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 p_i – среднее индикаторное давление, n – частота вращения, m_V – 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 NO_х, 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: NO_x, СO, C_nH_m. 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 NO_x.

Отравление NO_x 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 NO_x с водой. При вдыхании с воздухом 0,2 мг/л NO_x в течение 0,5 часа человек серьезно заболевает.

Токсичное воздействие NO_x 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 C_nH_m.

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 СО₂опасно 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 L_A (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 L_PA. В таблице 2 приведен октавный спектр звуковой мощности L_P шума впуска и выпуска без глушителей.

Таблица 2. Октавный спектр звуковой мощности L_p 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