Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Актуальность исследований снижения шума газовоздушных трактов тягодутьевых машин 10
1.1. Обзор законодательства регулирующего вопросы охраны окружающей среды в России 10
1.2. Обзор наиболее существенных источников шума на ТЭС 12
1.3. Шум от тягодутьевых машин ТЭС 21
1.4. Измерения уровня шума от тягодутьевого оборудования объектов энергетики и промышленности 24
Выводы по главе 1 28
Глава 2. Расчеты уровней звукового давления от газовоздушных трактов тягодутьевых машин в окружающем районе в условиях сложной застройки 29
2.1. Обзор специальных программ для расчетов уровня шума газовоздушных трактов тягодутьевых машин ТЭС в окружающем районе 45
2.2. Пример расчета УЗД от энергетического объекта с газовоздушными трактами тягодутьевых машин 46
2.3. Результаты расчетов УЗД с помощью программы Predictor 48
Выводы по главе 2 53
Глава 3. Определение расположения ступеней пластинчатых глушителей в сложных каналах с целью уменьшения их аэродинамического сопротивления с помощью математического моделирования 54
3.1. Аэродинамическое моделирование глушителя шума в сложном энергетическом канале 54
3.2. Математические программы, позволяющие определить расположения ступеней пластинчатых глушителей в сложных каналах с целью уменьшения их аэродинамического сопротивления 59
3.3. Верификация программы 60
3.4. Результаты математического моделирования для диссипативного глушителя, расположенного на разном расстоянии до и после поворота 62
3.5. Результаты математического моделирования для двухступенчатого диссипативного глушителя, расположенного до и после поворота с разными толщинами пластин 68
Выводы по главе 3 73
Глава 4. Методика определения длин многоступенчатых глушителей с разной толщиной пластин 75
4.1. Выбор глушителей шума для газовоздушных трактов тягодутьевых машин 75
4.2. Методы определения конструкций пластинчатых глушителей для газовоздушных трактов тягодутьевых машин 75
4.3. Обоснование метода минимума дисконтированных затрат для определения длин ступеней пластинчатых глушителей с разной толщиной пластин 80
4.4. Рекомендации по определению длин пластинчатых глушителей газовоздушных трактов тягодутьевых машин 86
Выводы по главе 4 87
Глава 5. Результаты внедрения средств и методов снижения шума энергетического оборудования 88
5.1. Внедрение разработанной конструкции шумоглушителя на ТЭЦ-9 – филиал ОАО «Мосэнерго» 90
5.2. Внедрение мероприятий по снижению шума газовых и воздушных трактов ОАО «НЛМК» 95
Выводы по главе 5 95
Заключение 97
Список литературы
- Шум от тягодутьевых машин ТЭС
- Пример расчета УЗД от энергетического объекта с газовоздушными трактами тягодутьевых машин
- Математические программы, позволяющие определить расположения ступеней пластинчатых глушителей в сложных каналах с целью уменьшения их аэродинамического сопротивления
- Методы определения конструкций пластинчатых глушителей для газовоздушных трактов тягодутьевых машин
Шум от тягодутьевых машин ТЭС
Акустические измерения были проведены мною в соответствии с ГОСТ 12.1.023-80 (1996), ГОСТ 12.2.016.1-91, ГОСТ 12.2.016.2-91, ГОСТ 12.2.016.4-91, ГОСТ 12.2.016.5-91, ГОСТ 23941-2002, СН 2.2.4/2.1.8.562-96, ГОСТ 31296.1-2005.
Измерения проводились анализатором шума и вибрации многоканального типа «SOUNDBOOK» фирмы «Sinus».
Измерялись уровни звука, дБА, уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 31.5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц и третьоктавных полосах с диапазоном среднегеометрических частот 25-10000 Гц. В рамках данной работы были проведены измерения уровня шума на действующих объектах энергетики и промышленности и окружающем жилом районе для выявления наиболее интенсивных источников шума и разработки мероприятий для снижения их шумового воздействия на окружающий район. Данные измерения проводились на ТЭЦ-9 (рис.1.7) и ТЭЦ-12 – филиалах ОАО «Мосэнерго», а также на ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (рис. 1.4,рис.1.5,рис. 1.6). Рис.1.5. Измерения УЗД от корпуса дымососов ОАО «НЛМК»
Как видно из таблицы 1.3 одними из наиболее шумных источников, а также постоянных по времени на всех объектах являются дутьевые вентиляторы и дымососы. Шумовые характеристики тягодутьевых машин приведены в [53-54,74]. Шум от корпуса можно снизить с помощью звукоизоляции, а шум от воздухоза-бора и нагнетания существенный и для его снижения необходима разработка специальных устройств – шумоглушителей, на основе правильного расчета необходимого требуемого снижения, определение которого с помощью специальных программ рассмотрено в главе 2. Разработка специальных устройств рассмотрена в главе 3 и главе 4. Таблица 1.3 1. Проведенный обзор законодательства Российской федерации показывает большое внимание к фактору физического воздействия, которым является шум. 2. Проблема шума является актуальной для энергетики, так как он является основной причиной высокого уровня профессиональных заболеваний, а также источником превышения санитарных норм в окружающем районе. 3. Проведенные акустические измерения и обзор известных работ показывает, что среди всех источников шума ТЭС тягодутьевые машины являются наиболее интенсивным и многочисленным источником постоянного шума, оказывающий влияние на персонал предприятий и жителей окружающих районов. 4. Уровни шума от ТДМ зависят от многих факторов. Произведенные измерения показывают необходимость разработки эффективных специальных устройств – шумоглушителей, для их установки в газовоздушных трактах. 5. Проведенный обзор показывает необходимость точных расчетов уровня шума в окружающем районе, который может быть выполнен с использованием современных программ. Глава 2. Расчеты уровней звукового давления от газовоздушных трактов тя-годутьевых машин в окружающем районе в условиях сложной застройки
Шум от газовоздушных трактов тягодутьевых машин является источником интенсивного шумового воздействия, как для территории предприятия [11], так и окружающего района [13]. Как было рассмотрено в предыдущей главе, эта проблема актуальна для ТЭЦ, которые находятся в непосредственной близости от селитебных территорий. Поэтому очень важно учитывать шумовой фактор при строительстве, модернизации существующих станций и строительстве вокруг них жилых районов с целью соблюдения существующих санитарных норм [66]. Обычно шум от существующего энергетического объекта, в том числе от газовоздушных трактов тягодутьевых машин суммируется с шумом других объектов промышленности и транспорта [101]. Поэтому необходимы способы точного расчета уровней звукового давления, как на самом объекте, так и на селитебной территории, расположенной в зоне воздействия шума при эксплуатации объектов энергетики, в том числе и от газовоздухопроводов тягодутьевых машин. Расчет уровней звукового давления позволяет предусмотреть наиболее эффективные меры по шумоглушению для обеспечения санитарных норм [14-16], с учетом расположения энергетического оборудования.
Акустический расчет в соответствие с [14-16] выполнялся в восьми октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц с точностью до десятых долей децибела.
Пример расчета УЗД от энергетического объекта с газовоздушными трактами тягодутьевых машин
Для расчета аэродинамических сопротивлений различных элементов внутри канала получили широкое применение специальные пакеты программ, таких как Flow Vision, Star-CD, Fluent и ANSYS CFX [22].
В [23] отмечается, что особенностями течения потоков в энергетических газовоздухопроводах являются следующее: Для течения потоков в газовоздушных трактах паровых котлов характерно турбулентное движение в области чисел Рейнольдса Re=105-107 при невысоких значениях скоростей (число Маха М 0,1); Пограничный слой может быть, как ламинарным, так и турбулентным.
В данной работе для определения аэродинамических характеристик при различном расположении ступеней глушителя в канале использована программа Flow Simulation программного продукта SolidWorks.
В этой программе течение потока в каналах выражается уравнениями Навье-Стокса, записанными для турбулентных течений в форме Рейнольдса и описывающих в нестационарной постановке законы сохранения массы, импульса и энергии движущейся среды. Для замыкания системы уравнений применяются соотношения энергии турбулентности и её диссипации с использованием к - модели турбулентности [22].
Эта система уравнений сохранения массы, импульса и энергии нестационарного пространственного течения имеет следующий вид в рамках подхода Эйлера в декартовой системе координат (xi, i = 1,2,3), вращающейся с угловой скоростью Q вокруг оси, проходящей через ее начало: время, и - скорость текучей среды, р - плотность текучей среды, Р -давление текучей среды, St - внешние массовые силы, действующие на единичную массу текучей среды: Siporous - действие сопротивления пористого тела, Sigrcmty - действие гравитации, Sirotation - действие вращения системы координат, т.е. S, = S,porous + Slgravity + Sirotatlon, (3.8) E - полная энергия единичной массы текучей среды, QH - тепло, выделяемое тепловым источником в единичном объеме текучей среды, т1к - тензор вязких сдвиговых напряжений, qt - диффузный тепловой поток, нижние индексы означают суммирование по трем координатным направлениям.
Кроме полного давления внутри канала, программа рассчитывает скорости и траектории движения среды.
При использовании любого пакета программ важным является проведение верификация программы. Для этого сравниваем результаты расчетов по известным, много раз проверенным справочным данным, с результатами, полученными в результате моделирования. В качестве эталонных данных, для определения суммарного коэффициента аэродинамического сопротивления были использованы результаты, полученные по известной формуле [20]: где Е,м, X — коэффициенты местного сопротивления и сопротивления трения глушителя, определяемые по [20]; / — длина секции глушителя, м; D2 — гидравлический диаметр ячейки глушителя, м. Таблица 3.1
Важным вопросом является построение сетки для проведения аэродинамических расчетов. Для верификации был принят канал с сечением 4000х4000 мм. Такие большие каналы используются в энергетических газовоздушных трактах тя-годутьевых машин ТЭЦ и других случаях. Длина канала выбрана 30 метров. Толщина пластин глушителя принята 200 мм. Расстояние между пластинами 466 мм. Расстояние между крайними пластинами и стенкой трубы принято 233 мм. Шероховатость стенок канала равна 400 микрометрам. Видно, что с увеличением числа расчетных ячеек разница между значениями суммарного коэффициента сопротивлений, полученная по результатам математического моделирования и данным [20] уменьшается. При сетке с количеством ячеек 10 млн. отклонение составляет 8,1%. Увеличение количества расчетных точек значительно увеличивает время расчетов. Глушитель находится на расстоянии более 25 м до поворота. Считаем , что при таком расстоянии влияние глушителя пренебрежимо мало.
Увеличение количества ячеек приводит к увеличению расчетного времени. Считаем, что для наших расчетов отклонение от известных экспериментальных и справочных данных меньше 10% допустимо. Поэтому для дальнейших расчётов используем построение сетки с количеством ячеек 10 млн.
Ниже проведены расчеты аэродинамических характеристик пластинчатых глушителей в газовоздушных трактах при их расположении на разном расстоянии до поворота и после поворота. Отдельно рассмотрен случай двухступенчатого глушителя, расположенного до (первая ступень) и после (вторая ступень) поворота.
Коэффициент сопротивления участка, значение которого отложено по оси у, учитывает сопротивление глушителя, прямого участка и прямого поворота. Результаты коэффициента сопротивления участка, полученные путем математического моделирования, приведены на разном расстоянии от поворота и даны в калибрах. Калибр равняется гидравлическому диаметру D=4S/П, где S- площадь проходного сечения канала, м2, П- смачиваемый периметр канала, м. Как видно из рис.3.1 коэффициент сопротивления участка при расположении глушителя шума после поворота на расстояниях до 4 метров (1 калибр) меньше, чем в случае расположения глушителя до поворота. Это может быть объяснено следующим образом:
- основное аэродинамическое сопротивление обусловлено отрывом потока с внутренней кромки прямого поворота.
При расположении пластинчатого глушителя после поворота происходит уменьшение вышеуказанного эффекта и соответственно уменьшается коэффициент местного сопротивления а, следовательно, и аэродинамическое сопротивление всего участка. При увеличении расстояния данный эффект от близкого расположения глушителя шума минимизируется и влияние расположения глушителя шума на аэродинамическое сопротивление до и после поворота после 4 метров оказывается практически одинаковым.q
Математические программы, позволяющие определить расположения ступеней пластинчатых глушителей в сложных каналах с целью уменьшения их аэродинамического сопротивления
Математическое моделирование проводилось и для более сложных каналов. Результаты использования программы Flow Simulation для расчета аэродинамических характеристик сложных компоновок приведены для двухступенчатого дис-сипативного глушителя шума пластинчатого типа, расположенного до и после поворота. При этом толщина пластин у первой и второй ступени различна.
Первая по ходу газа ступень глушителя состоит из 4-х пластин толщиной 400 мм и длиной 1500 мм, размещенных равномерно в газоходе размерами 2300х5500 мм. Расстояние между пластинами составляет 975 мм, расстояние между крайними пластинами и стенкой газохода – 488 мм (рис.3.5). При таком размещении пластин относительное проходное сечение составляет 71%. Вторая после прямого поворота по ходу газа ступень глушителя состоит из 8-ми пластин толщиной 200 мм и длиной 3000 мм, размещенных равномерно в газоходе размерами 2300х5500 мм.
Для определения аэродинамических характеристик такого глушителя проводилось математическое моделирование. На рис.3.6 приведены результаты математического моделирования полного давления среды внутри канала при минимальном расстоянии от ступеней глушителя до поворота (а) и при расстоянии 1,5 м от каждой из ступеней (б). Видно, что полное давление среды в случае (а) несколько выше, чем в случае (б). В случае (б) происходит более равномерное снижение полного давления среды, особенно хорошо это видно после первой ступени глушителя, где в случае (а) преобладают зоны повышенного давления.
На рис.3.7 даны результаты математического моделирования скорости среды внутри газового тракта при минимальном расстоянии от ступеней глушителя до поворота (а) и при расстоянии 1,5 м от каждой из ступеней (б), а на рис.3.8 – траектории движения среды внутри канала. Рис.3.5. Общий вид моделируемого двухступенчатого глушителя а
Результаты математического моделирования траектории движения среды внутри канала при минимальном расстоянии от ступеней глушителя до поворота (а) и при расстоянии 1,5 м от каждой из ступеней (б) Математическое моделирование позволяет определить не только аэродинамическое сопротивление, но и расположение ступеней глушителя соответствующее их минимальному значению в сложном канале путем вариантных расчетов. Рассмотренный выше проект был принят для реализации на одной из московских ТЭЦ (ТЭЦ-9 филиал ОАО «Мосэнерго»). Использование пластинчатых глушителей без расширения существующих каналов позволяет обеспечить необходимую акустическую эффективность при умеренном дополнительном аэродинамическом сопротивлении (43 Па) и массе конструкции 3,6 т.
Результаты исследований, изложенные в данной главе, докладывались и были опубликованы в тезисах Международной научной конференции: Актуальные вопросы строительной физики. энергосбережение. надежность строительных конструкций и экологическая безопасность, посвящённые памяти академика РААСН Осипова Г.Л., в Москве и IV Международного экологического конгресса «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» в г.Тольятти в 2013 году [98-99].
Акустические и аэродинамические характеристики диссипативных глушителей взаимосвязаны. При этом изменение аэродинамического сопротивление в зависимости от расположения глушителя шума в канале при его размещении до и после поворота, а также и до и после одновременно не исследовались.
Целесообразно использовать математическое моделирование для определения аэродинамических характеристик глушителей шума в больших энергетических газовоздухопроводах, которыми являются газовоздушные тракты тягодутье-вых машин.
Для выполнения математического моделирования необходимо выполнение верификации программы, когда изменением количества ячеек можно добиться необходимой точности. Показано, что для достижения требуемой точности необходимо 10 000 000 ячеек, при которой погрешность составляет около 8%. 4. Результаты математического моделирования показывают, что наибольший эффект на снижение аэродинамического сопротивления оказывает наличие глушителя шума после поворота, который позволяет уменьшить эффект отрыва потока от внутренней кромки поворота. Результаты математического моделирования показали, что с расстояния больше 4 метров местоположение глушителя шума после поворота на изменение коэффициента местного сопротивления не влияет. При размещении одной ступени пластинчатого глушителя ее всегда целесообразно размещать после поворота, чем до поворота при расстояниях меньше 1 D калибра (гидравлического диаметра) до него.
Результаты математического моделирования показывают, что наибольший эффект на снижение аэродинамического сопротивления оказывает размещение одной ступени пластинчатого глушителя в канале с поворотом на расстояние до пластин глушителя после поворота равным L=(0,1—1) D.
Результаты математического моделирования показывают, что размещение одной ступени пластинчатого глушителя в канале до поворота целесообразно на расстоянии больше L=1,5 D;
Результаты математического моделирования показывают, что наибольший эффект на снижение аэродинамического сопротивления оказывает в случае размещения пластин глушителя до и после поворота на расстояние от них до поворота равным L= (0,1—0,8) D.
Результаты математического моделирования аэродинамических характеристик для сложной компоновки двухступенчатого диссипативного глушителя шума с разной толщиной пластин, размещенного до и после поворота позволяют с помощью вариантных расчет определить расположение глушителя с минимальным аэродинамическим сопротивлением.
Методы определения конструкций пластинчатых глушителей для газовоздушных трактов тягодутьевых машин
Первая по ходу газа ступень глушителя состоит из четырёх пластин толщиной 400 мм и длиной 1500 мм, размещённых равномерно в газоходе размерами 2300х5500 мм. Расстояние между пластинами составляет 975 мм, расстояние между крайними пластинами и стенкой газохода – 488 мм. Первая ступень глушителя установлена до поворота газохода на 90о на расстоянии 800 мм от него. Вторая по ходу газа ступень глушителя состоит из восьми пластин толщиной 200 мм. и длиной 3000 мм, размещённых равномерно в газоходе размерами 2300х5500 мм. Расстояние между пластинами составляет 488 мм, расстояние между крайними пластинами и стенкой газохода – 244 мм. При таком размещении пластин первой и второй ступеней относительные проходные сечения составляют 71%. Вторая ступень глушителя установлена после поворота газохода на 90 о на расстоянии 1500 мм от него. Внутри пластин находится негорючий негигроскопичный звукопоглощающий материал, который защищается от выдувания стеклотканью и перфорированным металлическим листом.
Проект конструкций глушителей выполнен в рамках договора №15205/МЭИ 2159120 «Разработка рабочей документации для глушителей шума на энергоблоках №6, 7, 8 и на пиковой водогрейной котельной ТЭЦ-9 – филиала ОАО «Мосэнерго», расположенного по адресу: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, д.12, стр.1.
После монтажа глушителей в 2013 г. были проведены комплексные акустические и аэродинамические испытания.
Акустическая эффективность глушителя определяется по разности уровней звукового давления в точках контроля шума в канале котла до и после глушителя [11,102,107]. Измерения проводились анализатором шума и вибрации многоканального типа SOUNDBOOK фирмы Sinus (Германия) (рис.5.3) при рабочей нагрузке котлов через специальные штуцера с помощью микрофона фирмы G.R.A.S. (Дания) (рис.5.4). Уникальность микрофона заключается в возможности проведения измерений в высокотемпературном потоке дымовых газов с температурой до 800оС, что позволяет получить точные результаты по эффективности глушителя в реальных условиях эксплуатации. Измерялись уровни звукового давления (в децибелах) в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц.
Аэродинамическое сопротивление глушителя находилось как разность статических давлений до и после глушителя за вычетом аэродинамического сопротивления участка без глушителя, которое бралось из аэродинамического расчёта котла. Статические давления до и после глушителя измерялись прибором TESTO (Германия) (рис.5.5). Измерения проводились из тех же штуцеров, что и уровни звукового давления. На результаты измерений вводилась поправка на полную нагрузку котла.
Сравнение акустической эффективности глушителя газового тракта котла БКЗ-320-140ГМ с величиной требуемого снижения уровня шума дано в табл.5.1. Рис.5.6 дана средняя акустическая эффективность двухступенчатых глушителей трёх газовых трактов для указанных среднегеометрических частот. Она составляет от 5,7 дБ на среднегеометрической частоте 63 Гц до 16,0 дБ на среднегеометрической частоте 1000 Гц. Требуемое снижение уровней звукового давления, заданное техническим заданием, для указанных среднегеометрических частот составляет 1 и 14 дБ соответственно. Таким образом, акустическая эффективность глушителей выше требуемых значений, определённых техническим заданием для всех среднегеометрических частот.
Аэродинамическое сопротивление глушителя с учётом поправки на полную нагрузку котла составляет 3,51 мм.вод.ст. (примерно 34 Па), что значительно меньше допустимого аэродинамического сопротивления, равного по условиям технического задания 24,5 мм.вод.ст. (примерно 240 Па).
Испытания глушителей были проведены мною в качестве ответственного исполнителя в рамках договора № 15205/МЭИ/2136130 «Проведение испытаний глушителей шума на энергоблоках №6, 7, 8 и на пиковой водогрейной котельной» на Объекте: ТЭЦ-9 - филиал ОАО «Мосэнерго», расположенном по адресу: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, д.12, стр.1.
Таким образом, многоступенчатые глушители шума газового тракта, разработанные «НИУ «МЭИ», имеют высокую акустическую эффективность и низкое аэродинамическое сопротивление
Ниже приведены сведения о рекомендациях для снижения шума энергетических газовоздухопроводах ОАО «НЛМК».
В 2014 г. рекомендации по снижению шума газовых и воздушных трактов на ОАО «НЛМК» были переданы Заказчику. После рассмотрения они были приняты Заказчиком. В настоящее время решается вопрос о выполнении рабочей документации и изготовлении по ним для указанных источников глушителей.
Это позволяет рекомендовать, разработанные в диссертационной работе подходы при выполнении глушителей (многоступенчатых или одноступенчатых) для различных энергетических газовоздухопроводов.
Разработанные в диссертационной работе новые подходы были реализованы при разработке двухступенчатых пластинчатых глушителей для трёх газовых трактов после котлов типа БКЗ-320-140ГМ №№6,7,8 ТЭЦ-9 филиала ОАО «Мосэнерго» и глушителей газовых и воздушных трактов ОАО «НЛМК» (г.Липецк).
По результатам внедрения были проведены испытания акустической эффективности глушителей шума на ТЭЦ-9 – филиал ОАО «Мосэнерго». Акустическая эффективность глушителя газового тракта котла БКЗ-320-140ГМ составляет от 5,7 дБ на среднегеометрической частоте 63 Гц до 16,0 дБ на среднегеометрической частоте 1000 Гц, что выше требуемого снижения (1 и 14 дБ соответственно). Таким образом, акустическая эффективность трёх глушителей выше требуемых значений, определённых техническим заданием для всех среднегеометрических частот.
