某核電廠烘干工藝的降噪處理

上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司 曹熔泉 沈 翔

0 引言

某核電廠烘干工藝系統(tǒng)運(yùn)行期間，工藝風(fēng)機(jī)及進(jìn)出口管線產(chǎn)生較大的噪聲，局部位置A聲級(jí)噪聲達(dá)到92～93 dB，影響工作人員交流溝通、信息傳遞及身心健康。工作人員定期體檢時(shí)發(fā)現(xiàn)聽(tīng)力有衰退跡象。

通過(guò)對(duì)該工藝運(yùn)行時(shí)噪聲環(huán)境的多次測(cè)量，基于聲學(xué)的基本理論，筆者通過(guò)分析提出降噪建議，并經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了有效的工藝降噪措施。

1 某烘干工藝簡(jiǎn)介

1.1 工藝流程及額定設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 某烘干工藝流程示意圖

該烘干工藝系統(tǒng)包括工作箱、供氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和相應(yīng)的操作控制臺(tái)。供氣系統(tǒng)主要由供氣風(fēng)機(jī)、電加熱器、入口管路消聲器及相應(yīng)管道閥門(mén)組成，排氣系統(tǒng)主要由過(guò)濾器、排氣風(fēng)機(jī)及相應(yīng)管道閥門(mén)組成，系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖1。工作箱、排氣系統(tǒng)及相應(yīng)的操作控制臺(tái)位于操作區(qū)，供氣系統(tǒng)位于相鄰的延伸廠房。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，將物料吊裝至工作箱，先啟動(dòng)排氣系統(tǒng)，再啟動(dòng)供氣系統(tǒng)，排氣量大于供氣量，維持工作箱負(fù)壓。供氣經(jīng)消聲、電加熱后送入工作箱，對(duì)物料進(jìn)行烘干；排氣經(jīng)過(guò)濾后由排氣系統(tǒng)排入操作區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)。供氣風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量為2 550 m3/h，全壓為12.5 kPa；排氣風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量為3 230 m3/h，全壓為7.5 kPa。供氣排氣風(fēng)機(jī)箱、工作箱內(nèi)的?219 mm、?140 mm管道設(shè)計(jì)氣流流速分別約為23 m/s和71 m/s。氣流速度、風(fēng)機(jī)額定全壓與常規(guī)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)均有較大差異，按照文獻(xiàn)[1-2]對(duì)風(fēng)機(jī)及其管路的噪聲進(jìn)行定量計(jì)算可能會(huì)有較大偏差。然而，其噪聲源的種類(lèi)與通風(fēng)系統(tǒng)相似，主要包含：風(fēng)機(jī)的噪聲、管道的氣流噪聲及局部阻力件的節(jié)流噪聲。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)工作人員溝通反饋

經(jīng)與工作人員溝通了解，在該工藝操作過(guò)程中，言語(yǔ)交流的需求主要在靠近工作箱的工作平臺(tái)與鄰近人橋吊上的操作員之間，溝通距離達(dá)5～6 m；操作控制臺(tái)周?chē)ぷ魅藛T之間溝通需求較少，由于距離較近，在降噪前也能勉強(qiáng)聽(tīng)清對(duì)方說(shuō)話；根據(jù)長(zhǎng)期的工作經(jīng)歷，工作人員判斷噪聲主要來(lái)自工作箱。

2 操作區(qū)噪聲初步測(cè)量、分析及降噪建議

2.1 噪聲初步測(cè)量結(jié)果

表1 測(cè)點(diǎn)編號(hào)及描述

圖2 測(cè)點(diǎn)位置示意

由于各工況下的噪聲略有波動(dòng)，對(duì)各測(cè)點(diǎn)均進(jìn)行20 s的連續(xù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果取平均值。測(cè)點(diǎn)高度距地面約1.3 m，取坐姿和站姿耳部高度的中間值[3]。初次測(cè)量各工況和測(cè)得的噪聲聲壓級(jí)平均值見(jiàn)表2，測(cè)量時(shí)工作箱頂部蓋板處于打開(kāi)狀態(tài)。

2.2 噪聲初步測(cè)量分析

表2 各工況下各測(cè)點(diǎn)的20 s平均聲壓級(jí) dB

根據(jù)表2測(cè)量數(shù)據(jù)，分析如下：

1) 排氣和供氣系統(tǒng)均停運(yùn)時(shí)，操作區(qū)各處A聲級(jí)噪聲為68～69 dB，低于85 dB，滿足運(yùn)行職業(yè)衛(wèi)生要求[4]。

2) 排氣系統(tǒng)投運(yùn)或排氣、供氣系統(tǒng)均投運(yùn)時(shí)，均是工作箱平臺(tái)(C點(diǎn))的噪聲最大，可見(jiàn)噪聲主要是沿著烘干管道傳遞，在工作箱供氣和排氣口處達(dá)到最大。

3) 前期打開(kāi)排氣系統(tǒng)箱體測(cè)得箱體內(nèi)的噪聲，即風(fēng)機(jī)本體機(jī)械噪聲，為82 dB，比箱體外部噪聲低約8 dB?？梢?jiàn)風(fēng)機(jī)的噪聲、管道的氣流噪聲及局部阻力件的節(jié)流噪聲三者之中，風(fēng)機(jī)的噪聲對(duì)環(huán)境影響相對(duì)較小。

2.3 烘干工藝降噪建議

根據(jù)初步噪聲測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)巡訪及以上分析，可采用以下降噪措施：

1) 操作控制臺(tái)設(shè)置隔聲墻，與周?chē)臻g分隔。

該措施可降低操作控制間的噪聲，但仍舊無(wú)法滿足目前操作人員的溝通交流需求。

2) 增大供氣、排氣系統(tǒng)管道的管徑。

該措施可降低管路、彎頭和蝶閥等部件的氣流噪聲，但實(shí)際受限于供氣系統(tǒng)、工作箱和排氣系統(tǒng)內(nèi)部的管道、蝶閥等部件無(wú)法修改，只能降低排氣系統(tǒng)管路氣流的再生噪聲，效果有限。

3) 供氣系統(tǒng)出口管道、排氣系統(tǒng)入口和出口管道增設(shè)消聲器。

該措施可降低供氣、排氣系統(tǒng)風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)管道向操作區(qū)內(nèi)傳遞的噪聲。但需要考慮消聲器承受壓力、耐高溫的能力，同時(shí)需考慮消聲器的外形尺寸和布置。該措施不能消除氣流的再生噪聲，需要和其他措施綜合使用。

4) 供氣、排氣系統(tǒng)風(fēng)機(jī)增設(shè)變頻器。

供氣、排氣系統(tǒng)管路蝶閥全開(kāi)，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)供氣和排氣風(fēng)量，維持供氣和排氣風(fēng)量與當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)相當(dāng)，或根據(jù)噪聲情況適當(dāng)降低，維持排氣和供氣風(fēng)量差不變。在不對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)及管路進(jìn)行改造的前提下，可降低局部阻力件的節(jié)流噪聲和風(fēng)機(jī)的噪聲，同時(shí)風(fēng)量降低之后也能降低管路的氣流噪聲，從根本上減少噪聲源產(chǎn)生的噪聲。降風(fēng)量運(yùn)行會(huì)影響烘干效率，需要進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的烘干處理。

綜合考慮降噪改造的效果和優(yōu)缺點(diǎn)、操作區(qū)材料的使用限制及對(duì)電廠運(yùn)行的影響，建議優(yōu)先采用降噪措施4)。

3 降噪改造試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

為驗(yàn)證降噪建議措施(全開(kāi)管路蝶閥，為風(fēng)機(jī)增設(shè)變頻器，以降低局部阻力件的節(jié)流噪聲和風(fēng)機(jī)噪聲)的有效性，通過(guò)調(diào)節(jié)排氣管路蝶閥開(kāi)度，測(cè)量相應(yīng)位置的噪聲和排氣/供氣流量，開(kāi)展了試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)儀器及其他裝置

1) 熱球式電風(fēng)速計(jì)：型號(hào)QDF-3，量程0.05～30 m/s。

2) 聲級(jí)計(jì)：型號(hào)LA-1440，量程26～130 dB。

3) 風(fēng)速測(cè)量輔助套筒：內(nèi)徑為230 mm的圓形鐵皮風(fēng)管。

由于工作箱內(nèi)管道出口氣流流速達(dá)71 m/s，超出了風(fēng)速計(jì)量程，試驗(yàn)采用口徑較大的輔助套筒與工作箱內(nèi)部供氣、排氣管口連接，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速測(cè)量的目的。

3.2 試驗(yàn)步驟及試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

降噪處理措施驗(yàn)證試驗(yàn)步驟和記錄如下：

1) 排氣和供氣風(fēng)機(jī)均停運(yùn)時(shí)，測(cè)量環(huán)境噪聲，記為工況1。

2) 打開(kāi)工作箱蓋板，啟動(dòng)排氣風(fēng)機(jī)，工作箱排氣管口增加輔助套筒，測(cè)量套筒口中心點(diǎn)的風(fēng)速，測(cè)量各點(diǎn)噪聲，記錄排氣管和供氣管壓力儀表讀數(shù)，記為工況2。

3) 打開(kāi)工作箱蓋板，啟動(dòng)排氣風(fēng)機(jī)和供氣風(fēng)機(jī)，排氣管口和供氣管口都增加輔助套筒，測(cè)量套筒中心點(diǎn)的風(fēng)速，測(cè)量各點(diǎn)噪聲，記錄排氣管和供氣管壓力儀表讀數(shù)，記為工況3。

4) 蓋上工作箱蓋板，啟動(dòng)排氣風(fēng)機(jī)和供氣風(fēng)機(jī)，測(cè)量各點(diǎn)噪聲，記錄排氣管和供氣管壓力儀表讀數(shù)，記為工況4。

5) 蓋上工作箱蓋板，關(guān)小排氣蝶閥(初始狀態(tài)全開(kāi))，啟動(dòng)排氣風(fēng)機(jī)和供氣風(fēng)機(jī)，測(cè)量各點(diǎn)噪聲，記錄排氣管和供氣管壓力儀表讀數(shù)，記為工況5。

6) 蓋上工作箱蓋板，開(kāi)大供氣蝶閥，啟動(dòng)排氣風(fēng)機(jī)和供氣風(fēng)機(jī)，測(cè)量各點(diǎn)噪聲，記錄排氣管和供氣管壓力儀表讀數(shù)，記為工況6。

7) 蓋上工作箱蓋板，關(guān)小供氣蝶閥，啟動(dòng)排氣風(fēng)機(jī)和供氣風(fēng)機(jī)，測(cè)量各點(diǎn)噪聲，記錄排氣管和供氣管壓力儀表讀數(shù)，記為工況7。

8) 移開(kāi)工作箱蓋板，排氣管口增加輔助套筒，啟動(dòng)排氣風(fēng)機(jī)，測(cè)量套筒口中心點(diǎn)的風(fēng)速，記為工況8。

9) 恢復(fù)排氣蝶閥、供氣蝶閥的閥位。

各工況測(cè)量和記錄數(shù)據(jù)如表3所示，噪聲測(cè)量測(cè)點(diǎn)位置同圖2。

表3 預(yù)試驗(yàn)各工況測(cè)量參數(shù)

3.3 測(cè)量結(jié)果分析與討論

針對(duì)試驗(yàn)各工況的噪聲、風(fēng)速和供氣/排氣管壓力測(cè)量情況，分析如下：

1) 工況3下，為供氣管口增加圓形風(fēng)管套筒，測(cè)量套筒中心點(diǎn)風(fēng)速時(shí)超出量程。其原因主要是供氣射流流速太高，受工作箱高度限制，氣流未能充分發(fā)展，套筒中心點(diǎn)流速過(guò)大。為此，選用供氣機(jī)箱吸風(fēng)口中心點(diǎn)風(fēng)速作為初始風(fēng)速的特征參數(shù)。

2) 關(guān)小排氣蝶閥后，工況8測(cè)得的排氣風(fēng)速由工況2的18.5 m/s降低為15.5 m/s，排氣管壓力表真空度由7 625 Pa降低為6 125 Pa。從工況2到工況8，壓力表示數(shù)降低為原來(lái)的80.3%，流量的二次冪約降低為原來(lái)的70.2%。考慮測(cè)量誤差和輔助套筒斷面風(fēng)速的不均勻性，兩者基本相符。

3) 工況5～8相比工況2～4，房間總體噪聲水平下降了3～4 dB，主要是排氣管風(fēng)速降低的結(jié)果。比較工況4和工況5可發(fā)現(xiàn)，排氣流量降低，A、B、C點(diǎn)噪聲均有所降低。表明在排氣管路蝶閥從100%開(kāi)度降低為60%開(kāi)度時(shí)，管路氣流噪聲和蝶閥節(jié)流噪聲相比，前者權(quán)重較大。

可見(jiàn)，該工藝中風(fēng)機(jī)噪聲、管道氣流噪聲和蝶閥等局部阻力部件的節(jié)流噪聲三者之中，管道氣流噪聲所占比重最大。為此，推薦在工藝允許的情況下提高供氣溫度，保持原有烘干效率，降低烘干工藝的供氣和排氣流量。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，將供氣溫度提高至90 ℃，風(fēng)量適當(dāng)降低后，仍可滿足運(yùn)行需求，此時(shí)各工況噪聲測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 運(yùn)行參數(shù)調(diào)整后各工況測(cè)量參數(shù)

結(jié)果表明，運(yùn)行參數(shù)調(diào)整之后，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)操作區(qū)的幾個(gè)主要測(cè)點(diǎn)A聲級(jí)噪聲降低至85 dB左右，噪聲環(huán)境得以明顯改善。同時(shí)，由于運(yùn)行人員每周進(jìn)行工藝操作的時(shí)間約為2～3 d，工作環(huán)境也可滿足每周40 h等效聲級(jí)職業(yè)衛(wèi)生接觸限值要求[4]。鑒于已有明顯的降噪效果，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員體感噪聲也有明顯降低，營(yíng)運(yùn)方?jīng)Q定該烘干工藝后續(xù)直接采用調(diào)整之后的參數(shù)運(yùn)行，不再增設(shè)變頻器。

3.4 降噪結(jié)果分析

按照文獻(xiàn)[5]，管道射流的氣流噪聲遵循以下公式：

LW=C+10lgF+60lguc

(1)

式中LW為氣流聲功率級(jí)，dB；C為常數(shù)，不同類(lèi)型部件的具體數(shù)值不同，dB；F為部件最小斷面積，m2；uc為氣流流速，m/s。

該式表明了氣流速度在氣流噪聲控制中的重要性，當(dāng)流速翻倍時(shí)，氣流聲功率級(jí)約增大18 dB。文獻(xiàn)[6]給出的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，式(1)適用的氣流速度約在46～180 m/s范圍內(nèi)。本工藝烘干工作箱內(nèi)最小口徑?140 mm管道射流流速在該范圍內(nèi)。按照式(1)，降低氣流速度后，理論聲壓級(jí)約減小4.8 dB。實(shí)際降噪結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相當(dāng)。

4 結(jié)果與討論

1) 氣流流速是影響管路氣流噪聲的關(guān)鍵參數(shù)之一，通過(guò)調(diào)整工藝運(yùn)行風(fēng)量，將A聲級(jí)噪聲由約90 dB降低至85 dB左右，與現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的理論降噪量相當(dāng)。

2) 本文所述降噪措施僅通過(guò)調(diào)整工藝運(yùn)行參數(shù)，并未對(duì)工藝系統(tǒng)及周邊環(huán)境進(jìn)行實(shí)體改造，即實(shí)現(xiàn)了良好的降噪效果?？梢?jiàn)，噪聲控制改造或設(shè)計(jì)中，如能抓住主要噪聲源，從聲源上治理和控制，往往能夠更為有效。

3) 本文所述的降噪措施可為該類(lèi)烘干工藝的優(yōu)化提供參考，在確保熱質(zhì)交換烘干效率的基礎(chǔ)上，可通過(guò)管徑優(yōu)化、合理選擇風(fēng)機(jī)等適當(dāng)降低管路氣流速度，兼顧噪聲水平。