مطالعه عوامل و اثرات متقابل منابع صدا و عایق‌سازی یا ایزولاسیون صدای نیروگاه گازی شیراز

بررسی معضل آلودگی صوتی در محدوده مسكونی اطراف و همچنین داخل نیروگاه گازی شیراز هدف اولیه در این پروژه بوده و یافتن راهكارهای مهار آن مقصود غایی است. نخستین گام، تهیه اطلاعات لازم از منطقه از نظر اكوستیكی (اندازه‌گیری صوتی) و هندسی (نقشه‌برداری) است و سپس، پردازش اطلاعات به وسیله كامپیوتر، آماده‌سازی میدان صوتی نیروگاه، تعیین منابع اصلی صوت و مشخص كردن توان اكوستیكی این منابع به عنوان گامهای بعدی هستند. بكارگیری كامپیوتر به عنوان یك پیش‌بینی‌كننده نحوه گسترش امواج صوتی نیازمند مطالعات وسیع و تهیه نرم‌افزار خاص آن است كه پس از آن شبیه‌سازی میدان صوتی نیروگاه انجام شده و با میدان به دست آمده از نتایج تجربی مقایسه شده است. نتیجه حاصله مطلوب بوده و از این روش برای مشخص كردن میزان كارآیی ایزولاسیون‌های گوناگون در محیط نیروگاه گازی شیراز استفاده شده و در نهایت طرح مناسب از نظر بازدهی برگزیده شده است.
● فهرست علائم:
Ae مساحت المان پس از طی مسافت X
Ee انرژی منتقله توسط المان
Es انرژی منتشره توسط منبع صوت
Io شدت انرژی صوتی در آستانه شنوایی
In شدت انرژی صوتی در نقطه nام
Ie شدت انرژی پرتو صوتی
Ko ضریب تصحیح جهت تبدیل SIL به SPL
m ضریب جذب انرژی صوتی توسط هوا
Nb تعداد موانعی كه مورد اصابت پرتو صوتی قرار گرفته است
Nr تعداد پرتوهای صوتی منتشره توسط منبع صوت
SIL تراز شدت انرژی صوت
(Sound Intensity Level)
SPL تراز فشار صوت
(Sound Pressure Level)
SWL تراز توان صوت
(Sound Power Level)
X مسافت طی شده توسط المان تا لحظه برخورد با مانع
ضریب جذب انرژی صوتی
ضریب عبوردهی انرژی صوتی
۱- مقدمه
خصوصیاتی كه باید در فرآیند انتشار امواج صوتی در نیروگاه گازی شیراز در نظر گرفته شوند به قدری زیاد و پیچیده هستند كه به دست آوردن پاسخ دقیق مساله را اگر غیرممكن نسازند بسیار مشكل خواهند كرد. به علت ازدیاد عواملی كه برای تعریف واقعی محیط اطراف لازم است تنها به دست آوردن یك تقریب از چگونگی انتشار امواج صوتی ممكن است. به هر حال با وجود پیشرفتهایی كه در زمینه علوم كامپیوتر حاصل شده است به دست آوردن تقریب دقیقتری به وسیله اكوستیك هندسی (Geometical Acoustics) امكان‌پذیر شده است. اگر چه این روش همراه با محدودیتهایی است اما همواره كمك بزرگی برای مشخص كردن نحوه انتشار صوت در چنین محیط‌هایی است.
كاهش میزان آلودگی صوتی ناشی از یك سیستم آلاینده مستلزم این است كه ابتدا منابع این آلودگی در سیستم مشخص شده و سپس در جهت رفع آن اقدام كنیم. تعیین توان منتشره از یك منبع صوتی از جمله مسائلی است كه در حالتهای گوناگون و با روشهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. به جهت محدودیتهایی كه در نیروگاه گازی شیراز وجود دارد روش Two Surface Method مورد استفاده قرار گرفته و توان صوتی هر یك از منابع صوت در محیط نیروگاه گازی شیراز مشخص شده است.
از جمله روشهای جلوگیری از گسترش آلودگی صوتی در صنایع بزرگ، بكارگیری موانع اكوستیكی (Acoustic Barrict) است. مقدار كاهش تراز فشار صوت در هنگام استفاده از این دیواره‌ها بستگی به پارامترهای بسیاری دارد كه مهمترین آنها پراش صوت (Soun Diffraction) است. روشهایی كه برای بررسی پدیده پراش صوت پیشنهاد شده است از طرفی بعضاً بسیار پیچیده بوده و محاسبات بسیار زیادی را شامل می‌شوند و از طرف دیگر دقت مورد نیاز در رابطه با میدان صوتی محیط‌های صنعتی را می‌توان از طریق معادلات ساده‌تری كه ارائه شده است به دست آورد. در این معادلات اختلاف فاز بین مسیرهای مختلف پراش در نظر گرفته نشده و فرض بر این است كه تمام امواج همفاز هستند.
۲ـ میدان صوتی در نیروگاه گازی شیراز
به منظور شناسایی محیط اكوستیكی در اطراف نیروگاه گازی شیراز، منطقه‌ای به شعاع تقریبی یك كیلومتر در اطراف نیروگاه در نظر گرفته شده و پس از نقشه‌برداری و تهیه نقشه‌های منطقه، تعداد بیش از نهصد نقطه جهت انجام اندازه‌گیری‌های صوتی در درون این محدوده مشخص شد. طبیعتاً تعداد نقاط اندازه‌گیری در داخل نیروگاه و در مجاورت واحدهای گازی بیشتر بوده و دقت مضاعفی را در امر اندازه‌گیری می‌طلبد. این موضوع به این دلیل است كه نوسان میدان تراز فشار صوت در نزدیكی منابع اصلی بیشتر بوده و به منظور تعیین دقیقتر میدان صوتی باید كه اندازه‌گیری‌های بیشتری نیز در این محدوده انجام شود. لذا هر چه فاصله از منابع اصلی صوت در نیروگاه بیشتر می‌شود نقاط اندازه‌گیری نیز از یكدیگر دورتر شده و فاصله بین نقاط بیشتر می شود.
اندازه‌گیری در این محدوده در ساعات نیمه شب و هنگام به حداقل رسیدن تردد در معابر اطراف انجام شده و بدینوسیله تا حد امكان تاثیر منابع صوتی ناشی از وسایل حمل و نقل به كمترین میزان تقلیل پیدا كرده است. لذا مقادیر به دست آمده به میزان قابل قبولی تنها ناشی از منابع صوت داخل نیروگاه است. اطلاعات به دست آمده به وسیله كامپیوتر مورد پردازش قرار گرفته و با اطلاعات اولیه نقشه‌برداری منطبق شده و در نهایت از تركیب آنها نقشه میدان صوتی نیروگاه گازی شیراز تهیه شده است. در این نقشه محل نیروگاه و واحدهای آن مشخص بوه و میزان تراز فشار صوت در هر نقطه‌ای به وسیله محاسبات و پردازشهای بعمل آمده تعیین شده است.
نقشه میدان صوتی نیروگاه گازی شیراز مبین این واقعیت است كه این واحد تولیدی به شدت آلوده بوده و اثرات زیست‌محیطی بسیار نامطلوبی بر منطقه اطراف خود دارد.۳ ـ تشخیص منابع نوفه و توان اكوستیكی آنها در نیروگاه
منابع صوت بسیاری در داخل نیروگاه گازی شیراز وجود دارند كه هر كدام به میزان توان خود در ایجاد و گسترش میدان صوتی موثر هستند. لذا به علت كثرت تجهیزات و دستگاههای موجود در محل و اثرات اكوستیكی آنها بر محیط، تشخیص منابع اصلی ایجاد نوفه (Noisc) بسیار مشكل است. به همین منطور یك روش گرافیكی را ارایه می‌دهیم كه بر پایه تاثیر منابع مختلف صوت بر یكدیگر بنا شده است. اگر یك مجموعه از عوامل نوفه را در نظر بگیریم خواهیم دید كه با نزدیكتر شدن به یكی از منابع صوت تاثیر دیگر منابع بر تراز فشار صوت در آن نقطه كاهش می‌یابد. لذا با توجه به همین اصل اگر در یك محیط كه بیش از یك منبع صوتی وجود دارد تراز فشار صوت را در نقاط مختلف اندازه‌گیری كنیم و خطوط تراز ثابت را ترسیم كنیم خواهیم دید كه این خطوط در محلهایی كه منابع اصلی نوفه قرار گرفته‌اند متمركز شده و محل ایجاد نوفه را مشخص می‌كنند. در محل نیروگاه گازی شیراز و در اطراف واحدهای گازی این روش مورد بررسی قرار گرفته و نتیجه مطلوبی حاصل شده است.
همانطوری كه دیده می‌شود در این شكل خطوط تراز ثابت در محل‌های اطاقك احتراق و ورودی هوای واحدهای گازی متمركز شده‌اند و نشانگر منابع اصلی تولید نوفه هستند. پس از تعیین منابع اصلی باید كه توان منتشره توسط آنها را تعیین كنیم. روشهایی كه برای تعیین تراز توان صوتی یكه منبع (SWL) پیشنهاد شده‌اند اغلب احتیاج به امكاناتی وسیع و یا جابجایی منبع صوتی دارند. از جمله روشهایی كه از این قائده مستثنی بوده و مختص به منابع با ابعاد بزرگ است روش Two Surface Method است. در این روش دو سطح كنترل بر روی سیستم مورد آزمایش در نظر گرفته می‌شود و طبیعتاً انرژی عبوری از این دو سطح باید كه با هم برابر باشند. لذا یك ضریب تصحیح را به دست می‌آوریم تا بتوانیم تراز توان صوتی منبع را با توجه به میانگین تراز فشار صوت در اطراف آن محاسبه كنیم.
۴ـ شبیه‌سازی میدان صوتی نیروگاه گازی شیراز
پس از تعیین منابع اصلی صوت و توان اكوستیكی آنها، اطلاعات اولیه جهت شبیه‌سازی (Simulation) میدان صوتی در داخل نیروگاه آماده می‌شود. اصولاً تكنیك شبیه‌سازی در مسائل مهندسی عبارت است از تعیین رفتار واقعی یك سیستم مشخص در هنگام عملكرد، بدون بكارگیری عملی آن. به بیان دیگر مدلسازی ریاضی و تحلیل عددی پاسخ یك سیستم فیزیكی را شبیه‌سازی می‌‌نامند. مدلسازی صحیح و تحلیل درست یك مساله می‌تواند راه‌گشای بسیار موثری برای طراحی مناسب سیستم مورد نظر باشد. از جمله دیگر مزایای استفاده از روش شبیه‌سازی، كاهش هزینه‌های مربوط به ساخت مدل یا تهیه نمونه واقعی و تعیین عملكرد سیستم در برابر شرایط محیطی است.
در بررسی‌ مسائل اكوستیك و امواج صوتی به دلیل پیچیدگی نحوه حركت امواج در محیط، خصوصاً در مكانهایی كه اجزاء بسیاری در آنها وجود دارند، پیش‌بینی نحوه توزیع انرژی صوتی یا به عبارت دیگر پیش‌بینی شكل میدان صوتی حاصله قه صورت تحلیلی عملاً غیرممكن است. بنابراین بكارگیری روشهای عددی و شبیه‌سازی حركت امواج صوتی در محیط راه‌حلی است كه می‌تواند در تعیین میدان صوتی كمك بزرگی باشد.
۱-۴- روش Ray Tracing
پایه و اساس روش Ray Tracing یك دیدگاه نوری (Optical) است و اصولاً نحوه حركت جبهه موج صوتی در یك محیط را به انتشار ذرات نور (فوتونها) تشبیه می‌كند. در این تئوری فرض بر این است كه در محدوده Far Field به بررسی می‌پردازیم و لذا حركت ذرات محیط را در راستای پیشروی جبهه موج صوتی در نظر می‌گیریم. در این مقاله منابع صوتی نقطه‌ای را مورد بررسی قرار می‌دهیم و بنابراین سطح جبهه موج صوتی به صورت یك كره است. به منظور بررسی نحوه حركت المانهای ناقل انرژی صوتی سطح این كره را به المانهای كوچكی تقسیم می‌كنیم (Energy discretization).انرژی منتقله توسط هر المان از روابط زیر به دست می‌آید:
هر یك از این المانها مانند یك شعاع نور در محیط حركت كرده و به موانع مختلف برخورد كرده و به صورتهای گوناگون انرژی خود را به محیط اطراف منتقل می‌كند. در هر برخورد مقداری ازانرژی المان جذب مانع شده و مقداری نیز از آن عبور می‌كند و به میزانEe (۱-&#۹۴۰;- &#۹۴۶;)از محل برخورد منعكس می‌شود. در طی این مسیر مقداری ازانرژی المان نیز به مولكولهای هوا منتقل شده و تبدیل به انرژی حرارتی می‌شود. این مراحل آنقدر ادامه می‌یابد تا انرژی المان به حد بسیار پایینی رسیده و بتوان از تاثیر آن بر فشار محیط صرفنظر كرد.
۲-۴- صفحه سنجش و نقاط محاسبه تراز فشار صوت
به منظور بررسی میدان صوتی حاصل از منابع نوفه (Noise Sources) سطحی را به نام صفحه سنجش در نظر گرفته‌ایم كه المانها طی مسیر خود همواره از این سطح عبور می‌كنند و هدف اصلی به دست آوردن تراز فشار صوت در نقاط مختلف بر روی این سطح است.
سطح المان بكار گرفته شده توسط Ondet and Barbry (۵) به صورت یك دایره در نظر گرفته شده است و بنابراین پیشروی این المان در فضا یك مخروط را تشكیل می‌دهد. محل برخورد این نوع المان با صفحه سنجش به صورت یك بیضی خواهد بود و تقریب زدن این بیضی و نقاط داخل آن خودیكی از عوامل ایجاد خطا در محاسبات است.اصولاً بكارگیری هر گونه منحنی برای المان‌بندی سطح جبهه موج صوتی باعث بوجود آمدن خطا در تقریب زدن سطح مقطع برخورد المان و صفحه سنجش خواهد بود. در روشی كه در این پروژه بكار گرفته شده است چون المانها به صورت چهارضلعی هستند، لذا پیشروی آنها در فضا یك هرم را تشكیل می‌دهد ومقطع برخورد آنهابا صفحه سنجش یك چهارضلعی غیر منتظم خواهد بود و تنها نقاطی كه در داخل این چهارضلعی هستند مورد اصابت پرتو صوتی قرار خواهند گرفت. در واقع خطای ناشی از تقریب زدن محدوده برخورد المان در اینجا به صفر می‌رسد.
۳-۴- تاثیر دیواره‌ها و موانع
از آنجاییكه روش Ray Tracing در برابر شرایط هندسی محیط انعطاف‌پذیر است لذا می‌توان شكل واقعی محیط اطراف را در این روش مشخص كرد. سطوح صاف را می‌توان به صورت یك معادله صفحه و سه قید محدود‌كننده تعریف كرد.
در مورد موانع و سطوح منحنی شكل می‌توان آنها را با تعداد مشخصی سطوح صاف تقریب زد كه البته تعداد این سطوح در كاهش خطای ایجاد شده بسیار مهم است.
۴-۴- شدت انرژی و تراز فشار صوت در یك نقطه
هر نقطه بر روی سطح سنجش مورد اصابت پرتوهای مختلفی قرار می‌گیرد كه در هر برخورد شدت انرژی پرتو برخورد‌كننده به شدت انرژی نطقه مورد نظر افزوده می‌شود.
پس از آنكه تمام پرتوها در فضا منتشر شدند و شدت انرژی در هر نقطه مشخص شد می‌توان تراز فشار صوت را با توجه به مقدار شدت انرژی صوتی در هر نقطه تعیین كرد.
با توجه به مطالب مشروحه فوق عملیات شبیه‌سازی در نیروگاه گازی شیراز انجام شده و میدان صوتی شبیه‌سازی شده تهیه شده است. از نظر شكل میدان صوتی، بسیار به نقشه به دست آمده از اندازه‌گیریها نزدیك بوده و تقریب خوبی را نشان می‌دهد. از نظر عددی نیز این موضوع مورد بررسی قرار گرفته و مقادیر واقعی با مقادیر محاسباتی مقایسه شده و میزان خطای ایجاد شده مشخص شده است. این مقادیر خطا به صورت نسبی بوده و اختلاف در محدوده‌ای كه از منابع صوت فاصله بیشتری دارند كمتر شده و در Near Field بیشتر است. از آنجایی كه یكی از فرضیات اولیه روشRay Tracing بررسی در محدوده Far Field است لذا افزایش مقدار خطا در نزدیكی منابع صوتی امری طبیعی است. عواملی كه باعث بروز خطا در محدوده Far Field شده است یكی وجود پخش‌كننده‌های كوچك مانند لوله‌ها و قطعات دستگاههای موجود بوده و دیگری حذف بعضی موانع طبیعی درختان و گیاهان است. افزایش تعداد پرتوهای در نظر گرفته شده برای هر منبع صوتی نیز می‌تواند تاثیر بسزایی در دقت محاسبات بعمل آمده داشته باشد. با توجه به منابع خطای ذكر شده جوابهای به دست آمده از این روش در محدوده Far Field با خطایی كمتر از ۵درصد همراه خواهد بود كه در بررسی مسائل آلودگی صوتی مقدار قابل قبولی است.
۵ـ شبیه‌سازی ایزولاسیون اكوستیكی نیروگاه
به كمك تكنیك فوق‌الذكر می‌توان نتایج حاصل از بكارگیری ایزولاسیون اكوستیكی را در داخل نیروگاه گازی شیراز شبیه‌سازی كرد. این امر هدف اساسی این پروژه بوده و عملیات مربوط به آن انجام شده است. تركیبات مختلفی از ایزولاسیون‌های گوناگون در نظر گرفته شده و بازدهی هر یك مورد بررسی قرار گرفته است. به دلیل وسعت بحث مربوطه و حجم بسیار زیاد عملیات انجام شده از پرداختن به جزئیات اجتناب شده و تنها چند نمونه را به منظور مقایسه در اینجا می‌آوریم.
از جمله حالتهای مورد بررسی، بكارگیری دیواره‌های اكوستیكی در مكانهای مشخص است. این طرح به وسیله كامپیوتر شبیه‌سازی شده است. همانطور كه مشهود است این طرح ایزولاسیون كارایی لازم را نداشته و پاسخگوی نیاز اكوستیكی نیروگاه نیست چرا كه تنها بكارگیری موانع كافی نبوده و كاهش توان اكوستیكی خروجی اگزوزها نیز باید كه در نظر گرفته شود.
از دیگر طرحهای مورد بررسی كه به منظور كنترل آلودگی صوتی در خارج از نیروگاه در نظر گرفته شده است، استفاده از موانع مرتفع در طرفین نیروگاه است. در این طرح یك دیوار به ارتفاع هشت متر در جهاتی كه مناطق مسكونی قرار دارند نصب شده و میدان صوتی ناشی از آن محاسبه شده است. به دلیل استفاده از این نوع موانع در اطراف نیروگاه یك محدوده سایه(Shadow Zone) در ورای موانع مرتفع ایجاد شده است. طرح مذكور تنها این محدوده را پوشش داده و در خارج از این منطقه تاثیری بر روی میدان صوتی نداشته است. لذا این تركیب از ایزولاسیون اكوستیكی نیز پاسخگوی مشكل آلودگی صوتی نیروگاه نیست.
به همین ترتیب حالات گوناگون مورد ارزیابی قرار گرفته و نقاط ضعف و قوت هر یك مشخص شده است. در نهایت با مقایسه تمام طرحها بهترین حالت ایزولاسیون مشخص شده و محاسبات مربوطه نیز انجام شده است. در این طرح ایزولاسیون، بهترین حالت ممكنه از حالات مختلف برای هر یك از منابع صوت در كنار یكدیگر قرار گرفته و مجموعه طرح ایزولاسیون اكوستیكی نیروگاه را تشكیل می‌دهند. در این سیستم عایق‌سازی، واحد SULZER به طور كلی از مدار تولید نیرو خارج شده و لذا از نقشه مربوطه نیز حذف شده است. این امر بدین دلیل است كه علاوه بر فرسودگی این واحد و هزینه‌های نگهداری آن، بازدهی این سیستم كم‌بوده و محیط اطراف را نیز به شدت آلوده می‌كند.
طبق پیش‌بینی انجام شده برای ایزولاسیون اكوستیكی، هر یك از واحدهای BBC و FLAT در داخل اطاقكهای سرپوشیده‌ای قرار می‌گیرند كه نسبت به محیط بیرون كاملاً بسته و ایزوله هستند. جنس این اطاقكها باید به گونه‌ای باشد كه ضریب جذب امواج صوتی آنها برابر ۹/۰ و ضریب عبور امواج صوتی از آنها برابر ۰۰۱/۰ باشد. البته شرایط اتصال دیواره‌ها به یكدیگر و نحوه قرارگیری سقف بر روی آنها و همچنین نصب كل سیستم بر روی زمین از جمله شرایطی است كه می‌تواند بر روی میزان افت عبور تاثیر‌گذار باشد. در این حالت قسمت سقف سیستم باید به گونه‌ای طراحی و نصب شود كه انفصال آن از مجموعه به راحتی و به وسیله كاركنان و یا جرثقیل سقفی امكانپذیر باشد. این موضوع در هنگام تعمیرات واحدها سودمند بوده و اجرای عملیات را راحتتر می‌كند.
هر یك از ورودی‌های هوای واحدهای گازی به وسیله دیواره‌های اكوستیكی با ضریب جذب ۹/۰ و ضریب عبور ۰۰۱/۰ كنترل شده و ایزوله می‌شوند. ارتفاع این دیواره‌ها ۸ متر است. نكته مهمی كه در ارتباط با این موانع حائز اهمیت است موقعیت قرار گرفتن این موانع نسبت به ورودی هوای واحدها است. این فاصله باید به اندازه‌ای باشد كه در میزان حجم‌ هوای مورد نیاز برای واحدها اختلالی به وجود نیاورد. البته هر چه موانع به منبع صوت نزدیكتر باشند دارای بازدهی بیشتری خواهند بود. بنابراین موانع فوق‌الذكر باید در حداقل فاصله نسبت به بدنه ورودی هوای واحدها قرار گیرند.
جهت كنترل صدای اگزوزها نیز از صداگیرهای مخصوص استفاده شده است. به طور كلی این صداگیرها باید قادر باشند كه توان اكوستیكی اگزوزها را به میزان ۰۱/۰ مقدار اولیه تقلیل دهند. به عبارت دیگر تراز فشار صوت در فاصله ۱ متری از خروجی اگزوزها باید با استفاده از این تجهیزات به میزان dB۲۰ كاهش یابد.
عملیات اولیه جهت آماده‌سازی اطلاعات لازمه برای انجام محاسبات این طرح بعمل آمده و محاسبات توزیع انرژی اكوستیكی در محیط به كمك كامپیوتر انجام گرفته است. در اكثر نقاط این محدوده میزان آلودگی صوتی كنترل شده و به عبارتی طرح مذكور نتیجه مناسبی را ارایه می‌كند.

محمدحسن كدیور، امیر شاه‌پسندی

منبع : پایگاه اطلاع رسانی وزارت نیرو