化工装置噪声控制技术简析

郭　浩

(陕西延长石油集团北京石油化工工程有限公司，陕西　西安　710075)



化工装置噪声控制技术简析

郭浩

(陕西延长石油集团北京石油化工工程有限公司，陕西西安710075)

噪声是危害人类健康的四大污染源之一，化工装置生产过程中，常伴随各种噪声的产生。本文结合化工装置生产实际，分析并指出化工生产过程中噪声产生的主要原因为振动噪声、喷射噪声、旋转噪声、电磁噪声等，并针对不同的噪音成因，分别提出针对性的噪音控制措施。如采用隔振器及消除管系激扰力等方面进行振动噪音控制；采用消音器进行喷射噪音控制；采用优化设计选型及消声隔声等措施进行旋转噪声控制；通过选择合适的转子槽配合、采用转子斜槽及提高定子刚度等措施进行电磁噪声控制。

化工装置；噪音；减噪

化工装置是进行化工生产的基本单元，由反应器、压缩机、容器、塔器及管道阀门等按照一定的工艺流程要求组成，用以完成特定的化工生产目的。在化工正常操作、开停车过程中，由于叶轮高速旋转、机械振动、高压放空等操作而会产生刺耳的噪声现象。

当噪声超过一定的标准就会严重干扰工作人员的工作。长期暴露在高噪声环境中工作，会危害人的健康。世界各国都很重视噪声问题，把噪声污染列为与大气污染、水污染、废固污染并列的四大污染源之一。因此分析化工装置噪音产生的原因并寻求解决办法，就成为化工设计、操作人员需要解决的首要问题。

1　噪声原因分析

根据噪声产生的部位及原因，化工装置中噪声主要可分为振动噪声、喷射噪声、旋转噪声、电磁噪声等类型。

1.1机械振动噪声

化工装置中，机械振动分为设备振动和管道振动两大类。

空压机、离心泵等动设备在运转过程中，由于运转部件的不平衡或联轴器定心不良等造成质量的不平衡，产生惯性力而引起的振动噪声。振动噪音的扰动频率为：

式中：f——机械振动噪音的频率，Hz

n——设备转速，r/min

而管道振动噪音的原因则包括液压冲击和气流脉动等激扰力。液压冲击使管壁的应力增加数倍，管道产生严重的振动。高压力降在液流管道中产生气液两相的空化现象，空化气泡破裂时产生巨大的冲击力，使管道严重失稳。液流管道中流体流速的突变是导致液压冲击的主要原因，而引起流速突变的主要因素有：阀门的快速开关或泵的启动与停止引起的水锤；流体速度的改变；液体通过节流孔时产生的高压力降液体等。

1.2喷射噪声

高速气流从管口喷出后，会将管口周围静止的空气卷入，与周围气体不断进行动量、质量交换，周围空气不断被卷人，射流流量不断增加，断面不断扩大。根据20世纪50年代初英国学者M J Lingtbill进行的喷射噪声声源特性的研究成果，结果表明，随离开喷口距离的增加射流的宽度会逐渐扩展，且随着压力的逐渐下降流速会逐渐减慢[1]。气流喷射产生噪声的流场如图1所示。

图1　喷射气流的流场分布

气流喷射过程大致可分为三个区，即混合区、过渡区和扩散区。当气流刚从管口喷出时，由于其流速较快，故能保持成束状流动，这一段的距离一般为4～5 D(D为喷口直径)。在距离管口5～8 D处，喷射气流在剪切周围空气的同时，两者发生强烈的混合并逐渐向外扩散，从而产生强烈的噪声。因此，混合区、过渡区是喷射噪声的主要产生区域，发出高频噪声，在扩散区两者进一步混合形成紊流，发出低频噪声。

1.3旋转噪声及涡流噪声

旋转噪声是压缩机、风机等机械设备在做高速旋转过程中，叶轮高速旋转切割周围气体介质，引起周围气体压力脉动而产生，当叶轮旋转时，叶片出口区内气流具有很大的不均匀性，这种不均匀性周期地作用于周围介质，产生压力脉动而形成旋转噪声。旋转噪声的基频具有确定的频率，它等于叶片打击空气的次数。

式中：fr——旋转噪音的基频，Hz

n——叶轮转速，r/min

Z——叶片数

叶片在转动时除了产生旋转噪声外，同时使周围的气体在叶片的后面产生涡流，这些涡流由于空气本身的粘滞作用，又分裂成许多小涡流，从而扰动空气形成压缩与稀疏过程而产生噪声，它的频率可以由下式计算：

式中：Fi——涡流噪音的基频，Hz

sh——斯脱路哈数，无量纲

V——气体与叶片的相对速度，m/s

D——气体入射方向的厚度，m

1.4电磁噪声

电机气隙中磁场相互作用产生随时间和空间变化的径向力，使定子铁心和机座随时间周期性变形，即定子发生振动。电磁噪声主要是由于定子的振动使周围空气脉动而引起气载噪声。电磁噪声的形成原因归结如下：

(1)气隙空间的磁场是一个旋转波，定、转子磁场相互作用产生的径向力基波使定、转子发生径向变形和周期性振动，产生电磁噪声；

(2)气隙磁场中除了基波分量外，还有高次谐波分量，高次谐波的径向力波也都分别作用于定、转子铁心上，使它们产生径向变形和周期振动。一般情况下，对高次谐波来说，电动机转子刚度相对较强，而定子铁心呈薄壁圆环形，刚性较差，因此定子铁心的径向变形振动是引起电磁噪声的主要原因；

(3)定子铁心不同阶次的变形有不同的固有频率，当径向力波的频率与铁心的某个固有频率接近或相等时，就会引起“共振”。在这种情况下，即使径向力波的波幅不大，也会导致定子铁心变形和周期性振动，产生较大的电磁噪声。

2　噪声控制技术

2.1机械振动噪声噪声控制技术

根据机械振动噪音产生的机理及其特点，一般采用有针对性的隔振减噪技术。工程中，表示隔振效果的物理里是传递比(或称传递系数)T，它表示作用于设备的各种力经隔振装置后传递到设备基础的比例。T值越小，表明隔振效果越好。表1列出了按设备功率不同所需的振动传递比T的建议值。

表1　按设备功率传递比的建议值

在机械振动的隔振减噪设计中，首先根据需要确定振动传动比T，然后根据振动噪音的扰动频率f，根据下式计算隔振器的自振频率f0：

式中：f0——隔振器的自振频率，Hz

f——振动噪音的扰动基本频率，Hz

T——传动比

选择隔振器形式时，除了要考虑隔振器的承载能力外，重点考虑其对自振频率的要求。一般来说，当自振频率f0<5 Hz时，应采用预应力阻尼型金属弹簧隔振器；当5 Hz≤f0<12 Hz时，可采用金属弹簧隔振器或橡胶剪切型隔振器；当f0≥12 Hz时，宜采用橡胶剪切型隔振器或橡胶隔振垫。

而对化工装置管道振动产生的噪音控制，首先应从消减管系的激扰力方面入手[2],如在管道和机械设备接口之间增加柔性接头，隔离振动，减少噪音；对流体脉动，可在管道上设置足够容量的缓冲器，或安装节流孔板，可起到脉动波消峰填谷的缓冲作用；对气液两相流引起的振动，应采取适当措施改变流体在管内流动状态，避免出现塞状流、团状流等两相流；对高速流体，可适当降低流速或设缓冲器，避免出现水锤。其次，应增加管系结构的刚度，提高结构刚度可以使管道固有频率远离激振频率，减小管系对激励源的振动响应，进而降低噪声。第三，可通过增加管系结构的阻尼，限制并减轻管道振动，达到减噪的目的。

2.2喷射噪音的控制技术

喷射噪音的控制技术主要采用消音器。根据消声的原理不同大致可分为阻性和抗性两大类。阻性消声器的消声原理是借助装置在管道内壁或在管道中按一定方式排列的吸声材料或吸声结构的吸声作用，使沿管道传播的声能部分地转化为热能而消耗掉，达到消声的目的，它对中、高频有较好的消声性能。抗性消声器是借助管道截面的突然扩张或收缩或旁接共振腔，使沿管道传播的某些特定频率或频段的噪声，在突变处向声源反射回去而不再向前传播，从而达到消声的目的。抗性消声器对低频和低中频有较好消声性能。共振型消声器属抗性消声器范畴。它适用于低频或中频窄带噪声或峰值噪声，消声频率范围窄。复合型消声器(阻抗复合，阻性和共振复合)则可发扬各自的优点，但价格较贵。

在进行喷射类噪音减噪时，首先测量噪音的频谱，根据频谱特征，判断该噪音属于高频、中频、低频还是混合宽频。若噪音主要集中在中高频，则优先选用阻性消音器；若噪音主要集中在低频，则优先选用抗性消音器；若噪音带频较宽，可考虑采用复合型消声器。

此外，国内科研工作者在近些年研发的新型消声器中有一类微穿孔板新型消音器[3-4]。这类消声器的特点是在薄的金属板上钻许多丝米级微孔取代通过多孔吸声材料实现消声的传统消音方法实现消声的。在结构形式上看，微穿孔板消声器跟阻性消声器很相似。其原理是在金属板上钻很多丝米级微孔，微孔板后留下一定空腔，成为微穿孔板吸声结构，达到消音的效果。该型消音器广泛适用于化工装置高温、潮湿、油雾等环境，其减噪效果一般为15～40 dB。这类消声器的优点有耐高温、耐油、防水，气流再生噪声低，但是该类型消声器的使用也应满足一定的条件要求，如避免高尘环境等，选用时应注意。

2.3旋转噪声及涡流噪声的控制技术

旋转噪声及涡流噪声的控制应从设计选型阶段的主动降噪及后期的被动降噪两方面入手[5]。

通过控制噪声源从而降低噪声的方法称为主动降噪方法。旋转噪声及涡流噪声的噪声源为压缩机、风机等机械设备在做高速旋转过程中形成的。因此在设计选型阶段，应选择最佳的结构型式及合理的转速，提高加工精度及装配质量，使之达到最优化设计而降低旋转噪声及涡流噪声。

被动降噪方法是指通过切断噪声的传播途径从而达到控制噪声的目的。被动降噪的方法可以分为消声、隔声、吸声等方法。其中消声即指通过安装消声器实现噪声控制。隔声及吸声则是通过隔声吸声材料进行，通过金属等密度高的材料将噪声源封闭在一个空间内与外界隔绝，减少噪声向外界的传播，当噪声源所在空间完全封闭时，声源所发出的声音将在隔声材料面上多次反射，增加隔声空间内的声能密度，使得隔声量迅速下降。另外同时在隔声空间内部添加吸声材料，将声能耗散成热能，减少声波的反射，从而达到控制噪声的目的。

2.4电磁噪声的控制技术

在电磁噪声的诸多控制技术中，变频电机定、转子槽配合的合理选择对降低电磁噪声具有决定性的意义。为了限制电磁噪声，应选择合适容量的电机并配合适合的转子槽配合[6]，不存在既适用于小容量电机，又适用于大容量电机的选择槽配合的通用规则，因为小容量电机和大容量电机定子铁心的共振特性是不同的。其次，转子斜槽是降低电磁噪音的有效办法，采用转子斜槽后，槽配合选择的范围扩大，可有效控制电磁噪声的产生[7]。第三，除了电磁设计参数外，定子结构刚度、固有振动频率等都对电机的电磁噪音发生影响。因此，为了设计选用出低噪声的变频电机，必须对槽配合和定子铁心的共振特性进行综合分析，择优选用。

3　结　论

化工装置作为化工生产的基本形态，有别于其他类型生产装置，具有高温、高压、各类动设备种类繁多、管道复杂等特点。另外，由于在正常操作及开停车过程中，经常由于叶轮高速旋转、机械振动、高压放空等操作而会产生刺耳的噪声现象。本文结合化工装置生产的特点，从化工装置噪音产生的部位及原因分析入手，提出有针对性的噪声控制技术，在化工设计及生产改造中，具有一定的指导意义。

[1]黄泽淦,齐忠流.化工厂喷射噪声消声器的设计及应用[J].化工环保,1993,13(2):100-109.

[2]赵子琴.管道振动的减振方案及工程应用[J].管道技术与设备,2011(3):54-56.

[3]马大猷.微穿孔吸声体的准确理论和设计[J].声学学报,1997,22(5):385-393.

[4]刘克.微穿孔板和微缝板吸声体研究进展[J].应用声学,2012,21(1):3-6.

[5]毛义军,祁大同.叶轮机械气动噪声的研究进展[J].力学进展,2009,39(2):189-202.

[6]李广.变频电机电磁噪声分析及改进[J].电机与控制技术,2009,36(4):55-57.

[7]邵建清.改善三相异步电动机电磁噪音的探讨[J].电机技术,2000(4):31-33.

Study on Noise Control Technology of Chemical Plant Installations

GUOHao

(Shaanxi Yanchang Petroleum Group Beijing Petrochemical Engineering Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710075, China)

Noise is one of the four pollution sources which endanger human health. There are many kinds of noises generated during chemical processes. Combing with the operation of chemical processing units, it was pointed out that the chemical process noises were classified as shaking noise, jetting noise, rotating noise and electromagnetic noise based on the reasons of the noise originated. Some dedicating solutions were applied according to different noise causations. For instance, vibration isolator and elimination of piping excitation were taken into account to reduce shaking noise, silencer was installed to reduce jetting noise, optimal model selection method and noise insulation were adopted to reduce rotating noise, optimal rotor slot, flume rotor and increasing strength of stator were employed to reduce electromagnetic noise.

chemical plant; noise; noise reduction

郭浩(1981-)，男，西北大学硕士，工程师,，主要从事石油化工工程设计。

TU112.3

A

1001-9677(2016)010-0185-03