燃气输配中的噪声及其控制方法

范国磊 霍 平 庞 巍

费希尔久安输配设备(成都)有限公司, 四川 成都 610045

0 前言

在燃气输配过程中,随着传输介质在缩流断面处从静压转换为动能,高速射流也随之产生。这些高速射流可以达到亚音速、音速甚至超音速,伴随着湍流[1]和冲击波,很多噪声问题便随之而来。如果不加以控制,就会对人员和设备造成危害。GB/T 50087—2013《工业企业噪声控制设计规范》要求[2],各类工作场所噪声限值最高为85 dB(A)；GB 12348—2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》的要求[3],“以工业生产、仓储物流为主要功能,需要防止工业噪声对周围环境产生严重影响的区域,工业企业厂界环境噪声昼间不得高于70 dB(A),夜间不得高于55 dB(A)”；GB 3096—2008《声环境质量标准》的要求[4],各类声环境功能区使用的环境噪声等效声级最高限值昼间不得高于70 dB(A),夜间不得高于60 dB(A)。因此,如何降低燃气在输配过程中的噪声,已成为设计人员急需解决的问题。

1 噪声源的分析

1.1 阀门产生的噪声

阀门是燃气输配过程中的核心部件,用于调节压力和流量。在燃气输配过程中,阀门通常产生机械振动噪声和空气动力学噪声。

1.1.1 机械振动噪声

在燃气输配过程中,气体会冲击阀芯及其关联的零部件,从而引起阀芯和关联零部件的低频振动、高频振动或固有频率振动,从而产生机械振动噪声[5-6]。此类噪声产生的主要原因与阀门的设计间隙、机械加工精度、零件的选材、生产装配质量和阀门的固有频率等因素有关。机械振动噪声不是阀门的主要噪声,甚至可能是有益的,因为它可以警告存在可能产生故障的情况。机械振动噪声在很大程度上可以通过改进设计而消除,并且通常被认为是结构问题而非噪声问题。

1.1.2 空气动力学噪声

当气体通过阀门内的减压部位和阀门出口扩径部位时,气体的机械能转换为湍流而产生的噪声称为空气动力学噪声[7-9]。在能量转化过程中,多数能量会转变为热量,少数转变为声能。在高、中压调压站的运行中,产生的噪声值可达100 dB(A),在某些极端情况下可以达到120 dB(A),这一数值远远高于工作场所噪声限值最高值85 dB(A)。空气动力学噪声对人体会造成极大危害,必须加以控制。

在燃气输配的阀门噪声中所占比例较大,频率约800～8 000 Hz,处于人耳最敏感的频率范围内[10]。这种噪声可以通过技术措施降低,但是无法完全消除。

1.2 管道传输中的噪声

随着燃气介质通过节流口到达阀门的出口,噪声一直向下游传播,在声波到达人耳之前,一般不会引起关注。管道内流体产生的噪声会与管道内壁互相作用,并引起管壁振动,这种振动与空气相互作用而产生声波,而当剧烈振动的声波强度超出一定范围要求时,就不得不采取措施使之降低到安全范围。

当高速流动的燃气与管道内壁摩擦碰撞时,燃气流速越快,其管道内产生的噪声越大[5]。由于管道具有不同形状、尺寸、密度等物理特性,它们决定了噪声通过管道传输的强度,并使其具有不同的属性。

2 燃气输配中噪声控制措施

2.1 阀门产生的噪声控制措施

阀门通常作为调压和调流的控制设备,承载着燃气传输中高压差和高流速,其产生的湍流和冲击波,是整个燃气输配设备中噪声重要来源。

阀门产生的噪声一般通过消音器来降噪,通常分为内置消音器和外置消音器[11]。内置消音器置于阀门内部,通过提高噪声的振动频率或分级压降等技术来实现降噪；而外置消音器通常位于阀门的出口法兰处或下游管道中,通过限流、限速、分级压降或能量转化等方法来降低噪声。

2.1.1 内置消音器降噪

1)平行间隙阀笼法:平行间隙阀笼见图1,拥有许多平行窄槽,用以减少紊流并在其圆柱的表面上形成均匀的速度分布。该方法能够降低15～20 dB(A)的噪声,而阀门流通能力略有降低或者保持不变。

图1 平行间隙阀笼示意图Fig.1 Cage with parallel clearance

2)单级多孔阀笼法:单级多孔阀笼见图2,通过小孔打破流体中的湍流,并将声音的振动频率转移到高于人耳听觉的频率范围,从而降噪。该方法的降噪随着孔径的缩小而效果越好,但成本也会随之增加。通常能降低10～20 dB(A),受工况影响,降噪能力变化很大。

3)迷宫阀笼法:迷宫阀笼见图3,由多层叠加的圆盘组成[12],每个圆盘都刻有多个弯曲通道的图案。多个通道提供分流,通道中的多个弯曲通道提供压降分级。在设计中可以设置10次甚至更多的方向变化,使每次压降只占总压降的一部分。这种设计在降低空气动力噪声方面非常有效,能够将噪声降低20～30 dB(A)。

图2 单级多孔阀笼示意图Fig.2 Cage with single stage porous

图3 迷宫阀笼示意图Fig.3 Labyrinth cage

4)单流路多级压降阀笼法:单流路多级阀笼见图4,通过多级阀芯的台阶进行节流,使得高压差的流体沿着阀芯轴线的方向流动,通过阀芯和阀笼的特殊设计,使得流体不断地转弯来降低流体的压降和流速,以达到降低出口处噪声的目的。

图4 单流路多级压降阀笼示意图Fig.4 Cage with single flow multi-stage pressure drop

2.1.2 外置消音器降噪

通常对于降噪要求较低的场合,使用内置消音器即可将噪声降低至85 dB(A)以下。而对于高压差的场合,单独使用内置消音器很难将噪声降低到85 dB(A)以下,此种情况下,通常采取的措施是内置消音器和外置消音器一起使用[13]。常见的外置消音器有串联限流消音器、出口扩径消音器和STP消音器。

1)串联限流消音器:串联限流消音器见图5,对于高压差的应用场合,利用串联限流方法,将总压力降分配给控制阀和位于控制阀下游的固定限流器可以有效地降低噪声。通常会产生一定背压,为了最好地发挥限流器的作用,必须针对每一种给定的工况设计限流器,使阀门和限流器产生的噪声值相等,以降低噪声,通常可使噪声降低10～15 dB(A)。

图5 串联限流消音器示意图Fig.5 Series current limiting silencer

2)出口扩径消音器:出口扩径消音器见图6,该消音器主要作用是矫正阀门出口处的湍流,避免流体形成较大的涡流;同时锥形筒截面积逐渐增大并且分阶梯的多孔板使得出口压降和流速分级降低,从而更大程度地降低噪声，通常可使噪声降低15～25 dB(A)。

图6 出口扩径消音器示意图Fig.6 Outlet expander silencer

3)STP消音器:STP消音器也称为吸音消音器见图7,由1个或多个包覆隔音材料的多孔通道组成。声音渗透到隔音层内部,并通过摩擦转化为热量。其降噪效果与隔音材料、孔隙率以及消音器的长度有关,大约每 1 m 长度可降噪10 dB(A)。STP消音器通常安装在下游管道中,并由法兰固定。

图7 STP消音器示意图Fig.7 STP silencer

2.2 管道传输中的噪声控制措施

2.2.1 控制燃气流速

根据质量守恒定律可知,在稳定流动过程中,管道内各截面处的质量流量均相等,并且不随时间而变化。可用一维定常流的连续性方程[14]表达,见式(1)。

qm=ρVA=常量

(1)

由式(1)可知,在设计流量一定的情况下,燃气流速取决于管道横截面积。所以增大管道的直径可以降低燃气流速。但是,增大管道直径将会造成所有连接设备尺寸的增加,这样将大大增加设备的成本。而如果选择的管道直径过小,不仅会产生较大的噪声,而且产生的高流速还会对管道和阀门等设备内壁造成严重冲蚀,从而减少设备的使用寿命。

因此,在设计过程中传输管道直径需要结合以上因素的影响来确定。同时,还应考虑GB 27791—2020《城镇燃气调压箱》对管道流速的规定[15]:“除特殊管段外,调压器后直管段气体流速不应大于25 m/s,过滤器前气体流速不应超过20 m/s”。

2.2.2 增加管道壁厚

管道壁厚能够在一定程度上影响噪声的传播,管道壁厚越厚,对噪声的衰减效果就越好。根据GB/T 17213.15—2017《工业过程控制阀 第8-3部分:噪声的考虑 空气动力流流经控制阀产生的噪声预测方法》[16]和IEC 60534-8-3—2010Control valve aerodynamic noise prediction method[17]，通过计算,每增加一个壁厚系列,管道内燃气的噪声声压等级大约降低2～7 dB(A)。不同管道壁厚的相对降噪值见表1。

表1 不同管道壁厚的相对降噪值表Tab.1 Relative noise reduction values for pipes with different wall thicknesses

2.2.3 外部声学隔离

外部声学隔离就是对气体的传输固体边界进行声学隔离,使用保温棉、隔音棉或建筑物等把噪声源隔离开，这种途径处理法是经济而有效的局部噪声降低技术。但是,噪声在气体中传播的距离很长,而且外部隔离的效果也随着处理措施的终止而结束[18-19]。

随着保温棉或隔音棉的厚度增加,其隔音效果也越好。通常每增加25 mm保温棉可以降噪5 dB(A),最多可以降噪12～15 dB(A)；而每增加25 mm隔音棉可以降噪10 dB(A),最多可以降噪20～25 dB(A)。常见的保温棉和隔音棉结构见图8～9,由于隔音棉比保温棉多了1层铅板和矿物棉,其隔音效果也更好,保温棉和隔音棉具体的降噪效果见图10。

图8 典型的保温棉截面图Fig.8 Cross-section of typical insulation cotton

图9 典型的隔音棉的截面图Fig.9 Cross-section of typical acoustic insulation cotton

图10 保温棉和隔音棉的降噪值曲线图Fig.10 Noise reduction values of common insulation cotton and sound insulation cotton

2.3 汇管产生的噪声及控制措施

汇管是燃气输配过程中必备的设备之一,其作用在于汇聚和分流燃气[20]，与管道和阀门连接,一般用于燃气调压站的入口处和出口处。当燃气介质从入口流入汇管,由于空间体积的突然膨胀,以及不同入口气体的相互作用,气体流态变得非常复杂,并会产生较大的湍流。这时产生的噪声声波,通常会以数倍于入口截面积的表面积向外辐射。因此汇管内较大的噪声也是燃气输配过程中主要噪声源之一。

2.3.1 生产工艺产生的噪声

汇管通常由支管和筒体组成,筒体一般采用钢板卷制或者用无缝钢管焊接而成。在支管与筒体连接时有两种常用制造工艺形式：一种采用在筒体上气割开孔,而后与支管焊接连接；另一种采用在筒体上开口模压拔制,然后通过焊接与支管连接。开口模压拔制的支管和筒体连接为规则的圆弧面平滑过渡,而气割开孔的支管与筒体之间形成相互垂直的结构,不存在平滑的过渡圆弧面。因此,在相同的使用工况下,开口模压拔制的气流相对更加平缓,形成的噪声也更小。

2.3.2 布局方式产生的噪声

利用Ansys Fluent软件模拟了汇管内的速度场,由于出口支管的引流作用,由入口支管喷射的介质在接近管壁时向出口移动，见图11。结合主管壁附近的边界层的影响,汇管内部涡流形成,并成为汇管中噪声的主要来源[21-22]。

图11 基于Ansys Fluent的汇管速度场分布图Fig.11 Manifold velocity field distribution based on Ansys Fluent

因此,在设计汇管时,入口支管和出口支管的布局也必须考虑。通常可以采用以下两种方式:一种是将入口支管和出口支管分别连接在2个不同的汇管上,然后用1根管道与2个汇管连接起来；另一种是入口支管和出口支管分别布置在汇管筒体的同一侧或两侧,避免燃气流束干扰产生涡流。

2.3.3 汇管各组成部分截面积变化产生的噪声

筒体截面积大于支管截面积,当燃气从入口支管汇入筒体时流速降低,当燃气从筒体分流至出口支管时流速增加,增加的流速会在汇管和出口支管的交接处形成较大的涡流,从而产生噪声,为了避免该噪声,设计时需要考虑以下两点。

1)所有汇入筒体的支管总截面积要基本等于所有出口支管的总截面积。

2)筒体的截面积大于所有入口支管总截面积或所有出口支管总截面积的1.5～2倍。

2.4 管道附件产生的噪声及控制措施

与所有其他湍流原因一样,变径管、弯头、汇合节点、分支管和歧管等都会产生速度分布不均,造成不同程度的湍流,进而形成产生噪声。由于极端问题的复杂性,不可能基于简单的方程计算,但是在设计中应当避免不当设计，推荐设计和应该避免的管道附件设计案例见表3。

表3 推荐和应当避免的管道附件设计表Tab.3 Recommended and avoided pipe accessory designs

2.5 其他降噪控制措施

1)封闭埋地：将燃气输配设备封闭地下,可利用从设备到地面的距离及隔离物体,有效将噪声控制在要求范围内,见图12。

2)物理隔离：通过在箱体内壁附加隔音或吸音材料,可将噪声有效地封闭在箱体内,以减少噪声的影响，见图13。

3)位置选择：对于产生过高噪声的燃气传输设备,尽可能布置在城镇居民集中区的当地常年夏季最小频率风向的上风侧[2]。

图12 设备封闭埋地示意图Fig.12 Example of equipment enclosed and burried

图13 物理隔离示意图Fig.13 Example of cabinet isolation

3 结论

随着城市化进程和工业化的发展,国家燃气管网对大型的传输设备的需求越来越多,燃气传输过程中噪声成为设计人员亟待解决的问题。本文结合工作实践总结了常用的噪声控制技术,并提出多种降低燃气传输环节噪声的措施,以降低环境噪声对人员和设备的危害。