计量站变径输气管道包裹降噪仿真研究*

2015-11-23严羿，梁政

机械研究与应用 2015年1期

严羿，梁政

(西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500)

0 引言

管路系统噪声广泛存在于石油天然气、化工等行业，而天然气输气管道的站场噪声污染更为突出，严重影响着环境及人员的身心健康。笔者以某天然气计量站计量管线系统中噪声突出的变径管段为研究对象，建立声学有限元模型模拟管道外场噪声，利用软件模拟研究噪声严重的输气管段采用不同包裹材料、包裹厚度的降噪效果，通过现场实测结果对比分析，证实了仿真方法的正确性，可为输气管道包裹降噪工艺技术的实施提供参考。

1 天然气计量站噪声现状

某天然气计量站接收来自上游的天然气，计量管网系统中计量撬分汇管的管径为Ф1 067 mm，与分汇管连接的计量管为Φ400 mm，计量管线与分汇管连接处为内加厚，内径由Φ387．5 mm缩为Φ322 mm，如图1所示。

随着输气量和输气压力的变化，计量管线系统出现了较为明显的噪声。现场实测结果站场平均噪声值高达85 dB，管道变径处噪声尤为突出，部分测点噪声值超过90 dB，严重超过了国家工厂企业厂界环境噪声排放标准规定允许值，见表1［1］。

图1 计量管线内加厚

表1 工厂企业厂界环境噪声排放标准

输气管道噪声主要有管道振动噪声和管内气流噪声。现场实测结果表明，输气管道正常运行时管道振动的各项参数均较小，满足国家相关规定，所以认为该计量站的噪声主要为管内气流噪声。笔者选择气流噪声为主要研究对象。

2 声学有限元理论

声学计算方法可分为声学有限元法、声学边界元法、声线法以及统计能量法，其中声学有限元法在解决封闭空间的声场计算和长管道的声场计算方面具有优势。

对流体欧拉方程进行线化和简化，得到在均匀流或者剪切流中传播的基本声学方程［2］为:

式中:p、q分别表示流体的压力和外部作用于流体的力;c0、ρ0分别表示定常流动的声速和密度;∇2是拉普拉斯算子，对直角坐标系

对方程进行频域转化、有限元网格离散，整理得到数值形式的方程组为:

式中:Qi为输入的声源向量;Vni为输入的声质点速度向量，即声质点速度边界条件;Pi为输入的声压向量，即声压边界条件;Fai为声学激励;pi为求解的网格节点声压;Ka+jωCa-ω2Ma为方程矩阵，稀疏矩阵。

在声学有限元求解中，给定声源及相关边界条件，通过稀疏矩阵求逆就可以算出声场。

3 输气管道噪声及防噪技术仿真分析

通过对计量站实测噪声的频谱分析，确定噪声频率分布及计算频率范围，然后建立适当的管道模型进行管内流场分析，导出管道表面压力脉动，并将其作为激励计算管道的外场噪声［2］。

3．1 噪声频谱分析

噪声信号是由多种频率成分组合而成的随机信号。频谱分析，就是将噪声的时域信号转化为频域中的信息，分析出噪声能量在各个频率上的能量分布情况。对现场实测噪声信号进行快速傅里叶变换，得到其频谱分布情况如图2、3所示。

图2 噪声信号频谱图

图3 噪声信号0～2 500 Hz频谱图

由图2、3可知，站场输气管道的噪声信号频率分量主要分布在2 000～2 500 Hz范围内，属于高频范围。选取分析频率范围为1 500～2 500 Hz。

根据频谱分布情况，选择对中高频噪声吸声效果较好的多孔材料进行包裹降噪。多孔材料内部具有大量的连通孔隙，声波进入材料内部传播时，由于空气的黏滞性以及材料的传导性，使声能不断损耗降低，起到吸声降噪的作用。实践表明，吸声材料的吸声性能与孔隙率具有密切的关系;而孔隙率的大小又反映为空气流经材料所遇到的阻力，即流阻的大小。笔者利用Delany和Bazley提出的多孔材料流阻转换经验公式，将包裹层转化为等效流体进行分析计算［3-5］。

3．2 管道流场分析

建立管道模型并划分网格，网格尺寸应满足声学软件最高计算频率要求。根据现场实际参数，管道大端直径为Φ387．5 mm，小端直径为Φ322 mm，小端长度为580 mm，取大端长度3 000 mm。

根据现场工况运行数据，设定模拟边界为:速度进口(m/s)和压力出口(MPa)。流速和压力偶合采用SIMPLEC算法。对流场进行稳态计算收敛后，用大涡模型进行瞬态计算。根据气体在管道内的流场模拟，得到管道壁面压力脉动，以CGNS文件形式输出时域计算结果。

3．3 降噪分析

用LMS Virtual．Lab Acoustics软件进行噪声分析，以管道内壁的压力脉动为激励，压力脉动映射到结构网格上。运用AML自动匹配声辐射边界条件，根据指定的声辐射边界自动定义吸声层和吸收系数，保证了声学有限元方程组完全封闭，确定唯一解。

计算管道进气压力7．38 MPa，年总流量38．22×108N·m3/y，在管道实测噪声较大的变径处两端选取4个测点，测点距管道变径处100 mm，如图4。

4 测点的声压级分别为 72．1 dB、72．2 dB、72．9 dB、73．1 dB。而在相同工况的实际测量中，相应位置噪声值为69．3～75．3 dB，表明计算结果与实际测量值吻合良好。

在设定工况下，计算得到管道总噪声为84 dB(A)，在相同工况时，实测各点的最大噪声值为82 dB(A)，计算值与实际值吻合较好。图5为2 200 Hz时声学网格表面的声压级云图。

多孔材料流阻率典型值为5 000～100 000 Pa·s/m2［6］。选取玻璃棉作为包裹材料，选取材料厚度为 50 mm，流阻率分别为 5 000、10 000、20 000、50 000、80 000 Pa·s/m2时的对比情况如图6所示，选测点3为对比点。

图4 2 200 Hz压力脉动云图

图5 2 200 Hz时的声压级云图

图6 不同流阻率声压级频率响应曲线

在不同包裹情况下，测点3声压级如表2。

表2 不同流阻率材料包裹声压级

由图6和表2可知，当包裹层为50 mm、流阻率为5000 Pa·s/m2时，测点3处声压级比包裹前降低约20 dB，降噪效果良好。流阻率在5 000～10 000 Pa·s/m2范围内增大时，声压级有所升高，但变化很小。随着材料流阻率不断增大，吸声降噪效果逐渐降低;流阻率增大到80 000 Pa·s/m2时，测点声压级只降低了3 dB。在流阻率一定的情况下(材料流阻率均为 10 000 Pa·s/m2)，选择厚度为 25、50、75、100 mm的材料包裹，对比情况如图7。

在不同厚度情况下，测点3声压级如表3。

由图7、表3知，当包裹材料流阻率为10 000 Pa·s/m2，包裹厚度增大时，在2 000～2 500 Hz频率范围内，不同包裹厚度的吸声效果差距不大，但在1 500～2 000 Hz范围内，从声压级频率响应曲线看出，50 mm包裹时效果较好。从测点3声压级情况上看，50 mm包裹时降噪量超过20 dB，厚度继续增大，如75 mm、100 mm包裹时声压级比50 mm时略高，可能原因是在材料厚度增大引起管道振动加大，噪声增大。