CC BY
193
УДК 621.436.038.001
БОРЬБА С ШУМОМ ГАЗОКОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ
А. Л. Терехов
Кафедра промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности Российского университета дружбы народов Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая,.6
В статье приведены результаты исследований шума технологического оборудования компрессорных станций и даны рекомендации по его снижению. Результаты внедрены на предприятиях ОАО «Газпром». Могут быть рекомендованы для аналогичного оборудования в других отраслях промышленности.
Компрессорная станция (КС) является источником интенсивного шума, который распространяется как в помещениях и на территории газотранспортного предприятия, так и на территории селитебной застройки. Так, в одном метре от звукоактивной поверхности технологического оборудования уровень звука достигает 128 дБ А, в производственных помещениях до 95 дБА, на территории предприятия до 92 дБА. Размеры санитарнозащитных зон КС по шуму без внедрения мероприятий по шумоглушению могут достигать 6 км.
Шумовое поле КС обусловлено суперпозицией шумовых полей основных источников шума, к которым на территории КС и ближайшей селитебной застройки следует отнести источники, имеющие высокий уровень звуковой мощности, расположенные высоко над уровнем земли и не затененными деревьями и растениями.
Методика определения доминирующих источников шума предусматривала измерение уровней звукового давления в октавных и третьоктавных полосах частот у источника шума и в контрольных точках на территории КС и жилой застройки. Вывод о превалировании конкретного источника делался на основании корреляции спектра шума у источника и в конкретной точке. Источник шума является доминирующим в конкретной точке, если по характеру его спектр и спектр в конкретной точке были идентичны. В тех случаях, когда несколько источников имели трудноразличимый характер спектра (без характерных максимумов), вывод о превалировании источника делался на основании оценки его звуковой мощности и расстояния до контрольной точки с помощью акустического расчета. До расстояния 0,8-1 км основным источником шума является воздухозаборная камера, а на более дальнем расстоянии - шахта выхлопа.
Изменение роли доминирующих источников шума обусловлено более интенсивным поглощением высокочастотного шума в воздухе и экранированием расположенных низко по отношению к уровню земли источников шума (воздухозаборная камера (ВЗК), технологическая обвязка трубопроводов и др.) зелеными насаждениями, рельефом местности, зданиями и сооружениями.
Методика определения источников шума в помещениях компрессорного цеха предусматривала измерение уровней звукового давления на измерительной поверхности, отстоящей на 1 м от технологического оборудования. Точки измерения располагались равномерно, через 0,5 м друг от друга. Звукоактивная поверхность выявлялась по сопоставлению измеренных уровней звукового давления у технологического оборудования и в контрольных точках. Доминирующим считался источник шума, у которого измеренный уровень звукового давления был выше, чем в контрольных точках помещения, а характер спектра был идентичен.
Было установлено, что шум газоперекачивающего агрегата (ГПА) с газотурбинным приводом порождается в первую очередь работой газотурбинной установкой (ГТУ) и нагнетателем.
Интенсивными излучателями шума являются воздухозаборная камера (ВЗК) и всасывающий патрубок осевого компрессора, корпус и шахта выхлопа ГТУ, нагнетатель и трубопровод технологической обвязки нагнетателя.
При всасывании воздуха осевым компрессором возникает интенсивный шум с уровнями звукового давления - 95-105 дБ, причем максимум излучения имеет место в частотном диапазоне от 1 ООО до 4000 Гц, характер спектра шума всасывания - тональный.
Шум шахты выхлопа ГТУ имеет максимум излучения в частотном диапазоне 500-1000 Гц с ярко выраженными тональными составляющими и уровнями шума 85-95 дБ на расстоянии 10 м от шахты (15-20 м от среза выхлопной шахты).
Нагнетатели излучают широкополосный шум с уровнями 90-100 дБ и максимумом звукоизлучения в октавах 1000 и 2000 Гц.
Шум трубопроводов технологической обвязки аналогичен по частотному спектру шуму нагнетателя и имеет уровни на 5-6 дБ ниже.
Излучаемый трубопроводами технологической обвязки шум прослушивается на расстоянии до 25-30 м от их местонахождения, так как с увеличением расстояния шум трубопровода существенно снижается в результате поглощения поверхностью земли, травой, деревьями и кустарником. Чаще всего на территории компрессорной станции доминирует наиболее интенсивный по уровню шум ВЗК, однако по мере удаления от станции в общем шуме КС возрастает роль низкочастотного шума выхлопа, так как высокочастотный шум всасывания эффективно поглощается воздухом. Таким образом, на территории ближайшей к КС жилой застройки доминирующим становится шум выхлопа.
Источники шума ГПА по физической природе можно разделить на аэродинамические и механические.
Аэродинамические шумы порождаются неоднородностью потоков воздуха и вихреобразованием на входе в компрессор, пульсацией давления в камере сгорания, пульсациями скорости и давления отработанных газов на выхлопе турбины, колебаниями давления и неоднородностью потока во всасывающем и выхлопном трактах нагнетателя.
Механические шумы возникают из-за динамических взаимодействий металлических частей агрегата, вызванных дисбалансами роторов и отклонениями геометрических размеров подшипниковых узлов.
Таким образом, всасывающий патрубок компрессора и выхлоп турбины ГТУ являются источниками аэродинамического шума, а поверхности корпусов ГТУ, нагнетателя трубопроводов излучают структурный шум, порождаемый как газодинамическими, так и механическими воздействиями.
Газоперекачивающий агрегат имеет четыре основных (первичных) источника шума: компрессор, турбина, нагнетатель и вентиляторы. Остальные источники - стенки отсеков двигателя, компрессора и нагнетателя, трубопроводная обвязка, всасывающий и выхлопной тракты, запорная и регулирующая аппаратура и т.д. - являются вторичными источниками шума.
Значительная часть звуковой мощности компрессора (до 90 %) излучается через всасывающие патрубки, а шумы камеры сгорания и свободной турбины ГТД - через выхлопной тракт и стенки корпуса, шум нагнетателя излучается стенками корпуса и трубопровода обвязки нагнетателя, шумы вентиляторов генерируются и излучаются при всасывании и выхлопе.
Несмотря на многообразие представленных источников шума, главное внимание вызывают тракты всасывания и выхлопа ГТУ. Данные элементы конструкции ГТУ с точки зрения акустики представляют собой волноводы, способные практически беспрепятственно транспортировать шумовую энергию из зоны ее генерации в окружающую среду. Шум, излучаемый газовоздушными трактами всасывания и выхлопа, является главным источником шумового воздействия ГПА на прилегающие территории.
Специфика мероприятий по защите от шума всасывания и выхлопа обусловлена необходимостью непосредственного взаимодействия элементов шумоглушения с рабочей средой ГТУ.
В результате проведенных исследований были получены следующие рекомендации по снижению шума ГПА [1,2, 3]:
1. Наиболее эффективным и универсальным средством снижения шума от неравномерности потока на лопаточной частоте является увеличение осевого межвенцового
зазора между направляющим аппаратом и рабочим колесом. Как правило, применительно к концевым ступеням, определяющим шумы всасывания и выхлопа, осевой зазор может быть увеличен без заметного ущерба для КПД ступени настолько, что неравномерность потока и шум на лопаточной частоте существенно уменьшаются. Практически это достигнуто на турбинах большой мощности.
Причиной шума на частоте вращения ротора может быть неравномерность потока во входном и выходном партубках или окружная неравномерность потока у концов лопаток, что вызывается неточностями балансировки и сборки ротора.
Неравномерность потока во входном и выходном патрубках можно значительно выровнять, применив асимметричные конфузоры (на входе в компрессор) и диффузоры (на выходе из турбины).
• Основная причина широкополосной составляющей шумов всасывания и выхлопа -турбулентные процессы при течении рабочей среды по газовоздушным трактам. Кроме того, через выхлопной тракт распространяются звуковые колебания, генерируемые в камере сгорания ГТУ.
Наиболее перспективным способом уменьшения интенсивности широкополосного шума является снижение скорости потока во входном или выходном тракте. Один из способов реализации этой идеи - эжекгирование тормозящего потока по периферии тракта.
2. Шумы всасывания и выхлопа можно существенно уменьшить в результате абсорбционного глушения посредством расположения во входном и выходном трактах пластинчатых глушителей. В последнее время все чаще применяют многослойные звукопоглощающие пластины, состоящие из нескольких слоев материала, что обеспечивает широкие возможности формирования частотной характеристики поглощения. При этом используются разделительные шумопоглощающие пластины обтекаемой формы, изогнутые пластины-разделители на поворотах, на конфузорных и диффузионных участках канала, что уменьшает аэродинамическое сопротивление потоку.
3. Если абсорбционные глушители наиболее эффективны на высоких частотах, для снижения шума средних и низких частот более предпочтительны поглотители резонансного типа, простейшим из которых является ограниченная воздушная полость, соединенная отверстием со звуковым потоком. Конструкция резонансного звукопоглотителя (РЗП) представляет собой перфорированную панель, расположенную параллельно стенке, на некотором расстоянии перед ней. Очень перспективной конструкцией низкочастотного поглотителя является РЗП с жестким экраном, установленным на малом расстоянии от отверстий резонатора. Инерционное сопротивление в таком поглотителе возрастает на порядок и более по сравнению с обычным РЗП без экрана. В результате резонансная частота может быть значительно понижена без увеличения размеров, причем снижение частоты увеличивается по мере приближения экрана к отверстию. Диссипативные потери в РЗП с экраном увеличиваются из-за действия вязкости и теплопроводности в узком зазоре между экраном и передней панелью поглотителя, что существенно расширяет полосу фильтрациа шума.
4. Принципы работы реактивных глушителей могут быть реализованы в газовоздушных трактах ГТУ в виде расширительных камер, представляющих собой участки каналов с увеличенным поперечным сечением, размеры которых сравнимы с длинами звуковых волн. Расширительные камеры могут служить широкополосными и весьма эффективными отражателями звука, причем из-за простоты конструкции и практически неограниченного ресурса они имеют определенные преимущества перед традиционными звукопоглощающими устройствами.
Еще одна возможность изоляции мод звуковых колебаний в канале с жесткими стенками связана с рассеиванием звука на малых неровностях стенок. Если стенки волновода сделать периодически неровными с соответствующим периодом, то исходная звуковая волна, рассеиваясь в обратном направлении на неровностях, будет затухать по мере распространения по волноводу. Представляется, что данный метод звукоизоляции имеет определенные перспективы использования в газовоздушных трактах ГТУ для глушения шума лопаточной частоты.
5. В некоторых случаях, например, для гашения шума в низкочастотном диапазоне, где традиционные методы малоэффективны, можно считать целесообразным применение активных методов шумоглушения, которые можно представить следующим образом: система микрофонов обеспечивает прием сигналов первичного звукового поля, электронная система производит обработку принятых сигналов и формирует сигналы для излучателей вторичного звукового поля, которые создают в заданной области пространства вторичное поле, интерферирующее в противофазе с первичным. Использование активного метода шумоглушения в газовоздушных трактах ГТУ, где интерференцию можно сочетать со звукопоглощением, должно привести к существенному эффекту.
6. Из-за специфических особенностей рассмотренных выше глушителей различных типов их использование в чистом виде нерационально. На практике, как правило, применяют глушители комбинированного типа, включающие звукопоглощающие и звукоотражающие элементы. По имеющимся данным, введение элементов поглощения звуковой энергии в реактивные глушители всегда благотворно сказывается на их показателях. Поглощающие элементы ослабляют эффекты отражения звука от устройств реактивного типа. Реактивные глушители лишь перераспределяют потоки звуковой энергии. Поэтому в газовоздушных трактах ГТУ из-за небольшой диссипации звуковой энергии в естественных поглотителях (рабочая среда, стенки канала, вихри в потоке) в реактивные глушители необходимо ввести поглощающие элементы.
Использование реактивных элементов глушения в абсорбционных глушителях пластинчатого типа, применяемых в трактах всасывания и выхлопа ГТУ, ограничивается жесткими требованиями по аэродинамическому сопротивлению тракта.
Не увеличить сопротивление можно за счет значительного сокращения длины пластины глушителя. Известно, что наиболее эффективно работает входная часть пластинчатого глушителя, длина которой составляет порядка трех калибров канала между пластинами глушителя. Поэтому замена одного протяженного пластинчатого глушителя несколькими короткими при надлежащей конструкции реактивного глушителя между ними заметно повысит эффективность шумоглушения в тракте.
Еще один способ - использование неплоских (волнообразных) пластин. Как было упомянуто, волнообразная стенка способствует рассеиванию звука в обратном направлении и ослабляет распространение высокочастотного звукового излучения по каналу.
Таким образом видно, что наиболее эффективна разработка устройств шумоглушения комбинированного типа, включающих в себя элементы звукопоглощения и звукоизоляции.
7. Борьба с аэродинамическим шумом в нагнетателях должна быть направлена на уменьшение в первую очередь шума взаимодействия диффузорных и рабочих лопаток (тонального-сиренного шума). Снижение сиренного шума возможно за счет перераспределения энергии звуковых волн во времени и пространстве путем расфазировки источников звука различными конструктивными решениями.
На основании исследований, выполненных на модельных и натурных центробежных компрессорных машинах П.О. «Невский завод», а так же на основании исследований по снижению шума, выполненных на кафедре теплотехники и турбомашин РУДН [1], можно выделить следующие пути снижения сиренного шума центробежных компрессоров:
1). применение переменного шага лопаток диффузора;
2). применение оптимального соотношения чисел лопаток рабочего колеса и диффузора;
3). применение двухъярусного лопаточного диффузора;
4). применение наклонных лопаток диффузора;
5). применение наклонных лопаток рабочего колеса;
6). применение подрезки выходных кромок рабочего колеса;
7), введение расфазировки по ступеням для многоступенчатых машин за счет установки колес на валу с угловым сдвигом.
8. При определении объема и выборе конструкции звукоизолирующих покрытий для уменьшения шума, излучаемого трубопроводами, целесообразно учитывать следующее:
Эффективность снижения шума, излучаемого трубопроводами, с помощью звукоизолирующих покрытий (кожухов), как правило, выше, чем у вибропоглощающих покрытий.
Базовая конструкция кожуха состоит из из слоя звукопоглощающего материала (ЗПМ), нанесенного на трубопровод, и тонкой оболочки из металла. В общем случае ЗПМ может сочетать звукопоглощающие и теплоизоляционные свойства.
Толщина слоя ЗПМ должна быть не менее 5 см. увеличение толщины ЗПМ приводит к экспоненциальному росту эффекта снижения шума.
С учетом частотной характеристики шума трубопроводов обвязки КС толщину оболочки кожуха целесообразно выбирать равной около 1 мм и выполнять ее из стали.
Звукопоглощающее покрытие может наноситься не на весь трубопровод, а только на те его участки, которые определяют максимальные участки шума. Выбор участков, для которых целесообразно применять звукопоглощающее покрытие, должен производится на основании расчетов с учетом частотных характеристик шума, геометрии трубопровода и необходимой эффективности снижения шума.
С учетом особенностей излучения шума трубопроводами, звукопоглощающие покрытия в первую очередь должны применяться для вертикальных участков трубопроводов.
При наличии кожуха вибропоглощающее покрытие может наноситься на оболочку кожуха и стенку трубопровода для повышения суммарной эффективности снижения шума. Параметры вибропоглощающих покрытий при этом определяются на основании расчетов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Власов Е.Н., Дедиков Е.В., Терехов А.Л., Цулимов С.В. Исследования шума
лопаточных машин на компрессорных станциях магистральных газопроводов и способы его снижения. М., ИРЦ Газпром, 1998. 287 с.
2. Улучшение условий труда на предприятиях РАО «Газпром» в 1994-95 гг.
Сборник научных трудов. М., РАО «Газпром», 1996. 143 с.
3. Терехов А.Л. Исследование и снижение шума на компрессорных станциях
магистральных газопроводов. М., ИРЦ Газпром, 2002. 304 с.
UDC 621.436.038.001
DECREASE OF NOISE AT GAS COMPRESSOR STATIONS
A.L. Terekhov
Russia Research Institute of Natural Gas and Gas Technologies Razvilka, 142717Moscow region, Russia Department of Industrial Ecology and Safety of Life Peoples’ Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya st., 6, 117198, Russia
The results of noise investigations of equipment at compressor stations are presented and noise decrease recommendations are given. The results are inculcated at Gasprom enterprises and they can be recommended to use at the same equipment in other branches of industry.
ВЕСТНИК Российского университета дружбы народов
Научный журнал. Основан в 1993 г.
СЕРИЯ ИНЖЕНЕРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 2003, №1
Зав. редакцией Т. О. Сергеева
Технический редактор К). В. Чванова Компьютерная верстка В. В. Горбунов
Подписано в печать 27.03.2003. г. Формат 70x180/16. Печать офсетная Гарнитура Таймс. Уел. печ. л. 12,25. Уч.-изд.л. 13,09. Уел. кр.-отг 12,5. Тираж 150 экз. Заказ № 949
Издательство Российского университета дружбы народов 117923 ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3
Типография ИПК РУДН 117923 ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3
