CC BY
17Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 697.922
DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-7-47-51
В.П. ГУСЕВ1, д-р техн. наук (gusev-43@mail.ru); О.А. ЖОГОЛЕВА2, канд. техн. наук (zhogoleva.olga@rambler.ru), В.И. ЛЕДЕНЕВ2, д-р техн. наук (ledvi46@yandex.ru), И.В. МАТВЕЕВА2, канд. техн. наук (times02@yandex.ru)
1Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, г. Москва, Локомотивный пр., 21) 2Тамбовский государственный технический университет (392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106)
Расчет шума газовоздушных систем ТЭЦ при оценке их шумового воздействия на застройку
На экологическую обстановку современных мегаполисов значительное влияние оказывают находящиеся на их территориях крупные энергетические объекты - теплоэлектроцентрали, районные тепловые станции, различного вида котельные. При их, как правило, круглосуточной работе происходит существенное зашумление прилегающей к энергетическим объектам городской территории, в том числе и жилой застройки. Защита жилой застройки от шума газовоздушных систем (ГВС) городских энергетических объектов является сложной научно-технической проблемой. В статье эта проблема рассмотрена на примере шумового воздействия газовоздушных систем крупных теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) на жилые районы г. Москвы. Рассмотрены обобщенная схема ГВС, конструктивные параметры их элементов и характеристики основных источников шума. Показана сложность определения энергетических характеристик шума, излучаемого ГВС, обоснована необходимость выполнения точных акустических расчетов при разработке эффективных с точки зрения акустики и экономики средств защиты от шума ТЭЦ. На основе анализа существующих методов расчета шума в крупногабаритных каналах предложен статистический энергетический метод расчета энергетических характеристик звуковых полей, позволяющий объективно оценивать распространение звуковой энергии в каналах ГВС. Разработана программа для его реализации на ЭВМ. Предложенный метод расчета и компьютерная программа обеспечивают точность расчетов уровней звукового давления на выходе из устьев каналов и вентиляционных решеток.
Ключевые слова: газовоздушные системы, шум энергетических объектов, шумовое воздействие на застройку, расчет шума в крупногабаритных каналах.
Для цитирования: Гусев В.П., Жоголева О.А., Леденев В.И., Матвеева И.В. Расчет шума газовоздушных систем ТЭЦ при оценке их шумового воздействия на застройку // Жилищное строительство. 2019. № 7. С. 47-51. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-7-47-51
V.P. GUSEV1, Doctor of Sciences (gusev-43@mail.ru); O.A. ZHOGOLEVA2, Candidate of Sciences (zhogoleva.olga@rambler.ru); V.I. LEDENEV2, Doctor of Sciences (ledvi46@yandex.ru); I.V. MATVEEVA2, Candidate of Sciences (times02@yandex.ru)
1 Research Institute of Building Physics of RAACS (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow, 127238, Russian Federation)
2 Tambov State Technical University (106, Sovetskaya street, Tambov, 392000, Russian Federation)
Calculation of Noise of Gas-Air Systems of Heat and Power Plants when Assessing their Noise Impact on Buildings
The ecological situation of modern megacities is significantly influenced by the large energy objects - combined heat and power plants, district heating stations, various types of boiler houses. With their, as a rule, around-the-clock work, there is a significant noise disturbance of the urban area adjacent to the energy facilities, including residential buildings. Protection of residential buildings from the noise of gas-air systems (HWS) of urban energy facilities is a complex scientific and technical problem. In the article, this problem is considered on the example of noise impact of gas-air systems of large combined heat and power plants (CHP) on residential areas of Moscow. The generalized scheme of hot water supply, the design parameters of their elements and the characteristics of the main sources of noise are considered. It is shown that it is difficult to determine the energy characteristics of the noise emitted by the HWS, and the necessity of performing accurate acoustic calculations in the development of noise protection equipment from the point of view of acoustics and economics is substantiated. Based on the analysis of existing methods for calculating noise in large-sized channels, a statistical energy method has been proposed for calculating the energy characteristics of sound fields, which makes it possible to objectively estimate the distribution of sound energy in the DHW channels. A program has been developed for its implementation on a computer. The proposed method of calculation and a computer program ensure the accuracy of calculations of sound pressure levels at the exit from the mouths of channels and ventilation grilles.
Keywords: gas-air systems; noise of power objects; noise impact on the building; calculation of noise in large channels
For citation: : Gusev V.P., Zhogoleva O.A., Ledenev V.I., Matveeva I.V. Calculation of noise of gas-air systems of thermal power plants in assessing their noise impact on buildings. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2019. No. 7, pp. 47-51. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-7-47-51
Градостроительство и архитектура
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Газовоздушные системы (ГВС) - системы тяги и дутья паровых и водогрейных котлов принадлежат к основным источникам повышенного шума крупных ТЭЦ как наиболее мощных предприятий по производству электрической и тепловой энергии с непрерывным цик-лом работы. В результате распространения шума от ГВС в окружающую среду население жилых районов вблизи ТЭЦ круглосуточно подвергается интенсивному шумовому воздействию.
Количество ГВС определяется мощностью ТЭЦ. Крупные предприятия имеют до 10 паровых (энергетических) и несколько водогрейных котлов. Конструкция и параметры ГВС связаны с типом и производительностью котлов. Основными источниками шума в них являются тягодутьевые машины (ТДМ). К ним относятся крупногабаритные центробежные дутьевые вентиляторы, излучающие низкочастотный шум, центробежные и осевые дымососы. Шум осевых машин широкополосный с тональными составляющими в диапазоне частот от 200 до 800 Гц [1, 2].
На рис. 1 приведены спектры звуковой мощности двух дымососов, полученные на заводском стенде при работе дымососов в режиме максимального КПД. Подобные характеристики имеют и центробежные вентиляторы.
Как видно, агрегаты, используемые в ГВС, являются мощными источниками шума. Корректированные уровни звуковой мощности (УЗМ) центробежных и осевых ТДМ на сторонах всасывания и нагнетания составляют 120-150 дБ А. При этом УЗМ шума, излучаемого корпусами машин, находятся в пределах 105115 дБ А [3-5]. Обобщенная схема систем дутья и тяги парового котла ТЭЦ представлена на рис. 2. Шум ТДМ, распространяясь по присоединяемым к ним крупногабаритным газовоздушным каналам длиной 150-280
( 1 )
Lw, дБ 130
120 -
110
100 -
90 -
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 f, Гц
80
Lw, дБ 130
120 -
110
100 -
90 80
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 f, Гц
Рис. 1. Шумовые характеристики дымососов: а — ДН-26 ГМ; б — ДОД-31,5:1 — нагнетание; 2 — всасывание; 3 — корпус
10
Н=30-40м
1
h
Система Дутья
Н=10-12м
.(lij!*-
з
4
Система тяги
6
8
-¡UlJJ-
9
Н-100-180м
Рис. 2. Схемы газовоздушных систем тяги и дутья энергетических (паровых) котлов: 1 — воздухозабор дутьевого вентилятора; 2 — воздушный канал; 3 — дутьевой вентилятор; 4 — энергетический (водогрейный) котел; 5 — котельный цех энергетического объекта; 6 — газовый канал; 7 — центробежный дымосос; 8 — врезка газохода в цоколь дымовой трубы; 9 — дымовая труба; 10 — устье дымовой трубы; 11 — предполагаемый глушитель шума
48
7'2019
Научно-технический и производственный журнал
м, имеющим поперечные размеры в пределах 3-7 м, излучается через устья каналов и воздухозаборные решетки и создает зашумление на значительных территориях прилегающей застройки [4-6].
Выполненные акустические обследования районов мегаполиса с позиций определения санитарно-защит-ной зоны (СЗЗ) вокруг ряда крупных ТЭЦ ПАО «Мосэнерго» [3-6] показали, что при отсутствии защитных мер глубина проникновения от них повышенного шума в жилую застройку может достигать более 1,5-2 км. В зависимости от конструкций, протяженности газовоздушных каналов и мощности объекта измеренные октавные уровни звукового давления (УЗД) в ночное время суток на расстоянии 150-300 м от ТЭЦ превышали допустимые значения на 15-25 дБ в широком диапазоне частот. Установлено, что основной вклад в формирование шумовых полей вносят 4-6 источников ТЭЦ. При этом во всех случаях проявляется характерный шум, создаваемый элементами ГВС - воздухоза-борами и устьями дымовых труб.
Для обеспечения защиты застройки от шума ГВС используется ограниченный набор средств [3, 4]. Наибольшее распространение имеет установка шумоглушителей непосредственно в каналах ГВС или перед ними у открытых концов. Имеется положительный опыт установки пластинчатых шумоглушителей в каналах дымососов ТЭЦ-25, ТЭЦ-26 и экранных глушителей на возду-хозаборе дутьевых вентиляторов ТЭЦ-20 в Москве.
Глушители, так же как и другие средства снижения шума крупногабаритных источников, являются дорогостоящими сооружениями. Их габариты зависят от поперечных размеров каналов и требуемой величины снижения шума. Размеры каналов, на которых устанавливаются глушители, известны заранее, а требуемое снижение ими шума в каждом случае определяется индивидуально. От точности определения последнего зависит стоимость и акустическая эффективность проектируемого глушителя. Получить эти данные на действующих объектах практически невозможно. В условиях застройки из-за наличия большого количества других источников городского шума сложно выделить составляющую шума ТЭЦ. В случае, если такая задача и решена, из общего шума ТЭЦ невозможно выделить шум, создаваемый элементами ГВС. По этой причине для определения шума, излучаемого ГВС, необходимо производить расчет распространения звуковой энергии в каналах ГВС с использованием известных УЗМ ТДМ (рис. 1).
В России и за рубежом несколько десятилетий для оценки распространения звуковой энергии в каналах используются методики, основанные на принципах волновой акустики. В них канал рассматривается как волновод определенного размера. Для случаев каналов с небольшими поперечными размерами эти ме-
тодики пригодны. При больших габаритах каналов их применение ограничивается в лучшем случае диапазоном низких частот и не позволяет получить надежные данные о процессах распространения звуковой энергии в области средних и высоких частот. В связи с этим для оценки шума в крупногабаритных каналах ГВС в статье показывается необходимость применения более точных методов расчета энергетических характеристик звуковых полей, формирующихся внутри каналов на средних и высоких частотах.
Крупногабаритные газовоздушные каналы по условиям формирования в них звуковых полей относятся к длинным помещениям, в которых распространение отраженной составляющей шума имеет ярко выраженные особенности. Проведенные экспериментальные исследования [7, 8] показали, что в поперечных сечениях каналов отраженная звуковая энергия распределяется достаточно равномерно. В то же время при удалении от источника шума наблюдается постоянный спад уровней звукового давления. Два этих обстоятельства позволяют считать, что формирующееся отраженное шумовое поле в канале является одномерным. В процессе исследований формирования отраженных шумовых полей было установлено, что в каналах без звукопоглощающих облицовок образуются квазидиффузные отраженные звуковые поля. Для расчета их энергетических характеристик можно использовать статистическую энергетическую модель [9]. Для ее реализации применительно к крупногабаритным каналам разработано несколько методов, отличающихся между собой сложностью их реализации и точностью [10-12].
Анализ методов показал, что для расчетов шума в крупногабаритных газовоздушных каналах наиболее приемлемым является метод функции источника, основные положения которого изложены в [9]. Метод подробно рассмотрен в работе [13]. Основными условиями его использования является равенство коэффициентов звукопоглощения стенок каналов и диффузный характер отражения звука от ограждений. При наличии на стенках каналов футеровок эти условия выполняются.
В этом случае можно произвести замену поглощения звуковой энергии ограждениями канала на эквивалентное пространственное поглощение энергии в воздушной среде канала и использовать эквивалентный коэффициент затухания звуковой энергии, определяемый согласно [14] по формуле:
т.
= me-|\S>(l-o0
(1)
где те - коэффициент затухания звука в воздухе; S - общая площадь ограждений канала; S.;a. - площадь и коэффициент звукопоглощения .-го участка ограждения канала; I - средняя длина пробега отраженных звуковых лучей в канале.
Градостроительство и архитектура
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Связь между плотностью потока q отраженной звуковой энергии и ее градиентом плотности е в квазидиффузном звуковом поле канала согласно [9] определяется выражением:
q = -Т] grade, (2)
где ri = 0,5cl^ - коэффициент связи плотности потока отраженной энергии и ее градиента плотности [15]; с - скорость звука в воздухе.
В отраженном звуковом поле при отсутствии источников звука дивергенция потока звуковой энергии определяется проходящими через поверхность единичного объема элементарными потоками и поглощениями отраженной звуковой энергии в среде этого объема [9], т. е.:
divq =m3c£. (3)
Путем подстановки (1) и (2) в выражение (3) возможно получить дифференциальное уравнение, описывающее отраженную звуковую энергию в виде:
V2e-fe = 0 , где V2 - оператор Лапласса;
(4)
7 =
cm,„
V
SI,
2 m„
CP
I,
(5)
CP
При переносе звукопоглощения с границ канала в среду решение уравнения (4) возможно получить при нулевых граничных условиях:
де дп
= 0.
(6)
При решении уравнения (4) с граничными условиями (6) используется метод электростатических изображений [16]. В этом случае плотность отраженной энергии определяется как:
IV (\ -а)
Q.J]
-G,,
(7)
объемно-планировочных и акустических параметров канала на величину отраженной энергии его в г'-й точке.
Так как длина каналов существенно больше их поперечных размеров и, следовательно, влиянием торцов каналов и их открытых устьев на формирование отраженной звуковой энергии можно пренебречь, функция G имеет вид:
G„
(8)
где /„
/,(1пД+1пД) + /(1пД+1пД) , 2т
I
;(9)
ср
в1 = (1-а1); р4 = (1-а4) - коэффициенты отражения ограждений канала, имеющие координаты х1 = 0; х2=1х, у3 = 0; у4 = I; гтп - расстояния от расчетной точки до изображения; т, п - комбинации целых чисел, кроме
т=п=0.
Учитывая, что в канале распространяется прямая и отраженная составляющие шума, окончательно расчеты уровней звукового давления при точечном источнике шума производятся по формуле:
L = LW + lg
ехр(-т^) | 2(1 Qr2
a)
Q.L,
G,
(10)
где Ж- мощность источника шума; а - средний коэффициент звукопоглощения ограждений в канале; Й - пространственный угол излучения звуковой энергии источником шума в канал; бг. - функция влияния
Список литературы
1. Гусев В.П. Снижение шума в газовоздушных трактах городских энергетических объектов. Сб. трудов XI сессии Российского акустического общества. Москва, 2001. С. 31-42.
2. Гусев В.П., Карабанов Ю.П. Снижение шума энергетических тягодутьевых машин // Энергомашиностроение. 1987. № 3. С. 29-33.
где г. - расстояние от источника шума до i-й расчетной точки.
Для реализации расчетного метода разработана компьютерная программа. Оценка точности метода произведена путем сравнительного анализа расчетных и экспериментальных данных, полученных в длинных помещениях - аналогах крупногабаритных каналов [7, 8]. Некоторая часть результатов сравнительного анализа приведена в статье [13]. Наблюдается согласование расчетных и экспериментальных данных.
В настоящее время метод используется в НИИСФ РААСН при определении уровней шума, излучаемого устьями труб и вентиляционными решетками, с целью последующего определения исходных данных для проектирования эффективных с точки зрения акустики и экономики конструкций глушителей, устанавливаемых в ГВС и для оценки шумового воздействия ГВС крупных ТЭЦ Москвы на прилегающую к ним застройку.
References
1. Gusev V.P. Reducing noise in the gas-air ducts of urban energy facilities. Collection of works of the XI session of the Russian acoustic society. Moscow. 2001, pp. 31-42. (In Russian).
2. Gusev V.P. Karabanov YU.P. Reducing the noise of energy machines. EHnergomashinostroenie. 1987. No. 3, pp. 29-33. (In Russian).
50
72019
Научно-технический и производственный журнал
3. Рихтер Л.А., Осипов Г.Л., Гусев В.П. Влияние шумового воздействия энергетических объектов на зону жилой застройки и методы его снижения // Теплоэнергетика. 1988. № 4. С. 60-63.
4. Дьяков А.Ф., Серебрянников Н.И., Гусев В.П., Волков Э.П., Рихтер Л.А., Осипов Г.Л. Методы снижения шумового воздействия энергетических объектов на зону жилой застройки городов // Теплоэнергетика. 1988. № 9. С. 26-29.
5. Рихтер Л.А., Осипов Г.Л., Гусев В.П., Тупов В.Б. Санитар-но-защитная зона от шума энергетического оборудования ТЭЦ // Электрические станции. 1988. № 5. С. 48-51.
6. Гусев В.П. Определение уровней шума газовоздушных систем ТЭЦ на территории застройки. Сб. трудов XI сессии Российского акустического общества. Москва, 2001. С. 25-30.
7. Гусев В.П., Солодова М.А. К вопросу о распространении шума в крупногабаритных газовоздушных каналах // Academia. Архитектура и строительство. 2010. № 5. С. 211-219.
8. Солодова М.А., Соломатин Е.О. Экспериментальные исследования шума в аналоге крупногабаритных воздушных каналов // Вестник МГСУ, 2011. № 3-1. С. 97-102.
9. Леденев В.И. Статистические энергетические методы расчета шумовых полей при проектировании производственных зданий. Тамбов: ТГТУ, 2000. 156 с.
10. Гусев В.П., Леденев В.И., Соломатин Е.О. Энергетический метод оценки распространения шума в газовоздушных трактах // Academia. Архитектура и строительство. 2010. № 3. С. 230-233.
11. Гусев В.П., Леденев В.И., Соломатин Е.О., Соло-дова М.А. Комбинированный метод расчета уровней шума в крупногабаритных газовоздушных каналах // Вестник МГСУ. 2011. № 3-1. С. 33-38.
12. Гусев В.П., Жоголева О.А., Леденев В.И. Компьютерный расчет уровней шума при проектировании крупногабаритных газовоздушных каналов // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2016. № 6. С. 15-17.
13. Сидорина А.В., Жоголева О.А., Матвеева И.В. Расчет шума в газовоздушных каналах энергетических объектов методом функции источника // Строительство и реконструкция. 2018. № 4 (78). С. 89-96.
14. Леденев В.И., Макаров А.М., Матвеева И.В., Солома-тин Е.О. Эквивалентные коэффициенты затухания звуковой энергии в помещениях и их использование при расчетах шума в производственных зданиях // Приволжский научный журнал. 2018. № 1 (45). С. 25-32.
15. Antonov A., Ledenev V., Shubin I., Tsukernikov I., Neven-channaya T. Coupling coefficient for flux density and density gradient of reflected sound energy in quasidiffuse sound fields. 13th International Conference on Theoretical and Computational Acoustics, ICTCA. 2017. С. 244.
16. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977. 736 с.
72019 ^^^^^^^^^^^^^^
3. Rihter L.A. Osipov G.L., Gusev V.P. Influence of noise impact of energy objects on the residential area and methods of its reduction. Teploehnergetika. 1988. No. 4, pp. 60-63. (In Russian).
4. D'yakov A.F., Serebryannikov N.I., Gusev V.P., Vol-kov E.P., Rihter L.A., Osipov G.L. Methods to reduce the noise impact of energy facilities in the residential area of cities. Teploehnergetika. 1988. No. 9, pp. 26-29. (In Russian).
5. Rihter L.A., Osipov G.L., Gusev V.P., Tupov V.B. Sanitary protection zone from the noise of power equipment of thermal power plant. Elektricheskie stancii. 1988. No. 5, pp. 48-51. (In Russian).
6. Gusev V.P. Determination of noise levels of gas-air systems of CHP in the building area. Collection of works of the XI session of the Russian acoustic society. Moscow, 2001. pp. 25-30. (In Russian).
7. Gusev V.P., Solodova M.A. On the issue of noise propagation in large-sized gas-air ducts. Academia. Arhitek-tura i stroitefstvo. 2010, pp. 211-219. (In Russian).
8. Solodova M.A., Solomatin E.O. Experimental studies of noise in the analogue of large air channels. Vestnik MGSU. 2011. No. 3-1, pp. 97-102. (In Russian).
9. Ledenev V.I. Statisticheskie energeticheskie metody rascheta shumovykh polei pri proektirovanii proizvod-stvennykh zdanii [Statistical energy methods for calculating noise fields in the design of industrial buildings]. Tambov: TGTU, 2000. 156 p.
10. Gusev V.P., Ledenev V.I., Solomatin E.O. Energy method of estimating the spread of noise in the gasair paths. Academia. Arhitektura i stroiteistvo. 2010. No. 3, pp. 230-233. (In Russian).
11. Gusev V.P., Ledenev V.I., Solomatin E.O., Solodova M.A. Combined method for calculating noise levels in large gas-air ducts. Vestnik MGSU. 2011. No. 3-1, pp. 33-38. (In Russian).
12. Gusev V.P., Zhogoleva O.A., Ledenev V.I. Computer calculation of noise levels in the design of large-sized gas-air channels. BST: Byulleten' stroitel'noj tekhniki. 2016. No. 6, pp. 15-17. (In Russian).
13. Sidorina A.V., Zhogoleva O.A., Matveeva I.V. Calculation of noise in the gas-air channels of energy facilities using the source function method. Stroiteistvo i rekon-strukciya. 2018. No. 4 (78), pp. 89-96. (In Russian).
14. Ledenev V.I., Makarov A.M., Matveeva I.V., Solomatin E.O. Equivalent attenuation factors of sound energy in rooms and their use in calculating noise in industrial buildings. Privolzhskij nauchnyj zhurnal. 2018. No. 1 (45), pp. 25-32. (In Russian).
15. Antonov A., Ledenev V., Shubin I., Tsukernikov I., Neven-channaya T. Coupling coefficient for flux density and density gradient of reflected sound energy in quasidiffuse sound fields. 13th International Conference on Theoretical and Computational Acoustics, ICTCA. 2017. C. 244.
16. Tihonov A.N., Samarskij A.A. Uravneniya matemat-icheskoi fiziki [Equations of mathematical physics]. Moscow: Nauka, 1977. 736 p.
- 51
