Акустические характеристики энергетического оборудования газокомпрессорных станций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Акустические характеристики энергетического оборудования газокомпрессорных станций

УДК 621.311

И.Г. Гоголев, Т.А. Николаева, А.М. Дроконов

3.12.09

Аннотация

Рассмотрены результаты исследований акустических характеристик газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов.

Ключевые слова: звуковое давление, газоперекачивающий агрегат, газомотокомпрессор, газотурбинный двигатель, электропривод, нагнетатель.

Мощность и производительность газоперекачивающих агрегатов (ГПА), работающих на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов (МГ), увеличиваются в основном посредством интенсификации энергетических процессов, повышения параметров циклов и динамических нагрузок, вследствие чего значительно возрастает излучаемое энергоблоками звуковое давление, снижается работоспособность и безопасность труда обслуживающего персонала.

По физической природе шум ГПА включает аэродинамическую и механическую составляющие. Первая формируется как следствие вихреобразования на входе в компрессор, пульсирующего давления в камере сгорания, аэродинамических процессов в проточной части турбомашин, газодинамических явлений в их входных и выходных отсеках, неоднородности потока во всасывающем и выхлопном трактах нагнетателя природного газа.

Механические шумы образуются в результате динамических взаимодействий элементов агрегата вследствие дисбаланса роторов, вибрации лопаточных венцов, нарушений геометрии подшипниковых узлов и др.

При этом газовоздушный шум, излучаемый каналами всасывания и выхлопа ГПА, является главным источником акустического воздействия энергоустановок на прилегающие селитебные зоны. Эти тракты представляют собой волноводы, свободно транспортирующие из зоны генерации в окружающую среду звуковую энергию, интенсивность которой может достигать 50% от общей акустической мощности агрегатов.

В современных ГПА в основном используются энергоприводы следующих классов: газотурбинные установки (ГТУ) стационарного, авиационного и судового типов, электродвигатели синхронного типа и поршневые машины (газомотокомпрессоры). Природный газ компримируется центробежными нагнетателями (ЦБН) неполнонапорного (одноступенчатого) и полнонапорного типов.

Для разработки комплекса мероприятий, обеспечивающих снижение звуковой мощности ГПА, необходим детальный спектральный анализ их акустических характеристик. С этой целью выполнены исследования шумовых показателей таких установок, в процессе которых изучены акустические параметры 28 типов ГПА различных классов (обследовались несколько образцов каждого типа) в условиях работы агрегатов на режимах, близких к оптимальному.

При этом следует отметить, что авторы не претендуют на полноту сделанных обобщений вследствие ограниченного объема экспериментальных материалов в сформированном банке данных. Вместе с тем обсуждаемые результаты представляют большой практический и теоретический интерес для проектных и эксплуатирующих организаций энергетической отрасли и могут наполняться дополнительными сведениями по мере накопления статистических показателей.

Рассмотрим кратко акустические характеристики отдельных типов ГПА каждого класса (таблица).

Таблица Уровни звука (дБА) исследованных ГПА (L_A), двигателей (L_AД) и нагнетателей газа (L_AН)

Среднеквадратические уровни звукового давления испытанных энергоблоков (L) определялись в частотном диапазоне f = 31,5…8•10³ Гц по шкале А для двигателей (L_АД), нагнетателей газа (L_АН) и агрегатов блочного типа (L_А) по формуле

,

где n - количество точек измерения шума по периметру агрегата;L_i -уровень звукового давления в i - й точке замера.

Звуковое поле ГПА изучалось вдоль внешнего контура агрегатов. По результатам акустических измерений рассчитывались уровни звукового давления (УЗД) в октавных полосах по среднегеометрическим частотам указанного диапазона.

К стационарным ГПА относятся агрегаты, в которых приводом нагнетателя природного газа является газовая турбина, специально сконструированная для использования на КС МГ. Исследованию были подвергнуты 14 типов агрегатов такого класса (таблица, п. 1 - 14).

Установлено, что все установки этого вида излучают шум с постоянным во времени широкополосным спектром.

В качестве примера на рис. 1 приведены характеристики звукового поля ГПА типа ГТНР-10 мощностью 10МВт и ЦБН типа 520-12-1, изготовленных Невским заводом.

Анализ шумодиаграмм ГТУ показал, что интенсивность излучаемого звука по периметру установки не превышает 95 дБ, экстремальное значение зарегистрировано в диапазоне f = 2•10³ …4•10³ Гц.

Начиная с частоты f =125 Гц УЗД в зоне газотурбинной установки превосходит предельно допустимый уровень (ПДУ). Так, в области высоких частот разность этих параметров составляет 22 дБ (рис.2, кривая 1), а по шкале А - 17 дБА (рис. 2).

Величина акустической мощности ЦБН типа 520-12-1 начиная с частоты 63 Гц превосходит ПДУ, достигая максимального значения 30 дБ в области f=2•10³ Гц (рис. 2, кривая 2). Различие этих параметров по шкале А составляет 26 дБА (рис. 2).

К авиационным газотурбинным газоперекачивающим агрегатам относятся ГПА, приводом нагнетателя природного газа которых служит газовая турбина авиационного типа, специально реконструированная для использования на КС МГ. Как правило, установки такого типа монтируются в отдельных контейнерах (боксах), в которых скомпонованы двигатель и нагнетатель. Объектом акустических исследований служили 8 энергоблоков рассматриваемого класса (таблица, п. 15 - 22).

В качестве иллюстрации ниже приведены шумовые характеристики турбоблока типа ГПА-12ПЦ мощностью 12 МВт, оборудованного двигателем ПС-90ГП-1 производства Сумского машиностроительного научно-производственного объединения и нагнетателем типа ГЦ 2-420/41,5-56, изготовленным Пермским заводом.

Наибольший уровень звукового давления наблюдается в области ЦБН (в зоне газохода), где его значения превышают 100 дБ на низких частотах (рис. 3). Спектр шума этой установки - постоянный во времени, широкополосный, что свойственно и другим машинам авиационного класса.

На всех исследованных ГПА с авиаприводными газотурбинными двигателями величины УЗД превосходили ПДУ на частотах f ? 125 Гц (рис. 2, кривая 3). Уровень шума рассматриваемого агрегата по шкале А находится в диапазоне 88…89 дБА (рис. 2).

К судовым газотурбинным ГПА относятся установки, в которых приводом нагнетателя газа служит модернизированная турбина судового типа. Шумовые характеристики агрегатов такого класса исследовались на установках типов ГПА-16МГ и ГПУ-16С (таблица, п. 23 и 24).

В турбоблоках ГПУ-16С мощностью 16 МВт контейнерного исполнения приводом нагнетателя природного газа типа НЦ-16ДГ Сумского завода служит конвертируемый судовой двигатель ДГ-90 производства Николаевского судостроительного завода.

Излучаемый такими агрегатами звук носит постоянный во времени широкополосный характер. Из представленных на рис. 4 шумодиаграмм энергоблока ГПУ-16С видно, что наивысший УЗД наблюдается на частоте 31,5Гц на большей части контура контейнера установки.

На частотах f ? 125Гц шум превышает допустимые нормы (рис. 2, кривая 4). Наибольшая разность между излучаемым шумом и его нормированным показателем составляет 14…16 дБ на частотах f =10³ … 2•10³ Гц. Уровень акустической мощности турбоблока по шкале А - 96 дБА, т.е. на 16 дБА выше ПДУ (рис. 2).

В газовой отрасли в сфере компримирования газа, например на станциях его подземного хранения, в качестве энергопривода используются газокомпрессоры (ГМК) - сравнительно тихоходные машины с частотой вращения 300…350 1/мин. газоперекачивающий агрегат энергоблок

В этом классе ГПА объектом акустических измерений служили ГМК типов 10ГКНА 55/125 и 10ГКНАМ 55/125 мощностью 1178 кВт (таблица, п. 25 и 26).

Испытания показали, что исследованные агрегаты обладают достаточно близкими акустическими характеристиками, излучая равномерное по контуру энергоблоков звуковое поле с постоянным во времени широкополосным спектром (рис. 5).

Установки 10ГКНА 55/125 и 10ГКНАМ 55/125 генерируют наибольшую акустическую мощность на частоте 125 Гц, где ее среднеквадратическое значение достигает 94 дБ.

На частотных полосах f ? 100 Гц значения излучаемого звука превышают ПДУ. Максимальная величина ДL_MAX, зафиксированная на частоте 4•10³ Гц, составляет 18…19 дБ (рис. 2, кривая 7).Эквивалентный уровень шума достаточно высок: =95 дБА, что на 15 дБА выше санитарных норм (рис. 2).

В последние годы в систему транспорта газа внедряются газоперекачивающие агрегаты с приводом от синхронных электродвигателей мощностью 4…25МВт, обладающие определенными преимуществами в сравнении с ГМК и ГТУ: высокой надежностью, минимальными затратами на капитальный ремонт, большим моторесурсом, экологической чистотой, простотой системы управления. Недостатком является слабая приспособленность установки к переменным режимам эксплуатации.

Как правило, электродвигатели энергоблоков такого класса устанавливаются в машзале, а редуктор-мультипликатор с нагнетателем газа - в галерее нагнетателей.

Акустическому обследованию были подвергнуты две такие установки - типов СТД-4000-2 и СТД-12500 (таблица,п. 27 и 28).

Исследования шумовых показателей ГПА типа СТД-12500, оснащенного электродвигателем мощностью 12,5 МВт и нагнетателем природного газа типа ЦНБ-235-26-1 Невского завода, показали, что акустическая мощность энергопривода достигает наибольших значений в области низких частот (f=500Гц) (рис. 6; рис. 2, кривая 5). Разность уровней излучаемого этой машиной и допускаемого санитарными нормами звукового давления по шкале А составила 18 дБА (рис. 2).

Блок «редуктор - нагнетатель» на частотах, превышающих 100 Гц, генерирует звуковую мощность существенно больше допустимой (рис. 6). Максимальные ее значения зарегистрированы в области высоких частот (f=10³…4•10³ Гц), где разность достигала 22…19 дБ (рис. 2, кривая 6). По шкале А эта величина составила 21 дБА (рис. 2).

Сравнительную оценку акустических качеств ГПА и их объектов (двигателей и нагнетателей), установленных в газотранспортной системе, можно провести с использованием систематизированных и протабулированных материалов выполненных исследований (таблица).

Как видно, газоперекачивающие агрегаты всех классов излучают шум, уровень которого существенно превосходит предельно допустимый санитарными нормами (= 80 дБА). В энергоблоках отечественного производства это наиболее характерно для ГТУ типов ГТК-5, ГТ-750-6, ГТ-750-6М, «Дон-1», ГТ-6-750, ГТН-6 и ГТН-25-1; авиаприводного агрегата типа ГПА-Ц-6,3 с нагнетателем Н-196-1,45; блоков «редуктор - нагнетатель» типов 280-12-7, ЦБН-235-26-1 и 370-18-2 в электроприводных установках, акустическая мощность которых превышает 100 дБ.

Следовательно, необходимо создание комплексной технической программы сокращения излучаемого энергоблоками КС звукового давления, которой следует руководствоваться как в процессе проектирования, так и при эксплуатации базовых и конвертируемых типов машин ГПА.

Размещено на Allbest.ru