計量站變徑輸氣管道包裹降噪仿真研究*

嚴 羿，梁 政

(西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院，四川成都 610500)

0 引言

管路系統(tǒng)噪聲廣泛存在于石油天然氣、化工等行業(yè)，而天然氣輸氣管道的站場噪聲污染更為突出，嚴重影響著環(huán)境及人員的身心健康。筆者以某天然氣計量站計量管線系統(tǒng)中噪聲突出的變徑管段為研究對象，建立聲學(xué)有限元模型模擬管道外場噪聲，利用軟件模擬研究噪聲嚴重的輸氣管段采用不同包裹材料、包裹厚度的降噪效果，通過現(xiàn)場實測結(jié)果對比分析，證實了仿真方法的正確性，可為輸氣管道包裹降噪工藝技術(shù)的實施提供參考。

1 天然氣計量站噪聲現(xiàn)狀

某天然氣計量站接收來自上游的天然氣，計量管網(wǎng)系統(tǒng)中計量撬分匯管的管徑為Ф1 067 mm，與分匯管連接的計量管為Φ400 mm，計量管線與分匯管連接處為內(nèi)加厚，內(nèi)徑由Φ387．5 mm縮為Φ322 mm，如圖1所示。

隨著輸氣量和輸氣壓力的變化，計量管線系統(tǒng)出現(xiàn)了較為明顯的噪聲?，F(xiàn)場實測結(jié)果站場平均噪聲值高達85 dB，管道變徑處噪聲尤為突出，部分測點噪聲值超過90 dB，嚴重超過了國家工廠企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準規(guī)定允許值，見表1［1］。

圖1 計量管線內(nèi)加厚

表1 工廠企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準

輸氣管道噪聲主要有管道振動噪聲和管內(nèi)氣流噪聲?，F(xiàn)場實測結(jié)果表明，輸氣管道正常運行時管道振動的各項參數(shù)均較小，滿足國家相關(guān)規(guī)定，所以認為該計量站的噪聲主要為管內(nèi)氣流噪聲。筆者選擇氣流噪聲為主要研究對象。

2 聲學(xué)有限元理論

聲學(xué)計算方法可分為聲學(xué)有限元法、聲學(xué)邊界元法、聲線法以及統(tǒng)計能量法，其中聲學(xué)有限元法在解決封閉空間的聲場計算和長管道的聲場計算方面具有優(yōu)勢。

對流體歐拉方程進行線化和簡化，得到在均勻流或者剪切流中傳播的基本聲學(xué)方程［2］為:

式中:p、q分別表示流體的壓力和外部作用于流體的力;c0、ρ0分別表示定常流動的聲速和密度;?2是拉普拉斯算子，對直角坐標系

對方程進行頻域轉(zhuǎn)化、有限元網(wǎng)格離散，整理得到數(shù)值形式的方程組為:

式中:Qi為輸入的聲源向量;Vni為輸入的聲質(zhì)點速度向量，即聲質(zhì)點速度邊界條件;Pi為輸入的聲壓向量，即聲壓邊界條件;Fai為聲學(xué)激勵;pi為求解的網(wǎng)格節(jié)點聲壓;Ka+jωCa-ω2Ma為方程矩陣，稀疏矩陣。

在聲學(xué)有限元求解中，給定聲源及相關(guān)邊界條件，通過稀疏矩陣求逆就可以算出聲場。

3 輸氣管道噪聲及防噪技術(shù)仿真分析

通過對計量站實測噪聲的頻譜分析，確定噪聲頻率分布及計算頻率范圍，然后建立適當?shù)墓艿滥Ｐ瓦M行管內(nèi)流場分析，導(dǎo)出管道表面壓力脈動，并將其作為激勵計算管道的外場噪聲［2］。

3．1 噪聲頻譜分析

噪聲信號是由多種頻率成分組合而成的隨機信號。頻譜分析，就是將噪聲的時域信號轉(zhuǎn)化為頻域中的信息，分析出噪聲能量在各個頻率上的能量分布情況。對現(xiàn)場實測噪聲信號進行快速傅里葉變換，得到其頻譜分布情況如圖2、3所示。

圖2 噪聲信號頻譜圖

圖3 噪聲信號0～2 500 Hz頻譜圖

由圖2、3可知，站場輸氣管道的噪聲信號頻率分量主要分布在2 000～2 500 Hz范圍內(nèi)，屬于高頻范圍。選取分析頻率范圍為1 500～2 500 Hz。

根據(jù)頻譜分布情況，選擇對中高頻噪聲吸聲效果較好的多孔材料進行包裹降噪。多孔材料內(nèi)部具有大量的連通孔隙，聲波進入材料內(nèi)部傳播時，由于空氣的黏滯性以及材料的傳導(dǎo)性，使聲能不斷損耗降低，起到吸聲降噪的作用。實踐表明，吸聲材料的吸聲性能與孔隙率具有密切的關(guān)系;而孔隙率的大小又反映為空氣流經(jīng)材料所遇到的阻力，即流阻的大小。筆者利用Delany和Bazley提出的多孔材料流阻轉(zhuǎn)換經(jīng)驗公式，將包裹層轉(zhuǎn)化為等效流體進行分析計算［3-5］。

3．2 管道流場分析

建立管道模型并劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸應(yīng)滿足聲學(xué)軟件最高計算頻率要求。根據(jù)現(xiàn)場實際參數(shù)，管道大端直徑為Φ387．5 mm，小端直徑為Φ322 mm，小端長度為580 mm，取大端長度3 000 mm。

根據(jù)現(xiàn)場工況運行數(shù)據(jù)，設(shè)定模擬邊界為:速度進口(m/s)和壓力出口(MPa)。流速和壓力偶合采用SIMPLEC算法。對流場進行穩(wěn)態(tài)計算收斂后，用大渦模型進行瞬態(tài)計算。根據(jù)氣體在管道內(nèi)的流場模擬，得到管道壁面壓力脈動，以CGNS文件形式輸出時域計算結(jié)果。

3．3 降噪分析

用LMS Virtual．Lab Acoustics軟件進行噪聲分析，以管道內(nèi)壁的壓力脈動為激勵，壓力脈動映射到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上。運用AML自動匹配聲輻射邊界條件，根據(jù)指定的聲輻射邊界自動定義吸聲層和吸收系數(shù)，保證了聲學(xué)有限元方程組完全封閉，確定唯一解。

計算管道進氣壓力7．38 MPa，年總流量38．22×108N·m3/y，在管道實測噪聲較大的變徑處兩端選取4個測點，測點距管道變徑處100 mm，如圖4。

4 測點的聲壓級分別為 72．1 dB、72．2 dB、72．9 dB、73．1 dB。而在相同工況的實際測量中，相應(yīng)位置噪聲值為69．3～75．3 dB，表明計算結(jié)果與實際測量值吻合良好。

在設(shè)定工況下，計算得到管道總噪聲為84 dB(A)，在相同工況時，實測各點的最大噪聲值為82 dB(A)，計算值與實際值吻合較好。圖5為2 200 Hz時聲學(xué)網(wǎng)格表面的聲壓級云圖。

多孔材料流阻率典型值為5 000～100 000 Pa·s/m2［6］。選取玻璃棉作為包裹材料，選取材料厚度為 50 mm，流阻率分別為 5 000、10 000、20 000、50 000、80 000 Pa·s/m2時的對比情況如圖6所示，選測點3為對比點。

圖4 2 200 Hz壓力脈動云圖

圖5 2 200 Hz時的聲壓級云圖

圖6 不同流阻率聲壓級頻率響應(yīng)曲線

在不同包裹情況下，測點3聲壓級如表2。

表2 不同流阻率材料包裹聲壓級

由圖6和表2可知，當包裹層為50 mm、流阻率為5000 Pa·s/m2時，測點3處聲壓級比包裹前降低約20 dB，降噪效果良好。流阻率在5 000～10 000 Pa·s/m2范圍內(nèi)增大時，聲壓級有所升高，但變化很小。隨著材料流阻率不斷增大，吸聲降噪效果逐漸降低;流阻率增大到80 000 Pa·s/m2時，測點聲壓級只降低了3 dB。在流阻率一定的情況下(材料流阻率均為 10 000 Pa·s/m2)，選擇厚度為 25、50、75、100 mm的材料包裹，對比情況如圖7。

在不同厚度情況下，測點3聲壓級如表3。

由圖7、表3知，當包裹材料流阻率為10 000 Pa·s/m2，包裹厚度增大時，在2 000～2 500 Hz頻率范圍內(nèi)，不同包裹厚度的吸聲效果差距不大，但在1 500～2 000 Hz范圍內(nèi)，從聲壓級頻率響應(yīng)曲線看出，50 mm包裹時效果較好。從測點3聲壓級情況上看，50 mm包裹時降噪量超過20 dB，厚度繼續(xù)增大，如75 mm、100 mm包裹時聲壓級比50 mm時略高，可能原因是在材料厚度增大引起管道振動加大，噪聲增大。

圖7 不同包裹厚度聲壓級響應(yīng)曲線

表3 不同包裹厚度聲壓級

4 結(jié)語

(1)研究計量站站場噪聲信號主要分布在2 000～2 500 Hz的高頻段，管道無包裹時仿真計算結(jié)果與實際測量結(jié)果吻合良好，仿真分析方法是可行的。

(2)對比分析不同包裹條件下的降噪效果表明，相同包裹厚度，材料流阻率增大，吸聲效果降低;相同流阻率，材料厚度增大，吸聲效果增加，但厚度增大到一定值時，效果不再明顯增強。其中，材料厚度為50 mm、流阻率為5 000 Pa·s/m2時，降噪效果達到23 dB。

(3)管道包裹實際施工中，還必須綜合考慮管道布局、防腐、經(jīng)濟效益等因素，分析計算結(jié)果可為輸氣管道包裹降噪材料及材料厚度選擇提供參考。

［1］ GB12348-2008．工廠企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準［S］．

［2］ 詹福良，徐俊偉．Virtual．Lab Acoustics聲學(xué)仿真計算從入門到精通［M］．西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2013．

［3］ Delany M E，Bazley EN．Acoustical Propertiesof Fibrous Absorbent Materials［J］．Applied Acoustics，1970(3):105-16．

［4］ Allard JF，Atalla N．Propagation of Sound in Porous Media:Modelling Sound Absorbing Materials［M］．John Wiley ＆ Sons Ltd，2009．

［5］ 向建華，廖日東，蒲大宇．基于流阻率的吸聲材料聲學(xué)性能研究［J］．北京理工大學(xué)學(xué)報，2009，11:1018-1021+1034．

［6］ 方慶川．多孔吸聲材料流阻測試實踐介紹［J］．環(huán)境工程，2012(S1):183-186．