天然氣場站調(diào)壓撬噪聲增大原因及降噪方法

上海天然氣管網(wǎng)有限公司 魏 星 顧竣文 楊秉奇

隨著天然氣行業(yè)的快速發(fā)展，調(diào)壓技術(shù)不斷成熟與完善。以調(diào)壓撬為代表的天然氣調(diào)壓系統(tǒng)，在天然氣分輸場站中的應(yīng)用越來越廣泛。由于調(diào)壓撬產(chǎn)生的節(jié)流效應(yīng)，導(dǎo)致天然氣產(chǎn)生紊流，并在匯管處進(jìn)一步放大，使得噪聲增大。當(dāng)噪聲超出一定限度時，會給調(diào)壓站周邊的居民正常生活帶來干擾，或面臨投訴。因此針對調(diào)壓撬噪聲產(chǎn)生原因及從調(diào)壓撬設(shè)計、制造、改造等多方面對噪聲進(jìn)行控制，以達(dá)到降低噪聲的目的，研究意義重大。本文以某天然氣場站工藝改造前后調(diào)壓撬噪聲對比為例，對調(diào)壓撬噪聲增大的原因進(jìn)行分析，并對降噪方法進(jìn)行研究。

1 改造前后噪聲情況和工藝流程

1.1 改造前后噪聲增大狀況

某天然氣場站在役時間較長，運(yùn)行狀況變差。該站設(shè)計壓力為6.0 MPa/1.6 MPa，壓差較大，調(diào)壓后管道容易發(fā)生霜凍和結(jié)冰現(xiàn)象。調(diào)壓器下游側(cè)管道、閥門及流量計若長期處于結(jié)冰、結(jié)霜狀態(tài)，就無法較好地對管道進(jìn)行防腐漆涂裝作業(yè)。

2020年，上海天然氣管網(wǎng)有限公司考慮到遠(yuǎn)期擴(kuò)容及安全因素，對該站進(jìn)行了改造，并對原有調(diào)壓器等設(shè)備進(jìn)行了利舊，但是改造前后噪聲增大明顯?，F(xiàn)場人員采用分貝儀進(jìn)行實(shí)地測試，發(fā)現(xiàn)調(diào)壓撬調(diào)壓器下游匯管處噪聲值約為95 dB，廠界（指場站圍墻外1 m處）噪聲值約為75 dB，均高于改造前廠界噪聲60 dB。

1.2 改造后工藝流程及設(shè)備選型

該站改造后工藝流程如圖1所示。采取先計量后調(diào)壓的形式，此工藝設(shè)計在許多其他場站已多處應(yīng)用，噪聲情況良好。

圖1 改造后工藝流程示意

調(diào)壓器、過濾器等關(guān)鍵設(shè)備均利用該站原來設(shè)備。每路過濾器設(shè)計通過能力為5×104m3/h。調(diào)壓器為兩用一備，每路調(diào)壓器設(shè)計通過能力均為 5×104m3/h。調(diào)壓器進(jìn)口管道為DN200，設(shè)計壓力為3.0～6.0 MPa，計算最大流速約為14.3 m/s；調(diào)壓器出口管道為DN250，設(shè)計壓力為1.6 MPa，計算最大流速約為16.6 m/s。調(diào)壓器設(shè)計流速均在范圍以內(nèi)，且進(jìn)、出口流速均處于適宜水平，因此主要工藝設(shè)備選型合理，不是噪聲增大的主要原因。

2 噪聲增大原因分析

噪聲類型可分為機(jī)械振動噪聲、空氣動力學(xué)噪聲、管道噪聲。調(diào)壓撬包含過濾器、調(diào)壓器、匯管及連接管束。其中：過濾器主要為機(jī)械振動噪聲；管道主要為管道噪聲；調(diào)壓器由于存在節(jié)流效應(yīng)，氣體在節(jié)流處形成湍流（也叫紊流），因此主要為空氣動力學(xué)噪聲和機(jī)械振動噪聲；匯管由于流體從進(jìn)口管道流入?yún)R管后，方向急劇改變，造成流體湍流，因此主要為空氣動力學(xué)噪聲和機(jī)械振動噪聲。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和儀器實(shí)測可知，過濾器、管道產(chǎn)生的噪聲比較小，噪聲源主要集中在調(diào)壓器和出口側(cè)匯管處。場站正常運(yùn)行時，振動的各項(xiàng)參數(shù)均較小，所以機(jī)械振動噪聲占比較小，而空氣動力學(xué)噪聲為最主要噪聲類型。以下著重分析噪聲的最大來源。

2.1 調(diào)壓器噪聲分析

2.1.1 調(diào)壓器噪聲類型

調(diào)壓器噪聲主要包括以下幾種類型：

（1） 空氣動力學(xué)噪聲（氣動噪聲）。是天然氣通過調(diào)壓器減壓部位時，由于出口管徑變粗，天然氣壓力下降，所以使天然氣部分機(jī)械能轉(zhuǎn)換為動力學(xué)噪聲。這類噪聲產(chǎn)生的主要原因是天然氣流速急劇加速，沖刷調(diào)壓器的閥芯和在調(diào)壓器出口擴(kuò)徑部分形成大量湍流旋渦。其在調(diào)壓器噪聲中占比很高。

（2） 機(jī)械振動噪聲。是固有頻率振動和機(jī)械部件振蕩性位移引起的流體壓力波而產(chǎn)生的噪聲。這類噪聲產(chǎn)生的主要原因與調(diào)壓器的設(shè)計、零部件材料、管材材料、設(shè)備加工工藝、裝備質(zhì)量有關(guān)。實(shí)際運(yùn)行過程中要防止天然氣產(chǎn)生的噪聲頻率與調(diào)壓器固有頻率相同而發(fā)生共振。

（3） 管道噪聲。是天然氣經(jīng)過調(diào)壓器后形成大量湍流運(yùn)動，出現(xiàn)了流體逆流運(yùn)動趨勢，使部分流體在經(jīng)過調(diào)壓器擴(kuò)口段后仍不停、劇烈地做漩渦運(yùn)動，與勢流、管壁以及漩渦自身之間的相互作用造成漩渦振動而產(chǎn)生激烈的噪聲。針對調(diào)壓器下游管道中漩渦產(chǎn)生的噪聲可從降低管道系統(tǒng)工作雷諾數(shù)方面出發(fā)，增大調(diào)壓器下游管道長度，吸收湍流脈動噪聲和沖擊管壁產(chǎn)生能量損失，實(shí)現(xiàn)降噪。

2.1.2 調(diào)壓器后管道噪聲增大原因分析

通過現(xiàn)場對調(diào)壓器的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場并不存在共振現(xiàn)象，設(shè)備振動噪聲很??；而氣體節(jié)流產(chǎn)生的空氣動力學(xué)噪聲較大。經(jīng)比較，該站改造前后氣體流量基本不變（大約3×104m3/h），天然氣氣質(zhì)也不變，從流體雷諾數(shù)影響因素來考慮（雷諾數(shù)是用來表征流體流動情況的無量綱數(shù)，是判斷管道內(nèi)流體是層流流動還是湍流流動的依據(jù)。雷諾數(shù)Re=ρvd/μ，其中ρ為密度、v為流體流速、d為管道當(dāng)量直徑、μ為黏性系數(shù)），由于ρ、v及μ基本不變，因此由調(diào)壓器產(chǎn)生的動力學(xué)噪聲應(yīng)該與改造前差不多。通過現(xiàn)場觀察，調(diào)壓器上游管道噪聲很小，經(jīng)過調(diào)壓器后調(diào)壓器本身的噪聲也未發(fā)現(xiàn)太大變化，但是調(diào)壓后管道噪聲比改造前有所增加。由此可見，噪聲增大可能原因有：

（1） 調(diào)壓后管道與出口匯管連接，出口匯管處噪聲很大，傳導(dǎo)至連接管道，導(dǎo)致了調(diào)壓器下游管道噪聲增大。

（2） 氣體經(jīng)過調(diào)壓器后，由于節(jié)流效應(yīng)產(chǎn)生湍流，所以形成脈動噪聲。從改造前后分析來看，改造前調(diào)壓器至計量撬之間管段長度較長，即緩沖段較長，對于吸收湍流脈動噪聲非常有利；而改造后調(diào)壓器后管段長度很短，幾乎直接進(jìn)入出口匯管，即緩沖段較短，對湍流脈動噪聲不利，致使噪聲升高。

2.2 出口匯管噪聲分析

2.2.1 匯管氣動噪聲研究現(xiàn)狀

匯管噪聲主要有匯管振動噪聲和匯管內(nèi)氣動噪聲。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況表明，輸氣匯管正常運(yùn)動時振動的各項(xiàng)參數(shù)均較小，可認(rèn)為匯管噪聲主要為管內(nèi)氣動噪聲。

國外學(xué)者 Lighthill、Curle、A.Powell、Ffomes Williams與Hawkings等針對管道的噪聲問題，進(jìn)行了專門的研究。這些研究基本上為解決天然氣在匯管內(nèi)動態(tài)流體源發(fā)生這一實(shí)際工程問題奠定了理論基礎(chǔ)。另外，對于匯管氣體流動聲場的數(shù)值模擬，由于其流動的復(fù)雜性，需要選取適合的聲場數(shù)值模擬方法，使用恰當(dāng)?shù)穆晥隹刂品匠蹋⒖紤]如何建立合適的模型，以尋求更加接近實(shí)際工況的結(jié)果。

國內(nèi)學(xué)者鞠國翠等人開展的匯管氣動噪聲研究[1]主要通過流體力學(xué)、聲學(xué)、聲擬理論和氣體動力學(xué)建立匯管的有限元計算模型，并通過實(shí)驗(yàn)確定計算模型的正確性，利用數(shù)值模擬手段研究匯管的流場分布規(guī)律，進(jìn)而進(jìn)行噪聲分析，得出匯管噪聲產(chǎn)生機(jī)理，最終從匯管工作參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式及包裹吸聲材料等方面提出優(yōu)化改造的建議。匯管氣動噪聲研究結(jié)論包括：

（1） 匯管流動狀態(tài)對噪聲產(chǎn)生的變化規(guī)律為：隨著壓力的增大，聲壓級增大，噪聲越大，但增加的不明顯。隨著流速的增大，聲壓級增大，噪聲增大。為達(dá)到匯管降噪的目的，應(yīng)當(dāng)盡量降低流速在10m/s以下。

（2） 隨著進(jìn)口管管徑與匯管管徑比的增大，聲壓級增大，在進(jìn)口管管徑與匯管管徑比 1∶1.5到1∶2區(qū)間增長率最大。建議匯管管徑與進(jìn)口管管徑之比盡量小于1.5。

（3） 隨著出口管管徑與匯管管徑比的增大，聲壓級增大。在出口管管徑與匯管管徑比 1∶1.5到1∶2區(qū)間增長率最大。建議匯管管徑與出口管管徑之比盡量小于1.5。

2.2.2 出口匯管噪聲增大原因分析

通過研究，對調(diào)壓撬出口匯管噪聲增大影響因素進(jìn)行逐一對比分析：

（1） 流速。隨著流速的增大，聲壓級增大，噪聲也隨之增大。該站在改造前后用氣量基本不變，因此流速基本不變。按照3×104～4×104m3/h來計算，流速大約都在10 m/s左右。這是匯管產(chǎn)生噪聲的原因，但不是改造前后匯管噪聲增大的主要原因。

（2） 進(jìn)口管與匯管管徑比。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測可知，該站出口匯管管徑為 DN500，進(jìn)口管管徑為DN250，管徑比為1∶2，此時噪聲增長率最大，相應(yīng)地產(chǎn)生了很大噪聲；與該站改造之前調(diào)壓器后匯管結(jié)構(gòu)相比，原管徑比為250∶300（即1∶1.2），噪聲控制在較低的水平，因此改造后的匯管和進(jìn)口管結(jié)構(gòu)是噪聲增大的一個重要原因。

（3） 出口管與匯管管徑比。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測可知，該站出口匯管管徑為 DN500，出口管管徑為DN300，管徑比為1∶1.67，此時噪聲增長率最大，因此產(chǎn)生很大噪聲；相比該站之前調(diào)壓器后匯管結(jié)構(gòu)，原管徑比為250∶300（即1∶1.2），噪聲控制在較低的水平，因此改造后的匯管和出口管結(jié)構(gòu)是噪聲增大的一個重要原因。

2.3 調(diào)壓撬噪聲增大原因分析

綜上所述，雖然調(diào)壓撬噪聲來源于多個方面，但是將該站改造前后的情況進(jìn)行對比，用氣量和流速基本不變，調(diào)壓器也使用的是原有設(shè)備，因此調(diào)壓器節(jié)流不是噪聲增大的主要原因。另外，設(shè)備振動形成的噪聲相對于氣動噪聲來說很小，也不是噪聲增大的主要原因。單純從改造前后對比來看，噪聲增大的原因最可能是：

（1） 調(diào)壓器出口管道較短，導(dǎo)致湍流吸收不利，進(jìn)入?yún)R管后噪聲進(jìn)一步加大。

（2） 匯管及匯管進(jìn)出口管道尺寸和布局不合理，是造成匯管氣動噪聲增大的最主要原因。具體就是匯管進(jìn)口管和匯管管徑比不合理（1∶2）、匯管出口管和匯管管徑比也不合理（1∶1.67），這樣導(dǎo)致調(diào)壓器出口的湍流噪聲在匯管中進(jìn)一步加劇，增大氣動噪聲。

3 降噪方法

3.1 主動降噪

主動降噪主要從設(shè)計方面進(jìn)行改造，包括優(yōu)化工作參數(shù)，優(yōu)化進(jìn)口管管徑、出口管管徑以及出口管間距等方式。針對該站的具體情況，可以采取如下主動降噪措施：

（1） 降低流速。流速是產(chǎn)生噪聲的主要因素，適當(dāng)降低流速能降低噪聲，特別是在10 ～20 m/s階段。流速盡量在10 m/s以下，可顯著降低噪聲。

（2） 改變結(jié)構(gòu)形式。加長調(diào)壓器后端直管段，可使氣體在調(diào)壓期間造成的紊流在直管段中逐漸趨于平穩(wěn)，使氣流進(jìn)入?yún)R管時的擾動減小，相應(yīng)降低匯管氣動噪聲；加大匯管出氣管管徑或降低匯管直徑，減小匯管與出口管直徑的比值，防止氣流發(fā)生太大突變，形成噪聲；加大匯管進(jìn)氣管管徑或降低匯管直徑，降低高速氣流進(jìn)入?yún)R管引起的噴流，減小渦流擾動，從而降低噪聲。

3.2 被動降噪

如果設(shè)計方面存在改造困難，可以對匯管或調(diào)壓器后管段包裹吸聲材料，進(jìn)行被動降噪。包裹吸聲材料對匯管降噪有顯著的效果，尤其高頻段降噪效果最明顯。不同吸聲材料的吸聲降噪效果不同，隨著吸聲材料流阻率的增加，降噪效果越好。結(jié)合該站實(shí)際情況，最終采用包裹吸聲材料（消音層采用隔音氈+離心玻璃棉，外保護(hù)層采用花紋鋁板）進(jìn)行降噪，將噪聲降到可接受范圍。

4 結(jié)語

通過對某天然氣場站工藝改造后噪聲增大的原因進(jìn)行分析，特別是對調(diào)壓撬本體以及調(diào)壓后匯管等各噪聲源進(jìn)行了細(xì)致分析。結(jié)合各噪聲源噪聲產(chǎn)生機(jī)理、影響因素及實(shí)際狀況，通過對比得出噪聲增大的主要原因可能是調(diào)壓器出口管道較短，匯管與匯管進(jìn)出口管道尺寸和布局不合理等。據(jù)此提出了降噪方法和建議，從主動降噪和被動降噪兩方面來考慮降噪措施及應(yīng)用場景，最終采用包裹吸聲材料達(dá)到降低現(xiàn)場噪聲的目的。此做法對類似工程具有一定的借鑒意義。