9 000m钻机发电机房噪声控制与应用

刘占鹏，许益民，黄咸璞，丛 雷，张志永，彭小军

（1.山东科瑞控股集团有限公司 钻采设备研究所，山东 东营257067；2.中国石油天然气集团公司尼罗河公司，北京100041；3.中原油田 塔里木钻井公司，新疆 库尔勒841000）＊

柴油发电机组是整个井场区主要动力来源，也是井场区主要噪声来源。柴油发电机组的噪声控制对于井场区噪声控制具有重要意义［1］。国外客户在石油钻机的配套中特别强调HSE（即，健康、安全、环保），要求距发电机房15m处的噪声控制在86 dB以下。目前国内发电机房设计大多注重移运性能，在噪声控制方面有所欠缺。本文以国外某9 000 m钻机项目为依托，着重解决柴油发电机组的噪声控制问题。此9 000m钻机采用5台CAT 3512B型发电机作为主柴油发电机组，1台CAT C15型发电机作为辅助柴油发电机。

1 噪声分析

1.1 噪声来源

柴油发电机组噪声主要来源于柴油机的排气噪声、机械噪声、风扇噪声以及进气噪声。

1.2 噪声值的确定

1.2.1 单台机组理论噪声

排气噪声和机械噪声是钻机发电机组主要的噪声源，根据卡特皮勒公司提供的发电机组噪声数据，可以确定单台机组理论的最大排气噪声值和最大机械噪声值［2］，如表1。

表1 单台发电机组理论噪声值

1.2.2 噪声混合运算

根据声级加法运算公式，2个噪声等级为Lp1、Lp2（Lp1≥Lp2）的噪声在某点处混声等级为［3］

式中：Lp为1台发电机组的噪声；△Lp为2个噪声声级差Lp1－Lp2所对应的增值。

在声级运算加法表［4］中可以查得△Lp值，如表2。

表2 声级运算加法表［3］dB

则可得出单台机组理论混合噪声值，如表3。

表3 单台机组理论混合噪声值

1.2.3 实测噪声值

在9 000m钻机24h负载试验中，对单台CAT 3512B型发电机在高负荷、运转平稳时进行了噪声测试，测试值如表4。

表4 单台机组实测混合噪声值

与理论噪声值相比较，实测噪声值略低。本文选取理论噪声值作为噪声控制方案的设计依据。

2 噪声控制方案

在柴油机排气管上安装消声器可以有效控制排气噪声。可根据排气噪声特点来合理选择消声器种类，合理设计排气管使消声器达到最佳效果。

机械噪声主要通过发电机房的隔声功能及发电机房装修材料的吸声功能来有效控制。需要对吸声材料进行选择，对装修结构进行设计。

排风通道是风扇噪声、机械噪声辐射到房体外部的主要途径。风扇噪声可以通过在排风通道内设计消声结构，使排风在通道内有一段距离进行缓冲，可有效降低噪声从机房内向外辐射的强度。

由于柴油发电机组一般都配置有设计合理的空气滤清器，其本身有一定的消声作用。考虑到进气噪声相对较低，故对进气噪声一般不另做处理。

3 噪声控制实施

3.1 消声器选择

消声器能使压缩的空气在大直径里扩散，降低排出气压，使气流在其内部碰撞、反射、扩散，以减弱排出压缩空气的速度和强度。根据消声原理不同，消声器大体可以分为4类［4］，如表5。

表5 消声器分类

对于柴油发电机组以中低频为主的排气噪声，根据消声器安装特点，优先选用抗性膨胀式消声器。

3.2 排气管设计

柴油发电机组排气背压即排气管后的压力，在柴油机排气口处测得。背压不能超出许用背压值。超出会导致发动机燃料燃烧效率下降，排放变差。排气管有一定的消声作用，但其直径与当量长度的增加会增大发电机组排气背压。

CAT 3512B型发电机组许用背压值为6.7 kPa，一般不超过3kPa［2］。可以此来设计排气管直径与当量长度，以达到其最佳消声效果。如图1。

图1 排烟管长度与结构

3.3 吸声与隔声处理

3.3.1 吸声装修处理

该发电机房内部装修表面积为240m2。发电机房没做装修处理前吸声系数ā1为0.1［5］。在房顶与长度方向的两侧墙壁处做吸声装修处理，可以提高室内吸声系数，以达到降噪目的。

离心玻璃棉制品具有成型好、体积密度小、化学性能稳定、保温绝热性能好、吸声性能好、防潮、阻燃、施工性能好、不产生有害气体等优点。吸声机理使玻璃棉具有多孔性结构，当声波通过时，声能的一部分会被纤维吸收，阻碍了声波的传递。9 000m钻机发电机房采用的吸声材料为离心玻璃棉。

吸声装修结构分为3层：外层为1mm镀锌冲孔板；中间层为无碱玻璃棉布；内层为32kg／m3、10 mm厚离心玻璃棉。在内层与墙板中间留有40mm厚空腔；中间层和外层通过钻尾钉固定在型钢上，起装修、固定和保护作用；内层离心玻璃棉分成800 mm×600mm的小块，填充在中间层与空腔型钢之间的空隙中。如图2。

图2 墙壁装修结构

经过吸声装修后机房内平均吸声系数ā2为0.81。

吸声降噪效果可用下式［5］计算，即

式中：△Lp为吸声降噪量，dB；ā1、ā2分别为室内做吸声装修前后的吸声系数。

由上式计算出室内平均降噪量的理论值为9.1dB。

经过吸声装修，既减少了机房内噪声、降低了室内混响，又达到了美观的效果。如图3。

图3 装修前后效果对比

3.3.2 隔声处理

在噪声控制工程设计中，墙板的隔声量主要取决于其单位面积质量，单位面积质量越大，隔声量越高。对于频率范围为100～3 150Hz的平均隔声量，可以利用下式来计算，即

机房墙板采用3mm厚瓦楞钢板制作，其m＝23.5kg／m2，经计算＝30dB。

经过吸声与隔声处理后，两者相加理论上可以降低噪声量39.1dB。

3.4 消声风罩

多数发电机房设计是在发电机组风扇侧使用双开门做排风通道，运输时关闭。使用时，房内发电机组的风扇与排风噪声、机械噪声会通过敞开的双开门辐射至房外，降噪效果很差。

针对现有发电机房因发电机组散热排风导致隔音效果降低的问题，设计了一种发电机房用消声风罩。消声风罩由框架、钢板等焊接而成，内涂消声涂料，在降噪的同时导风，将发电机组散热排风导向上方。消声涂料可以将振动的能量转化为热等其他形式的能量，从而起到消声防震的效果。消声风罩采用可拆式连接，拆装方便。如图4。

图4 消声风罩

4 实施效果

在9 000m钻机24h负载试验中，在动力区距离发电机房前、后、左、右各1.5、7.0、15.0m，高度为1.6m处共选取了24个测试点，每隔10min测1次，共测2次并做记录，得到测试点噪声值，如图5。

图5 24h负载试验动力区噪声采集点分布

根据9 000m钻机24h负载试验中的实测噪声数据绘制出井场区86dB噪音采集分带曲线，如图6。

图6 24h负载井场区86dB噪声采集分带曲线

根据发电机组理论噪声值与经噪声控制后实测噪声值对比，可以得出发电机房的噪声控制效果，如表5。

表5 噪声控制效果

通过比较，可以得出以下结论：

1） 经过处理，各个方向噪声都有较大幅度降低。

2） 辅发侧因有辅助发电机房隔音，距噪声源较远，降噪效果较主发侧要好；前侧因设计有消音风罩，降噪效果明显较后侧要好。

3） 因低频噪声易被屏蔽且衰减较快，故屏蔽越接近噪声源，降噪效果越好。

5 现场应用

该9 000m钻机于2010年发往国外现场。售后服务人员的反馈信息表明，客户对本产品的噪声控制效果非常满意。在继续合作的快速移运钻机项目中，客户明确要求使用该类发电机房。该类发电机房经过持续改进，已经形成几大系列的成熟产品，并可根据客户的个性化需求进行设计［7］。

6 结语

柴油发电机组的噪声控制要对噪声源进行分析，有针对性地选取控制方案。本文在不影响发电机房移运性能的基础上，通过消声器选择、排烟管设计、吸声装修、消声风罩设计分别有效控制了柴油发电机组的排气噪声、机械噪声与排风噪声，设计理念较为先进。本系列发电机房的噪声控制方案有较好的市场推广价值。

［1］李国宏，丁晓鹏，裴志明，等.浅谈钻机的噪声控制［J］.石油矿场机械，2003，32（04）：52－53.

［2］卡特皮勒公司.卡特发电机组操作和保养手册［Z］.2002.

［3］马大猷.声学手册［K］.北京：科学出版社，2002.

［4］马大猷.噪声与振动控制工程手册［K］.北京：机械工业出版社，2002.

［5］刘晓丽.环境监测［M］.北京：北京大学出版社，2005.

［6］洪宗辉.环境噪声控制工程［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［7］SY／T 6276—1997，石油天然气工业健康、安全与环境管理体系［S］.