch zmeość moża zalczyć dodatowo sta techczy sla, a zwłaszcza aparatury palwowej oraz waru atmosferycze szczególe słę erue watru. BIBLIOGRAFIA [] Brzozowsa L., Brzozows., omputerowe modelowae emsj rozprzestrzeaa sę zaeczyszczeń samochodowych, Wydawctwo Nauowe Śląs, atowce Warszawa 3. [] Chłope Z., Modelowae procesów emsj spal w waruach esploatacj tracyjych slów spalowych, PN Poltech Warszawsej, Mechaa, z. 73, Warszawa 999. [3] Drąg Ł., Modelowae emsj rozprzestrzeaa sę zaeczyszczeń ze środów trasportu drogowego, Archwum Motoryzacj, 7, r. [4] Fels A., Paseczy L., Motorg of the movemet of the objects o the Gdas bay order to recogze the characterstcs of ther ma propulso systems, Sl Spalowe/Combusto Eges, No 7-SC, pp. 37738, Pozań 7. [5] Grabs F., Stochastycze modele ruchu jedoste pływających, fragmet sprawozdaa z realzacj projetu badawczego r 5 9 3/87, AMW, Gdya 8. [6] Joumard R., Methods of estmato of atmospherc emsso from trasport: Europea scetfc state of the art, Acto COST39 fal report, LTE 99 report, 999. [7] azewcz T., Paseczy L., Model of NO x emsso by sea-gog vessels avgatg I the gulf of Gdas rego, Sl Spalowe PTNSS-7-SC3, Pozań 7. [8] azewcz T., Paseczy L., Model symulacyjy emsj NO x w spalach jedoste pływających, materały XI Mędzyarodowej oferecj Nauowej Badaa symulacyje w techce samochodowej, Szczawca 8. [9] azewcz T., Problemy modelowaa msj szodlwych sładów spal z slów orętowych w rejoach mejsch aglomeracj admorsch, VII Mędzyarodowa oferecja Nauowa Sl gazowe, ZN Poltech Częstochowsej, 6, Mechaa, 6, Częstochowa 6. [] otlarz W., Turbowe zespoły apędowe źródłem sażeń powetrza a lotsach wojsowych, Wyższa Szoła Ofcersa Sł Powetrzych, atedra Płatowca Sla, Dębl 3. 96 Zeszyty Nauowe AMW
Możlwość wyorzystaa formacj z systemu AIS w modelowau emsj [] Naus., Opracowae statystycze strume obsług jedoste morsch a wytypowaym torze wodym, AMW, Gdya 8. [] Pawla M., Paseczy L., Modelowae ruchu jedoste morsch dla oreślaa emsj zwązów tosyczych spal, materały Mędzyarodowej oferecj Motoryzacyjej ONMOT-AUTOPROGRES 8, Szczawca 8. [3] Roje B., Wawruch R., Shps routes ad statstcs of traffc the Souther Baltc Sea, Zeszyty Nauowe AMW, 6, r 66. ABSTRACT The rsg pro-ecologcal pressure has made atmosphere polluto by exhaust gases of mare eges oe of the ma problems of evrometal protecto of recet years. The Gdas Bay area, just le sea ports or coastal regos, s vulerable to the effect of pollutats exhausts of dustral plats, power plats ad vehcles, as well as the toxc compouds vessels exhaust gases. I order to determe the share of vessels evrometal polluto ad to couteract the harmful effects of toxc compouds mare ege exhaust gases, t s ecessary to ow the emsso values of these compouds from partcular vessels. Ths s possble wth the owledge of ther movemet parameters, cocetrato values of partcular compouds for these parameters ad the atmospherc codtos the rego of the vessels operato. The report presets codtos of the emsso ad dsperso modelg of the pollutats preset exhausts of mare eges of the vessels operatg the Gdas Bay rego wth advatage of formato desceded from AIS system. Recezet prof. dr hab. ż. Adrzej Fels 4 75 8 97