車載式燃氣輪機發(fā)電機組降噪的數(shù)字設計方法

羅瑩瑩

［城林科技（上海）有限公司，上海 200120］

0 引言

本文主要論述燃氣輪機發(fā)電機組降噪的降噪設計。對于燃氣輪機發(fā)電機組降噪，降噪設計主要分為降噪設計和隔聲設計。主要矛盾是降噪量大與機組的體積、重量及流動阻力極限之間的矛盾。由于燃氣輪機發(fā)電機組中降噪的重量以及體積限制，在其他地方具有良好隔音和消聲效果的許多聲學元件不能在該機組中使用。因此，選擇何種降噪形式是燃氣輪機發(fā)電機組降噪面臨的一個重要技術問題。

近年來，隨著燃氣輪機發(fā)電機組降噪產(chǎn)品標準的不斷收緊，國外燃氣輪機發(fā)電機組降噪的噪聲水平有了很大提高。根據(jù)《工業(yè)企業(yè)噪聲控制設計規(guī)范》（GBJ 87—85），大多公司設計開發(fā)的燃氣輪機發(fā)電機組降噪，根據(jù)有關規(guī)定，在距箱體1m 處，測到噪聲值在85dB（A）以下[1]。

1 降噪設計

本文從隔聲和降噪兩個方面對燃氣輪機機組的降噪設計進行了探討，完成了燃氣輪機機組的整體降噪設計方案。設計時，首先對機組的聲譜進行測試分析，確定機組關鍵降噪部件的降噪和隔聲設計指標。這為機組降噪設計提供了有力的技術前提。根據(jù)燃氣輪機的設計及應用特點，制定切實可行的總體降噪設計方案，確保機組具有體積不大、重量不重、噪聲指標低的設計特點。通過對機組安裝車間用戶環(huán)境噪聲需求的調(diào)查分析，結(jié)合工廠實際情況，制定了工廠“二次降噪”設計方案。

在分析阻力和阻力復合消聲裝置的工作原理和降噪特性的基礎上，結(jié)合機組的比重、尺寸和流阻要求，在機組的不同位置選擇不同型號的消聲元件作為單元的消音器元件，利用二維和三維設計理論對每個消聲器元件進行檢查和設計，并根據(jù)不同的消聲器要求優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.1 機組總體降嗓方案設計

（1）在燃氣輪機發(fā)電機組的降噪設計中，主要矛盾是消聲量大與隔聲量大的矛盾以及機組體積、重量和流阻的限制。許多在其他場合具有良好隔聲和消聲效果的聲學元件，由于重量和體積的限制所以對于發(fā)電機組的降噪沒有作用。燃氣輪機發(fā)電機組降噪設計是在成熟理論指導下基于試驗的應用課題，其理論涉及噪聲控制的多個分支。

（2）對于車載集裝箱裝置，隔音和消聲裝置通常占裝置總重量的一半左右。當機組總重量受到一定限制后，機組的設計人員會根據(jù)實際的狀況來操作，當然前提是機組的外界條件尺寸和重量被限制時才可以有選擇地采用體積小、重量輕的隔聲降噪部件結(jié)構(gòu)。燃氣渦輪機單元中使用的消聲裝置通常主要是阻性消聲裝置。用于環(huán)境溫度燃氣輪機、發(fā)電機和發(fā)電機組降噪的主要機電輔助設備均設置在封閉的容器體內(nèi)[2]，既滿足了一體化設計的要求，使燃氣輪機發(fā)電機組降噪可以通過隔音箱把主要的噪聲源封閉，又能經(jīng)過隔音箱將噪音衰減后傳出箱外，有利于發(fā)電機組降噪噪聲的綜合治理。

（3）在設計隔聲箱時，首先要解決車廂通風形式的問題，由于必須要讓車廂內(nèi)的所有機件常規(guī)運行，必須要通風以及冷卻這些所有電子元器件，例如燃氣輪機還有發(fā)電機，這樣的設備必須要在合適的溫度下順利的工作。一些小功率的燃氣輪機發(fā)電機組進行降噪，首先我們要把冷卻形式改變，改變成“透艙冷卻”。讓艙外的排風管和在外面的排風管良好鏈接，這樣可以減少進風口的數(shù)量以及出風口的數(shù)量。出風口數(shù)量的降低決定了消聲部件的結(jié)構(gòu)設計，但增加了機組排風機的負荷，同時由于燃氣輪機部分的噪聲影響，提高了發(fā)電機端箱的隔音性能水平，因此在排端設計了整體隔倉式的消聲裝置。

1.2 燃機機組消聲器

燃氣輪機機組主要有兩種消聲裝置，分別是進氣消聲裝置和排氣消聲裝置。設計機組的消聲裝置時主要考慮以下4 個方面：①消聲性能。②空氣動力性能。③機械性能。④制造成本燃氣輪機機組各系統(tǒng)考慮不同因素，采用不同類型的消聲裝置[3]。下文重點討論了這兩種消聲裝置的選擇。

1.2.1 進氣消聲裝置的選擇

進氣消聲選用了管狀消聲裝置，由于進氣消聲裝置在整個系統(tǒng)的消聲裝置中占的比重最大，需要消除30dB（A）機組的噪聲，此處的消聲裝置的容積要求不能太大，因此選用了相同容積條件下具有較大消聲量的管狀消聲裝置作為進氣消聲裝置的外形尺寸：0.95m（長）×0.662m（寬）×1.868m（高）。位于機組操作倉兩側(cè)，進氣過濾器后方，有效控制機組進風口噪聲[4]。詳見表1。

當加載到3%rad(38.19 mm)循環(huán)時，在位移較大時，角鋼微微被掀起。當加載到4%rad(50.92 mm)循環(huán)期間，接近位移極值時，角鋼被拉起但角鋼和梁翼緣為見明顯變形。

表1 進氣消音器消音頻譜

進氣消聲系統(tǒng)是一種先進的阻性消聲系統(tǒng)。它具有體積不大、重量不重、消聲頻譜不窄、消聲量不小、流動阻力損失不大等特點。這內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是吹塑成型的多孔塑料管，塑料管外圍覆蓋有吸音材料，由鋼板機構(gòu)成了外部框架。

1.2.2 排氣消聲裝置的選擇

該裝置的氣流阻力包括排氣消音器的百頁窗和過濾器。由于排氣系統(tǒng)的重量要求和成本要求，我們選擇了平行板的消聲裝置作為排氣消聲裝置。排氣消聲器的截面尺寸為1578mm、547mm、800mm，消聲量不小于10dB（A），流動阻力損失不大于18mmH[5]。

2 燃氣發(fā)電機組降噪控制系統(tǒng)設計要點

燃氣冷熱電聯(lián)供分布式能源系統(tǒng)的核心設備包括燃氣發(fā)電機組降噪、吸收式冷（熱）水發(fā)電機組降噪、余熱鍋爐降噪。輔助設備包括各種泵、閥門、冷卻塔、冷卻風扇、配電柜等。控制系統(tǒng)決定了這些設備是否可以高效、節(jié)能、經(jīng)濟地運行。

燃氣冷熱電聯(lián)供分布式能源項目控制系統(tǒng)一般分為4 個功能模塊：顯示模塊、計算控制模塊、報警保護模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊。

（1）顯示模塊：任何單個設備都可以根據(jù)預設的工作條件自動運行。同時，所有運行參數(shù)均可通過數(shù)據(jù)專線上傳至上位計算機。繪制整個系統(tǒng)中所有設備的輪廓是燃氣冷熱電分布式能源項目控制系統(tǒng)，通過屏幕直觀顯示所有設備的運行狀態(tài)和運行參數(shù)。

（2）計算控制模塊：主要通過傳感器計算系統(tǒng)的運行情況。并根據(jù)項目要求設計所需目標狀態(tài)。將所述系統(tǒng)的運行狀態(tài)與所述目標狀態(tài)進行比較，然后發(fā)出調(diào)節(jié)指令。為了保證功能的穩(wěn)定性和準確性，建議在控制系統(tǒng)中采用雙閉環(huán)控制。

（3）報警保護模塊：主要功能是在系統(tǒng)遇到危險狀態(tài)時進行報警，在嚴重狀態(tài)時自動關閉某些設備或停止整個系統(tǒng)，保護系統(tǒng)免受較大的破壞。系統(tǒng)自動停機的危險情況有：水溫高、油壓低、超速、敲缸、煤氣泄漏等。

（4）數(shù)據(jù)記錄模塊：記錄系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)和參數(shù)以及歷史報警記錄。通過記錄數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的支持狀態(tài)，制定維護和維修計劃。

2.1 技術介紹

燃氣輪發(fā)電機組降噪在發(fā)電過程中往往會產(chǎn)生較大的噪聲，主要來自機械噪聲、磁場噪聲和空氣噪聲。燃氣渦輪發(fā)電機在進排氣時會產(chǎn)生很大的噪音。現(xiàn)有燃氣輪發(fā)電機組降噪的噪聲控制主要采用隔聲降噪。隔聲處理主要利用機組本體的隔聲罩，消聲處理主要對進排氣機構(gòu)進行系統(tǒng)的隔聲處理，以保證燃氣輪機的正常運行。然而，傳統(tǒng)的燃氣輪發(fā)電機噪聲控制裝置往往過分重視噪聲控制，對保證燃氣輪發(fā)電機主機的性能，如降低燃氣輪發(fā)電機組的降噪功率等而忽略不計。機殼和通風機構(gòu)的布置導致內(nèi)部溫度急劇升高，導致燃氣輪發(fā)電機組降噪異常停止，甚至發(fā)生火災。

這種燃氣輪發(fā)電機組降噪的降噪裝置的特點是具備配置在燃氣輪發(fā)電機主體的外側(cè)的外殼罩和配置在外殼罩的外側(cè)且與內(nèi)側(cè)接觸的換氣機構(gòu)。外殼蓋包括帶隔音門和孔的墻板，墻板包括頂墻板和側(cè)壁板；進氣機構(gòu)包括燃油閥組進氣機構(gòu)和氣室進氣機構(gòu)；燃氣機構(gòu)包括與燃油閥組艙室連接的燃油閥組艙室進氣機構(gòu)和與燃氣發(fā)動機艙室連接的發(fā)動機艙進氣機構(gòu)和發(fā)動機艙排氣機構(gòu)。

2.2 中國首套5MW 級別車載燃氣輪機發(fā)電機組降噪成功實現(xiàn)現(xiàn)場應用

杰瑞自主研發(fā)制造的中國首臺5MW 級車載燃氣輪機發(fā)電機組已成功應用于客戶現(xiàn)場降噪[6]。發(fā)電機組降噪的應用表明，杰瑞電驅(qū)壓裂成套解決方案又增添了一件“新武器”，將為低成本、高效率、智能化的井場作業(yè)提供穩(wěn)定可靠的動力支持。

作為能源電力系統(tǒng)的核心，燃氣輪機被叫做裝備制造業(yè)的“王冠上的珍珠”，是裝備制造業(yè)中最高端的科技產(chǎn)品。燃氣輪機發(fā)電機組降噪的主要作用是驅(qū)動發(fā)電機正常發(fā)電。他的特點就是啟?？?、小范圍占地面積、高速的效率、較低的污染等優(yōu)點。

此次成功應用的燃氣輪機發(fā)電機組采用西門子SGT-A05 改進型燃機作為主電源，這是繼2018 年底杰瑞與西門子簽署小型燃機交鑰匙供應商戰(zhàn)略合作協(xié)議后，雙方在燃機產(chǎn)品上的又一次深度合作。

在標準運行條件下，機組額定輸出功率可達5.5MW。根據(jù)之前的嚴格測試，對于突然的負荷變化，機組“一切盡在掌握”。它可以很容易地應付50%的突然負荷增加或滿負荷突然放電。其中每一個部件的指標遠遠的比國家標準更合適[7]?？梢哉f，該單位是油氣田“全方位發(fā)電小專家”。此外，它還有5 個核心優(yōu)勢。

靈活運輸：發(fā)電機組降噪整體采用車載形式，方便設備運輸。

高效組裝：該裝置的組裝及準備工作僅需3h 即可完成，有效縮短了井場交接時間。

功率密度高：同等功率占地面積約為常規(guī)往復式內(nèi)燃機的1/2，相當于5 臺1MW 的常規(guī)內(nèi)燃機[8]。

性能可靠：整機維護頻率低，有效幫助用戶節(jié)省維護成本，全年應用放心。

靜音運行：采用隔音艙和進排氣降噪處理。距離大于1m 處的噪聲低于85dB（A）。與傳統(tǒng)的90～100dB 內(nèi)燃機組相比，它創(chuàng)造了更舒適的工作環(huán)境。

自2018 年底以來，杰里的R&D 團隊已經(jīng)開始了燃氣輪機發(fā)電機組降噪的R&D 和設計工作。兩年多來，新產(chǎn)品的實現(xiàn)過程經(jīng)歷了層層嚴格的測試。產(chǎn)品的出現(xiàn)和油井現(xiàn)場應用的成功。未來，杰瑞將加大在R&D的投資和創(chuàng)新，為油氣行業(yè)提供更多一站式解決方案，幫助每一位用戶創(chuàng)造最大價值，共同為中國的能源勘探和能源消費結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提供助力和保障[9]。

3 結(jié)語

本文所述的車載燃氣輪發(fā)電機組降噪是針對移動通信備用應急電源開發(fā)的輕型燃氣輪發(fā)電機組的降噪模式。采用單元化一體化設計；采用良好的降噪措施：配套成熟的先進技術部門，啟動、運行、停止均選用國際一流的先進產(chǎn)品。整個過程由計算機自動控制，使機組具有更先進、使用可靠、維修方便、啟動快、噪音低、運行自動化程度高、發(fā)電質(zhì)量好等特點。適用于各種環(huán)境條件；最重要的是，它的低噪聲受到了所有用戶的青睞，是整個發(fā)電行業(yè)非常關注的研究課題。相信隨著科技的進步，在不久的將來，降噪的問題會通過更先進的方法來解決。