СНИЖЕНИЕ ШУМА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Аннотация. Определены основные причины возникновения вибрации и шума на газораспределительных станциях магистральных трубопроводов. Предложен универсальный гаситель пульсаций, возникающих при движении газа через регулирующие органы.

Ключевые слова: акустический шум, гаситель пульсации давления, газовая динамика, математическая модель, дросселирование, регулирующие органы, газопроводы, амплитуда пульсации, турбулентность, система трубопроводная, станция газораспределительная, регулятор давления, глушитель.

В Омском государственном техническом университете проводится разработка универсального гасителя пульсаций, возникающих при движении газа через регулирующие органы.

Развитие одной из крупнейших в мире энергетических компаний «Газпром» оказывает непосредственное влияние на технический прогресс во многих важных отраслях промышленности и сельского хозяйства. В связи с этим возникает необходимость дальнейшего расширения и модернизации систем газоснабжения, обеспечения их безопасной эксплуатации, улучшения экологической обстановки. Природные горючие газы являются экономичным и универсальным видом топлива и сырья, поскольку их использование уменьшает загрязнение атмосферы продуктами сгорания по сравнению с твердыми и жидкими видами топлива. Для подачи промышленным предприятиям и населенным пунктам природного газа с определенным давлением, степенью очистки и одоризации на магистральных газопроводах действуют газораспределительные станции (ГРС).

Результаты аттестации рабочих мест по условиям труда показывают, что самым неблагоприятным производственным фактором, воздействующим на персонал газотранспортных предприятий, является высокий уровень шума в зонах обслуживания технологического оборудования [1]. Согласно исследованиям, 81 % работников этих предприятий работают в условиях повышенного шума.

Основными причинами возникновения вибрации и шума в этом случае являются турбулентность и вихревой характер течения газа в трубопроводах, регуляторах давления и клапанах.

Шум - это беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Звук создаётся флуктуацией волн давления, источником которого является поток рабочей среды через регулирующий клапан. Конкретные источники шума являются либо механизмами, либо конструкциями, использующими в своей работе какую-либо рабочую среду. В подобных конструкциях применяются потоки гидродинамической (жидкость) или аэродинамической (газ или пар) природы. Упомянутые выше волны давления характеризуются амплитудой (громкостью) и частотой. Первая измеряется в децибелах (дБ) - логарифмическом выражении относительного уровня мощности звука. Поскольку единицы измерения имеют логарифмическую природу, то увеличение амплитуды на 3 дБ на практике означает удвоение уровня мощности звука. Частота измеряется в герцах (Гц) - другими словами, в циклах давления в секунду. Уровни промышленного шума зачастую выражаются в форме, учитывающей чувствительность человека к частоте. Эта методика называется «стандартной частотной коррекцией А ». Единицами измерения в этом случае являются скорректированные по А децибелы (дБА).

Турбулентность рабочей среды наблюдается в различных зонах. Две из этих зон находятся в корпусе регулирующего клапана. Первой из них является область дросселирования, где относительное давление рабочей среды невелико, а скорость её движения, напротив, высока. Высокий уровень турбулентности в этой зоне порождён струями, формирующимися в затворе регулирующего клапана. Второй зоной является область между затвором и стенкой корпуса клапана, где к появлению турбулентности приводит высокая скорость набегания рабочей среды. Оба описанных источника шумов называются затворными или клапанными источниками.

Ещё одной зоной возникновения турбулентности является зона ниже по направлению потока от затвора клапана. В этом месте турбулентность в выпускном отверстии клапана, вызванная скоростью течения среды, и нисходящий трубопровод выступают в роли дополнительного независимого источника шума. Таким образом, в каждой установке могут присутствовать два независимых источника шумов. Дросселирование регулирующего клапана наглядно представлено на рисунке 1.

Рисунок 1. Дросселирование регулирующего клапана

По мере продвижения среды по нисходящему трубопроводу турбулентность снижается. Однако акустическое поле при этом сохраняется. В зависимости от диаметра трубы, материала, из которого она изготовлена, и толщины стенок, шум на некоторых частотах проходит сквозь стенку трубы (этот процесс называется прохождением звука) и формирует звуковые волны, слышимые людьми.

Источники шума можно разделить на два типа - точечные и линейные. Шум из точечного источника распространяется в форме круга с центром непосредственно в источнике. Уровень звукового давления в этом случае уменьшается на 6 дБА при каждом удвоении расстояния от источника. Примером точечных источников могут служить вентиляционный вывод в атмосферу или газовый факел. Шум из линейного источника распространяется в форме цилиндра с центром непосредственно в источнике. Уровень звукового давления в этом случае уменьшается на 3 дБА при каждом удвоении расстояния от источника. Примером линейного источника может служить трубопровод.

Потенциальная возможность шумовых повреждений и вибрации зависит от следующих факторов:

Падение давления и его коэффициент – чем сильнее падение давления и чем выше коэффициент этого падения, тем больше становится потенциальная возможность появления шума.

Геометрическая форма клапана/затвора – изогнутые траектории потока могут создавать турбулентность и шум, которые могут повредить затвор и корпус регулирующего клапана, а также трубопровод. Дополнительными факторами, влияющими на возможность появления шума, являются размер траектории потока рабочей среды, её форма и расположение.

Площадь выпускного отверстия клапана – высокая скорость протекания жидкости через регулирующий клапан или трубопровод при значении числа Маха, равном 0,3 или более, может создавать повышенную турбулентность и шум. Поэтому площадь выпускного отверстия клапана необходимо учитывать для точного прогнозирования уровня шумов.

Расход – высокий уровень расхода увеличивает потенциальные шансы возникновения повышенной турбулентности и шума.

Продолжительность воздействия – чем дольше определённая зона подвергается воздействию вибрации, тем больше вероятность возникновения повреждений.

Внешние по отношению к регулирующему клапану факторы также могут повлиять на общий уровень шума предприятия. Среди них:

Траектория потока – измерительные диафрагмы, колена, манифольды и другое оборудование могут препятствовать потоку или блокировать его. Эти изменения генерируют флуктуации акустического давления, которые могут повлиять на интенсивность шума.

Комбинированные источники шумов – сумма шумов от двух однородных источников, расположенных неподалёку друг от друга, может быть на 3 дБ громче, чем шум наиболее сильного из двух исходных источников.

Материал, толщина и диаметр – чем толще стенки трубопровода и чем больше его диаметр, тем меньше будет проходить сквозь стенки трубы шума, способного создавать звуковые волны, слышимые людьми.

Основной принцип стратегии подавления шумов аэродинамической природы состоит в разбиении потока на множество более мелких параллельных потоков. Это не только уменьшает силу источника шума, но и сдвигает частоты в более высокий диапазон, который не является проблемным. Эта методика и подобные ей называются уменьшением шума в источнике. Стандартные методики уменьшения шума в источнике включают затворы регулирующих клапанов с подавлением шумов, линейные диффузоры и вентиляционные диффузоры, сводящие к минимуму величину турбулентности. Формы поточных каналов подобраны таким образом, чтобы снизить турбулентность, и, как следствие, свести к минимуму шумы ударного характера, а также сдвинуть пограничные слои турбулентности в сторону от жёстких препятствий (к примеру, стенок трубопровода), дабы уменьшить величину шумов этой природы. Многоступенчатое снижение давления, используемое в сочетании с принципами звукотехники, позволяет контролировать размер струй, их формирование и взаимодействие, а также управлять расширением рабочей среды.

Обследование шумовых характеристик на территории залов редуцирования ГРС показало, что наибольшая интенсивность звука наблюдается в районе установки редукторов давления газа. Шум регуляторов обусловлен срабатыванием сверхкритического перепада давления на регулирующем органе с 5 - 6 до 0,6 - 1,5 МПа, т.е. источником шума является процесс дросселирования газа. Пульсации давления, которые создаются в процессе дросселирования, вызывают вибрации элементов конструкции регуляторов и присоединенных трубопроводов, которые и создают акустический шум в окружающей среде на уровне 105 - 110 дБ.

Защиту обслуживающего персонала от воздействия шума на предприятиях транспорта газа обычно осуществляют следующими способами:

• удалением источника шума на расстояние, при котором уровень звукового давления не превышает допустимых норм;
• изоляцией источника вибраций и шума;
• применением специальных диффузоров и глушителей.

Вибрации и шумы при движении газа через регулирующие органы при больших перепадах давлений снижаются следующими способами:

• изменением режимных (эксплуатационных) параметров работы регулирующих органов;
• выбором соответствующего типа и геометрических характеристик дроссельной и проточной частей регулирующих органов, обеспечивающих уменьшение турбулизации потока в заданных пределах изменения расхода и давления среды;
• многоступенчатым дросселированием потока среды, при котором общий перепад давлений распределяется между отдельными дроссельными элементами.

На рисунке 2 представлен расчет акустических характеристик источника шума.

Рисунок 2. Расчет акустических характеристик источника шума

Возможность уменьшить шум дает ступенчатое снижение давления с помощью многоступенчатого аксиального конуса. Здесь особенно эффективны и недороги делители потока, сокращающие свободный поток среды и ускоряющие импульсное выравнивание в зоне смешивания. К средствам снижения шума регулятора относятся: глушители, звукоизолирующие кожухи, облицованные звукопоглощающим материалом трубопроводы и др. Шумоглушитель выравнивает скорости потока по сечению, разрушает вихревое течение, за счет сопротивления при протекании через него рабочей среды уменьшается перепад давления на клапане. В результате снижаются пульсации давления и уровень шума в окружающей среде.

На основе анализа конструкций гасителей пульсации давления [2] предложена конструкция для гашения пульсаций давления в линиях редуцирования газа в разрезе, показанная на рисунке 3.

Рисунок 3. Конструкция для гашения пульсаций давления в линиях редуцирования газа в разрезе, где 1 – входной фланец; 2 – переход; 3 – корпус;4 – выходной фланец; 5,6,7 – перфорированные диски; 8,9,10 линейный диффузор; А,В – шумоизоляция фирмы «К-Флекс»

Шумоглушитель состоит из перфорированного линейного диффузора 9 с гильзой для направления потока газа 14, входного 1 и выходного 4 фланцев, перехода 2 и корпуса 3 с установленными в нем пакетом шайб 5, 6,7 с дросселирующими отверстиями. Для уменьшения уровня пульсаций давления, вызванного вихреобразованием, в дросселирующих отверстиях на входе выполнены конфузоры с углом при их вершине α=40 - 80°, а на выходе диффузоры с углом при их вершине β=6 - 30°, при этом дросселирующие отверстия распределены по радиусу шайб так, что их пропускная площадь формирует профиль скоростей в сечении трубопровода, приближенный к профилю скоростей установившегося стационарного течения среды. В шайбе 6 с дросселирующими отверстиями изготовлен паз для крепления гильзы линейного диффузора и закрытия звукопоглощающего материала, фиксируется на шпильке 10 гайкой 11. Шайба 7 устанавливается в паз выходного фланца 4 и фиксируется на шпильке 10 гайкой 12. Для герметичного соединения между фланцами установлены прокладки, например, паронитовые. Входной фланец 1 крепится к корпусу регулятора давления при помощи стандартных винтов, выходной фланец 4 крепится с помощью стандартных шпилек, шайб и гаек ответному фланцу. Собранное устройство монтируют в систему газопровода после регулятора давления. Технический результат – уменьшение уровня пульсаций давления на участке газопровода, расположенном за гасителем, снижение вибрации поверхности газопровода и шума в окружающей среде.

Разработанное устройство работает следующим образом. Газ (воздух) с пульсирующим давлением после регулятора поступает во входной патрубок линейного диффузора, где поток газа разбивается на мелкие потоки, проходя через отверстия диаметром 4 мм. Скорость потока газа при прохождении через перфорированный линейный диффузор равномерно распределяется, тем самым, уменьшив скорость потока газа. Линейный диффузор предотвращает возникновение резонансных режимов работы регулятора. Далее газ поступает на пакет шайб с дросселирующими отверстиями 3 мм. Пакет шайб с дросселирующими отверстиями снижает пульсации давления газа за счет прохождения его через дросселирующие отверстия в шайбах, которые смещены друг относительно друга в окружном направлении. Смещение отверстий предотвращает сквозное прохождение газа и способствует сглаживанию пульсаций давления в полостях между шайбами. Установка в корпусе устройства для гашения пульсаций давления пакета шайб позволяет равномерно распределить весь перепад давления на устройстве.

Диаметр и количество дросселирующих отверстий на каждой шайбе рассчитываются по формуле (1) Сен-Венана-Венцеля для определения массового расхода потока:

где F - суммарная площадь отверстий в шайбе; μ - коэффициент расхода; k - показатель адиабаты;

P1 - входное давление;

ρ₁ - плотность газа на входе;

β - коэффициент отношения давления до шайбы к давлению после.

Выбор диаметра и количества отверстий в дроссельных шайбах проводится таким образом, чтобы скорость газа в отверстиях, с одной стороны, были меньше скорости звука, а с другой стороны, плавно снижалась до минимально возможного уровня, определяемого сечением выходного трубопровода. Диаметр отверстий должен быть как можно меньший в целях более эффективного дробления потока.

После прохождения конструкции поток газа с низкими пульсациями давления и равномерно распределенной скоростью поступает в выходной газопровод. За счет снижения пульсаций и распределения скорости потока уменьшается вибрация стенки газопровода и снижается шум в окружающей среде. Наблюдается также снижение уровня акустической мощности при дальнейшем уменьшении площади проходного сечения. Однако при этом происходит нарушение нормальной работы системы и снижается расход газа.

Регулировать уровень шума в трубопроводах можно не только с помощью различных конструкций и механизмов, но и применяя пористые материалы с поверхностями различной конфигурации. В зависимости от состава, толщины, вида пор, акустические материалы работают по-разному на различных частотах. Наиболее интересными акустическими характеристиками обладают материалы с открытыми порами.

Продукция для шумоизоляции в зависимости от типа материала делится на несколько категорий: звукопоглощающие материалы, звукоизолирующие материалы и комбинированные. К звукоизолирующим обычно относят плотные материалы, способные отражать звук. К звукопоглощающим относят материалы, способные поглотить шум, не дать ему отразиться от преграды. Звукопоглощающие материалы имеют волокнистое, зернистое или ячеистое строение.

Характеристика поглощения звука оценивается коэффициентом звукопоглощения. Коэффициент звукопоглощения отражает отношение количества поглощенной энергии к энергии падающей α =Епогл/Епад. Коэффициент звукопоглощения меняется в пределах от 0 до 1. С точки зрения звукопоглощения материалы можно разделить на три категории. При значении α ≥ 0,8 считается, что звукопоглощение хорошее (1 класс). Это означает, что более 80% звуковой энергии будет поглощено. При значениях α от 0,4 до 0,8 среднее звукопоглощение (2 класс). Если значение α ≤0,4 материал обладает слабым звукопоглощением (3 класс). При нулевом значении коэффициента звукопоглощения звук полностью отражается, при полном звукопоглощении коэффициент равен единице.

В настоящее время на рынке представлены материалы для звукопоглощения таких марок, как К-Флекс, Роквул, Энергофлекс, Изовер, УРСА, Кнауф и другие. Для разработанной конструкции универсального гасителя пульсаций предложено использовать материалы производителя К-Флекс, т.к. они имеются в реестре «ГАЗПРОМА». Согласно акустическим характеристикам, полученным по результатам лабораторных исследований, материалы K-FONIK производителя К-Флекс решают вопросы по борьбе с шумом в частотном диапазоне 100-5000 Гц. В каталоге [4] приведены данные по коэффициенту звукопоглощения α (безразмерная величина), материалов К-Флекс K-FONIK в частотном диапазоне 100-5000 Гц. Взвешенный коэффициент звукопоглощения αw вычисляется путем сравнения значений с эталонной кривой в соответствии на частоте 500 Гц. В качестве звукопоглотителя для разработанной конструкции в пространство между корпусом и гильзой линейного диффузора можно установить звукоизоляционный материал. Наиболее подходящими из них являются K-FONIK OPEN CELLS либо K-FLEX K-FONIK FIBER-R.

Для получения лучших показателей по снижению шума можно дополнительно установить снаружи гасителя пульсаций и на выходной трубопровод нитки редуцирования комбинированный материал, состоящий из высокоплотного вязкоупругого, эластичного материала GK и вспененного слоя ST различных толщин. Производителем данных материалов также является компания К-Флекс.

Список литературы:

1. Заяц Б.С. Снижение шума на газораспределительных станциях магистральных газопроводов. Заяц Б.С., Заяц И.Б., Яговкин И.Г. Вектор науки Тольятинского государственного университета, №3 (25), 2013, стр. 181-184
2. Регулирующие клапаны для технологических процессов. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.samsontula.ru/pdf/k12ru_www.pdf
3. Шумоизоляция промышленных труб. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://k-fonik.ru/gotovye-resheniya/shumoizolyaciya-promyshlennyh-trub