Повышение эффективности методов снижения шума центробежных нагнетателей

                         На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

 

МИНАЕВ ДМИТРИЙ  АНДРЕЕВИЧ

 

 

 

 

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ  МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ШУМА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАГНЕТАТЕЛЕЙ НА КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

 

 

 

 

 

Специальность:

 

05.02.13 –

Машины, агрегаты и процессы в нефтяной и газовой промышленности


 

 

 

 

 

Автореферат

 

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2010

Работа выполнена в обществе с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий – Газпром ВНИИГАЗ» (ООО «Газпром ВНИИГАЗ»)

 

 

 

Научный руководитель:

  • доктор технических наук,               доцент Терехов А.Л.

Официальные оппоненты:
  • доктор технических наук Засецкий В.Г.

 

  • кандидат технических наук,    профессор Власов Е.Н.

Ведущая организация:

  • ОАО «Гипроспецгаз»                

 

 

 

 

Защита диссертации состоится «09» июня 2010 г. в 13:30 часов на заседании диссертационного совета Д 511.001.02 при ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по адресу: 142717, Московская область, Ленинский район, поселок Развилка.

 

 

С диссертацией можно  ознакомиться в библиотеке ООО «Газпром ВНИИГАЗ».

 

Автореферат разослан «06»  мая 2010 г.

 

 

 

 

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук

 

 

И.Н. Курганова


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение единичной мощности газоперекачивающих агрегатов в процессе реконструкции и строительства новых компрессорных станций (КС) приводит к увеличению шумоизлучения оборудования при его эксплуатации. В наибольшей степени такое повышение шумоизлучения характерно для центробежных нагнетателей (ЦБН), что связано с увеличением окружных скоростей их роторов и увеличением размеров сменных проточных частей (СПЧ).

В настоящее время для снижения шума наиболее широко распространены пассивные способы борьбы, такие как: применение различного типа глушителей, звукоизолирующих кожухов, экранов, кабин наблюдения и управления, звукопоглощающих облицовок, вибродемпфирующих и виброизолирующих покрытий. Работами различных авторов установлено, что уровни звука (УЗ), излучаемые газоперекачивающим оборудованием, зависят от его режима работы. Однако до настоящего времени комплексной оценки степени этого влияния не проводилось. В связи с этим при проведении акустических расчетов, осуществляемых на стадии проектирования КС, а также при разработке и реализации мероприятий по шумозащите до настоящего времени не учитывается влияние переменного режима работы газоперекачивающего оборудования на процесс шумообразования. Отсутствие достоверных данных, оценивающих степень этого влияния, ведет к снижению эффективности проектируемых и реализуемых средств защиты от вредного воздействия шума. Поэтому экспериментально-аналитическое обоснование снижения шумоизлучения на компрессорных станциях магистральных газопроводов  является актуальной темой исследований.

Цель работы. Совершенствование методов и средств защиты от шума, излучаемого центробежными нагнетателями, с учетом влияния переменных режимов их работы на интенсивность шумоизлучения при проектировании компрессорных станций магистральных газопроводов.

Основные  задачи исследований. Для реализации поставленной цели необходимо решение следующих задач:

  1. Провести анализ эксплуатационной документации для оценки диапазонов изменения технологических режимов работы 3-4 базовых типов центробежных нагнетателей за годовой цикл.
  2. Обосновать применимость используемого методического обеспечения для проведения акустических испытаний центробежных нагнетателей газоперекачивающих агрегатов блочно-контейнерного исполнения, работающих на переменных режимах.
  3. Провести экспериментальные исследования по оценке влияния переменных режимов работы выбранных типов центробежных нагнетателей на интенсивность их шумоизлучения.
  4. По результатам обработки экспериментальных данных провести анализ зависимости уровней шумоизлучения от режимов работы, разработать математическую модель для оценки влияния на интенсивность шумоизлучения центробежных нагнетателей переменных режимов их работы и оценить ее погрешность.
  5. Разработать критериальную оценку шумности центробежных нагнетателей на компрессорных станциях магистральных газопроводов по результатам теоретических и экспериментальных исследований.
  6. На основании проведенных работ подготовить корректирующие дополнения к нормативной документации ОАО «Газпром», используемой при проектировании средств шумоизоляции центробежных нагнетателей блочно-контейнерного исполнения. 

Научная новизна  работы.

Экспериментально исследовано влияние изменения режимов работы центробежных нагнетателей различных типов на компрессорных станциях магистральных газопроводов на интенсивность их шумоизлучения, и установлена необходимость его учета при проектировании средств защиты от шума.

Разработана математическая модель для оценки влияния переменных режимов работы центробежных нагнетателей на интенсивность их шумоизлучения, достоверность которой подтверждена хорошей сходимостью данных теоретических расчетов и экспериментальных исследований.

Разработана критериальная оценка шумности центробежных нагнетателей на компрессорных станциях магистральных газопроводов, позволяющая вне зависимости от рабочих режимов сравнивать шумоизлучение однотипных и разнотипных машин при проектировании компрессорных станций.

Основные защищаемые положения.

  1. Экспериментальное обоснование диапазонов изменения интенсивности шумоизлучения центробежных нагнетателей при переменных технологических режимах в круглогодичном эксплуатационном цикле.
  2. Аналитически обоснованная и экспериментально подтвержденная математическая модель для оценки интенсивности шумоизлучения центробежных нагнетателей при изменении технологических режимов.
  3. Критериальная оценка шумности для объективного сравнительного анализа уровней шумоизлучения выбираемых типов центробежных нагнетателей при проектировании компрессорных станций вне зависимости от режимов их эксплуатации.

Практическая ценность работы. Обоснована применимость стандартизированного методического обеспечения для проведения акустических испытаний центробежных нагнетателей в промышленных условиях их эксплуатации на компрессорных станциях.

Полученные количественные оценки изменения интенсивности  шумоизлучения при варьировании рабочих режимов центробежных нагнетателей подготовлены в форме корректирующих  дополнений к нормативной корпоративной документации, используемой при проектировании средств шумоизоляции отсеков центробежных нагнетателей газоперекачивающих агрегатов в блочно-контейнерном исполнении проектными организациями ОАО «Газпром».

Результаты работы внедрены на газотранспортных объектах ООО «Газпром трансгаз Кубань», а также используются при чтении лекций и проведении семинарских занятий по курсу «Безопасность жизнедеятельности» в Российском Государственном Университете нефти и газа имени И.М. Губкина.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 61-й научной конференции «Нефть и газ» (г. Москва, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина 2007 г.), на научно-практической конференции молодых ученых (Московская область, ООО «Газпром ВНИИГАЗ» 30 сентября - 1 октября 2008 г.), на восьмой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (г. Москва, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, ОАО «Газпром», 6-9 октября 2009 г.), на международной конференции «Экологическая безопасность в газовой промышленности» (Московская область, ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 25-26 ноября 2009 г.), а также на заседаниях секции «Промышленная и экологическая безопасность. Охрана труда. Управление рисками» Ученого совета ООО «Газпром ВНИИГАЗ» (Московская область, ООО «Газпром ВНИИГАЗ» 2008-2010 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 - в изданиях, входящих в «Перечень...» ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и  объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, общих выводов по диссертации, библиографического списка использованной литературы из 78 наименований. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 34 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ  РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведения исследований по определению влияния переменных режимов работы центробежных лопаточных машин на интенсивность их шумоизлучения с целью улучшения условий труда работников газотранспортных организаций путем снижения шума на компрессорных станциях магистральных газопроводов, сформулированы цель и основные задачи работы, определены ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проанализированы основные опасные и вредные факторы, воздействующие на персонал предприятий ОАО «Газпром», установлено, что наиболее распространенным из них является производственный шум. Проанализировано негативное влияние интенсивного шума на здоровье человека, а также на безопасность производственных процессов. Рассмотрены перспективы развития газотурбинного парка России, основные шумовые характеристики эксплуатируемых газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях магистральных газопроводов, результаты акустического обследования газотранспортного оборудования. Результаты проведенного анализа свидетельствуют, что шум, излучаемый газотранспортным оборудованием на КС, значительно превышает действующие санитарные нормы. Обзор основных источников шума газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом показал, что одним из наиболее интенсивных из них является центробежный нагнетатель.

Проведенный анализ основных видов компоновки газоперекачивающих агрегатов (цеховое и блочно-контейнерное исполнение, индивидуальное укрытие) позволил обосновать выбор в качестве объекта исследований центробежные нагнетатели газоперекачивающих агрегатов в блочно-контейнерном исполнении.

Обоснованность такого выбора заключается в необходимости проведения достоверного эксперимента с минимальным влиянием фонового шума сторонних источников, что практически реализуемо лишь при блочно-контейнерной компоновке газоперекачивающих агрегатов.

Для обеспечения комплексности  проводимых исследований в работе рассмотрены как отечественные, с различными сменными проточными частями, так и импортные нагнетатели газоперекачивающих агрегатов различной мощности.  

Проведен обзор и  анализ научно-технической информации по вопросам генерации и распространения шума центробежных нагнетателей, эксплуатируемых на компрессорных станциях магистральных газопроводов.

Процессам шумообразования  и шумораспространения посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых: Р.И. Зинченко, А. Г. Мунина, Е.Н. Власова, Д.В. Баженова, Д. И. Блохинцева, Е.Я. Юдина, Ф.Е. Григорьяна, Л.Я. Гутина, Г.А. Хорошева, Н.И. Иванова, А.Л. Терехова, М.Е. Голдстейна, Р. Тэйлора и др.

Исследования показали, что шум, излучаемый центробежными нагнетателями, по своей природе является аэродинамическим, включающим в себя вихревой шум и шум от неоднородности потока, а также в некоторых случаях может присутствовать шум механического происхождения, обусловленный дисбалансом ротора или шумом подшипников.

Проведенные исследования свидетельствуют, что наиболее перспективными пассивными мероприятиями по снижению негативного влияния интенсивного шума, излучаемого центробежными нагнетателями газоперекачивающих агрегатов в блочно-контейнерном исполнении, на работников газотранспортных организаций являются применение звукопоглощающих облицовок их отсеков, средств индивидуальной защиты органов слуха, а также защита временем.

Проведенный анализ научно-исследовательских  работ, посвященных разработке и внедрению мероприятий по борьбе с шумом, а также соответствующей нормативно-технической документации свидетельствует о том, что при проектировании методов и средств защиты от шума не учитывается влияние переменных режимов работы газотранспортного оборудования на интенсивность шумоизлучения.

Поэтому для улучшения условий труда персонала КС, повышения эффективности проектируемых новых газотранспортных объектов, а также современных шумозащитных конструкций необходимо проводить разработку методов и средств по снижению шума с учетом влияния переменных режимов работы газотранспортного оборудования на интенсивность его шумоизлучения.

Во второй главе выполнен анализ государственных стандартов, регламентирующих существующие программы и методики измерений шумовых характеристик лопаточных машин, основанные на следующих методах измерений:

  • в свободном звуковом поле;
  • в отраженном звуковом поле;
  • ориентировочным методом;
  • с применением образцового источника шума.

По результатам проведенного анализа назначений, условий применимости, а также достижения максимальной эффективности при обеспечении требуемой точности перечисленных выше методов в настоящей работе обосновано применение ориентировочного метода, т.к. он может быть реализован в промышленных условиях и позволяет использовать стандартизированные методики измерений.

Выбранная типовая методика основана на применении ориентировочного метода определения корректированного по шкале А уровня звуковой мощности по измеренным уровням звукового давления или эквивалентного уровня звука для проведения измерений в помещении в соответствии с определяемыми данной методикой условиями звукового поля над звукоотражающей плоскостью.

Стандартизированная методика регламентирует необходимость  избегать любых звукоотражающих  поверхностей, не являющихся полом  или частью поверхности испытательного помещения, которые в силу своей вибрации могут излучать заметный шум.

Однако технологические  особенности размещения и подключения  нагнетателя обуславливают наличие в его отсеке различных технологических трубопроводов, которые могут рассматриваться в качестве отражателей звука (рис. 1 (а)).

Для обоснования  выбора типовой методики, основанной на применении ориентировочного метода, была проведена оценка возможности ее использования для блочно-контейнерной компоновки нагнетателей, определены максимальные уровни погрешностей измерений для используемых в ней схем расположения измерительных точек, а также проведено их сравнение с допустимыми при ее применении.

Условия звукового  поля, учитываемые в соответствии с типовой методикой, предусматривают расчет показателя акустических условий по эквивалентной площади звукопоглощения, а также коррекции на фоновый шум.

       а

б

 

в


Рис. 1 Расположение технологических трубопроводов (а), огибающего

 параллелепипеда (б), а также измерительной поверхности с точками измерения (в)

Как видно  из рис. 1 (б), внутри отсека ЦБН (на примере НЦ-6,3-56-1,45 (СПЧ 1,35)) может быть построен огибающий параллелепипед, использование которого предполагает рассматриваемая методика, путем определения характеристического размера источника шума d0, а также измерительная поверхность с помощью определения оптимального измерительного расстояния d.

Выбор измерительной  поверхности в виде параллелепипеда  с расположенными на ней точками  измерений, а также измерительного расстояния d = 0,5 м, представленных на рис. 1 (в), проводился с учетом геометрических размеров отсека, а также наличия в нем некоторого числа звукоотражающих объектов помимо пола и исследуемого источника шума.

Для определения точек измерения каждая грань измерительной поверхности разделялась на наименьшее возможное число прямоугольных участков равной площади с максимальной длиной стороны 3 d (d — измерительное расстояние). Точки измерения помещались в центр каждого участка и по его углам, кроме углов, прилегающих к звукоотражающей плоскости.

При проведении измерений  предполагается определение среднего на измерительной поверхности уровня звука с учетом коррекций на фоновый шум и акустические условия окружающей среды для последующего расчета уровня звуковой мощности.

Типовая методика регламентирует, что ориентировочный метод должен обеспечивать среднеквадратическое отклонение воспроизводимости измерений корректированного по шкале А уровня звуковой мощности при показателе акустических условий, находящегося в пределах 5-7 дБА, равное 4 дБА или меньше.

Превышение верхнего предельного значения среднеквадратического отклонения воспроизводимости измерений свидетельствует о неприменимости выбранной методики к существующим на практике условиям  или о нарушении устанавливаемых ею требований.

Поэтому было необходимо определить среднеквадратическое отклонение воспроизводимости измерений и сравнить его с верхним предельным значением для экспериментально полученных данных на исследуемых рабочих режимах.

 Верхнее предельное значение сравнивалось с расчетным значением полной погрешности (кпол) акустических измерений.

Для оценки полной погрешности использовалась наиболее распространенная методика квадратичного сложения случайной (ксл) и систематической (кпр) составляющих. В соответствии с этой методикой случайная составляющая полной погрешности равна значению среднеквадратического отклонения уровня звуковой мощности и определяется в соответствии со следующим соотношением:

                                           ,                                         (1)

где   - среднее значение уровня звуковой мощности в группе для некоторой (i-ой) частоты вращения;

Lj - значение уровня звуковой мощности для некоторой (i-ой) частоты вращения для некоторого (j-ого) центробежного нагнетателя;

М - количество однотипных центробежных нагнетателей в исследуемой группе (число степеней свободы).

Значение систематической  погрешности (приборная погрешность) с учетом применения шумомера 1-ого класса точности в соответствии с паспортом прибора Октава 110 А составляет кпр=  ± 0,7 дБА.

После проведения оценки как случайной, так и систематической погрешностей можно рассчитать полную погрешность измерений, определяемую в соответствии со следующим соотношением:

                                                                                                         (2)

Результаты расчета  значений среднеквадратического отклонения уровней звуковой мощности, а также полной погрешности для полных рабочих диапазонов изменения рабочих режимов испытуемых центробежных нагнетателей приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты расчета  среднеквадратического отклонения значений уровней звуковой мощности для исследованных центробежных нагнетателей

ЦБН Н-196-1,45

№

п/п

n,

об/мин

,  

дБА

, дБА 

№

п/п

n,

об/мин

,

 дБА

, дБА

1

7500

0,646

0,953

7

8100

0,539

0,883

2

7600

0,786

1,053

8

8200

0,674

0,972

3

7700

0,700

0,990

9

8300

0,632

0,943

4

7800

0,632

0,943

10

8400

0,504

0,863

5

7900

0,539

0,883

11

8500

0,539

0,883

6

8000

0,774

1,044

-

-

-

-

ЦБН НЦ-6,3-56-1,45 (СПЧ 1,35)

№

п/п

n,

об/мин

,  

дБА

, дБА 

№

п/п

n,

об/мин

,

 дБА

, дБА

1

7050

0,690

0,983

13

7650

0,487

0,853

2

7100

0,690

0,983

14

7700

0,377

0,795

3

7150

0,377

0,795

15

7750

0,755

1,030

4

7200

0,377

0,795

16

7800

0,487

0,853

5

7250

0,487

0,853

17

7850

0,690

0,983

6

7300

0,577

0,907

18

7900

0,377

0,795

7

7350

0,534

0,880

19

7950

0,690

0,983

8

7400

0,487

0,853

20

8000

0,690

0,983

9

7450

0,377

0,795

21

8100

0,377

0,795

10

7500

1,069

1,278

22

8200

0,377

0,795

11

7550

0,899

1,139

23

8300

0,534

0,880

12

7600

0,690

0,983

-

-

-

-

ЦБН 7V-3/100-1,7

№

п/п

n,

об/мин

,  

дБА

, дБА 

№

п/п

n,

об/мин

,

 дБА

, дБА

1

4900

1,095

1,300

11

5600

1,140

1,338

2

5000

1,140

1,338

12

5700

0,836

1,090

3

5050

1,140

1,338

13

5800

0,894

1,135

4

5100

1,516

1,670

14

5900

1,140

1,338

5

5150

1,516

1,670

15

6000

0,707

0,995

6

5200

0,894

1,135

16

6100

1,140

1,338

7

5250

0,894

1,135

17

6200

0,447

0,831

8

5300

1,140

1,338

18

6300

0,894

1,135

9

5400

1,140

1,338

19

6400

0,547

0,888

10

5500

1,140

1,338

20

6500

0,447

0,831


Поскольку определение погрешности экспериментальных данных было целью оценки возможности применения стандартизированной методики, то подробного анализа ее зависимости от переменных режимов работы не проводилось. Однако из приведенных в таблице 1 результатов расчетов полной погрешности видно, что ее значения минимальны на номинальных и близких к ним режимах работы. Анализируя итоги расчета полной погрешности для проведенных измерений, можно утверждать, что они не превышают верхнего предельного значения, установленного стандартизированной методикой и, следовательно, подтверждают возможность ее применения и достоверность полученных с ее использованием результатов акустических испытаний.

В третьей главе проведен анализ типовых режимов работы центробежных нагнетателей на компрессорных станциях магистральных газопроводов, сопоставлена продолжительность работы на номинальных и альтернативных режимах работы (рис. 2).  

 


Рис. 2 Характеристика режимов работы ЦБН различных типов (а) Н-196-1,45; (б) 235-24-1; (в) 7V-3/85-1,54; (г) 7V-3/100-1,7

Представленные материалы свидетельствует о том, что в процессе эксплуатации режимы работы центробежных нагнетателей на газотранспортных объектах (компрессорных станциях магистральных газопроводов) варьируются в достаточно широких пределах, причем продолжительность работы на номинальном режиме значительно ниже продолжительности работы на альтернативных режимах.

Результаты анализа подтверждают необходимость проведения акустических испытаний с целью определения влияния переменных режимов работы на процесс шумообразования центробежных нагнетателей.

В процессе выполнения работы были проведены акустические испытания, позволяющие определить зависимости значений основных шумовых характеристик центробежных нагнетателей различных типов (Н-196-1,45; НЦ-6,3-56-1,45 (СПЧ 1,35); 7V-3/100-1,7) от переменных режимов их работы (рис. 3).

 

 

Рис.3 Влияние изменения режимов работы на интенсивность шумоизлучения, а также спектральную характеристику для выборок ЦБН Н-196-1,45 (а, б);

НЦ-6,3-56-1,45 (СПЧ 1,35) (в, г); 7V-3/100-1,7 (д, е)


Как видно из данных, приведенных на рис. 3, шум исследованных центробежных нагнетателей по спектральной характеристике является широкополосным, по временной - постоянным. Максимальное шумоизлучение центробежных нагнетателей наблюдается в октавных полосах частот со среднегеометрическими значениями частот 63, 125, 1000 Гц.

Представленные результаты свидетельствуют о том, что варьирование режимов работы приводит к значительному изменению основных шумовых характеристик исследованных центробежных нагнетателей  в процессе их эксплуатации.

Поэтому при проектировании шумозащитных мероприятий требуется внесение соответствующих корректировок.

На основании полученных экспериментальных данных также была выполнена оценка влияния переменных режимов работы центробежных нагнетателей на громкость шума, субъективно воспринимаемую работниками газотранспортных объектов.

Значение уровня звука в дБА численно совпадает со значением уровня громкости (Lф) в фонах. Для измерения уровня субъективно воспринимаемой громкости (Gс) применяется линейная шкала, соответствующая человеческому восприятию громкости, единицей измерения в которой является сон. При этом 1 сон соответствует уровню громкости 40 фон.

В интервале 40 < Lф< 120 значение уровня громкости в фонах связано с величиной субъективной громкости в сонах соотношением:

                                             

                                               (3)

Расчеты, проведенные на основе полученных экспериментальных данных (таблица 2) для исследованных групп центробежных нагнетателей Н-196-1,45 и 7V-3/100-1,7, показывают, что в результате варьирования режимов работы и шумового режима происходит увеличение субъективно воспринимаемой громкости в 1,32 и 1,41 раза соответственно, а для выборки центробежных нагнетателей НЦ-6,3-56-1,45 (СПЧ 1,35) в 1,74 раза.                                            

Таблица 2

Результаты расчета  изменения субъективной громкости

при варьировании режимов работы исследованных центробежных нагнетателей

Исследованные

 типы ЦБН

Усредненные значения уровня звука, дБА = Lф, фон

Gс, сон

Мах

Min

Max

Min

Max/Min

Н-196-1,45

109

105

119

91

1,32

НЦ-6,3-56-1,45

(СПЧ 1,35)

107

99

104

60

1,74

7V-3/100-1,7

97

92

52

37

1,41

Повышение эффективности методов снижения шума центробежных нагнетателей 📙 Реферат → 🆔 197175

Повышение эффективности методов снижения шума центробежных нагнетателей 📙 Реферат → 🆔 197175

Повышение эффективности методов снижения шума центробежных нагнетателей