ОСОБЕННОСТИ СНИЖЕНИЯ ШУМА ВЫБРОСА ПАРА НА ОБЪЕКТАХ ЭНЕРГЕТИКИ Чугунков Д.В.

ОСОБЕННОСТИ СНИЖЕНИЯ ШУМА
ВЫБРОСА ПАРА НА ОБЪЕКТАХ
ЭНЕРГЕТИКИ
Чугунков Д.В.
«Национальный исследовательский университет «МЭИ»
chugunkovdv@mpei.ru
1. Введение
Как известно, на объектах энергетики основным рабочим телом для
обеспечения технологии выработки электроэнергии и тепла является
водяной пар, поэтому выбросы пара в атмосферу на этих объектах
являются неотъемлемой частью. Выбросы пара по праву можно считать
самыми мощными источниками шумового воздействия на окружающие
жилые районы и производственные территории, шум от которых имеет
негативное воздействие на значительные расстояния, существенно
превышая допустимые нормы. Нахождение человека вблизи выхлопной
трубы во время сброса пара может привести к значительному ущербу
здоровью, т.к. уровни шума могут составлять более 137 дБА.
Сбрасываемый пар в атмосферу на энергетических объектах, особенно для
блоков парогазовых установок, характеризуется широким диапазоном
параметров и расходов, различными механизмами генерации шума,
продолжительностью воздействия и другими важными факторами, которые
необходимо учитывать при разработке мероприятий по шумоглушению.
2. Выбросы пара в истории развития технологического прогресса
Выбросы пара в атмосферу, создающие сильный шум, появились ещё
с момента создания первых паровых машин и предназначались, в
основном, для защиты оборудования от чрезмерного повышения давления.
Частым шумом выброса пара сопровождалась работа паровозов, особенно
во время посадки пассажиров в готовый к отправлению поезд, когда в
растопленном котле паровоза при отсутствии работы парового двигателя
происходило стравливание пара в атмосферу для исключения превышения
давления.
Негативное воздействие шума выброса пара также имело место,
например, в известной катастрофе британского парохода «Титаник»,
случившейся более 100 лет назад. Здесь шум значительно осложнял
действия экипажа корабля по организации спасения пассажиров, а сами
пассажиры из-за шума не желали выходить из своих кают.
С развитием научно-технического прогресса, приводящему к
увеличению параметров пара на энергетических котлах с целью
увеличения экономичности работы турбоустановок, увеличивается и
звуковая мощность паровых выбросов, а это обуславливает проведение всё
более новых исследований по снижению шума в этой области.
3. Нормирование шума выбросов пара
Выбросы пара в атмосферу на энергетических объектах являются, в
основном, временными источникам шума, продолжительность их
шумового воздействия может составлять от нескольких десятков секунд,
например, при срабатывании главных предохранительных клапанов (ГПК)
котлов (рис.1) и до 2-3 часов во время проведений операций по растопке
энергетических котлов или пусковых режимах на энергоблоках, при этом
данные выбросы пара являются, как правило, не частыми.
Рис.1. Выброс пара в атмосферу при срабатывании ГПК на ТЭЦ.
Существуют кратковременные, но частые выбросы пара, которые
связаны с работой предприятий в неотопительный период. Эти выбросы
пара относятся, в основном, к металлургическим и химическим объектам.
Примером таких выбросов может служить продувка котлов охладителей
конверторных газов на металлургическом комбинате в летнее время, когда
отсутствует нагрузка по теплоснабжению.
В соответствии с [1] характеристикой непостоянного шума является
интегральный критерий – эквивалентный (по энергии) уровень звука в
дБА. Дополнительно для колеблющегося во времени и прерывистого шума
ограничивают максимальные уровни звука в дБА, при этом максимальный
уровень звука на рабочих местах не должен превышать 110 дБА.
На некоторых объектах энергетики выбросы пара могут продолжаться
в течение нескольких суток и даже недель. Подобные выбросы пара
происходят в настоящее время на одной из ТЭЦ в крупной энергосистеме.
Данная ТЭЦ была построена ещё в 30-е годы 20 века и предназначалась
для снабжения электроэнергией и паром промышленных предприятий, а
также для теплоснабжения городских районов.
В состав оборудования ТЭЦ входит противодавленческая турбина Р6,
у которой отсутствует конденсатор, а её работа обеспечивается при отпуске
пара промышленному потребителю с противодавлением.
В настоящее время предприятие, потребляющее пар от ТЭЦ,
перестало нуждаться в паре (рис.2). В результате на ТЭЦ при покрытии
необходимой электрической нагрузки для обеспечения работы турбины
часть пара сбрасывается в атмосферу, что приводит к превышению норм по
шуму в окружающем жилом районе на 20-30 дБА в течение очень
продолжительного времени – несколько суток. В этом случае выбросы пара
необходимо относить к постоянным источникам шума с соответствующим
нормированием шума.
Рис.2. Часть тепловой схемы ТЭЦ с потребителем пара: 1 – паровые котлы,
2 – общая паровая магистраль, 3 – противодавленческая турбина Р6,
4 – электрогенератор, 5 – сбросная задвижка, 6 – потребитель пара.
4. Различия в механизме генерации шума выбросов пара
Особенностями выбросов пара в атмосферу на мощных
энергетических котлах большой паропроизводительности (расходы
сбрасываемого пара через выхлопные трубопроводы Gп > 30 т/ч) является
образование недорасширенных, неизотермических и трансзвуковых струй
пара, которые являются основными источниками шума [2]. Такие струи
характеризуются степенью нерасчётности n > 2, высокими температурами
(до 450 °С). В этом случае шум возникает в результате турбулентных
пульсаций давления, связанных с флуктуациями скорости на границе
смешения струи с окружающим воздухом, взаимодействием между
скачками уплотнения и турбулентными пульсациями с генерацией
ударного шума. При этом скорости пара в изобарическом сечении струи
значительно превышают сверхзвуковые значения. Такие сбросы пара
происходят при срабатывании ГПК котлов, продувках пароперегревателей
котлов, пусковых операциях на котлах и характерны для большинства
существующих тепловых электрических станций (ТЭС) нашей страны.
Здесь также следует отметить, что шум при срабатывании ГПК котлов
является внезапным, поскольку предохранительные клапаны имеют
мгновенное открытие, обеспечивая максимальный расход сбрасываемого
пара. Подобный шум может сильно испугать человека, по сравнению,
например, с растопкой котлов, когда уровни шума нарастают постепенно
по мере увеличения параметров пара.
Шум выброса пара на котлах малой паропроизводительности (Gп < 30
т/ч) определяется двумя источниками:
 дозвуковой струей пара на выходе из выхлопного трубопровода;
 турбулентным потоком пара, возникающим за клапаном или
задвижкой с наличием больших перепадов давлений – более 1,8 и
образованием критической скорости течения.
Шум дозвуковой струи, в основном, зависит от скорости её течения, а
шум турбулентного потока пара за клапаном или задвижкой, излучаемый
от среза выхлопного трубопровода в окружающий район, зависит от
организации движения потока пара в клапане или задвижке, перепада
давления, а также степени снижения шума в выхлопном трубопроводе.
Подобные выбросы характерны для ТЭС небольшой мощности.
Для котлов-утилизаторов (КУ) блоков ПГУ, строительство которых
активно ведется в настоящее время в нашей стране, характерны все
рассмотренные выше механизмы генерации шума из-за наличия различий
параметров пара в контурах низкого, среднего и высокого давлений КУ.
5. Характеристики шума выбросов пара
Спектральные характеристики шума выбросов пара на объектах
энергетики относятся к высокочастотному шума с наличием максимумов в
диапазоне октавных полос со среднегеометрическими частотами 1000 –
4000 Гц.
Для мощных энергетических котлов общий уровень звуковой
мощности выбросов пара может достигать свыше 167 дБ, а для котлов
малой паропроизводительности, характеризующимися на порядки
меньшими расходами сбрасываемого пара, общий уровень звуковой
мощности составляет свыше 130 дБ.
На рис.3 представлены результаты измерений УЗД вблизи выбросов
пара при срабатывании ГПК энергетического котла БКЗ-320-140 с расходом
сбрасываемого пара около 143 т/ч и при расходе сбрасываемого пара около 2
т/ч для выхлопного трубопровода отбора противодавленческой турбины Р6.
Представленные результаты на рис.3 с наибольшим расходом сбрасываемого
пара характеризуются шумом недорасширенной струи, а с наименьшим
расходом – шумом турбулентного потока пара за сбросной задвижкой.
Рис.3. Результаты измерений УЗД: 1 – в 17 м от выхлопного трубопровода
при срабатывании ГПК энергетического котла БКЗ-320-140 (расход
сбрасываемого пара – 143 т/ч, 2 – в 1 м от выхлопного трубопровода отбора
противодавленческой турбины Р6 (расход сбрасываемого пара – 2 т/ч)
6. Особенности разработок мероприятий по снижению шума
выбросов пара
Для снижения шума выбросов пара на энергетических объектах
необходимо применять глушители шума.
Общим принципом снижения шума в глушителях шума выброса пара
является снижение статического давления пара до атмосферного давления, а
также снижение скорости за счёт последовательного увеличения проходного
сечения.
Активное внедрение глушителей шума выбросов пара на ТЭС в нашей
стране началось в конце 80-х годов. В настоящее время большая часть
установленных глушителей (рис.4) выработала свой ресурс эксплуатации и
не обеспечивает требуемое снижение шума, что обуславливает
необходимость их замены на новые, более эффективные конструкции.
Кроме этого, большое количество котлов на ТЭС не имеет глушителей шума
выброса пара на выхлопных трубопроводах, что нарушает требования
ГОСТа [3].
Рис.4. Глушители шума конструкции СКБТ ВКТ
Существующие и строящиеся объекты энергетики характеризуются
различными параметрами пара на котлах (начальные параметры,
паропроизводительность и др.), отличительными особенностями
выхлопных трубопроводов и местом их вывода из котельного цеха ТЭС (на
крышу, из стены и др.), это обуславливает различные характеристики
сбрасываемого пара в атмосферу и, соответственно, различные уровни
шума. Требуемое снижение уровня шума выбросов пара рассчитывается из
условий близости расположения территории жилой застройки и
соблюдения норм на производственной территории. Применение одного
типоразмера глушителя шума на различных котлах может привести к
работе глушителей в нерасчётном режиме при низкой акустической
эффективности, а также высоком гидравлическом сопротивлении, которое
будет препятствовать необходимому расходу сбрасываемого пара, что
особенно опасно, т.к. это может способствовать развитию аварийной
ситуации, например, выводу котла из строя при срабатывании ГПК. Всё это
говорит о необходимости разработок мероприятий по шумоглушению
индивидуально для каждого котла с учётом территориального
расположения энергетических объектов относительно жилого района.
Для снижения шума выбросов пара до нормативных значений в МЭИ
разработаны высокоэффективные конструкции глушителей шума (далее
глушители шума конструкции МЭИ). Глушители проектируются под
определенные параметры сбрасываемого пара, требуемое снижение уровня
шума и учитывают особенности генерации шума.
Глушитель конструкции МЭИ для расходов сбрасываемого пара
свыше 30 т/ч (рис.5) содержит корпус, состоящий из нескольких ступеней
шумоглушения и камеры расширения [4]. Такая компоновка глушителя
позволяет разделить изготовление по нескольким модулям, что снижает
трудоёмкость и сроки его изготовления.
Рис.5. Глушитель шума выброса пара конструкции МЭИ для котлов
большой паропроизводительности: 1, 2, 3 – соответственно первая, вторая
и третья ступени шумоглушения, 4 – камера расширения, 5 – спирали
сеток, 6 – коническая обечайка, 7 – цилиндрические кассеты со ЗПМ, 8 –
крыша.
Снижение шума в глушителях конструкции МЭИ для расходов
сбрасываемого пара менее 30 т/ч (рис.6) [5] осуществляется путём
снижения шума дозвуковой струи пара и шума, который генерируется за
предохранительным клапаном. В данной конструкции на выходе второй
ступени глушителя может устанавливаться отвод 90°, в случае
необходимости направления выходного потока пара из глушителя шума в
боковую строну, которая может быть обусловлена требованиями
эксплуатации, например, для исключения образования наледей и сосулек в
зимнее время на металлоконструкциях крыши.
Рис.6. Глушитель шума выброса пара конструкции МЭИ с
а) – горизонтальным выхлопом и б) – вертикальным выхлопом для котлов
малой паропроизводительности: 1 – цилиндрический корпус, 2 – ЗПМ,
3 – спирали сеток, 4 – отвод 90°, 5 – козырёк, 6 – крыша
Для более эффективного снижения шума аварийного выброса пара при
срабатывании ГПК котлов возможно применение систем шумоглушения
выброса пара, представляющих собой два глушителя МЭИ, объединенных
между собой коллектором и устанавливаемых на двух выхлопных
трубопроводах после ГПК рис.7.
Рис.7. Система шумоглушения выброса пара после ГПК котлов
Вероятность одновременного подрыва нескольких ГПК на котле, как
правило, является незначительной. При такой схеме включения глушителей
сбрасываемый пар в момент открытия одного ГПК равномерно
распределяется в объединительном коллекторе на два глушителя, что
позволяет снизить расход пара через глушитель в два раза, а вместе с тем и
уровень шума по сравнению с индивидуальной установкой глушителей на
выхлопных трубопроводах. Такая компоновка позволяет применять
глушители с меньшими массогабаритными размерами.
В частных случаях, когда основная генерация шума происходит за
счёт турбулентного потока пара за сбросной задвижкой или клапаном, а
скорости пара в выхлопном трубопроводе значительно ниже критических
значений, возможно размещение элементов шумоглушения в выхлопном
трубопроводе, это позволяет существенно снизить массогабаритные
характеристики шумоглушителя.
На рис.8 представлен глушитель шума, конструкция которого
разработана на базе [5] с применением цилиндрической кассеты со
звукопоглощающим материалом, частично заходящей внутрь выхлопного
трубопровода.
Рис.8. Конструкция глушителя шума с цилиндрической кассетой,
выступающей в выхлопной трубопровод: 1 – корпус, 2 – часть
цилиндрической кассеты внутри корпуса глушителя, 3 – часть
цилиндрической кассеты внутри выхлопного трубопровода.
На графике, представленном на рис.8., видно существенное снижение
массы шумоглушителя с увеличением длины элементов шумоглушения,
размещаемых внутри выхлопного трубопровода.
При низких скоростях потока пара в выхлопных трубопроводах
возможно
применение
совместно
с
конструкцией
глушителя,
изображенного на рис.8, реактивного типа глушителя. В этом случае
комбинированная
схема
позволяет
получить
два
компактных
шумоглушителя. Применение данной схемы может быть целесообразным
для удобства монтажа и в том случае, когда установка одного глушителя с
большими массогабаритными характеристиками затруднительна или
невозможна.
При разработке мероприятий по снижению шума выброса пара, также
необходимо учитывать множество других факторов – возможность
крепления глушителей шума на выхлопных трубопроводах или опорных
рамах, наличий экранирования шума зданиями энергетических объектов,
исключение разрушительного воздействия выхлопного потока пара на
конструкции в местах установки и др.
Для объектов энергетики и ряда объектов металлургической и
химической промышленностей поставлено более 100 глушителей шума
выброса пара конструкции МЭИ, в том числе и для блоков ПГУ (рис.9)
Установленные глушители на действующих объектах обеспечивают
комфортное проживание больших групп населения вблизи расположения
энергетических объектов в соответствии с санитарными нормами.
Рис.9. Глушители шума выброса пара конструкции МЭИ, установленные на
крыше блока ПГУ-800 Киришской ГРЭС ОАО «ОГК-6» (всего 22 шт.)
Выводы
1. Выбросы
пара
на
объектах
энергетики
сопровождаются
высокочастотным шумом, значительно превышающим допустимые
нормы.
2. Механизм генерации шума выбросов пара различен и зависит от
многих факторов – параметров сбрасываемого пара, характеристик
выхлопных трубопроводов, сбросной арматурой и др.
3. Выбросы пара в основном являются временными источниками шума,
однако существуют примеры, когда шум выбросов пара является
постоянным источником.
4. Учёт наибольшего количества условий и особенностей выбросов пара
применительно для рассматриваемого объекта позволит создать
наиболее оптимальные и рациональные решения по его снижению.
5. Для снижения шума выбросов пара до нормативных значений в
МЭИ разработаны высокоэффективные конструкции глушителей
шума, которые проектируются под требуемое снижение уровня
шума, определенные параметры сбрасываемого пара с учётом
особенностей генерации шума, продолжительности выбросов и
других важных факторов.
Литература
1. СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях
жилых и общественных зданий и на территории жилой застройки.
М.: Минздрав России, 1997.
2. Чугунков Д.В. Разработка методов расчёта и снижение шума от
недорасширенных струй паровых выбросов энергетических
комплексов: Дис. кан. тех. наук.– М., 2007. 118 с.
3. ГОСТ 26279-84. Блоки энергетические для ТЭС на органическом
топливе. – М.: Изд-во стандартов. 1984. – 9 с.
4. Глушитель шума выхлопной струи пара (варианты): Патент на
изобретение. Заявка №2012110869. Заявл. 22.03.2012 / Д.В.
Чугунков, В.Б. Тупов.
5. Глушитель шума выхлопа пара (варианты): Патент на полезную
модель 120711 РФ, Заявка №2012112126. Заявл. 29.03.2012 /
Д.В. Чугунков, В.Б. Тупов. – 7 с.: ил.