Анализ вредных факторов при работе дизель-генератора вблизи АЭС

Анализ вредных и опасных факторов, возникающих при эксплуатации дизель-генератора мощностью 4800 кВт



При эксплуатации дизель-генераторов возникают опасные и вредные факторы, в результате действия которых нарушается экологическая обстановка. 

К таким факторам относятся: 

вибрация; 

шум; 

пожарная опасность; 

выброс токсичных веществ, наличие ядовитых жидкостей. 



Воздействие вибрации



Вибрация - вредный и опасный фактор. Вибрация возникает вследствие возвратно-поступательного и вращательного движения неуравновешенных масс двигателя, крутильных колебаний, неточности изготовления деталей, неравномерности крутящего момента, резонансных эффектов, и других явлений, в меньшей степени вызывающих вибрацию. Вибрация вызывает дополнительные напряжения в деталях двигателя и его опоры, вызывая их разрушение, в результате которого может произойти происшествие.

Для снижения вибрации двигатель должен быть уравновешен. В четырехтактном шестнадцатицилиндровом V-образном двигателе уравновешены все моменты от сил инерции, а также от центробежных сил. Момент от центробежных сил уравновешивается противовесами на продолжении щек. 

Вибрационные воздействия приводят к усталостному разрушению деталей. При этом вибрация может возникнуть в одном месте, а разрушение – в другом. Особенно опасны резонансные явления.

Вибрационные воздействия, не вызывая разрушения узлов, могут приводить к нарушению их нормального функционирования (нарушение контактных соединений в электрооборудовании, постепенное ослабление неподвижных соединений, соударения и увеличение зазоров в соединениях с зазорами). 

Цель виброзащиты узлов – повышение их вибропрочности (способности не разрушаться под воздействием вибраций).

Восприятие вибраций человеком зависит от частоты: при низких частотах восприятие пропорционально ускорениям, при средних – скоростям, при высоких – частотам.

Организм человека наиболее чувствителен к вертикальным колебаниям в диапазоне частот 4 – 8 Гц и горизонтальным – в диапазоне 1 – 2 Гц, что учитывается в современных нормах по допустимому уровню вибраций (ГОСТ 12.1.012-90).



Воздействие шума



При работе поршневого двигателя внутреннего сгорания возникают шумовые эффекты. В ДВС возникают шумы впуска, выпуска, шум от сгорания горючей смеси в цилиндрах, шум от работы зубчатых передач, и других причин, в меньшей  степени вызывающих шум. 

Восприятие шума человеком зависит от уровня и частоты, а  также от характера его изменения во времени, индивидуальных особенностей человека. Повышенный шум является причиной ухудшения слышимости, преждевременной утомляемости человека. 

На организм человека оказывают вредное влияние и неслышимые инфразвуки. Сильные инфразвуки, вызывая вибрацию внутренних органов, могут привести к повреждению и даже остановке сердца. Инфразвук с частотой 7 Гц смертелен для человека. Шум судовых и тепловозных дизелей оценивают согласно ГОСТ 30575-98 уровнем звука, дБ. В качестве основной характеристики внутреннего шума принимают уровень, допустимые значения которого для судовых дизелей 100 дБ в машинном отделении.

Механический уровень шума проектируемого двигателя определяется по формуле



Здесь pi – среднее индикаторное давление, n – частота вращения, mV – удельная литровая масса (кг/л).

Результаты расчета приведены в таблице 5.1.1 (выбраны три режима работы двигателя).



Таблица 5.1.1. Шумовые характеристики двигателя

N, об/мин

500

750

1000

Lm, дБ

79

84

91



Пожароопасность.



Работа двигателя внутреннего сгорания связана с потреблением дизельного топлива - пожароопасной жидкости. Масло, применяемое в системе смазки двигателя, тоже пожароопасно. Наружная поверхность головки цилиндра (двигатель с водяным охлаждением) нагревается до температуры 1000С. При негерметичности системы топливоподачи или в результате выброса масла в моторный отсек может возникнуть пожар. 

     С целью уменьшения возможности пожара в машинном отделении, а также для обнаружения очага загорания и его ликвидации предусматривается комплекс средств пожарной защиты, включающий:

конструктивные меры, предупреждающие возникновение и распространение пожара.

системы и приборы обнаружения пожара в моторном отсеке и сигнализации о нем механику.

систему пожаротушения.

дренажные устройства для исключения скопления горючих жидкостей и их паров.

Требования к элементам конструкции и материалам:

Элементы управления двигателем и другие части конструкции (подмоторные рамы, тяги, трубопроводы и коллекторы системы пожаротушения и т.д.), расположенные в машинном отделении, должны быть изготовлены из огнестойких материалов, выдерживающих воздействие пламени с температурой 11000С в течение 15 минут или экранированы.

Все места проходов линий коммуникаций, тяг управления двигателем загерметизированы. Все узлы крепления двигателя в отсеке и тяги управления выполнены из стальных сплавов.

Топливный пожарный кран и топливопровод для него не должны располагаться в пожароопасном отсеке. Для повышения надежности и эффективности системы пожаротушения и сокращения ручных операций при пожаротушении, наряду с конструктивными мерами, предусмотрено автоматическое закрытие пожарного топливного крана в момент включения в действие огнетушителя с пульта пожарной защиты.



Влияние токсичности отработавших газов



Проблема токсичности отработавших газов занимает одно из ведущих мест в комплексе развития двигателестроения. В процессе работы поршневого двигателя внутреннего сгорания в атмосферу выбрасываются токсичные вещества. Выброс происходит с отработавшими газами, картерными газами, а также в результате испарения топлива. Около 98 % отработавших газов составляют вещества, содержащие углерод. Оставшуюся часть составляют окислы азота.

Токсичными компонентами являются: оксид углерода СО, углеводороды СН, оксиды азота NOх, твердые частицы, бензол, толуол, полициклические ароматические углеводороды ПАУ, бензапирен, сажа и твердые частицы, свинец и сера.

В настоящее время нормы на выбросы вредных веществ судовыми дизелями устанавливает IMO, международная морская организация. Этим стандартам должны удовлетворять все выпускаемые в настоящее время судовые дизели. 

Основными составляющими, опасными для человека, в выхлопных газах являются: NOx, СO, CnHm. Рассмотрим воздействие токсичных веществ на окружающую среду и человека.

Окись углерода СО.

Попадая в организм человека и соединяясь с гемоглобином крови, СО дает устойчивое соединение - карбоксигемоглобин, препятствующее процессу газообмена в клетках организма и вызывая тем самым удушье. При вдыхании воздуха с содержанием СО свыше 0,125 мг/л появляются признаки легкого отравления, а при концентрации 1,25 мг/л через два часа появляются головная боль, тошнота, заканчивающиеся потерей сознания.

Окислы азота NOx.

Отравление NOx имеет скрытый характер: человек может удовлетворительно чувствовать себя при работе на воздухе, содержащем опасные концентрации, но впоследствии тяжело заболевает. 

Основное воздействие на организм человека дают азотная и азотистая кислоты, образующиеся   непосредственно в дыхательных путях человека при соединении NOx  с водой. При вдыхании с воздухом 0,2 мг/л NOx в течение 0,5 часа человек серьезно заболевает. 

Токсичное воздействие NOx при его выбросах в атмосферу влечет за собой разрушение озонного слоя земли, расположенного на высоте от 10 до 50 км.

Нормируемые концентрации двуокиси азота по IMO на 80% от максимальной мощности – 14 г/кВт*ч. 

Класс опасности – 2.

Сажа.

Сама по себе не токсична, но в атмосфере она способна адсорбировать бензапирен – полициклический углеводород ароматического ряда, который обладает канцерогенным действием. Сажа может длительное время находиться во взвешенном состоянии, увеличивая тем самым время воздействия токсических веществ на человека. 

Наибольшую опасность для здоровья человека представляют частицы размером от 0,7 до 8 мкм. Частицы размером менее 0,7 мкм и более 8 мкм при вдыхании в легкие не попадают благодаря естественной защите дыхательных органов человека.

По IMO для судовых дизелей на режиме 80% от максимальной мощности допустим выброс сажи 0,4 г/кВт*ч. 

Углеводороды CnHm.

Наибольшую опасность для человека представляют углеводородные соединения канцерогенной группы. Среди них выделяется бензопирен С20Н12, являющийся индикатором присутствия в смеси других канцерогенов.

Попадая в организм человека, полициклические ароматические углеводороды накапливаются до критических концентраций и стимулируют образование злокачественных опухолей.

Нормируемая концентрация для бензопирена ПДК (рз)=0.00015мг/м³ ПДК (сс)=0.001 мкг/м³

Класс опасности – 1 (канцерогены).

Углекислый газ СО2.

Воздействие концентраций СО2 опасно в том отношении, что при поглощении длинноволнового теплового излучения создается так называемый парниковый эффект, обуславливающий перегрев поверхности земли и изменение земного климата.


Анализ воздействия шума, создаваемого двигателем внутреннего сгорания, на окружающую среду



Двигатель внутреннего сгорания является источником весьма сильного шума. Под шумом понимается совокупность беспорядочного (негармонического) сочетания звуковых колебаний различных частот и амплитуд.

Шум, возникающий при работе двигателя, в зависимости от его источника делят на две группы – аэродинамический (или газодинамический) и механический. Шум механического происхождения возникает вследствие неуравновешенности вращающихся частей механизмов и устройств, наличия сил инерции и моментов этих сил, соударений деталей в сочленениях и т.п. Причинами шума газодинамического происхождения являются возмущения, появляющиеся при движении газообразной и жидкой сред в проточных частях механизмов и трубопроводах, при обтекании тел и сгорании топлива. Таким образом, аэродинамический шум возникает в результате осуществления процессов газообмена и взаимодействия лопастей вентиляторов с воздушной средой, а механический шум – при процессах сгорания и рабочих динамических процессах в различных механизмах и системах (кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы, смазочная система, система питания и т. д.). Такое деление источников шума обусловлено различием поверхностей излучения. Аэродинамический шум передается газовоздушной средой на входе и выходе впускной и выпускной систем и в месте расположения вентилятора. Механический шум передается наружными поверхностями двигателя.

Таким образом, в окружающую среду шум передается в виде вибраций и колебаний наружных поверхностей двигателя, колебаний воздуха на впуске и выпуске. Наиболее интенсивные составляющие спектра шума находятся в области низких и средних частот и кратны частоте вращения коленчатого вала и числу цилиндров. Колебания деталей двигателя происходят  либо с частотой вынуждающей силы, либо с собственной частотой (при кратковременном воздействии силы). Поэтому в спектре механического шума имеются также менее интенсивные составляющие собственных колебаний в области средних и высоких частот. Газодинамический шум вследствие периодичности процессов (в трубопроводе и цилиндрах) имеет составляющие колебаний давлений в области низких и средних частот и высокочастотные составляющие вихревого происхождения (в органах газораспределения, в проточных частях нагнетателей и турбин).

В двигателях с наддувом из-за повышенного расхода воздуха уровень интенсивности шума впускных и выпускных отверстий обычно выше соответствующих уровней шума от других источников. Высокочастотные составляющие газодинамического шума компрессоров имеют большую интенсивность по сравнению с интенсивностью соответствующих составляющих механического шума. Несмотря на то, что их уровни интенсивности ниже уровней интенсивности низкочастотной части спектра, они более неприятны для восприятия. Уровень шума на выпуске выше уровня шума на впуске, так как скорость течения выпускных газов больше.

Измерение общего уровня шума и уровней в частотных полосах производится в нескольких точках, расположенных на расстоянии 1 м от излучающих поверхностей. Число точек измерения уровней шума устанавливается в зависимости от типа и габаритных размеров двигателя. Однако число точек измерения должно быть не менее пяти: четыре точки измерения по контуру двигателя в горизонтальной плоскости и одна точка над двигателем. Измерение уровня аэродинамического шума производится на расстоянии 0,25 м от отверстий для впуска воздуха и выпуска газов. Оценка уровня шума с точки зрения соответствия действующим нормативам производится по максимальному уровню из всех точек измерений.

Уровень шума двигателей внутреннего сгорания может достигать 120 дБ. Уровень шума снижают капотированием (для автомобильных двигателей), с помощью конструктивных мероприятий (с целью обеспечения плавного перехода на индикаторной диаграмме от линии сжатия к линии сгорания и снижения скорости нарастания давления, что способствует уменьшению уровня шума сгорания), а также воздействием на процесс сгорания и установкой глушителей (для снижения уровня шума впуска и выпуска).

В качестве мероприятий по снижению уровня шума рассматриваем использование глушителей шума процессов впуска и выпуска. Глушители должны обеспечивать снижение аэродинамического шума всасывания до уровня на 2 –3 дБ меньшего общего уровня механического шума.

Определяются уровни звука LA (в дБ), уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами от 63 до 8000 Гц, уровни звуковой мощности в дБ и корректируемый уровень звуковой мощности LPA. В таблице 2 приведен октавный спектр звуковой мощности LP шума впуска и выпуска без глушителей.



Таблица 2. Октавный спектр звуковой мощности Lp шума впуска и выпуска без глушителей.



fс.г.,Гц

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000



Lp вп

95

112

110

103

105

99

97

91



Lp вып

105

115

118

120

122

115

105

97



В соответствии с ГОСТ 27436 – 87 и ОСТ 27.004.022 – 86 уровень шума, измеренный на расстоянии 7,5 м от осевой линии двигателя, для дизелей не должен превышать 77 дБ.



Проектирование глушителей впуска и выпуска



Ожидаемые уровни звукового давления.



м,

 – показатель направленности;

 дБ

а) ожидаемые уровни незаглушенного впуска, дБ:



L63 = 69,5

L125 = 86,5

L250 = 84,5

L500 = 77,5                     



L1000 = 79,5

L2000 = 73,5

L4000 = 71,5

L8000 = 65,5







б) ожидаемые уровни незаглушенного выпуска, дБ:



L63 = 79,5

L125 = 89,5

L250 = 92,5

L500 = 94,5





L1000 = 96,5

L2000 = 89,5

L4000 = 79,5

L8000 = 71,5







Исходя из допустимого уровня общего шума LAД, определяются допустимые уровни звукового давления в каждой октавной полосе частот (в дБ)



;

где m – число октавных полос, принимаемых в расчете m = 8.



fс.г.,Гц

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

A

26

16

9

3

0

-1

-1

1



Lд63 = 94

Lд125 = 84

Lд250 = 77

Lд500 = 71



Lд1000 = 68

Lд2000 = 67

Lд4000 = 67

L д8000 = 69









Требуемое снижение октавных уровней звукового давления шума:

дБ,

где  – количество источников шума

а) впуска



Lтр63 = -19,8



Lтр1000 = 16,2

Lтр125 = 7,2



Lтр2000 = 11,2

Lтр250 = 12,.2



Lтр4000 = 9,2

Lтр500 = 11,2



Lтр8000 = 1,2



б) выпуска



Lтр63 = -9,8



Lтр1000 = 33,2

Lтр125 = 10,2



Lтр2000 = 27,2

Lтр250 = 20,.2



Lтр4000 = 7,2

Lтр500 = 28,2



Lтр8000 = 7,2





















Выбор принципиальной схемы построения глушителей





При выборе типа глушителя учитывают в основном возможности его компоновки на силовой установке, требуемую акустическую эффективность, необходимость в техническом обслуживании и допустимое значение гидравлического сопротивления. Для любого двигателя может быть рассчитан и изготовлен глушитель камерного типа, имеющий необходимую акустическую эффективность и минимальное сопротивление. Однако глушитель такой конструкции может иметь большие размеры, что практически исключает возможность его использования на силовой установке.

Комбинированные глушители имеют приемлемые габаритные размеры и гидравлическое сопротивление. Наиболее эффективным и имеющим минимальные размеры является клиновой активный глушитель, но он имеет также большое гидравлическое сопротивление и сложен в изготовлении. Активно-реактивные глушители со звукопоглощающими материалами для глушения шума системы выпуска применяют редко, так как в них происходит засмоление материала и снижается акустическая эффективность. Такие глушители требуют периодической очистки звукопоглощающих элементов. Поэтому в качестве глушителей шума системы выпуска используют камерно-резонансные или камерные с перфорированными активными элементами глушители.

Глушители впуска целесообразно совмещать с воздухофильтром. Камерный глушитель состоит из расширительных камер, соединенных между собой трубопроводом. Глушитель пропускает звуковые колебания ниже некоторой граничной частоты fгр и поглощает колебания, частота которых выше граничной. 

Акустическую эффективность реактивных элементов определяют исходя из теории линейной акустики, для частотного диапазона существования плоских волн. Этот диапазон для элементов круглого сечения ограничен частотой 

, Гц

где  - скорость звука в шумопоглащающем элементе, мс,

Т – температура газов, К,

D – наибольший диаметр элемента, м.



Снижение шума впуска.





Dk=0,25 м;

для получения большего эффекта заглушения принимаем:

lm=lk=0,1 м, dm вх= dm вых=0,05 м.





Для снижения шума впуска рассмотрим цилиндрический однокамерный глушитель следующей схемы:



Принимаем температуру воздуха Т = 293 К, тогда с = 343 мс, fгр = 811 Гц.

Величину заглушения в однокамерном глушителе определим, используя графики расчета заглушения камерным глушителем (Охрана окружающей среды под ред. С.В. Белова, М, Высшая школа 1991 г., стр. 241, рис. 106,б), по соотношениям

1), где Fк – площадь поперечного сечения камеры Fm – площадь поперечного сечения трубы 

2)klk, где  - волновое число

f и c – частота и скорость звука lk – длина камеры глушителя.

 дБ при  м-1 и klk=0,23;

 дБ при k=4,59 и klk=0,46;

 дБ при k=9,16 и klk=9,2.



Таким образом, данный глушитель производит эффективное заглушение в диапазоне 125, 250 и 500 Гц. Для требуемого снижения уровня шума на частоте 1000 и 2000 Гц рассмотрим резонаторный элемент, который возможно совместить с камерным элементом глушителя.

Dk=0,1 м, dm=0,05 м,с=343 м/с, lk=0,03 м,fгр=2000 Гц.

Эффективность реактивного элемента



, дБ,



где V – объем резонаторной камеры,

F – площадь проходного сечения трубопровода,

k – проводимость горла резонатора.



.



Принимаем fр=1050 Гц, тогда 



;





Определим диаметр и количество отверстий.

Принимаем dотв=15 мм, тр=2 мм,






Определим эффективность снижения шума



 дБ;

 дБ

.

Таким образом, данный элемент глушителя производит эффективное глушение на частоте f=1000 Гц.



Снижение уровня шума выпуска



Принимаем температуру отработавших газов Т=705 К, тогда скорость звука  мс.

Рассмотрим камерный элемент глушителя, у которого входной и выходной каналы введены в полость расширительной камеры. 





l1=l2=l=0,15 м,

lm=2l=0,3 м,

d1=d2=0,045 м,

Dk=0,15 м.





;

где  - волновое число



;



Таким образом, получаем . Граничная частота: Гц.



При f=125Гц, k=1,433; дБ.

При f=250Гц, k=2,86; дБ.

При f=500Гц ; k=5,73;дБ.

При f=1000Гц; k=11,46;дБ.

При f=2000Гц; k=22,93;дБ.



Таким образом, использование камерного глушителя не позволяет полностью достигнуть требуемого снижения уровня шума и требуется дополнительное глушение.

Для этого рассмотрим резонаторный глушитель кольцевого типа.

Dk=0,18 м,dтр=0,045 м,lk=0,25 м,с=548 м/с,fгр=1784 Гц. 

.

Принимаем резонансную частоту fp=180 Гц, тогда проводимость горла резонатора



Определяем диаметр и количество отверстий. Принимаем dотв=0,006 м, тогда количество отверстий:

В результате получаем

 дБ;

 дБ;

 дБ;

 дБ; 

 дБ.



Таким образом, произведено  снижение уровня шума до требуемой величины в диапазоне октавных частот от f=125 Гц до f=2000 Гц.



Расчет полного сопротивления глушителя



Полное сопротивление включает потери давления на входе, в активной зоне и на выходе: Ргл= Ракт+Рвх+Рвых.

Потери давления на входе определяются  по формуле:

Рвх=Рвых=0,5u2;

где =0,34 – коэффициент гидравлических потерь на входе в глушитель,

=0,685 кг/м3 – плотность газа при рабочей температуре глушителя,

u=0,05 см/с – скорость газа в глушителе.

 Рвх=0,50,340,6850,052=2,9 Па.

Потери давления в активной зоне:

Ракт=0,5u2L/Dp;

где L=0,3 м – длина первой камеры глушителя шума.

U=0,4V/F;

где V=0,0052 м3  - объем первой камеры,

F=0,003318 м2 – площадь внутренней трубки глушителя. 

Средняя скорость потока: U=0,40,0052/0,003318=0,62 м/с.

Ракт1=0,50,340,6850,6220,23/0,15=686 Па. 

Р1=686+5,8=692 Па.

L=0,12 м – длина второй камеры глушителя шума,

V=0,0027 м3 – объем второй камеры.

Ракт2=0,50,340,6850,32520,12/0,15=99,8 Па.

Р2=99,8+5,8=105,6 Па.

Так как система состоит из двух элементов, то:

Рсумм=Р1+Р2=797,6 Па.

Применение глушителей шума выпуска приводит к увеличению противодавления, что в свою очередь приводит к уменьшению коэффициента наполнения.

Оценить влияние дросселирования газов на выпуске можно, смоделировав тепловой расчет двигателя с помощью программы расчета рабочего процесса ДВС – Дизель РК.

Расход топлива и мощность без глушителя составили:

ge=0,2130 кг/кВтч, Ne=4960 кВт.

Расход топлива и мощность с глушителем составили:

ge=0,214 кг/кВтч, Ne=4900 кВт.

Это составило около 1% от расхода двигателя, не оснащенного глушителем. Увеличение расхода топлива двигателя является незначительным по сравнению с тем экологическим эффектом, который получен благодаря использованию глушителя.