مقاله طراحی و بهینه سازی سایلنسر مسیر گاز مصرفی نیروگاه مشهد

بخشی از مقاله

طراحی و بهینه سازي سایلنسر مسیر گاز مصرفی نیروگاه مشهد

چکیده: سرعت زیاد سیال در هنگام عبور و یا تخلیه از مجاري میتواند بعنوان یک منبع صدا سبب ایجاد آلودگی صوتی گردد. استانداردهاي کار در محیط صنعتی، سطح صداي مشخصی را براي حفظ سلامت انسان تعریف کرده اند. در تحقیق حاضر، طراحی، ساخت و بهینه سازي صداخفه کن ورودي گاز مصرفی بویلر دو واحد بخار 60 مگاواتی نیروگاه برق مشهد، مد نظر قرار دارد. مبناي علمی مطالعات، کنترل تمرکز توربولنس و کاهش انرژي جنبشی گاز با حفظ وضعیت فشار بوده است. نتایج عددي و تجربی حاصله که از تحلیل مدلهاي عددي و نیز ساخت نمونه صنعتی بدست آمده است نشانگر آن است که با حذف مبانی ایجاد صوت، سطح صدا از 124 دسیبل به کمتر از 90 دسیبل کاهش یافته است.

کلید واژه: آلودگی صوتی، ایرفویل، تمرکز توربولنس، سایلنسر، گازطبیعی

-1 مقدمه

سرعت زیاد سیال در صدا خفه کن ها که با تغییر ناگهانی سطح مقطع و تمرکز توربولنس نیز همراه است؛ در الگوي غیردائمی جریان با ایجاد نیروهاي برشی سبب افزایش شدت توربولنس و در نتیجه سروصدا می گردد. منابع صوتی متداول که در کارخانجات و مراکز صنعتی وجود دارند شامل مجراي ورودي و خروجی موتور، فن و دمنده، کمپرسور، محفظه تهویه توربین، تخلیه گاز با سرعت بالاست.
صوت از نظر ماهیت زیرمجموعه اي از ارتعاشات می باشد که خود شکلی از موج است. براي کنترل دامنه صوت بایستی هر سه پدیده

"ایجاد صوت"، "انتقال صوت" و "انعکاس صوت" تحت کنترل قرار گیرد. سر و صداهاي موجود در محیط اثرات بسیار مخرب و جبران ناپذیري بر سلامت روح و جسم انسان دارد. تخمین زده شده است که هزینه هاي ایجاد شده به وسیله سر و صدا در کشورهاي توسعه یافته 2 -0/2 درصد رشد ناخالص ملی را به خود اختصاص می دهد .[1] اقداماتی که به منظور کاستن صداى محیط انجام می شود شامل کنترل مهندسی دستگاه ها در محیط هاى پرسرو صدا و رفع عیوب مربوط به دستگاه ها و در صورت لزوم و امکان تعویض دستگاه است. آکوستیک به معناي وسیع کلمه تولید، تراگسیل و دریافت انرژي به صورت ارتعاش در ماده است اگر اتم ها و مولکول هاي شاره یا جامد از اوضاع طبیعی خود تغییر مکان یابند، نیروي الاستیک در آن پدیدار می گردد که مربوط به سختی جسم است و می خواهد جسم را به حالت نخستین بازگرداند. تأثیر این نیروي الاستیک برگرداننده توام باخاصیت اینرسی دستگاه، ماده را براي ارتعاش نوسانی در نتیجه تراگسیل موج هاي آکوستیکی قابل می سازد. صوت شناسی که مطالعه امواج فشار درسیالات می باشد، با دینامیکسیال ارتباط نزدیک دارد. بسیاري از صداهایی که از نظر فنی در کاربردرهاي صنعتی مهم می باشند، در جریان هايسیال تولید شده و انتشار می یابند. بنابراین پدیده هاي مرتبط با صوت می تواند در چهارچوب دینامیک سیال تجزیه و تحلیل شود. معادلات

حاکم بر صوت در واقع همانند معادلات حاکم بر جریانهايسیال هستند. چالش اصلی در پیشگویی امواج صوتی از این حقیقت شناخته شده سرچشمه می گیرد که انرژي امواج صوتی بسیار کمتر از جریانسیال است. این امر یک مشکل بزرگ را در محاسبه صداها در هنگام حل عددي امواج صوتی مطرح می کند به ویژه هنگامی که قصد پیشگویی انتشار صوت در میدان دوردست در میان باشد.

چالش دیگر از دشوار بودن پیشگویی پدیده هایی مانند توربولانس که باعث تولید صوت می گردند سرچشمه می گیرد.

مقاله -2 شرح

از آنجا که بهینه سازي این صداخفه کن به کمک نرم افزار FLUENT انجام گرفته است، ابتدا دیدگاهی کلی در مورد شیوه هاي محاسباتی FLUENT براي صوت آیرودینامیکی تولید شده، تئوري هاي اساسی، شکل گیري مدل و روند محاسبه صوت ارائه می گردد
.[2]

با توجه به گسترش زمینه دانش و چالش هاي پیش رو در محاسبه صوت جاي تعجب نیست که تعدادي متد محاسباتی در طول چندین سال پیشنهاد شده است که از جهت دقت، کاربرد و هزینه تفاوت هاي بسیار دارند.

FLUENT سه راه حل براي محاسبه صوت ارائه می دهد، روش مستقیم1، روش انتگرال گیري بر اساس آنالوژي صوتی2و روش مدل منبع صوتی "باند گسترده".3
در اینجا به بررسی انواع صداخفه کن4 هاي رایج و نحوه عملکرد هریک از آنها پرداخته میشود:

-1-2 سایلنسرهاي پخش کننده یا جاذب:5

افت فشار بالا در عرض هر دریچه سروصداي بسیاري را به وجود می آورد و به خرابی و فرسایش اجزاء دریچه یا شیر مورد نظر منجر می گردد.

با عبور اغتشاش فشاري از طول کانال هاي داراي فیلتر صوتی در خفه کن جذبی انرژي صوتی مستهلک و به حرارت تبدیل می شود.

سایلنسرهاي پخش کننده یا جاذب سایلنسرهاي حلقه اي شکل هستند که به این صورت طراحی شده اند که به هوا اجازه دهند مستقیماً از داخل یک مجراي سوراخدار عبور کند که با یک ماده فشرده شده جاذب صوت احاطه شده است. ماده مورد نظر بایستی از فیبر شیشه یا فیبر آهن6 با دانسیته محاسبه شده باشد تا کارایی لازم را مقابل صوت منتشر شده ناشی از دینامیک سیال داشته باشد.

ماده پر شده باید با کیفیت خوب و مطابق با ASTM 7 E-84 باشد. این صدا خفه کن ها افت فشار را به وسیله دریچه یا شیر تقسیم می کنند و از این طریقاساساً سرو صدا و فرسایش را کاهش می دهند.
براي صورت گرفتن این کاهش فشار پخش کننده (دیفیوزر) به گونه اي طراحی شده است که جریان را از میان تعداد زیادي سوراخ کوچک عبور دهد. سایز صحیح و فاصله سوراخ ها در عملکرد پخش کننده نقشی بسیار اساسی دارد. همچنین بسیار مهم است که ظرفیت جریان دیفیوزر با نیازهاي هر سیستم بخصوص، تناسب داشته باشد. همین امر سبب می گردد که اگرچه تولید صداخفه کن ها به صورت انبوه در مدل هاي استاندارد انجام می شود، طراحی آنها براي دریچه ها و لوله هاي خاص نیز صورت پذیرد.

در شکل 1 یک نمونه از سایلنسرهاي جاذب که با آرایش بافل هاي موازي ساخته شده اند نشان داده شده اند.

شکل :1 شماي سایلنسر جاذب

ضخامت آسترهاي صوتی یا تیغه ها باید بر اساس فرکانس غالب در میدان تعیین گردد. بخشی از انرژي صوت به تولید شده در هنگام عبور از ماده با ایجاد حرکت در فیبر، به گرما تبدیل می شود. سایلنسرهاي جاذب شامل مجراهاي تضعیف کننده پوشش داده شده، تضعیف کننده هاي استوانه اي و مستطیلی و محفظه هاي آب بندي شده جهت گرفتن نوسانات هوا می باشند.

سایلنسرهاي پخش کننده به خصوص براي کاهش نویز با فرکانس بالا مؤثر هستند.

-2-2 سایلنسرهاي واکنشی8

سایلنسرهاي واکنشی یا سایلنسرهاي حفره دار، سایلنسرهاي چند حفره اي هستند که از آرایشی خاص از محفظه هاي انبساط و مجراهاي سوراخدار براي کاهش صدا بهره می برند. سایلنسرهاي واکنشی به طور خاص براي کاهش صوت باند گسترده با فرکانس پایین مؤثر می باشد.

شکل :2 صداخفه کن چند حفره اي مناسب براي بیشتر موتورهاي رفت و برگشتی

شکل :3 صداخفه کن واکنشی "مجرا مستقیم" براي موتورهایی که نیاز به کار با فشار معکوس کم دارند

-3-2 سایلنسرهاي واکنشی̸ پخش کننده

این سایلنسرهاي ترکیبی، سایلنسرهاي چند حفره اي هستند که براي ترکیب توانایی پوشش صوتی سایلنسرهاي پخش کننده در مورد صوت با فرکانس بالا و سایلنسرهاي واکنشی براي صوت با فرکانس پایین طراحی شده اند. نتیجه این ترکیب، کاهش عالی صوت باند گسترده با فرکانس بالا و پایین را تأمین می کند.

-4-2 سیستم لوله ساده

ترکیبی از هندسه هاي ساده مانند لوله و محفظه است و زیر مجموعه خفه کن هاي واکنشی به حساب می آیند. خفه کن هاي واکنشی صوتی که روي اغتشاش فشاري حمل می شود به منبع صدا منعکس می کنند و سبب کاهش فشار صوتی می شوند. در این خفه کن ها در اثر انعکاس و اندرکنش بین امواج تولید شده در منبع صوتی و امواج انعکاسی و همچنین انتقال امواج صوتی به ناپیوستگی هاي هندسی (محل هاي با تغییر ناگهانی سطح مقطع، اتصالات لوله ها و غیره) توان صوتی مستهلک می شود. ساده ترین خفه کن هاي واکنشی که ممکن است در سیستم هاي لوله مکش و تخلیه به کار رود محفظه انبساطی و نوسان کننده هلمهلتز و ستونی هستند که در شکل 4 نمایش داده شدذه اند.

شکل :4 طرحواره خفه کن هاي واکنشی ساده

الف) محفظه انبساطی ؛ ب) تشدید کننده هلمهلتز ؛ ج) تشدید کننده ستونی

محفظه انبساطی، شکل 4 الف، در محدوده فرکانسی پهن عمل می کند و تشدید را به صفر می رساند. همچنین به عنوان یک عبور دهنده فرکانس سیستم شناخته می شود. بر خلاف آن تشدید کننده ستونی، شکل4 ب و ج، در محدوده فرکانسی باریک عمل می کند و فرکانس هاي تشدید را تشدید می کند .[3] محاسبه صحیح مشخصه هاي صوتی این اجزاء خیلی مهم است زیرا این هندسه ها براي معادل سازي صوتی صداخفه کن خفه کن هاي پیچیده تر مورد استفاده قرار می گیرند.

-5-2 سایلنسرهاي فعال9

کنترل صداي فعال، بهینه سازي میدان صوت، بخصوص حذف میدان صوت به وسیله ابزارهاي الکتریکی صوتی است. سایلنسرهاي فعال میکروفون ها و ابزار الکترونیک براي تعیین و تضعیف صوت استفاده می کند.

در ساده ترین شکل آن یک سیستم کنترلی یک بلندگو را براي ایجاد میدان صوت تحریک می کند کهدقیقاً همانند صوت مزاحم است. سپس بلندگو آشفتگی صوتی را قطع می کند و نتیجه نهایی هیچ گونه صوتی در بر ندارد. چنین سایلنسرهایی براي فرکانس هاي پایین تر از 300 Hz مؤثر هستند.

کنترل صداي فعال مناسبترین گزینه براي میدان صوتی پایدار مانند فن ها، موتورها و موارد مشابه هستند. سایلنسرهاي فعال براي کاهش صداي باندگسترده مناسب نیستند.
در سایلنسرها نباید اتلاف دینامیکی نصب(DIL) 10 (اتلاف دینامیکی نصب، اختلاف بین دو شدت یا توان صوت اندازه گیري شده در یک نقطه در داخل مجرا، قبل و پس از نصب سایلنسر است). DIL به جریان پیشرو و معکوس بستگی دارد. جریان پیشرو است اگر هوا در جهت انتشار صوت جریان داشته باشد) بیشتر از آنچه در برگه مشخصات فنی آن ذکر گردیده باشد. افت فشار جریان سیال نیز نباید از مقدار تعیین شده توسط سازنده تجاوز کند.

یک نمونه - DIL اتلاف دینامیکی نصب - در سایلنسرهاي جاذب در نمودار 1 نشان داده شده است:

نموار :1 اتلاف دینامیکی نصب بر حسب فرکانس براي یک نمونه سایلنسر جاذب

بهینه سازي سایلنسر موجود از لحاظ صوتی شامل کاهش پدیده “Self-noise” (SN) است که توان صوتی تولید شده توسط خود سایلنسر می باشد، هنگامی که در مسیر جریانسیال نصب می گردد. SN به مقدار جریان برگشتی به وجود آمده بستگی دارد. با بررسی اولیه عملکرد سایلنسر توسط نرم افزار FLUENT مشخص گردید بیشترین تولیدصوت اجزاء داخلی خود سایلنسر، مربوط به تیغه هاي منحرف کننده مسیر گاز به سمت دیواره هاي استوانه اي شکل سایلنسر می باشد. این تیغه ها به صورت بلوك هاي مکعب مستطیل شکل هستند که به دلیل شکل غیر آیرودینامیک در مقابل جریان، افت فشار و نیز توان صوتی بالا تولید می کند. شایان ذکر است در این پروژه تأثیر بهینه سازي سایلنسر برصوت منتشر شده در محیط بررسی نمی گردد هرچند براي تحلیل این پدیده فرمول و نرم افزارهاي11 خاص وجود دارد. شماي کلی سایلنسر موجود در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 5

سایلنسر از دو استوانه هم مرکز سوراخدار تشکیل شده است کهعلّت این امر همانگونه که در فصل یک شرح داده شد محبوس کردن سیال و کاهش انرژي جنبشی آن و نیز هدایت آن به سوي ماده جاذب صوتی است. در این مدل سه ردیف از تیغه هاي راهنما کار گذاشته شده است که با منحرف کردن مسیرسیال به سمت دیواره سوراخدار سایلنسر، به کاهش انرژي جنبشیسیال کمک می کنند.

محل قرارگیري تیغه ها در سایلنسر در شکل 6 مشخص گردیده است.

شکل 6

بهترین گزینه جهت کاهش افت فشار ناشی از عبورسیال از سایلنسر جایگذاري ایرفویل به جاي تیغه هاي منحرف کننده گاز است که اثرات این جایگذاري در تولید نویز نیز مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

با در نظر گرفتن ابعاد سایلنسر و تیغه هاي راهنماي آن دو نوع ایرفویل مطابق استاندارد NACA انتخاب شده است، اولی از نوع متقارن (NACA 0021) و دیگري نامتقارن از نوع ایرفویل هاي ضخیم NACA (مقطع شماره (42 می باشد که در شکل 7 مقطع این دو ایرفویل نمایش داده شده است.

(الف) (ب)

شکل :7 الف) ایرفویل تخت Section No. 42 ب) ایرفویل متقارن NACA 0021

ابعاد ایرفول هاي فوق در استاندارد NACA بزرگتر از ابعاد تیغه هاي راهنما بوده و لذا از تشابه هندسی این ایرفویل ها متناسب با ابعاد سایلنسر استفاده شده است.

با انجام سعی و خطا بهترین زاویه براي قرارگیري تیغه ها نسبت به راستاي افق 24 درجه انتخاب گردیده است که ایرفویل ها نیز با همین زاویه به جاي تیغه هاي راهنما جایگذاري شده اند.

-6-2 مدلسازي

براي تحلیل عملکرد سایلنسر پس از ایجاد تغییرات مورد نظر، نیاز به مدل کردن آن در یک نرم افزار مدلسازي می باشد که به دلیل هماهنگی نرم افزار GAMBIT با نرم افزار تحلیلگر مسأله (FLUENT)، از آن براي مدل کردن سایلنسر استفاده خواهد شد.

7-2بندي-شبکه12

در شبکه بندي مدل ها در نرم افزار GAMBIT می بایست نوع سطوح تیغه هاي راهنما و نیز ابعاد آن ها همواره مورد توجه باشد. براي بالا رفتن دقت حل در نواحی اطراف ایرفویل ها شبکه بندي دقیق تري ۵ریزتر) لازم است.