基于反聲降噪的風(fēng)機(jī)管道流場優(yōu)化與節(jié)能應(yīng)用

李曉飛，張贊，解建坤，聞小明，劉宇清

(1.神華國能哈密煤電有限公司，新疆 哈密 839000； 2.南京常榮聲學(xué)股份有限公司，南京 210000)

0 引言

大型燃煤電廠、煉油廠及其他通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)管道一般分為水平進(jìn)風(fēng)和頂部90°豎直進(jìn)風(fēng)兩種方式。采取水平進(jìn)風(fēng)方式，進(jìn)風(fēng)彎頭是管道壓力損失的主要原因。而對于頂部90°豎直進(jìn)風(fēng)管道，一般會(huì)在進(jìn)風(fēng)口安裝防雨罩，防雨罩迫使進(jìn)氣流形成4個(gè)相互干涉的直角彎頭，進(jìn)風(fēng)流場紊亂，易形成大渦流并伴隨有局部氣流出流問題，從而導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)通氣阻力增大，進(jìn)氣量降低。相同風(fēng)量要求下，風(fēng)機(jī)需要提供更高的負(fù)壓動(dòng)力，風(fēng)機(jī)能耗增大。

風(fēng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲一部分通過管壁直接透射，大部分沿進(jìn)風(fēng)管道傳播，從進(jìn)風(fēng)口輻射到周圍空間。一般在進(jìn)風(fēng)口加裝進(jìn)風(fēng)消聲器實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)降噪，并且多采用阻性消聲器。阻性消聲器的低頻消聲性能及環(huán)境適應(yīng)性差，極易受到風(fēng)速等的影響，大風(fēng)量條件下，消聲器的性能甚至喪失。另外，一般阻性消聲器的壓力損失往往是進(jìn)風(fēng)管道壓力損失的幾倍甚至幾十倍，因此，增加進(jìn)風(fēng)消聲器很大程度上增大了進(jìn)風(fēng)阻力，使得風(fēng)機(jī)能耗增大。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲，其主頻一般為中低頻，而傳統(tǒng)阻性消聲器的消聲范圍主要是中高頻，因此，進(jìn)風(fēng)管道安裝阻性消聲器不能從根本上解決風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪聲高的問題，須針對風(fēng)機(jī)噪聲頻譜特性，開發(fā)更為有效的降噪方法。

管道內(nèi)流場特性是高效、節(jié)能的關(guān)鍵影響因素，管道內(nèi)不均勻的流速和壓力分布會(huì)降低通風(fēng)效率，增大設(shè)備運(yùn)行阻力，而這些往往是管道設(shè)計(jì)不合理造成的[6]。對于管道內(nèi)流場分析與改進(jìn)，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究。SUDO等[7]采用旋轉(zhuǎn)探針技術(shù)對彎管內(nèi)流場進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究；胡艷華等[8]對彎管內(nèi)流場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，探索不同彎管角度對其內(nèi)部流場的影響；周振起等[9]通過設(shè)置和調(diào)整導(dǎo)流片，實(shí)現(xiàn)了管道內(nèi)流場均衡，降低了通氣阻力。

1 現(xiàn)管道流場與傳聲分析

1.1 進(jìn)風(fēng)管道流場分析

根據(jù)某電廠實(shí)際物理模型建立一次風(fēng)機(jī)豎直進(jìn)風(fēng)管道流體計(jì)算模型，按照定常不可壓縮流動(dòng)控制方程[10]，采用SIMPLEC算法[11]對進(jìn)風(fēng)管道進(jìn)行相應(yīng)工況下的流場耦合迭代。

圖1為進(jìn)風(fēng)管道內(nèi)速度矢量與質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡分布云圖。受防雨罩的影響，進(jìn)氣流被分為4股相互干涉的紊亂氣流，單股氣流類似于直角彎頭內(nèi)的流場特性。4股氣流在進(jìn)風(fēng)口相互干涉，形成大渦流，并伴隨有局部氣流的出流問題。進(jìn)風(fēng)渦流使得氣流在該處回轉(zhuǎn)流動(dòng)，增大了進(jìn)風(fēng)阻力，使得風(fēng)機(jī)能耗增大。

圖1 進(jìn)風(fēng)管道流場Fig.1 Blast pipe flow field

另外，氣流經(jīng)進(jìn)風(fēng)消聲器后，流速增大，使得下游管道的來流條件惡化，并在變徑段外側(cè)形成局部小渦流，進(jìn)一步增大了進(jìn)風(fēng)阻力。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)工況條件下進(jìn)風(fēng)管道壓力損失[12]為676.5 Pa，而消聲器本身壓力損失為300.4 Pa。除管道本身，進(jìn)風(fēng)消聲器的存在也增大了進(jìn)風(fēng)阻力，使得風(fēng)機(jī)能耗增大。

1.2 進(jìn)風(fēng)管道傳聲分析

通風(fēng)管道中，當(dāng)介質(zhì)的流動(dòng)馬赫數(shù)大于0.3時(shí)，聲音的傳播特性將會(huì)發(fā)生明顯變化，因此管道傳聲計(jì)算時(shí)考慮氣流流動(dòng)影響[13]。風(fēng)機(jī)出口設(shè)置單位速度邊界并進(jìn)行聲學(xué)響應(yīng)計(jì)算，得管內(nèi)聲場分布如圖2所示。

圖2 原管道聲場Fig.2 Original pipe sound field

管道進(jìn)風(fēng)口聲壓頻響曲線如圖3所示，進(jìn)風(fēng)口聲壓極大值頻率為315 Hz，與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果一致，因此，管道反聲降噪改進(jìn)以該頻率作為設(shè)計(jì)抵消頻率[14]。

根據(jù)管道進(jìn)出口聲壓進(jìn)行管道傳聲損失計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。聲波在管道內(nèi)傳播，由于管道內(nèi)壁的反射及進(jìn)風(fēng)口空氣吸聲作用，管道本身具有一定的消聲(噪聲衰減)能力，但低頻消聲效果較差，甚至為負(fù)值，而高頻主要是通過空氣吸收，因此管道進(jìn)風(fēng)口一般需設(shè)置消聲器，以提高消聲性能。

以上進(jìn)風(fēng)管道流場與傳聲計(jì)算分析表明，豎直進(jìn)風(fēng)管道本身具有一定的流場設(shè)計(jì)缺陷，增大了管道通風(fēng)阻力，而為實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)降噪所增設(shè)的進(jìn)風(fēng)消聲器又進(jìn)一步增大了風(fēng)機(jī)能耗。運(yùn)用反聲降噪與流場優(yōu)化相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，可在提高管道本身消聲性能的同時(shí)，改善管道流場，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)節(jié)能。

2 管道改進(jìn)

2.1 反聲降噪原理

當(dāng)頻率相同、相位差恒定的兩列聲波在空間疊加時(shí)，會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。若兩列聲波振幅相同，那么在相位差為π的奇數(shù)倍的空間區(qū)域，兩列聲波就會(huì)完全相互抵消。

圖3 管道進(jìn)風(fēng)口聲壓Fig.3 Sound pressure at inlet of blast pipe

圖4 進(jìn)風(fēng)管道傳聲損失Fig.4 Sound transmission loss of blast pipe

管道反聲降噪(又稱無源干涉消聲)就是使聲波分成兩路，在并聯(lián)分支管道內(nèi)分別傳播不同距離后再匯合在一起，使兩列聲波在管道下游產(chǎn)生相消性干涉，如圖5所示。

圖5 無源干涉消聲示意Fig.5 Schematic of passive interference muffling

2.2 管道流場優(yōu)化與效果預(yù)測

以315 Hz作為設(shè)計(jì)抵消頻率對進(jìn)風(fēng)管道進(jìn)行反聲降噪改進(jìn)，兩分支管道(如圖6下部所示)實(shí)現(xiàn)反聲降噪的同時(shí)兼顧流場特性，并對進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行分流導(dǎo)流改進(jìn)(如圖6上部所示)，改善進(jìn)風(fēng)紊亂流場。

采用相同風(fēng)量條件對改進(jìn)管道進(jìn)行流場計(jì)算，流場分布如圖7所示。

管道改進(jìn)后，進(jìn)風(fēng)流場均勻，渦流消失，隨著來流條件的改善，下游管道局部小渦流也隨之消失，從而降低了管道通風(fēng)阻力，風(fēng)機(jī)能耗減小。經(jīng)計(jì)算，同風(fēng)量條件下，改進(jìn)管道的壓損降至256.8 Pa，較原管道降低419.7 Pa。根據(jù)設(shè)計(jì)工況的風(fēng)量條件，管道改進(jìn)后風(fēng)機(jī)能耗降低10%以上[15]。

圖8為改進(jìn)管道傳聲損失計(jì)算結(jié)果，對比圖4，管道改進(jìn)后傳聲損失(尤其是中低頻段)有明顯提高。

圖8 改進(jìn)管道傳聲損失Fig.8 Improved pipe transmission loss

圖6 改進(jìn)管道模型Fig.6 Improved pipe model

圖7 改進(jìn)管道流場Fig.7 Improved pipe flow field

經(jīng)計(jì)算，改進(jìn)管道平均消聲量提高18.0 dB，315 Hz主頻消聲量為17.5 dB。在高流速環(huán)境下，可達(dá)到一臺普通阻性消聲器的消聲量。

3 消聲節(jié)能管道應(yīng)用

在神華國能哈密煤電有限公司300 MW機(jī)組兩臺一次風(fēng)機(jī)進(jìn)行了消聲節(jié)能管道的應(yīng)用。對進(jìn)風(fēng)管道進(jìn)行反聲降噪、流場優(yōu)化的同時(shí)，對送風(fēng)管道進(jìn)行了流場改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)管道模型如圖9所示。

圖9 示范項(xiàng)目改進(jìn)管道模型Fig.9 Improved pipe model of demonstration project

進(jìn)行管道反聲降噪設(shè)計(jì)時(shí)，為提高管道的高頻降噪效果，分支管道內(nèi)壁設(shè)置了多孔吸聲材料，經(jīng)現(xiàn)場測試，進(jìn)風(fēng)管道平均消聲量為23 dB，具有良好的自消聲效果。

通過管道流場優(yōu)化，一次風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)及送風(fēng)管道在同風(fēng)量條件下壓損降低，從而降低了風(fēng)機(jī)出力，使得風(fēng)機(jī)總效率提高，風(fēng)機(jī)能耗降低。根據(jù) GB 19761—2005《通風(fēng)機(jī)能效限定值及節(jié)能評價(jià)值》[16]，風(fēng)機(jī)總效率計(jì)算公式為

式中：ηe為風(fēng)機(jī)總效率，%；qVsg1為風(fēng)機(jī)進(jìn)口滯止體積流量，m3/s；pF為風(fēng)機(jī)壓力，Pa；kp為壓縮性修正系數(shù)；Pe為電動(dòng)機(jī)輸入功率，kW。

通過計(jì)算各工況條件下一次風(fēng)機(jī)總效率，來對一次風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果進(jìn)行評價(jià)，具體數(shù)據(jù)及分析結(jié)果見表1。

由表1可見：管道改進(jìn)后一次風(fēng)機(jī)能耗降低13.9%，風(fēng)量越大，風(fēng)機(jī)總效率越高，具有可觀的節(jié)能效果。

表1 一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)與效率分析Tab.1 Primary fan operating parameters and efficiency analysis

4 結(jié)論

(1)通過反聲降噪與流場優(yōu)化相結(jié)合的方式對風(fēng)機(jī)管道進(jìn)行改進(jìn)，使管道本身具有一定消聲性能的同時(shí)，改善了管道流場，降低了風(fēng)機(jī)能耗。

(2)數(shù)值分析和示范項(xiàng)目應(yīng)用顯示，管道反聲降噪后，其本身消聲量提高20 dB以上，可以達(dá)到一臺普通阻性消聲器的消聲性能。管道流場優(yōu)化后，風(fēng)機(jī)平均總效率提高10%以上，風(fēng)機(jī)能耗降低10%以上。

(3)該種消聲節(jié)能管道結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，具有較高的設(shè)計(jì)頻帶消聲特性且易與其他消聲元件相結(jié)合，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。