автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Снижение шума при эксплуатации газораспределительных станций магистральных газопроводов

УДК 622.691.4.052.012-758.34

На правах рукописи

Заяц Игорь Богданович

СНИЖЕНИЕ ШУМА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовый комплекс)

- 2 СЕН 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2015

005561912

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУЛ «ИПТЭР»).

Научный руководитель - Яговкин Николай Германович,

доктор технических наук, профессор, Самарский государственный технический университет, заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности»

Официальные оппоненты: — Глебова Елена Витальевна,

доктор технических наук, профессор, Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина, заведующая кафедрой «Промышленная безопасность и охрана окружающей среды»

— Зубаилов Гаджиахмед Исманлович,

кандидат технических наук

ОАО «Гипрониигаз», заместитель генерального

директора - главный технолог

Ведущая организация — ФГБОУ ВПО Тольяттинский государственный

университет

Защита состоится 23 сентября 2015 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Государственного унитарного предприятия «Институт проблем транспорта энергоресурсов» www.ipter.ru.

Автореферат разослан 20 августа 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор --Худякова Лариса Петровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Система трубопроводного транспорта для подачи газа к промышленным и другим объектам относится к опасным. Часть входящего в их состав оборудования, например газораспределительные станции (ГРС), кроме источника потенциальной опасности, создают значительный уровень шума, превышающий нормативный на 10...30 дБА. Причиной его возникновения являются пульсации газа, возникающие в результате турбулентности и вихревого характера его течения в трубопроводах, регуляторах давления и клапанах.

Фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования аэродинамического шума выполнены многими авторами: Блохвинце-вымД.И., Леонтьевым Е.А., Кравчуном П.А., Смоляковым A.B., Юдиным Е.А., Дж. Бэтчелором, Голдстейн М.Е., Рейнгольдсом А.Жд. и др. Разработанные ими теоретические положения позволяют эффективно снижать аэродинамический шум, создаваемый различными видами оборудования.

Однако применительно к оборудованию ГРС перечисленные разработки требуют дальнейшего развития, т.к. в этом случае эффективность снижения шума может быть достигнута только тогда, когда рассматривается конкретный его вид и учитываются условия эксплуатации.

Цель работы — повышение эффективности систем шумоглушения на газораспределительных станциях.

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

- провести анализ процессов шумообразования в ГРС, существующих способов и устройств снижения аэродинамического шума и технических решений по их реализации;

- создать теоретическую и расчетную базу, позволяющую решать поставленную задачу;

- разработать теоретические предпосылки, математический аппарат с программным продуктом для расчета, модель конструкции гасителя пульсаций давления и провести экспериментальную проверку ее эффективности;

- с использованием полученных результатов разработать конструкцию гасителя пульсаций давления и провести экспериментальную проверку его эффективности в условиях производства.

Соответствие паспорту специальности. Тема диссертационной работы соответствует пункту 12 «Разработка и совершенствование способов повышения безопасности производственного оборудования, технологических процессов, вспомогательных операций и условий труда работников» области исследования специальности 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность».

Методы решения поставленных задач. Для решения поставленных задач использованы как теоретические, так и экспериментальные методы, а именно: теория газовой гидродинамики, теория вероятностей, теория планирования эксперимента; методы статистической обработки экспериментальных данных, анализа и синтеза полученных результатов, а также решение дифференциальных уравнений.

Научная новизна результатов работы:

1) создана модель формирования шума в газопроводе, которая делает возможным на основании известных теоретических разработок оценивать акустические характеристики среды в газопроводе на стадии проектирования;

2) разработана модель для расчета распределения пропускных площадей по радиусу шайбы гасителя пульсаций давления, позволяющая его проектировать, без проведения экспериментальных исследований;

3) предложена модель для газодинамического расчета характеристик гасителя пульсаций давления, позволяющая на стадии проектирования закладывать в его конструкцию элементы, необходимые для снижения шума до нормативных значений.

На защиту выносятся:

1) расчетная модель акустических характеристик среды в газопроводе;

2) модель для расчета распределения пропускных площадей по радиусу шайбы гасителя пульсаций давления;

3) модель газодинамического расчета характеристик гасителя пульсаций давления.

Теоретическая значимость результатов работы заключается в развитии теории распространения звука и процесса шумообразования, а также разработке универсальных средств снижения шума в регулирующих органах магистральных газопроводов с целью повышения безопасности технологического процесса транспорта газа и улучшения условий труда работников.

Практическая ценность результатов работы заключается в возможности предусматривать снижение пульсаций давления как в процессе проектирования газопровода, так и в процессе его эксплуатации, что повышает его надежность и снижает уровень шума до нормативных значений.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечена корректным применением методов акустического расчета распространения звука по газопроводу, результатами моделирования, экспериментальной проверки совпадения теоретических, лабораторных и натурных испытаний результатов работы.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 8 Международной научно-практической конференции «Будущие исследования» (София, 2012 г.); VII Международной научно-практической конференции «Спецпроект: анализ научных исследований» (Днепропетровск, 2012 г.); Международной заочной научно-практической конференции «Современное общество, образование и наука» (Тамбов, 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Ашировские чтения» (Самара, 2012 г.); IV Международном экологическом конгрессе «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов ELPIT - 2013» (Тольятти, 2013 г.); Всероссийских межвузовских научно-практических конференциях «Актуальные вопросы обеспечения безопасности жизнедеятельности» (Самара, 2013 г., 2014 г., 1015 г.).

Внедренне результатов работы

Результаты диссертационной работы были внедрены в ООО «Газпром трансгаз Самара».

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных трудах, в том числе в 1 монографии и 4 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 96 наименований, 1 приложения. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков и 10 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе исследована природа возникновения аэродинамического шума. Проанализированы: источники и механизмы генерации шума на ГРС и методы его снижения; способы защиты от шума регулирующих органов; способы снижения вибраций и шумов газовых устройств; методы снижения вибраций и шумов газодинамического происхождения; существующие средства и методы снижения шума, создаваемого редукторами давления и клапанами. Выполнен обзор и анализ существующих гасителей пульсации давления в газопроводных системах.

При эксплуатации газораспределительных станций аэродинамические шумы в системе транспорта газа возникают вследствие неламинарного течения газа при его подаче промышленным предприятиям и населенным пунктам.

Шумы, возникающие вследствие неоднородности потока газа, периодически выпускаемого в атмосферу (турбины, вентиляторы и т.п.).

Шумы, возникающие из-за образования вихрей у твердых границ потока. Это явление происходит на границе движущегося ламинарного потока газа и неподвижного слоя того же газа или твердых границ газопровода.

Шумы турбулентного характера, возникающие при перемешивании газовых потоков, движущихся с разными скоростями. Примером может служить шум свободной газовой струи при дозвуковых скоростях ее истечения, образующейся в процессе выброса сжатого газа, например, на компрессорных станциях.

Шумы, являющиеся следствием вихреобразования и пульсации давления. которые возникают вследствие движения газа в газопроводе.

Наиболее шумным объектом ГРС является зал редуцирования. Здесь уровень шума достигает величин 106,3 дБ А в зале редуцирования ГРС-17 и 110,5 дБ А в зале ГРС-17А (рисунок 1). С учетом кратковременного пребывания персонала в этих помещениях этим фактом можно было бы пренебречь, если бы Шум на территории станции соответствовал нормативным требованиям.

Рисунок 1 - Уровни шума в октавных полосах частот в зале

редуцирования ГРС-17А и его нормативные значения по РД 51-00158623-20-94

Газодинамические вибрации и шумы связаны со сжатием и расширением сжимаемой среды (газов), вызывающих турбулентность потока. Возникающие при этом вихри приводят к пульсациям давлений и скорости в проточной части регулирующих органов (РО) - регуляторов давления и клапанов, которые являются причиной акустического шума в окружающей среде.

Гасители пульсаций давления уменьшают переменные составляющие давления, вызванные такими газодинамическими процессами, как изменения скорости потока в направлении движения среды и в сечениях проточной части канала или струи.

В зависимости от скорости турбулентного потока газовой среды, движущейся через дроссельную часть РО, газодинамический шум обычно разделяют на два вида:

- шум потока газа, движущегося со скоростью, значительно меньшей скорости звука, когда число Маха М< 0,3;

- шум потока газа, движущегося с большими скоростями, когда 0,3 <М< 1.

Методики расчета уровня шума имеют, в основном, полуэмпирический характер. Расхождения в результатах, полученных по различным методикам, могут составлять 8... 10 дБА и более. Для уровня в 100 дБА расхождение в 10 дБА составляет 10 %.

Способ уменьшения шума с использованием диффузоров и глушителей основан на делении общего перепада давлений на две части, т.е. одна часть перепада приходится на РО, а другая гасится диффузором.

Разработано множество различных конструкций диффузоров. Наиболее эффективны диффузоры в виде пластин с отверстиями, которые устанавливают в газопроводах после РО с шаровыми, заслоночными и пробковыми затворами, обычно больших условных проходов. Эти диффузоры компактны, экономичны, удобны в эксплуатации и могут снизить уровень шума на 30 дБ А.

Если уровень звукового давления при движении среды через РО превышает 100 дБА, использование этого способа ослабления шума неэкономично и часто неприемлемо.

Наиболее эффективным (рациональным) решением этой проблемы является выявление путей конструктивного усовершенствования газовых устройств.

Ограничение отношения давления на выходе к давлению на входе р2/р\ является одним из способов уменьшения шума в РО.

Другим способом уменьшения шума в источнике его возникновения является повышение давления рс в сжатом сечении дроссельного канала РО.

Вибрации и шумы при движении через РО газов при больших перепадах давлений могут быть снижены следующими способами:

- изменением режимных (эксплуатационных) параметров работы РО;

- выбором соответствующего типа и геометрических характеристик дроссельной и проточной частей РО, обеспечивающих уменьшение турбу-лизации потока в заданных пределах изменения расхода и давления среды;

- многоступенчатым дросселированием потока среды, при котором общий перепад давлений распределяется между отдельными дроссельными элементами.

В некоторых случаях рациональнее изменить параметры процесса, нежели усложнить (следовательно, удорожить) конструкцию РО.

Первый вариант в этом случае основан на равномерном распределении общего перепада давлений между ступенями.

Недостатком этого варианта является то, что каждая ступень дросселирования работает в неравных условиях с точки зрения возникновения критических скоростей газового потока. При этом значения коэффициента Кг приближаются к критическим значениям соответственно Кт и КГкр лишь в последних ступенях дросселирования, предыдущие же ступени работают в гораздо более «легких» условиях.

К преимуществам этого варианта можно отнести технологичность и простоту конструкции, так как все дроссельные элементы имеют один и тот же размер.

Второй вариант основан на обеспечении постоянства коэффициента К? на всех ступенях дросселирования. В этом случае дроссельные элементы имеют разные площади проходных сечений.

Уровень шумов регулирующих клапанов и подсоединенных к ним газопроводов при работе с газами и парообразными средами определяется турбулентностью в зоне потока, протекающего через дроссельное сечение клапана.

Если нет технической возможности снизить интенсивность источника пульсации давления до необходимого уровня, или пульсации возникают в газопроводе в результате пристеночной турбулентности потока и образования вихрей, используют гасители пульсации давления, расположенные непосредственно в трубе.

Многообразие применяемых для снижения пульсаций устройств требует разработки рекомендаций по их применению, которые выбираются в зависимости от требуемого уровня снижения шума. В связи с этим требуется смоделировать акустический процесс, происходящий в газопроводе.

Во второй главе проанализированы методы акустического расчета распространения звука по газопроводу. Разработаны модели: процесса шумообразования в газопроводе, для расчета акустических характеристик газопровода.

Проблема расчета распространения звука по газопроводу обусловлена тремя основными факторами:

1. Большие поперечные сечения газопровода по сравнению с длиной звуковых волн. Это делает невозможным применение известных способов расчета;

2. Относительно большие уровни звуковых давлений. Это приводит к появлению нелинейных эффектов, которые снижают точность расчетов;

3. Движущаяся среда, которая способствует появлению еще большей нелинейности.

Для расчета звуковых полей в акустических средах используют методы геометрической акустики и волновой теории в условиях, когда рабочая среда является подвижной. Предлагается для расчета применять асимптотические методы. Другие методы основаны на волновом моделировании при условии, что среда находится в движении. В газопроводе используют конечно-разностный метод моделирования волновых процессов. Резонанс-

ные характеристики определяют с использованием трансцендентных соотношений. Для магистральных газопроводов наиболее перспективными являются конечно-разностные методы.

С целью упрощения расчетов звуковое поле в потоке рабочей среды выполняют, не учитывая энтропийные и вихревые возмущения, вне сдвиговых и пограничных слоев. В этом случае общие соотношения имеют вид уравнения Блохвинцева-Хоу.

Если область цилиндрическая с жесткими стенками, уравнение представляется в виде:

Р'(т,п,ф) = В е-'^У (у Г/Л

\ ' ' / тпо тутп/ /£/

£ е

а)

где в - угловая, г — радиальная и 2 осевая координаты; Я — радиус газопровода; ш = 1,2.....— количество угловых лепестков поля; — функция Бесселя т-ого порядка; п = 1, 2, ..., — номера корней уравнения с1 Jт\ у- значения этих корней.

В общем случае поле характеризуется мгновенными значениями энтальпии г„ = г + с/г (г - энтальпия в зоне течения). Пространственно-временные свойства процесса шумообразования движения рабочей среды г'0 описываются уравнением:

Да2 ¿1) с? Л ] 1 а1 <Л * СА

а ж _/__

сИ Л к-1 (Л2

(2)

где а - скорость звука; О = г ¿с - завихренность течения; Т — температура; К= Ср/С^ - показатель изоэнтропы; энтропия единицы массы газа.

Генерации звука в газопроводах рассчитываются по (2). В октавных полосах частот спектральные составляющие рассчитываются следующим образом:

1Р«- 3('„-0 при 1 <1 < /„; Г 4г(/-/,)

V—при ¡,<1 <10; +1

тах - Г 1рю - 4(1 - ¡„ ) при 1„ < / </,; ^ 1 Ьрц - 4(11-1). Величины октавных уровней звуковой мощности Ьр{ будут:

где Ьр - энергетическая сумма октавных уровней.

(3)

Уровень звуковой мощности в полосе А (с поправками)

9

ДЬрА = Ю^^Ю0'"1'-'^1'', дБА. (5)

¡=2

С точки зрения акустики газопровод может рассматриваться как обычный волновод. В то же время рабочая среда создает дополнительный шум в результате неустойчивости течения рабочей среды.

На участке газопровода длиной Б и поперечным сечением <1 возникает звуковая энергия мощностью

\У = рс125Езв=рс12814-, (6)

с I

где р - плотность рабочей среды.

Соответственно, звуковое давление (среднеквадратическое значение) на выходе тракта

рс\\>

определятся как

Р - ,

вьа а2

-Р2 (?)

I с

Суммарный уровень шума будет:

¿^=10^ = 10^ + 20^-^-, (8)

где Р0 = 2-105 Па — пороговое звуковое давление.

Для наиболее часто встречающейся турбулентной скорости и я 0,1 УСР и ее масштаба I и 0,2с1 формула для расчета уровня шума в зависимости от относительной его протяженности Б!с1 и среднерасходной скорости убудет:

Цых=101а^ + 201ёр(0^Г)4 ,дБА. (9)

В основе расчета акустических характеристик рабочей среды лежит конечно-разностная схема дифференциальных соотношений. Она применяется в прямоугольной области с производными криволинейными границами. Уравнения строятся в локальных криволинейных координатах, и происходит переход к декартовым координатам. Искомой функцией является давление рабочей среды.

В декартовых координатах уравнение будет: 5 ( 1 дР} д ( 1 дР\ , - .

Условие в общем виде на внешних границах расчетной области будет:

(П)

дР

а —— + W = С, дп

где а, Ь, с - некоторые постоянные либо функции в пространственных координатах;

п - нормаль к границе области; дР

—— компонента, характеризующая скорость; дп

Р = Р^ (х,у) - источник звука; дР

—=Р Const - импеданс. дп

Для построения разностной схемы использована простейшая пятиточечная схема (рисунок 1, уравнение (10)). В разностном виде оно имеет вид

г/ n кчи-^] (р -р У 1 / \ р - р (р -р Y rtJ ri.i-\

К., sph'xi-0.5 J

1

Pkj

(12)

Pi

i-lj

pij

x

Рисунок 2 — Пятиточечная схема

Плотность среды оценивается как средневзвешенная между значениями плотностей в центрах ячеек:

Л

+0.5.i

А . . + А . „ с .

и+0,5,1 xi-0,5,j

Граничные условия аппроксимируются путем устройства дополнительной фиктивной ячейки.

Разностный аналог условий будет:

Р..-Р... Р. -Р. . , пп

а——-^ + -— = С {и)

2к .., 2

Система уравнений принимает следующий порядок:

А -Х= У, (14)

где А — матрица расчета постоянных;

X, У— векторы искомой величины и правой части соответственно. Система решается методом сопряженных градиентов для не доопределенных систем, который предусматривает п2 операций, где п - порядок системы.

Алгоритм решения имеет вид:

Х = Х0+±а.*Е., (15)

где Х0 — начальное приближение (Х0 = 0); gj — ортогональная система векторов.

Обозначив через X. = Хд * g., имеем

м

Вектор системы будет:

где А — расчетная матрица. Далее находятся

Х = Х-1

п = У-А.Х„ го = У—А'Х0 = У.

gl = А ■ г0,

г. ,* г. ,

' и^л'

где

П=г iЛ-at^A*gi (16)

Х1=Хи+а1.8,. (17)

Если точность приближения ^ = (г,- . г,) удовлетворяет, то решение считается найденным, если нет, то определяются значения:

г * г.

1-1 1-1

В,+1=А* п + Ьгя. (19)

Дальнейший расчет осуществляется в соответствии с (15) путем замены индекса «г» на «г+1». Окончательное решение получается в результате п итераций.

В третьей главе разработана модель гашения пульсаций давления (ГПД). Разработаны модели расчета распределения пропускных отверстий по диаметру дроссельной шайбы и расчета газодинамических характеристик модели. Создана методика экспериментального исследования эффективности модели ГПД.

В качестве прототипа ГПД принят делитель потока фирмы Samson.

Делитель потока представляет собой набор пластин специальной формы, выполненных из перфорированного листового металла с диаметром отверстий 2,5 мм, устанавливающийся в отдельном корпусе. Корпус с делителем потока монтируется с регулятором давления при помощи фланцев и стягивается болтовыми соединениями.

Изготовлена модель, схема которой показана на рисунке 3.

Рисунок 3 - Модель гасителя пульсаций давления

Принцип ее работы следующий. Пульсации давления газа снижаются при проходе через малые отверстия в шайбах за счет демпфирования в камерах, расположенных между ними. Эффективность при различных диаметрах газопровода обеспечивается варьированием количества шайб, размеров пропускных отверстий и габаритов камер.

Размеры модели устройства выбраны исходя из возможности его испытания на воздушной компрессорной станции.

Достоинством предлагаемой модели является возможность перестраивать её параметры заменой шайб и проставок между ними.

Гаситель пульсации давления, изготовленный на базе модели, может выполняться как в отдельно изготовленном корпусе, как это показано на рисунке 3, или может быть составной частью регулирующего органа.

Входные давления и скорости воздушного потока на входе в модели должны задаваться близкими к параметрам газа на ГРС. Пульсации давления при испытаниях модели возникают при редуцировании воздуха с помощью регулятора давления.

В модели предусмотрена возможность установки на её входе завихри-тельной шайбы, которая перекрывает сегмент входного сечения. Это создает дополнительную неравномерность скоростей и давлений по сечению и дополнительную пульсацию давления за счет образования вихревого течения за сегментом.

Распределение пропускных отверстий по диаметру дроссельной шайбы для модели гасителя рассчитывается исходя из обеспечения равной пропускной способности по площади сечения за шайбой. Для этих целей разработана программа, позволяющая выполнять расчеты в системе символьной математики Maple. Результаты расчетов представлены на рисунке 4.

Радиус дросселирующей шаНбы, м

Рисунок 4 — Распределение пропускной площади дросселирующей шайбы и рассчитанная аппроксимирующая пропускная площадь системы из 33 пропускных отверстий диаметрами 4 мм

Расчет газодинамических характеристик гасителя выполнялся на основе уравнений расхода сжимаемой среды через дросселирующие шайбы и уравнений первого закона термодинамики переменной массы для объемов камер между дросселирующими шайбами.

Для расчета газодинамических характеристик устройства системы уравнений расхода и дифференциальных уравнений состояния газа в камере выглядят следующим образом:

Огг\ = Л'Л

2 к

__' ( РО } (РкапЩ

«-'■Ч^ГШШ

(РкапЩ ^

"i РО )

Г

; (РкоЩ уРкап(г);

(•М4)

I РЪ»Ц))

(20)

(21)

а{Ркат(^)) к-втХ-Я-ТО к-Ст2-К-ТЪ

Л Укат Укат

¿(Ркагп^У) _ к• Ст2-Я-ТО к-Ст^ К-Тй Л Укоп Укоп

где Ст1, йт2, йтЗ — расходы газа через систему из двух шайб и диафрагму; Лй — суммарная площадь пропускных отверстий; /гйа/"- площадь диафрагмы;

/л — коэффициент, учитывающий расход газа через отверстия шайбы; к, Я — газовая адиабата и постоянная;

Ркат, Ркоп — давления соответственно в камере и на выходе; 7Т), РО, Р1г — соответственно температура и давление газа на входе и давление на выходе; / — время.

Расчет характеристик гасителя на одном режиме его работы выполнен при следующих начальных условиях:

РО = 1000000 + 100000 * Бт(2Па;' Ркат(0) = 1000000, Па; Ркоп(0) - 900000, Па; Лг = 850000, Па; / = 500, Гц.

(22)

Среднее значение давления, задаваемое на входе, составляет 1000000 Па, амплитуда его пульсаций с частотой 500 Гц задавалась 100000 Па.

Система (21) является системой нелинейных дифференциальных уравнений первого порядка с двумя неизвестными функциями Ркат (1) и Ркоп (г) и начальными условиями (22) (задача Коши). В разработанной программе система решается численным методом Рунге-Кутта-Фелберга с адаптивным шагом по времени. Результаты расчета представлены на рисунке 5.

Как видно из анализа графиков, амплитуда пульсаций давления на выходе гасителя уменьшена в 8 раз относительно амплитуды входных пульсаций, что подтверждает его эффективность.

1,08 х Шг> 1,05 х 10* 1.02 х 106 I х Юб р 9.75 х 105 9,5 х Ю5 9,25 х 105 9 х Ю5 8,7 5 х Ю5

т— Время, t

0.000 0.001 0,002 0,003 0,004 0,005 0.006 0,007 0.008 0,009 0,010 1 - Давление на входе 2 - Давление в камере 3 - Давление на выходе

Рисунок 5 - Результаты расчета пульсации давления в модели гасителя

Проведенные расчеты выполнены при некоторых упрощающих предположениях и требуют экспериментальной проверки.

Исследование характеристик физической модели ГПД выполнилось в соответствии с разработанными программой и методикой.

В состав информационно-измерительной системы (ИИС) входят: ИВК MIC-400D, измерительный модуль PCI М2428, модуль коммутации, датчик пульсаций давления ICP М101А06 (2 шт.), микрофон ICP МРА201 с преду-силителем МРА211, сигнальные кабели. Запись сигналов и их цифровая обработка выполнялась на ИВК MIC-400D с помощью программного обеспечения MR-300 и WinllOC.

На рисунке 6 в графической форме показана зависимость отношения среднеквадратической величины пульсации давления на входе в модель ГПД и на выходе из нее по результатам серии 3-х измерений с различным количеством дросселирующих шайб.

В результате исследований выявлено снижение среднеквадратической величины пульсаций давления в выходном патрубке по сравнению с пульсациями во входном патрубке от 2 раз без шайб до 7,8 раза при 4-х установленных шайбах.

Л ш со о. «

О

К X о < |

о ё*1 >

э 12 3 Количество дросселирующих шайб 4 5

Рисунок 6 — Зависимость отношения среднеквадратической величины пульсации давления на входе в модель ГТТД и на выходе из нее по результатам серии из трех измерений

На приведенном графике рисунка 6 также видно, что высокая эффективность ГПД может быть получена при использовании 3-х шайб.

В четвертой главе разработана конструкция гасителя пульсаций давления. Приведены результаты исследования эффективности технических средств снижения шума на ГРС-17А и конструкция звукоизолирующего устройства (ЗИУ) и результаты экспериментальных исследований совместного его использования с ГПД.

Общий вид ГПД показан на рисунке 7. В корпусе 1 изделия установлен «пакет», состоящий из дросселирующих шайб 2 и 15, расположенных на расстоянии друг от друга, определяемом длиной втулок 3. Шайбы имеют различное количество отверстий диаметром 8 мм (поз. 2 — 253 отверстия, поз. 15 - 205 отверстий), которые смещены относительно друг друга в окружном направлении на 7°30', что обеспечивается фиксацией шайб и втулок шпонками. «Пакет» фиксируется в корпусе втулкой 4 и винтами 5.

Снижение уровня пульсаций происходит за счет применения нескольких дросселирующих шайб, в которых изготовлены определенным образом спрофилированные отверстия. Смещение шайб друг относительно

друга предотвращает сквозное прохождение газа и способствует сглаживанию пульсаций давления в полостях между шайбами.

1 - корпус; 2, 15 - дросселирующие шайбы; 3 - втулка;

4 - фиксирующая втулка; 5 - винт М10

Рисунок 7 - Гаситель пульсаций давления в разрезе

ИИС для испытания ГПД разработана на основе портативного измерительно-вычислительного комплекса MIC-200.

ИИС включает в свой состав MIC-200, 2 измерительных микрофона типа МР-201 с предварительными усилителями, 2 пьезоэлектрических датчика вибрации типа АР37, два датчика пьезоэлектрических датчика пульсации давления типа PS01-03, кабельные линии связи. Для возможности установки датчиков во взрывоопасной зоне в системе используются взрывобезопасные барьеры.

Для подключения пьезоэлектрических датчиков к MIC-200 используется усилитель заряда МЕ-918 многоканальный взрывозащищенный. Для питания и подключения измерительных микрофонов используются барьеры искрозащиты ИСКРА АТ.01.

Проведены измерения уровня шума на ГРС-17А до и после монтажа разработанного опытного образца ГПД. Он был установлен на одном газопроводе из трех. Измерения проводились в 6 точках. Точки измерения 1, 2, 3, 5, б расположены по оси газопровода на расстоянии 100 мм от его поверхности. Точка 4 расположена на высоте 1,5 м от поверхности пола, и ее координаты соответствуют координатам точки штатного контроля шума по схеме, установленной ИТЦ ООО «Газпром трансгаз Самара».

Для уменьшения влияния внешних источников шума на результаты измерения были предприняты следующие меры:

1. На газопроводах № 2 и № 3 расход газа был перекрыт регуляторами давления. Задвижки, установленные за регуляторами, во время измерения были закрыты;

2. Газопроводы № 2 и № 3 в блоке редуцирования были закрыты звукопоглащающими матами. Газопровод № 2 был дополнительно закрыт экраном из металлического листа;

3. Для снижения влияния шума на территории ГРС вентиляционные отверстия во входных дверях в блок редуцирования были закрыты звукопоглощающими матами.

Результаты измерения общего уровня шума вдоль газопровода № 1 до установки средств его снижения после установки ГПД приведены на рисунке 8.

120

110

2 100 ч

90

«

2 >. 3 л х о а о а. >,

80 70 ■ — 60 ■ 50 • 40 ■

3 4

Точка измерения

-БезГГЩиЗИУ -«-СГПД

Рисунок 8 — Результаты измерения уровня шума вдоль газопровода № 1 в зале редуцирования № 2 на ГРС-17А

Гаситель пульсаций давления не позволяет довести уровень шума до нормативных значений. Поэтому было предложено дополнительно к нему использовать звукоизолирующее устройство. Оно было собрано из передних, задних и верхних панелей. Наружная поверхность панелей изготовлена из стальных листов. С внутренней стороны панелей расположены звукопоглощающие маты из супертонкого стекловолокна «Изовер» толщиной

50 мм, закрепленные в металлическом кожухе, поддерживающиеся перфорированным листом. Панели первой секции и раздвижные короткие панели задней секции крепятся к стенам помещения. Стыки панелей уплотняются асбестовыми прокладками.

В изделии предусмотрены каналы для прохода воздуха и вентиляции внутреннего пространства, которые выполнены в виде щелевых глушителей и закрыты звукопоглощающими панелями. Для доступа к регулятору давления сверху установлена откидная крышка, привод шарового крана для быстрого открытия и закрытия газовой магистрали выведен наружу за пределы стального кожуха.

Результаты измерения шума в октавных полосах частот в контрольной точке измерения 4 до установки средств его снижения и после монтажа ГПД и ЗИУ показаны в графической форме на рисунке 9.

Частота, Гц

1 — установленная норма шума в октавных полосах частот по РД 51-00158623-20-94; 2 - фактический уровень шума в блоке редуцирования на ГРС 17А до установки ГПД и ЗИУ; 3 - уровень шума после установки ГПД и ЗИУ

Рисунок 9 — Уровни шума в октавных полосах частот в контрольной точке измерения 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Основными источниками шума на газораспределительных станциях являются пульсации давления газа, возникающие при его регулировании.

С целью их снижения применяются различные способы и устройства, выбор которых должен осуществляться на стадии проектирования газопровода, что не всегда является возможным, т.к. неизвестны акустические характеристики среды в газопроводе.

2. Известные методы расчета акустического распространения звука по газопроводу носят общий характер. Создана модель для расчета акустических характеристик газопровода с использованием метода численного решения уравнений для акустических волн давления в неоднородных дисси-пативных средах.

3. Разработана модель пульсаций давления. Созданы две математические модели для расчета ее пропускной способности и газодинамических характеристик, что позволяет создавать ГПД с учетом распространения звука по газопроводу. Проведена ее экспериментальная проверка, которая показала хорошее совпадение экспериментальных и теоретических данных.

4. Спроектирован и испытан опытный образец ГПД, что соответствует данным, полученным моделированием и подтвержденным актом внедрения (Приложение). Таким образом, появилась возможность проектирования гасителей пульсаций давления газа с заданной эффективностью на стадии создания проектной документации по строительству нового газопровода и модернизации существующих с целью повышения безопасности технологического процесса транспорта газа и улучшения условий труда работников.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Ведущие рецензируемые научные журналы 1. Заяц, И. Б. Совершенствование системы технического контроля оборудования технологических установок ООО «Газпром трансгаз Самара» [Текст] / И. Б. Заяц, В. Ф. Мартынюк // НТЖ «Управление качеством в нефтегазовом комплексе». - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2012. - № 4. - С. 39-40.

2. Заяц, И. Б. Снижение шума на газораспределительных станциях магистральных газопроводов [Текст] / И. Б. Заяц, Н. Г. Яговкин, Б. С. Заяц // Вектор науки Тольятгинского государственного университета. - Тольятти: ТГУ, 2013.-№3(25).-С. 181-184.

3. Заяц, И. Б. Снижение шума на газораспределительных станциях предприятий транспорта газа [Текст] / И. Б. Заяц, Н. Г. Яговкин, Б. С. Заяц //

НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2013. - Вып. 4 (94). - С. 118-123.

4. Заяц, И. Б. Повышение надежности магистральных газопроводов [Текст] / И. Б. Заяц, Н. Г. Яговкин, Б. С. Заяц // Известия Самарского научного центра РАН.-2015.-Т. 17. -№ 1.-С. 110-112.

Монография

5. Заяц, И. Б. Снижение шума, возникающего при эксплуатации газораспределительных станций магистральных газопроводов [Текст] / И. Б. Заяц, И. А. Сумарченкова. - Самара: РАН СНЦ, 2013. - 80 с.

Прочие печатные издания

6. Заяц, И. Б. Модель шумообразования в газовоздушных трактах оборудования газораспределительных станций [Текст] / И. Б. Заяц, Н. Г. Яговкин, Б. С. Заяц // Спецпроект: анализ научных исследований: матер. VII Междунар. научн.-практ. конф. 14-15 июня 2012 г.: в 7 т. - Днепропетровск: Билла К.О., 2012. - Т. 5: Точные науки. — С. 74-76.

7. Заяц, И. Б. Модель для расчета акустических характеристик шума в магистральных газопроводах [Текст] / И. Б. Заяц, Б. С. Заяц // Ашировские чтения: сб. тр. Междунар. научн.-практ. конф. - Самара: СамГТУ, 2012. -С. 157-160.

8. Заяц, И. Б. Методика расчета звуковых полей в движущихся средах [Текст] / И. Б. Заяц, Н. Г. Яговкин, Б. С. Заяц // Современное общество, образование и наука: сб. научн. тр. по мат. Матер. Междунар. заочн. научн.-практ. конф. 25 июня 2012 г.: в 3 ч. — Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2012.-Ч. З.-С. 161-162.

9. Заяц, И. Б. Оценка эффективности систем управления производственными объектами по параметру точность [Текст] / И. Б. Заяц, Н. Г. Яговкин, Н. Н. Боярова // Будущие исследования: матер. 8 Междунар. научн.-практ. конф. - София: «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2012. - Т. 34 «Технологии. Физика». — С. 60-63.

10. Заяц, И. Б. Исследование шумовых характеристик магистрального газопровода на территории газораспределительных станций [Текст] / И. Б. Заяц, Б. С. Заяц // Экология и безопасность жизнедеятельности про-мышленно-транспортных комплексов ЕЬРГГ - 2013: сб. тр. IV Междунар. экологического конгресса. - Тольятти: ТГУ, 2013.-С. 156-160.

11. Заяц, И. Б. Расчетная модель акустических характеристик газопровода [Текст] / И. Б. Заяц, Б. С. Заяц // Актуальные вопросы обеспечения

безопасности жизнедеятельности: тр. Всеросс. межвуз. научн.-практ. конф. 8 февраля 2013 г. - Самара: СамГТУ, 2013. - С. 86-90.

12. Заяц, И. Б. Оценка правильности действия персонала при аварийных ситуациях на опасных производственных объектах [Текст] / И. Б. Заяц, Е. В. Алекина // Актуальные проблемы науки и техники - 2014: матер. VII Междунар. научн.-практ. конф. молодых ученых. - Уфа: РИЦ УГНТУ, 2014. -Т. 2.-С. 52-59.

13. Заяц, И. Б. Способы снижения шума на газораспределительных станциях магистральных газопроводов [Текст] / И. Б. Заяц, Б. С. Заяц, Н. Г. Яговкин // Актуальные вопросы обеспечения безопасности жизнедеятельности: тр. Всеросс. межвуз. научн.-практ. конф. 19 марта 2014 г. - Самара: СамГТУ, 2014. - С. 28-35.

14. Заяц, И. Б. Устройства для гашения пульсаций рабочей среды в магистральных газопроводах [Текст] / И. Б. Заяц, Б. С. Заяц // Актуальные вопросы обеспечения безопасности жизнедеятельности: тр. Всеросс. межвуз. научн.-практ. конф. 24-25 марта 2015 г. - Самара: СамГТУ, 2015. -С. 146-151.

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати 30.06.2015 г. Формат 60 х 90 1/16. Усл. печ. 0,85 л. Бумага писчая. Тираж 100 экз.

Ротапринт ГУЛ «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.