燃气电厂立式余热锅炉低频噪声控制

钟振茂,赵迎九

(华电重工股份有限公司，北京 100077)

燃气电厂立式余热锅炉低频噪声控制

钟振茂,赵迎九

(华电重工股份有限公司，北京 100077)

某燃气电厂的立式余热锅炉噪声很大，低频突出，且由于布局较紧凑，常规的整体隔声围护措施无法实施。为此，针对该类型锅炉的低频噪声进行研究，表明其低频噪声主要来自于高温烟气流经换热管阵时产生的涡流脱落噪声，根据分析结果，研发了燃气电厂立式余热锅炉低频噪声源头治理成套装置，放置在锅炉内部，消除低频噪声。产品在实际中进行了应用，结果表明，该装置能够降低锅炉低频噪声，明显改善周边声环境。

声学；立式余热锅炉；低频噪声；涡旋脱落；成套装置

某燃气电厂有4台燃气轮机机组，配套有四台立式余热锅炉，厂区周边正在建设大型居民社区。我公司在为该厂设计全厂噪声治理方案时，发现该厂的余热锅炉的体量大，噪声高，尤其是低频噪声十分突出，相距很远也能明显听到锅炉的声音。由于低频噪声的波长长，随距离的衰减慢，对厂区和周边环境影响很大，必须进行降噪改造。如果采用常规的整体围护的降噪措施，势必要对锅炉结构进行加固，尤其是基础部分。但是该锅炉周边布局比较紧凑，紧邻主厂房、燃机和变压器等设备，且锅炉地下综合管线很多，结构加固的难度非常大，几乎不可能实现。为此，我们对这种立式余热锅炉的低频噪声的产生机理进行研究，寻求低频噪声的来源，准备从噪声源头控制低频噪声。

本文首先介绍了立式余热锅炉的噪声测试情况及模拟分析结果，揭示了立式余热锅炉低频噪声的主要来源，随后针对锅炉低频噪声的产生机理，研发了从锅炉内部直接降低低频噪声的装置，并进行了性能测试和实际工程应用。

1 立式余热锅炉噪声的测试分析

1.1 立式余热锅炉简介

余热锅炉是利用工业企业炉窑及其它余热热源设备产生的余热而生产蒸汽或热水的一种供热设备，燃气电厂的立式余热锅炉可充分利用燃机燃烧排放的高温烟气进行换热，提高发电效率。根据锅炉受热面的布置方式，余热锅炉可分为立式和卧式两种，立式余热锅炉的换热管阵在锅炉内自下而上水平放置，温度达500多度的高温烟气自水平烟道传入锅炉，向上经过各层水平鳍片换热管阵进行换热，最后由烟囱排出。

图1 立式余热锅炉炉内示意图

1.2 锅炉噪声测试数据

为了准确了解该余热锅炉本体的噪声情况，采用多通道数据采集仪对噪声数据进行了测试和分析。

图2 某厂余热锅炉外景

得到的测试数据如下：

从数据上可以看出，余热锅炉噪声中80 Hz的1/3倍频程段数据有明显峰值，而敏感点处的噪声中也是80 Hz的1/3倍频程数据最为突出，这也说明余热锅炉的噪声对厂外敏感点影响最大，证实了之前的推测。

图3 余热锅炉炉壁外噪声

图4 烟囱出口及烟囱壁噪声

图5 对应厂界外200 m处敏感点测试噪声

1.3 锅炉内部声场分析

为了摸清楚余热锅炉噪声中低频成分的确切来源，我们对高温高速烟气流经余热锅炉内的高压过热器和除氧蒸发器等换热管阵时的流场、温度场和声场进行了模拟分析，详见文献[1]所述。

通过模拟分析，发现烟气在流经换热管阵的不同管层时确实存在明显的涡旋脱落现象，烟气流经底层的管子时形成了规律的尾涡，左右交替脱落；顺着烟气流向，越靠后的管子其涡旋脱落越复杂。

进一步研究，得到了高压过热器的鳍片管阵的涡旋脱落噪声特征频段73.6 Hz～76.1 Hz，与现场测得的噪声频谱特征频段高度吻合。

表1 烟气热力学参数

图6 高压过热器管阵模型的截面涡量分布

1.4 锅炉低频噪声来源分析

锅炉内部烟气流经换热管阵时产生的涡旋脱落噪声频率与测量得到的锅炉噪声中的低频成分很吻合，另一个可能的来源是燃机排烟口传递过来的噪声。为了进一步分析锅炉低频噪声的来源，根据设备厂家提供的燃机排烟噪声声功率，结合锅炉内通道传声损失，可以估算出燃机排烟噪声传递至锅炉各部位时的声级。

通过实测的炉墙外辐射噪声声级，再加上炉墙的隔声量，可以获得对应位置炉内噪声的间接测量声级。

从下图可以看出，低频倍频程带上，锅炉内部噪声间接测量声级明显高出燃机排烟噪声在锅炉的声级。

图7 锅炉本体各层段噪声间接测量结果与燃机排烟噪声在锅炉本体内部的比较

这表明锅炉噪声中的低频成分应主要来自于锅炉内部的换热管阵涡旋脱落噪声，而中高频成分则来自于燃机排烟噪声。

进一步的分析可以发现，锅炉换热管阵之间空腔的简正频率与涡流脱落噪声频率相接近，从而有可能产生驻波。

2 立式余热锅炉噪声控制

2.1 设计原理

立式余热锅炉的噪声中低频成分十分突出，而低频噪声波长长，随距离衰减慢，是噪声控制中的难点，常规的消声措施很难取得效果。

锅炉噪声的低频成分来自于高速流动的烟气流经各个换热管阵时产生的涡流脱落噪声，最好的控制方法是在设计换热管阵时采取措施消除涡流脱落，而针对在役锅炉，大规模的更换新的换热管阵是不现实的。为此，考虑消除该低频噪声在空腔内的共振，并进行一定的消声，来实现降低低频噪声的目的，具体是在换热管阵之间的空腔位置放置专门设计的低频吸声结构。

鉴于炉内烟气属于高温、含杂质的气体，常见的多孔吸声材料难以抵抗高温且容易堵塞，故考虑使用（微）穿孔板吸声体结构。

（微）穿孔板吸声结构体是由穿以大量小孔的薄板，再加板后的空腔组成。它是共振吸声体，可以看作具有声阻和声抗的声学元件，其构造和等效电路如图8所示。

图8 (微)穿孔板吸声结构及其等效电路

图中R、M分别为（微）穿孔板的声阻和声质量，ZD为板后空腔的声容，微穿孔板的声阻抗率是R+jωM，板后空腔的声阻抗率是ZS空腔，声源是入射声波，根据Thevenin定律，等效声源是开路（流为零，即在固体表面前）的声压和内阻抗，即2P，ρ0c0。

根据等效电路可求出吸声系数α，即线路中消耗的能量与入射的能量（或最大能量）之比，在正入射时，吸声系数等于

根据上述理论可知设计关键在于根据噪声特性匹配并计算穿孔板的声阻抗率和空腔的声阻抗率。

表2 燃机排烟噪声（倍频程）与涡旋脱落噪声贡献量/(%)

穿孔板吸声体的吸声系数具体可表示为

由上可知，通过合理设计板厚t，孔径d，穿孔率σ，空腔深度D，可在一定气体工况下，求得r，m，进而计算出该结构的吸声系数曲线。

2.2 结构设计

考虑到最终设备须放置在锅炉内部，设备不宜过大，避免影响烟气流动，且荷载不宜过大，不能影响锅炉的安全运行。

根据前面提到的吸声系数公式，针对该余热锅炉噪声中的低频成分频率为80 Hz，进行了多种参数的比选，在满足吸声要求的同时，还要综合考虑设备的正常运行不受影响。

从仿真分析结果看，设计的降噪结构在80 Hz的中心频率处都有超过0.9的吸声系数，1/2最大吸声系数均达到两个1/3倍频程，满足低频吸声的设计要求，如表3所示。

根据设计的设备参数加工了多个厚度约500 mm的样品，在400×400 mm的土建驻波管内进行了测试，测试结果如表4。

表3 不同管层穿孔板吸声屏障吸声效果

表4 测试样品各频率对应的吸声系数

测试结果表明设计的低频吸声结构十分有效，因此考虑在锅炉内部各个不同换热管阵之间的空腔内对角放置不锈钢材质的吸声结构，破坏低频噪声在空腔内形成驻波。

2.3 工程应用

对该厂的一台余热锅炉进行了降噪改造实验，改造完成后进行了噪声测试。测试结果表明，余热锅炉本体外噪声降低了5分贝左右，烟囱出口处噪声由原来的94.5 dB(A)降低至77 dB(A)，63 Hz倍频程处噪声降低了18 dB(A)，同时锅炉的性能没有受到影响。

按照这种方法对余热锅炉进行降噪改造，与传统的余热锅炉整体隔声围护做法相比较，不但降噪效果好，而且使得像这类在役余热锅炉的降噪改造成为可能。这种方法的降噪成本较以往大为降低，同时施工方便，周期短，减少了电厂长期停产造成的经济损失。

图9 锅炉烟囱出口治理前后噪声比较

3 结语

本文介绍了对某燃气电厂的立式余热锅炉噪声的测试和分析情况，证实了余热锅炉低频噪声对周边敏感点影响很大，是主要噪声源；立式余热锅炉噪声中的低频成分来自于高速烟气流经换热管阵时产生的涡旋脱落噪声，而中高频成分则来自燃机排烟噪声。

针对厂内余热锅炉无法采取整体隔声围护的现状，研发了新型的余热锅炉低频噪声源头治理成套装置，并进行了实验和工程应用。

工程应用结果表明，该装置的降噪效果显著，达到了预期的目的，且降噪成本大为降低。

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Low Frequency Noise Control of Vertical HRSG in a Gas Power Plant

ZHONG Zhen-mao,ZHAO Ying-jiu
(Huadian Heavy Industries Co.Ltd.,Beijing 100077,China)

Low-frequency noise of the vertical heat recovery steam generator(HRSG)of a gas power plant is found to be very large.Because of the compact layout in the plant area,the conventional whole sound insulation enclosure measures cannot be implemented.Therefore,the low-frequency noise of this type vertical HRSG is investigated.It is found that the low frequency noise mainly come from the vortex shedding when the hot smoke flows through the heat-exchange array. According to the results of analysis,a noise source control device for the vertical HRSG of the gas power plant is researched and developed and assembled inside the HRSG.As a result,the low-frequency noise of the HRSG is significantly reduced and the surrounding acoustic environment is greatly improved.

acoustics;vertical HRSG;low frequency noise;vortex shedding;a series of devices

TK229.92；TB533.1

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.03.043

1006-1355(2017)03-0211-05

2016-12-02

钟振茂（1976－），男，山东省栖霞市人，研究方向为噪声控制。E-mail:hongzm@chec.edu.cn