Диагностика виброакустических характеристик проектируемых энергетических установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.51 : 628.517

Диагностика виброакустических характеристик проектируемых энергетических установок

В. С. Казаков, Т. В. Клименко

Аннотация

вибрация энергетический компрессорный шум

Рассмотрены современные методы оценки характеристик технологического шума и вибрации энергетического оборудования, а также расчета, диагностирования и нормирования уровня генерируемого шума компрессорной станции на этапе её проектирования.

Снижение уровня шума и вибрации - это комплекс инженерно-технических мероприятий, предусматривающих использование современных методов и системного анализа для выявления наиболее вредных влияющих факторов, источников и причин колебательных процессов в промышленном и энергетическом оборудовании на всех этапах его жизненного цикла: от проектирования до эксплуатации.

Проблемы снижения шума энергетических систем и газотранспортных объектов - котельного, турбинного, насосного оборудования, стационарных компрессорных установок, газоперекачивающих компрессорных станций и т.п. - достаточно полно изучены на стадиях их промышленного производства и эксплуатации [1, 2, 3].

Виброакустические испытания, расчетно-графические исследования амплитудно-частотных характеристик и их спектров позволяют установить причины шума и вибрации, наметить и реализовать конкретные технические мероприятия для их снижения и устранения. Важным этапом в этой инженерной работе является нормирование параметров в соответствии с установленными (исходя из эксплуатационных условий и гигиенических требований) допускаемыми значениями.

В энергетических отраслях нормирование вибрации и шума является приоритетным направлением в решении задач охраны окружающей среды. При этом виброакустические характеристики должны оцениваться и сравниваться с нормативными показателями еще на стадии проектирования и разработки, как самого энергетического объекта, так и его экологозащитных мероприятий [4, 5].

В нормативах [6] предусмотрены предельно допустимые величины общей вибрации в абсолютных (см/с) и относительных (дБ) значениях скорости по наиболее распространенному в практике спектру частот, который включает шесть октавных частотных полос. Каждая октавная полоса имеет предельно допустимые значения среднеквадратической виброскорости или амплитуды перемещений, возбуждаемых работой элементов оборудования. Ниже в таблице указаны нормы, ограничивающие уровень вибрации при работе с механизмами и оборудованием, а также на рабочем месте персонала.

Таблица. Нормированные значения вибрации

Нормируемыми параметрами (характеристикой) постоянного шума считаются уровни звукового давления L (дБ) в октавных частотных полосах со среднегеометрическими частотами (Гц) - 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 - соответствующими спектру слышимых звуков [7].

Допустимые уровни звукового давления (эквивалентные уровни звукового давления) в октавных частотных полосах, уровни звука и эквивалентные уровни звука для жилых, общественных зданий, технических помещений (в том числе с энергетическими установками) и прилегающих к ним территорий принимаются в соответствии с рекомендациями [8, 9]. Превышение допустимых норм для рабочих зон по уровню звука при работе различного энергетического оборудования (по результатам измерений методом «обнесения») на расстоянии 1 м составляет:

- насосы: 9…17 дБ;

- компрессоры: 6…15 дБ;

- тягодутьевые машины: 5…15 дБ;

- редукционно-охладительные установки: 28…32 дБ;

- аварийные сбросы пара в атмосферу: 36…58 дБ.

Процесс шумообразования в производственных условиях зависит от большого числа факторов (размеры помещения, конструктивные и технологические схемы, характеристики энергетического оборудования, качество строительных и шумопоглощающих материалов), выбор и управление которыми может осуществляться и на уровне проектно - конструкторской проработки, и в ходе эксплуатации шумогенерирующих систем.

Излучение шума с поверхностей оборудования зависит, в свою очередь, от размера, формы, упругости, массы и звукопоглощающих свойств поверхности. Поэтому уже при проектировании необходимо, чтобы оборудование имело компактную конструкцию, так как незначительные размеры, большие жесткость и масса уменьшают излучение шума.

В воздушное пространство шум проникает через приточные и вытяжные отверстия (двери, окна, фрамуги, ворота, проемы и т.п.). По своей природе шум имеет направление, и наибольшая его интенсивность наблюдается вдоль оси канала. Отсюда следует, что направление шума можно изменить, например с помощью экрана или путем установки в отверстии или канале шумоглушителя. Интенсивность шума, излучаемого оборудованием, может быть снижена и другими различными способами, которые достаточно хорошо изучены и апробированы [2, 3, 10].

В применяемых в настоящее время на практике методах и мероприятиях шумоизоляции часто используется принцип звукоизолирующих кожухов (рис. 1.).

a) б)

Рис. 1. Монтажная схема (а) и конструктивное исполнение звукового кожуха (б): 1 - звукоизоляционный материал; 2 - звукопоглощающий материал; 3 - шумоглушитель на вентиляционное отверстие; 4 - виброоснование

Звукоизолирующий кожух представляет собой пассивное средство, ограничивающее распространение шума. Часто это единственная возможность снижения уровня шума от активных акустических источников - движущихся механизмов или их частей. Особенность кожуха состоит в том, что уровень шума снижается уже в непосредственной близости от источника. Это позволяет защитить также рабочие места, расположенные вблизи источника шума.

Вместе с шумозащитными кожухами эффективно используются экраны, которые можно устанавливать возле небольших элементов оборудования с высоким уровнем излучения шума. Эффективность их несколько ниже эффективности звукоизолирующих кожухов и зависит от направления и расстояния от источника шума. Вместе с тем экраны могут быть полезны для снижения шума в ограниченных зонах, например на рабочем месте оператора, диспетчера.

Шумоглушители также препятствуют прохождению звука, передаваемого воздуховодами. Они часто встроены в кожухи вентиляторов для обеспечения охлаждения двигателей без снижения эффективности звукоизолирующих свойств.

Если производственный шум на высоких и средних частотах удается снизить с использованием современных методов и средств (звукоизоляция, звукопоглощение, глушители традиционной конструкции, индивидуальные средства защиты и др.), то при снижении низкочастотного шума они оказываются недостаточно эффективными. Не менее сложная проблема - компенсация низкочастотной вибрации, вызывающей как ухудшение здоровья человека, так и разрушение трубопроводов, аппаратов и другого производственного оборудования. Для эффективного снижения низкочастотных шумов и вибраций на производстве наряду с совершенствованием традиционных средств защиты используются новые методы активной компенсации шума и вибрации, при которых компенсирующее поле создается путем наложения дополнительного поля, специально создаваемого излучателем.

В настоящее время активная компенсация представляет собой отдельную область борьбы с шумом и вибрацией, стремительно развивающуюся вместе с ростом возможностей микропроцессорной техники и электроники. Система компенсации, использующая активные источники, размещенные в стенках канала, может эффективно снижать плоскую низкочастотную волну и заменять дорогостоящие и недостаточно эффективные пассивные низкочастотные глушители. Наиболее широко известна активная компенсация низкочастотного шума, распространяющегося в системах вентиляции и кондиционирования, с помощью акустических источников, излучающих волны в воздушную струю канала [10].

В производственных условиях активную компенсацию применяют для снижения низкочастотных пульсаций давления газа в трубопроводах энергетических установок, например компрессоров. Так, существуют малогабаритные поршневые компенсаторы низкочастотных колебаний, представляющие собой камеру, соединенную с всасывающим трубопроводом компрессора, в которой размещен поршень, приводимый в движение кривошипно-шатунным механизмом. Движение поршней компенсатора и компрессора синхронизировано таким образом, чтобы волны давления, создаваемые ими, оказывались в противофазе. При этом значительно снижается вибрация компрессорных установок и присоединенных трубопроводных систем [3, 10].

Шум, создаваемый компрессорными установками, является одним из наиболее интенсивных в промышленных энергетических системах. Источниками шума на компрессорной станции являются технологические процессы, сопровождающиеся вынужденными колебаниями оборудования, жидких и газообразных рабочих сред.

Аэродинамический шум при перемещении сжатого воздуха возникает вследствие турбулентных явлений ударов и пульсаций - непосредственно в компрессоре, на линиях всасывания и стравливания при продувках, в регуляторах давления.

Жидкость генерирует шум по тем же принципам, что и воздух, плюс кавитация, когда давление опускается ниже давления насыщенных паров. Источники возникновения - насосы систем охлаждения и смазки компрессора.

Причинами механического шума компрессорного и вспомогательного оборудования могут быть:

- конструктивные особенности агрегатов, в которых возникают удары, трение узлов и деталей, недостаточная жесткость частей механизмов, которая приводит к их вибрации;

- технологические недостатки, появляющиеся в процессе изготовления оборудования, которые отражаются на уровне шума;

- некачественный монтаж оборудования (перекосы, передача усиленной вибрации на строительные конструкции);

- нарушение правил технической эксплуатации компрессоров.

При эксплуатации компрессорных установок интенсивный шум возникает также и вне здания. Этот шум имеет в основном аэродинамическое происхождение: вследствие вихреобразования при засасывании воздуха через заборное устройство и его периодическом стравливании через ресивер. Кроме того, существует шум механического происхождения, распространяющийся от агрегатов компрессорной установки через строительные конструкции (окна, фрамуги, двери) и воздухопроводы в атмосферу.

Применительно к рассмотренным ниже вопросам прогнозирования и диагностики виброакустических характеристик промышленной компрессорной станции 4К-24А, основное шумогенерирующее оборудование которой представлено на типовой проектной схеме (рис.2), могут быть рекомендованы следующие шумозащитные мероприятия:

- установка на всасывании и выхлопе глушителей;

- использование устройств звукопоглощения и звукоизоляции (рис.1);

- установка в помещении компрессорной станции звукопоглощающих ограждений, экранов и т.п.;

- звукоизоляция трубопроводов шумо- и вибропоглощающими материалами.

Рис. 2. Схема размещения шумогенерирующего оборудования компрессорной станции и расположения точек акустических расчетов в помещении (А) и вне его (В): 1 - компрессор; 2 - ресиверы; 3 - фильтры; 4 - глушитель шума; 5 - насосное оборудование

Конкретные, научно обоснованные рекомендации по принятию практических конструкторско-технологических решений на различных этапах жизненного цикла изделия - от проектирования до эксплуатации - могут быть даны только на базе технического диагностирования.

Виброакустическая диагностика основывается на сочетании двух последовательно выполняемых операций: регистрации вибраций и обработки параметров для анализа полученной информации. Первая базируется на приборных методах преобразования механических колебаний в электрический сигнал, вторая - на аналитических методах изучения спектра шумов работающего компрессора.

Процесс виброакустического прогнозирования включает этапы:

- выбора необходимого и достаточного числа точек измерений, определения типа измерительной схемы, методов обработки информации, статистической систематизации параметров;

- выбора агрегатов для исследования, регистрации и анализа параметров вибрации, моделирования дефектных состояний, создания банка характерных вибрационных диагностических признаков;

- анализа развития диагностических признаков, дефектных состояний в совокупности с оценкой изменения наиболее важных эксплуатационных параметров;

- изображения спектров шума и вибрации в виде графиков, по оси абсцисс которых откладывается частота колебаний, а по оси ординат - уровни звукового давления.

Технические измерения шума проводятся в следующей последовательности:

- выявляются наиболее шумные производственные участки, измеряются спектры шума на рабочих местах;

- определяется время за смену, в течение которого работающий подвергается воздействию шума, по нормативным документам устанавливается предельный спектр для данного производства с учетом времени воздействия шума и его характера;

- значения измеренных уровней шума сравниваются со значениями допустимого предельного спектра в октавных полосах, выясняется степень их соответствия.

Основными методами диагностики и анализа виброакустических характеристик остаются экспериментальные исследования и эксплуатационные испытания энергетических установок [1, 3, 10]. Такие работы не только включают создание информационной базы опытных данных и рекомендации по шумоизоляции, но и дают возможность решать вопросы практической реализации мероприятий по снижению шума и вибрации на стадиях монтажа, отладки и эксплуатации. Однако современные направления развития и возможности компьютерных технологий позволяют диагностировать виброакустические характеристики технических систем значительно раньше - на этапе проектирования и эскизной проработки. Для этого могут быть использованы цифровые компьютерные технологии измерения шума и вибрации с виртуальным спектроанализатором [11], методы интеллектуального имитационного моделирования конструкторско-технологических процессов [12] или, например, специально разработанный проектной организацией программный комплекс SHUM [13].

Практический интерес представляет компьютерная программа [13], которая позволяет на стадии проектирования промышленных энергетических объектов, излучающих шум и вибрацию, рассчитать, диагностировать и уменьшить их влияние на окружающую среду и человека. Программа SHUM предназначена для выполнения инженерно-технических расчетов и проектирования шумоглушения в производственных зданиях: рассчитываются показатели шума в его источнике, характеристики при использовании шумозащитных мероприятий, выбираются ограждающие конструкции, рассчитываются вентиляционные шумы и шум на прилегающей территории в соответствии с требованиями [8, 9].

Программа выполняет последовательный расчет шумов, начиная от шума в производственном помещении, далее - шума, прошедшего через ограждающие конструкции (стены, окна, двери, фрамуги и т.п.), и заканчивая шумом на территории вне помещения. Каждый последующий расчет выполняется с использованием результатов предыдущих расчетов для конкретно заданных точек в единой системе взаимосвязанных координат, как это показано на рис. 3.

Для определения величин октавных уровней звукового давления L (дБ) в характерных точках проектируемого объекта использована расчетная зависимость [5] применительно к соразмерным помещениям, в которых отношение наибольшего строительного размера к наименьшему - не более 5:

,

где - уровень звуковой мощности i-го источника шума, дБ; - фактор направленности i-го источника шума; - площадь воображаемой поверхности правильной геометрической формы, окружающей i-ый источник и проходящей через расчетную точку, м²; - количество источников шума, ближайших к расчетной точке; - количество источников шума в помещении, звуковая мощность которых более чем на 5 дБ превышает уровень звуковой мощности наиболее шумного источника из числа ближайших к расчетной точке; - коэффициент затухания звука в воздухе i-го источника шума; - постоянная помещения, м²; - общее количество источников шума в помещении с учетом коэффициента одновременности работы оборудования.

а)

б)

Рис. 3. Изменение уровней звукового давления внутри компрессорной станции (точка А) и вне ее (точка В) в зависимости: а - от числа одновременно работающих компрессоров ( 1 - один компрессор, 2 - два компрессора, 3 - четыре компрессора ); б - от варианта конструктивного исполнения ( и - без шумозащитных мероприятий, и - с шумозащитными мероприятиями)

После выполнения расчетов программа формирует:

- задание по исходным данным для расчета и проектирования;

- значения октавных уровней звукового давления в заданных расчетных точках без учета и с учетом технологических мероприятий шумоглушения;

- пределы максимально возможного снижения октавных уровней звукового давления в расчетных точках помещения;

- параметры шума, прошедшего через ограждающие конструкции;

- параметры шума в расчетных точках на прилегающей территории.

Технические возможности инженерного применения программного комплекса [13] использованы авторами для решения расчетно-исследовательской задачи диагностирования виброакустических характеристик на этапе проектирования компрессорной станции 4К-24А (рис. 2) при различных режимах и условиях ее эксплуатации. В выполненных расчетах оценивалось влияние на параметры шума: конструктивных (строительных) размеров помещения компрессорной станции и шумогенерирующего оборудования, числа одновременно работающих компрессоров на режимах 100, 50 и 25 нагрузки (по производительности), различных акустических условий внутри помещения (точка А) и вне его (точка В), вариантов исполнения компрессорной станции без использования шумозащитных мероприятий и с применением современных методов и средств шумоизоляции (см. выше и рис. 1). Таким образом, были рассмотрены и учтены основные факторы, влияющие на экологические характеристики энергетической установки и позволяющие прогнозировать ее эксплуатационные виброакустические показатели на этапе проектирования.

Результаты расчетов для указанных вариантов исследования представлены на рис. 3. в виде графиков изменения уровней звукового давления L (дБ) в октавных частотных полосах для интервала частот (Гц), соответствующих спектру слышимых звуков.

Количественное сравнение расчетных данных для различных условий и режимов работы оборудования компрессорной станции и анализ кривых на рис. 3 позволяют сделать следующие выводы:

- зависимость изменения уровня звукового давления во многом определяется виброакустическими характеристиками помещения и окружающей среды, поэтому для замкнутого объема компрессорной станции (точка А) и открытого, свободного пространства (точка В) профили кривых L = ( lg ) отличаются функционально;

- при изменении числа одновременно работающих компрессоров (режимы 25, 50 и 100 нагрузки) внутри помещения компрессорной станции (точка А на рис. 3а) наблюдается непропорциональное увеличение уровня звукового давления в любом частотном интервале соответственно на 4 и 5 ;

- использование современных методов и средств шумоизоляции помещения и оборудования позволяет существенно (примерно на 8…10 ) снизить уровень шума внутри компрессорной станции (точка А на рис.3б) в любом частотном интервале и на различных режимах нагрузки;

- результаты расчета, выполненного в соответствии с рекомендациями [9] для точки В (рис.2), подтверждают нормативные значения виброакустических характеристик, свидетельствующие о наличии экологобезопасной 55-метровой зоны (границы) вне помещения компрессорной станции;

- в свободном пространстве (точка В) существенного влияния рабочих режимов нагрузки компрессорной станции и использования шумоизоляционных мероприятий для ее оборудования на виброакустические параметры нормированной 55 - метровой зоны расчетом для проектного варианта не установлено.

Анализ и сопоставление полученных данных компьютерного расчета виброакустических показателей компрессорной станции как производственного энергетического объекта с материалами исследований [2, 3] показывают достаточно хорошее качественное совпадение результатов и позволяют использовать их в качестве рекомендаций для диагностирования эксплуатационных шумовых характеристик и экологозащитных мероприятий уже на этапе выполнения конструкторско-технологических и проектных разработок.

Список литературы

1. Тупов, В.Б. Охрана окружающей среды от шума в энергетике / В.Б. Тупов. - М.: Изд-во МЭИ, 1999. - С. 192.

2. Терехов, А.Л. Борьба с шумом на компрессорных станциях / А.Л. Терехов. - Л.: Недра, 1985. - С.182 .

3. Апостолов, А.А. Акустические характеристики газотурбинных газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов / А.А. Апостолов, И.Г. Гоголев, А.М. Дроконов, Н.В. Дашунин. - Брянск: БГТУ, 2002. - С.180 .

4. Ивович, В.А. Защита от вибрации в машиностроении / В.А. Ивович, В.Я. Онищенко. - М.: Машиностроение, 1990. - С. 271 .

5. Справочник проектировщика. Защита от шума / под ред. Е.А.Юдина. - М.: Стройиздат, 1974. - С.133 .

6. ГОСТ 12.1.012-90. Вибрационная безопасность. Общие требования.

7. ГОСТ 12.1.003-83. Шум. Общие требования безопасности.

8. СНиП 11-12-77. Защита от шума. - М.: Стройиздат, 1978. - С.46 .

9. СН 2.24 / 2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки.

10. Васильев, В.А. Перспективы использования активной компенсации для снижения низкочастотного шума и вибрации в условиях производства / В.А.Васильев // Безопасность труда в промышленности. - 2004. - №10. - С. 47-51.

11. Микита, Г.И. Цифровые компьютерные технологии для безразборного виброакустического диагностирования деталей машин приводов / Г.И. Микита // Контроль. Диагностика. - 2004. - №11. - С. 29-31.

12. Мирошников, В.В. Компьютерное имитационное моделирование при оптимизации теплоэнергетических установок / В.В. Мирошников, В.С. Казаков, П.В.Казаков // Интенсификация работы теплоэнергетических установок: сб. науч. тр. - Брянск: БГТУ, 2000. - С. 107-112.

13. SHUM: программа для акустического расчета и проектирования шумоглушения в промышленных зданиях и на прилегающей территории. - Брянск: ГПИСТРОЙМАШ, 2006 г.

Материал поступил в редколлегию 01.03.07.

Размещено на Allbest.ru