Совершенствование шумоглушителей сбросов газа высокого давления Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 628.517.2: 62-932.4

Совершенствование шумоглушителей сбросов газа высокого давления

Ключевые слова:

шумоглушитель, сброс природного газа в атмосферу, регулятор, продолжительность сброса, габариты, скорость выхлопной струи.

А.В. Теребнев1*, О.Н. Емельянов1, Л.Р. Яблоник2

1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский р-н, с.п. Развилковское, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, вл. 15, стр. 1

2 ОАО «НПО ЦКТИ», Российская Федерация, 191167, г. Санкт-Петербург, ул. Атаманская, д. 3/6 * E-mail: [email protected]

Тезисы. Разработаны соотношения, определяющие трансформацию текущих динамических и акустических показателей потока газа в сбросном трубопроводе, оснащенном типовым устройством глушения шума. На основе расчетов по разработанным соотношениям показана перспективность схемы шумоглушителя (ШГ), включающего регулирующий элемент для обеспечения стационарного режима сброса. Схема позволяет в несколько раз уменьшить время сброса для ШГ заданных габаритов либо использовать конструкции глушителей значительно меньших типоразмеров. Регулируемый сброс позволяет также практически устранить проблему низкоскоростного выхлопа на заключительном этапе сброса газа.

Установка шумоглушителей (ШГ) сбросов природного газа высокого давления широко используется для обеспечения санитарных норм на компрессорных станциях, подземных хранилищах газа, при обустройстве нефтегазоконденсатных месторождений.

Специфика работы большинства ШГ сбросов газа на предприятиях газовой отрасли обусловлена определенным изменением параметров источника шума с течением времени. Это изменение связано с постепенным снижением давления в емкости, из которой сбрасывается газ, по мере ее опустошения, вследствие чего шум сброса, очевидно, носит нестационарный характер. В число регламентируемых параметров шумового воздействия в данном случае должны быть включены уровни как максимального, так и эквивалентного шума в период сброса. Расчетные шумовые показатели глушителя при этом зависят как от скорости изменения условий процесса, так и от характера снижения шума в период сброса газа.

Помимо этого пропускная способность конструкции должна удовлетворять технологическим требованиям по максимально допустимой продолжительности полного сброса заданного количества газа.

Еще один аспект проблемы применения рассматриваемых ШГ связан с необходимостью эффективного, с точки зрения безопасности, отвода сбрасываемого газа от рабочей зоны предприятия, что приводит к ограничениям по минимально допустимой характерной скорости сброса.

Совершенствование ШГ сбросов газа должно основываться на комплексном рассмотрении отмеченных условий. Для этого необходимо представить характер изменения режимных параметров ШГ в процессе сброса газа и соответствующую трансформацию текущих показателей акустического излучения и динамических характеристик выхлопной струи.

Рабочая схема глушителя (рис. 1) традиционно включает в себя дроссельный блок, обеспечивающий малошумное дросселирование газа, и ступень звукопоглощения, в которой мощность акустического излучения снижается до требуемых показателей [1]. При этом сопротивление глушителя, обусловливающее его расходные характеристики, практически связано лишь с параметрами дроссельного блока. В свою очередь ограничения на максимально допустимую скорость потока в каналах между элементами ступени звукопоглощения определяют связь расхода газа с минимально возможными габаритами конструкции.

Б

\

где к - показатель изоэнтропы; Я - удельная газовая постоянная, м2/(с2К).

Текущая масса (т, кг) газа в сосуде представляется равенством

т = рУ =

рУ ТЯ '

(2)

где р - текущее значение давления в сосуде, Па; Т - текущее значение температуры в сосуде, К.

Массовый расход газа (О, кг/с) через сопловое отверстие определяется по формуле

О =

у/ТЯ

•у/ка~д(п)5,

(3)

где д(%) - газодинамическая функция расхода, определяемая по известным зависимостям [2]; а - параметр, зависящий только от показателя изоэнтропы газа, определяемый по формуле

Рис. 1. Типовая схема шумоглушителя сброса газа: 1 - дроссельный блок; 2 - ступень звукопоглощения; 3 - стационарная крышка

Далее при вычислении главных параметров и соотношений, определяющих эволюцию характеристик сброса газа, будем рассматривать следующую физическую схему. Положим, что в начальный момент сброса газ с давлением (р0, Па) и абсолютной температурой (Т0, К) находится в сосуде некоторого объема (V, м3). Считаем, что диаметр сбросного трубопровода достаточно велик, так что общее аэродинамическое сопротивление тракта определяется дроссельным блоком ШГ, который моделируется простым сопловым отверстием площадью 5, м2. Аэродинамическое сопротивление ступени звукопоглощения и выхлопной части будем считать пренебрежимо малыми по сравнению с сопротивлением дроссельного блока.

При решении задачи используется модель совершенного газа с постоянными теплоемко-стями и аппарат газодинамических функций [2]. При этом вместо абсолютной температуры удобно использовать эквивалентную ей характеристику - начальную скорость звука (с0, м/с) в газе, связанную с Т0 соотношением

а =

к + 1

к+1 2(к-1)

(4)

При сверхкритических перепадах газодинамическая функция расхода газа равна единице. Условие сверхкритического перепада определяется выражением

п<п„ =

к + 1

(5)

где п - отношение неизменного давления (ре, Па) за отверстием к текущему давлению р.

Таким образом, определение текущей массы и массового расхода газа можно представить в виде

т =

Урк

О = —кад(я)5.

с

(6) (7)

(1)

Далее рассмотрим два модельных варианта изменения параметров газа в объеме в процессе сброса. Первый вариант предполагает, что температура газа в результате теплообмена с ограничивающими стенками остается постоянной (изотермическая модель). Второй - теплообмен отсутствует, так что расширение газа в емкости носит адиабатический характер.

Необходимо отметить, что в реальных обстоятельствах степень и характер влияния теп-лообменных процессов на параметры сбрасываемого газа зависят от множества факторов, которые могут к тому же изменяться в ходе сброса. При этом рассматриваемые здесь модели адиабатического и изотермического расширений могут рассматриваться как своего

3

2

1

2

рода индикаторные, т.е. показывающие, в какой мере процессы теплообмена могут повлиять на существенные показатели сброса газа.

Таким образом, значения текущей массы и массового расхода газа определяются по формулам:

• для случая изотермического расширения

Гр0 к

О = л,

Ро

кад(я)5,

(8) (9)

Уро к

Ро

О = я02к —- кaq(n)s.

Уравнение сохранения расхода газа

ёж

= -О

(10) (11)

(12)

Изменения перепада давлений в безразмерных переменных имеют практически универсальный характер и могут быть записаны: • для изотермического расширения

= апа(п):

Ж 4

(17)

адиабатического расширения

к-1

ё л

= акд(л)

' Р Л

2к

Ж

где п0 - отношение текущего давления р к начальному р0;

• адиабатического расширения

^пр I Ро,

Интегрируя последние соотношения, получаем расчетные зависимости, связывающие текущее значение давления в емкости с относительным временем истечения газа (г ) для изотермической и адиабатической моделей соответственно:

=-11

Ъ =

ё п

Р.!Р0

к-1 2к

Ч

/ V

ё п

(19)

(20)

" Р» ' Ро

-д(п)

ввиду равенств (6) и (7) приводит к дифференциальным соотношениям, определяющим изменение безразмерного текущего давления п0 по времени:

• для изотермической модели

ёг

адиабатической

ё (л0'к) sc0 „

—=--^ аа(п)п12к

ёг У

к+1 21 0

(13)

(14)

У

всп

(15)

г = г / г.

пр х'

(16)

Примеры зависимостей для стандартного значения к = 1,3 показаны на рис. 2. Кривые иллюстрируют тот факт, что на начальном этапе сброса адиабатическое расширение сопровождается более быстрым падением давления, тогда как на заключительном этапе более быстрым снижением давления характеризуется изотермическое расширение. При этом на основном временном участке

Из последнего равенства, в частности, следует, что характерный период времени истечения газа из сосуда (гх, с) составляет

£10*

-

и

Для удобства оценки изменения перепада давлений в относительном масштабе времени введем параметр гпр, определяемый по соотношению

0 К

Й

1

О

о £

о

101

100

V 1 X — изотермическое расширение —— — адиабатическое пастттипение -

-

\

\ ^^

10

Рис. 2. Изменения относительного давления в процессе сброса газа

ж = п

0

2

с

0

0

ж

0

2

0

г

0

изотермическое снижение давления носит практически экспоненциальный характер.

Расчеты показывают, что аналогичным образом изменяется по времени и текущий расход сбрасываемого газа, характер снижения которого при значимых значениях близок к экспоненциальному.

Оценки, проведенные на основе представленных соотношений применительно к изотермическому расширению [3], показывают, что продолжительность сброса (/„, с,), определяемая (для однозначности) конечным значением п = 0,995, логарифмически зависит от начального перепада давлений. При этом полная продолжительность сброса газа достаточно хорошо представляется аппроксимационной формулой

ро

^ = 3,91м-^ 0,8 рв

(21)

Формула (21) позволяет относительно просто связать средний расход (Оср, кг/с), непосредственно определяемый заданными величинами массы сбрасываемого газа и продолжительности сброса, с максимальным начальным значением расхода (О0, кг/с). Таким образом, соответствующее соотношение имеет вид

= 3,9а Ое, 6 о, 8 рв

(22)

Из этого соотношения непосредственно следует, что в актуальном диапазоне начальных давлений 3-20 МПа при сбросе в атмосферу (рв = 0,1 МПа) начальный максимальный расход примерно в 3,5-5,5 раз превышает средний.

Поскольку габариты ШГ фактически определяются максимальным расходом, последний результат приводит к представлению о целесообразности включения в состав конструкции регулирующего элемента переменного аэродинамического сопротивления, обеспечивающего организацию расхода, приближенного к постоянному. Отсутствие жестких требований к точности выполнения условия постоянства расхода и специфика работы шумоглушителей сброса газа указывают, что выбор в данном случае - за простыми и надежными схемами регулирования.

Очевидно, что работа такого регулятора расхода в несколько раз увеличит пропускную способность ШГ, позволяя в 3-5 раз сократить время сброса газа при неизменности габаритов. В свою очередь, при заданных условиях сброса газа реализация схемы с регулятором

позволяет использовать конструкции с габаритами в 2,0-2,5 раза меньше применяемых в настоящее время. Такая возможность представляется также востребованной, поскольку размеры типовых ШГ сброса достигают 2,5 м в диаметре и 5 м в длину.

Преимущества регулируемого сброса связаны также с дополнительными возможностями отвода сбрасываемого газа от рабочей зоны за счет повышения средней скорости сброса. Данный фактор обусловлен тем, что максимальная скорость выхлопа ограничивается допустимым уровнем шума, генерируемого выхлопной струей.

В случае стандартного сброса со снижающимся текущим расходом газа значительное его количество вытекает со скоростью, существенно ниже начальной. В рамках экспоненциального приближения можно утверждать, что относительное количество газа, истекающего со скоростью ниже заданной (у, м/с), равно отношению этой скорости к начальной (максимальной) скорости - у0, м/с. Т.е. со скоростью ниже у0/2 истекает половина сбрасываемого газа, со скоростью ниже у0/3 - треть и т.д. Это затрудняет практическую реализацию эффективного отвода сбрасываемого газа за счет использования динамических свойств выхлопной струи.

Очевидно, что отмеченная проблема отсутствует при сбросе газа с поддержанием стабильного расхода. В этом случае следует, однако, иметь в виду эффект некоторого повышения эквивалентного шума сброса.

Рассмотренные выше соотношения, представляющие изменение текущих параметров в процессе нерегулируемого сброса, позволяют оценить связь между максимальным и эквивалентным шумом выхлопной струи. Для проведения такой оценки можно использовать эмпирическое соотношение [4], согласно которому при небольших скоростях акустический КПД выхлопной струи пропорционален кубу числа Маха.

Результаты соответствующих расчетов, приведенные на рис. 3, показывают, что уровни эквивалентного шума (Ьед, дБА) при нерегулируемом сбросе на 7-10 дБА ниже максимальных уровней, причем разница несколько увеличивается с ростом начального перепада давлений.

Поскольку при регулируемом сбросе уровни эквивалентного шума практически равны максимальным значениям, данный результат означает, что применение регулятора

^ -5

£

— изотермическое расширение

— адиабатическое расширение

^ < ю-1-5,

1 См. СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки.

энергетического суммирования допустимое значение показателя Ьвых определяется неравенством

10!шг/Ю + 104ы„ /ю < 10!доп /ю.

(24)

(23)

Тогда допустимое значение показателя Ьвых шума выхлопной струи представляется равенством

=-101Е(1 - 10-дЬ-/10),

(25)

Рис. 3. Разница уровней эквивалентного и максимального выхлопного шума в зависимости от относительного начального давления

приведет к повышению эквивалентного шума на те же 7-10 дБА.

Здесь следует, однако, учитывать два обстоятельства. Во-первых, при одинаковых начальных условиях период осреднения регулируемого сброса в несколько раз меньше, чем нерегулируемого. Учет этого фактора и проведение оценок по одинаковым временным интервалам сокращает отмеченную разницу до 4-5 дБА. Во-вторых, регламентируемые нормативами1 уровни определяются периодами (¿н, с) продолжительностью 8 ч (ночные) и 16 ч. При этом разница между нормативно допустимыми максимальными и эквивалентными уровнями составляет 15 дБА. Отсюда следует, что в случае относительно непродолжительных одиночных сбросов, удовлетворяющих условию

эквивалентные уровни шума вообще можно исключить из числа контролируемых параметров.

В заключение отметим, что акустические ограничения на максимальную скорость выхлопной струи количественно зависят от показателей эффективности собственно ШГ.

Действительно, если предельно допустимый показатель уровня шума характеризуется величиной Ьдоп, а собственно ШГ обеспечивает уровень Ьшг < Ьдоп, то вследствие эффекта

где йЬвых, ДЬшг - разница между предельно допустимым уровнем Ьдоп и значениями Ьвых и Ьшг соответственно.

Задавая акустический КПД аналогично тому, как это было сделано при расчете эквивалентного шума выхлопа, нетрудно получить оценку снижения допустимой скорости вследствие недостаточного «запаса» ДЬшг. Непосредственные расчеты показывают, что при значениях ДЬшг, составляющих более 4-6 дБ, максимальная скорость может составлять до 90-95 % от предельно допустимой.

Проведенные расчетно-аналитические исследования по определению геометрических и акустических параметров глушителей систем сброса газа позволяют разработать конструкции, исключающие образование взрывоопасного облака в приземном слое атмосферы.

Применение безопасных, акустически эффективных устройств глушения шума позволит повысить уровень надежности работы технологического оборудования, снизить производственный шум до нормативных значений.

Список литературы

1. Емельянов О.Н. Снижение шума систем сброса газа на газотурбинных компрессорных станциях / О.Н. Емельянов, А. Л. Терехов,

Л.Р. Яблоник // Наука и техника в газовой промышленности. - М.: ИРЦ Газпром, 2005. -№ 4. - С. 20-24.

2. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика / Г.Н. Абрамович. - М.: Наука, 1991. - 600 с.

3. Яблоник Л.Р. Шумозащитные конструкции турбинного и котельного оборудования: теория и расчет: автореф. дис. д-ра техн. наук / Л.Р. Яблоник. - СПб., 2005. - 33 с.

4. Кудашев Е.Б. Турбулентные пульсации давления в аспекте задач снижения гидроаэродинамических шумов / Е.Б. Кудашев, Л.Р. Яблоник. - М.: Научный мир, 2007. - 223 с.

* * *

Perfection of mufflers used for killing noise of high-pressure gas vents

A.V. Terebnev1*, O.N. Yemelyanov1, L.R. Yablonik2

1 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Estate 15, Proyektiruemyy proezd # 5537, Razvilka village, Leninsky district, Moscow Region, 142717, Russian Federation

2 I.I. Polzunov Scientific and Development Association on Research and Design of Power Equipment, Bld. 3/6, Atamanskaya street, St. Petersburg, 191167, Russian Federation

* E-mail: [email protected]

Keywords: noise killer (muffler), atmospheric venting of natural gas, regulator, duration of a vent, dimensions, velocity of a jet.

Abstract. The ratios determining transformation of current dynamic and acoustic indices of a gas flow in a discharge pipe equipped with a typical noise killer were developed. On the grounds of calculations using these ratios authors showed a perspective of a noise killer circuit which includes a control element providing a stationary mode of venting. The named circuit enables to reduce by several times the duration of a vent for noise killers of given dimensions or to use far smaller noise killers. Regulated venting also gives opportunity to exclude low-velocity exhaust at the final stage of gas venting.

References

1. YEMELYANOV, O.N., A.L. TEREKHOV, L.R. YABLONIK. Reduction of gas venting systems' noise at gas rotor compressor stations [Snizheniye shuma system sbrosa gaza na gazoturbinnykh kompressornykh stantsiyakh]. Nauka i tekhnika v gazovoy promyshlennosti. Moscow: IRTs Gazprom, 2005, no. 4, pp. 20-24. ISSN 2070-6820. (Russ.).

2. ABRAMOVICH, G.N. Applied gas dynamics [Prikladnaya gazovaya dinamika]. Moscow: Nauka, 1991. (Russ.).

3. YABLONIK, L.R. Noise-protective constructions of rotor and boiler equipment: theory and calculation [Shumozashchitnyye konstruktsii turbinnogo i kotelnogo oborudovaniya: teoriya i raschet]: Dr. sci. thesis (engineering). St. Petersburg, 2005. (Russ.).

4. KUDASHEV, Ye.B. and L.R. YABLONIK. Turbulent beats of pressure in respect to the tasks of hydroaerodynamic noise reduction [Turbulentnyye pulsatsii davleniya v aspekte zadach snizheniya gidroaerodinamicheskikh shumov]. Moscow: Nauchnyy mir, 2007. (Russ.).