В России крупнейшая в мире сеть магистральных газопроводов, протяженность которой составляет более 170 тысяч километров.
Проблема повышенного шума актуальна для любой области нефтегазового сегмента от мест добычи до перерабатывающих заводов. В рамках настоящей работы исследованы вопросы повышенного шума на газораспределительных станциях.
При транспортировке газа по магистральному трубопроводу рабочее давление может достигать значений до 11 МПа, в то время как давление в городских газовых сетях может быть ниже 5кПа. Для снижения давления перед поступлением в городские газовые сети газ поступает в газораспределительные станции (ГРС), где регуляторы снижают величину внутреннего давления в трубопроводах до требуемых параметров. Процесс снижения давления влечет за собой высокий уровень звука, достигающий в некоторых случаях 110 дБА. При этом допустимый уровень шума газорегуляторных пунктов и установок по ГОСТ 34011–2016 должен находиться в пределах 80 дБА. Поскольку газораспределительные станции, как правило, характеризуются близким расположением к селитебной территории, к этим объектам выдвигаются повышенные требования по уровню шума на границах санитарных защитных зон. Кроме того, приоритетным направлением государственной политики в производственной области по указу президента РФ «Об Основах государственной политики Российской Федерации в области промышленной безопасности на период до 2025 года и дальнейшую перспективу» является снижение уровня смертности и травматизма от несчастных случаев, а также развития заболеваний, непосредственно связанных с профессией. В связи с этим приведение шумовых характеристик промышленного оборудования к нормативным значениям, а также снижение негативного влияния шума на работников является важной производственной задачей [1,2].
На сегодняшний день можно привести следующую классификацию методов защиты от шума (Рисунок 1): [3]
Архитектурно-планировочные методы защиты от шума представляют собой комплекс мероприятий, направленный на снижение шумовых характеристик либо на этапе планирования предприятия, либо реконструкции или ремонта (оптимальная расстановка зданий и оборудования на предприятиях с учетом показателей шума, оптимальное расположение рабочих мест и т. д.).
Организационно-технические средства защиты от воздействия включают в себя мероприятия по рациональной организации работы, а также устанавливают необходимость использования работниками средств индивидуальной защиты (СИЗ). К данным мероприятиям защиты от шума относятся:
– проведение регулярных проверок на предприятии и рабочих местах;
– обеспечение работников СИЗ (например, специальными наушниками, касками или шлемами, в отдельных случаях может понадобиться применение противошумных костюмов);
– проведение медосмотра работников не реже раза в год и т. д.
Как видно по рисунку выше выделяется еще один тип защиты от шума
– акустический, который в свою очередь подразделяется на звукоизоляцию, звукопоглощение и использование глушителей шума в источнике [3].
Звукоизоляция включает в себя такие методы как:
1) Использование защитных кожухов, чехлов, которыми укрывают оборудования. Чехлы и кожухи изготавливаются из специальных материалов, которые способны гасить шум на различных частотах.
2) Экранирование шума или использование ограждений. Экраны и ограждения отражают шум от источника, меняя путь его распространения, что защищает объекты за экраном или ограждением (например, жилые дома) от воздействия шума.
3) Установка звукоизолирующих кабин. Расположение пульта управления в подобных кабинах приводит к уменьшению воздействия шума на работников и т. д. [4].
Если звукоизоляция основана на отражении или гашении звука, то звукопоглощение заключается в поглощении шума специальными материалами (например, зернистые, мягкие или волокнистые материалы, при попадании на которые звуковые волны поглощаются пустым пространством в материале). На производстве в помещениях шумоизолирующие материалы монтируются на поверхности пола, стен и потолка, а также окон и дверей. Также одним из способов шумопоглощения является использование облицовочных материалов, например бетонного покрытия или кирпичной облицовки.
Еще один метод борьбы с шумом – глушители шума. Глушители можно устанавливать непосредственно в источнике шума, путем перепроектирования оборудования или добавления специальных вставок. [4].
Рассматривая в качестве объекта исследования газораспределительную станцию, было установлено, что основным источником шума в пределах ГРС является регулятор давления и линия редуцирования в целом [5].
Рассматривая причины повышенного шума, было установлено, что шум в регуляторе давления имеет две составляющие – аэродинамическую, вызванную высокими скоростями и образованием вихрей в потоке, а также механическую, связанную с воздействием вихревого потока на внутреннюю поверхность трубы. При этом аэродинамический шум имеет локальный характер и может быть снижен путем применения звукопоглощающего кожуха на участке расположения регулятора давления и следующем за ним по ходу течения газа, где также наблюдаются высокие скорости потока, а распространение механического шума наблюдается на довольно протяженном участке за счет распространения звуковой волны по металлу трубы. Таким образом, механический шум способен распространяться от места вихреобразования вплоть до выходного крана (рисунок 2). Это подтверждается и результатами замеров уровня звукового давления [5], которые фиксируют более высокие значения на выходном кране по сравнению с входным. Объяснение этому явлению может заключаться в том, что звуковая волна, вызванная ударами вихрей о стенку трубы, распространяется по металлу в обе стороны от источника, но при этом распространение в сторону входного крана ограничено самим регулятором [6]. Причиной прерывания распространения звуковой волны в сторону входного крана очевидно является фланцевое соединение, которое обычно используется для установки регулятора давления. Фланцевое соединение препятствует распространению звуковой волны по металлу, в результате чего на входном кране звуковые параметры ниже, чем на выходном.
На основании выдвинутого предположения поиск решения осуществлялся сразу по двум направлениям – уменьшить зону вихреобразования и прервать распространение звуковой волны по телу трубы.
Чтобы визуализировать процессы, происходящие в трубопроводе при прохождении газа по линии редуцирования, и определить поле скоростей на различных ее участках, было выполнено численное моделирование в программном комплексе Ansys Workbench 19.2 с использованием модуля CFX.
При моделировании использовались параметры, соответствующие линии редуцирования, представленной на рисунке 2.
Газ на участке поступает из труб с диаметром 219 мм во входной патрубок газорегулятора диаметром 100 мм, а дальше через выходной патрубок и конические переходы попадает в трубы диаметром 315 мм. При моделировании потока использовалась упрощённая схема, при которой регулятор представлен местным сужением проходного сечения трубы. В качестве граничных условий использовались значения скорости потока и давления на входе линии редуцирования.
Фактическая скорость на участке трубопровода рассчитывалась по формуле:
где
v - скорость потока сжатого газа, м/с
Q - объемный расход сжатого газа для реальных условий, м3/ч
d - внутренний диаметр трубопровода, м
Из рисунка видно, что при заданных условиях в трубопроводе возникает существенная зона вихреобразования, а также наблюдается возрастание скорости в узком сечении трубы.
Для выпрямления потока газа была спроектирована модель струевыпрямителя (рисунок 4) в виде плоской шайбы круглого сечения со сквозными отверстиями [7]. Установка такого выпрямляющего устройства предполагается в сечении А-А (Рисунок 2)
Геометрические параметры подобного струевыпрямляющего устройства очевидно должны оказывать влияние на форму и характеристики потока на выходе. В рамках исследования рассматривались струевыпрямители, отличающиеся количеством отверстий, их размером, а также длиной струевыпрямлящих трубок. Всего смоделировано более 100 различных типов конструкций, при этом полученные результаты довольно противоречивы.
Так рассматривались струевыпрямители с количеством отверстий от 5 до 127 штук, расположенных равномерно по всему поперечному сечению трубы. Диаметр отверстий при этом менялся от 20 до 80 мм. В целом на рассмотренных вариантах отмечается уменьшение интенсивности вихреобразования при увеличении числа отверстий и уменьшении их диаметров, однако при этом нет однозначной связи с длиной струевыпрямителя. Для каждого случая рассматривались 4 типа характерной длины – 50 мм, 100 мм, 150 мм и 200 мм. В большинстве случаев увеличение длины струевыпрямителя ведет к сокращению интенсивности вихреобразования, однако при большом числе отверстий малого диаметра и длине струевыпрямителя 150 мм зафиксирован высокий рост интенсивности вихреобразования. Увеличение длины такого струевыпрямителя до 200 мм привело к практически полному исключению вихревой зоны. Результаты моделирования потока газа, проходящего через струевыпрямитель длиной 200 мм со 127 отверстиями диаметром 20 мм, равномерно распределенными по площади поперечного сечения потока, представлены на рисунке 5.
Полученный результат позволяет говорить об эффективности предложенного решения, однако для каждого конкретного случая оптимальные параметры могут меняться. Правильно подобранные параметры струевыпрямителя обеспечивают отсутствие зоны вихреобразования на участке, следующем за струевыпрямителем. При этом вихри, которые сохраняются на участке, предшествующем установке струевыпрямителя будут формировать механический шум, вызванный ударами потока о металлическую стенку трубы. Такой шум будет распространяться по металлу на довольно большие расстояния. Для локализации зоны распространения звуковой волны по стенке металла трубы предлагается устанавливать струевыпрямитель на фланцевом соединении. Дополнительно можно предложить рассмотреть возможность изготовления струевыпрямителя из полимерных синтетических материалов, которые имеют более низкую звукопроводимость, тогда механический шум, вызванный ударами потока газа о стенку трубы будет полностью локализован между регулятором давления и струевыпрямителем.
Кроме того, следует отметить, что для всех рассмотренных случаев характерно снижение скорости потока. На расстоянии 1 м после установки струевыпрямителя скорость потока стабилизируется и становится равной 33 м/с. Это же значение наблюдается в аналогичном сечении трубопровода, необорудованного струевыпрямителем (на расстоянии 1,5 м от центра регулятора давления (Рисунок 2)). Таким образом, можно утверждать, что источник высокочастотного аэродинамического шума, вызванного большими скоростями потока имеет протяженность, не превышающую 1,5 м и включает в себя сам регулятор давления и участок следующий за ним в направлении потока газа. Локализация зоны возникновения вихревых потоков также позволяет преобразовать источник механического шума из линейного в точечный. В результате предложенного решения источник как аэродинамического, так и механического шума будет иметь небольшую протяженность. Для подавления шума на этом участке могут использоваться различные защитные конструкции, изготавливаемые из звукопоглощающих материалов. Подобные мероприятия позволят свести к минимуму шум, возникающий на линиях редуцирования газораспределительных станций. При этом аналогичное решение может использоваться и на других объектах, где наблюдается рост скоростей потока газа и имеется вероятность вихреобразования. Использование струевыпрямителей позволит локализовать шум в источнике, что приведет к снижению общего уровня шума на объекте.
Литература
1 Иконникова Н. В. Риски утраты профессионального здоровья у работников газотранспортного предприятия, действующего в условиях, приравненных к Крайнему Северу / Н. В. Иконникова, И. В. Бойко, Н. Александр // Медицина труда и промышленная экология. – 2023. – Т. 63. – №. 4. – С. 218-225..
2. Тананаева О. А. и др. Факторы, влияющие на здоровье // Iестьдесят вторая международная научно-практическая конференция наука и образование. – С. 41.
3. Ветошкин, А. Г. Нормативное и техническое обеспечение безопасности жизнедеятельности. Ч. 2. Инженерно-техническое обеспечение безопасности жизнедеятельности: учебное пособие / А. Г. Ветошкин. - 2-е изд. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 652 с. – С. 378.
4. Тупов В. Б. Снижение шума от оборудования на территории энергетических объектов и в окружающем районе // Защита от повышенного шума и вибрации. – 2023. – С. 211-219.
5. Бердник, М. М. Разработка технического решения по снижению уровня шума на газораспределительных станциях / М.М. Бердник, А.Г. Бердник, Д.М. Якобсон, Д.Н. Екимов, С.И. Никифоров // Вестник евразийской науки. – 2024. – Т. 16, № S3.
6. Легуша Ф. Ф. Дисперсия скорости звука волны, распространяющейся в среде с потерями, находящейся в цилиндрической трубе с теплопроводными стенками / Ф.Ф. Лягуша, Г.В. Чижов, К.Н. Пялов // Труды Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики. – 2023. – С. 448.
7. Бердник, М. М. Исследование причин повышенного уровня шума на газораспределительных станциях / М. М. Бердник, О. А. Волкова, А. Г. Бердник // Трубопроводный транспорт - 2022, Уфа, 17–18 ноября 2022 года. – Уфа: Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2022. – С. 284-285.
