新型復合式小孔消音器在高壓燃氣管道放散降噪的應用研究

朱子丹

（天津市眾元天然氣工程有限公司 天津 300250）

城市經濟的快速發展對環境文明的要求越來越高，隨著燃煤鍋爐不斷被燃氣鍋爐的取代，我們對燃氣的需求也越來越大[1]。尤其是近年來天津市“煤改氣”工程已如火如茶的展開，預計到2015年，將完成中心城區和濱海新區燃煤供熱鍋爐改燃或并網改造，到2020年，中心城區、濱海新區和環城四區將建成基本無燃煤區。燃氣管道需要進行長距離輸送，以中/低壓為主的城市燃氣輸配方式已不能滿足需求。隨著城市規劃的燃氣管道管徑越來越大、壓力級制越來越高，高壓燃氣管網得以迅速發展[2]。在高壓燃氣管道安裝后,需要進行試壓實驗以確保高壓燃氣管道的安全[3]。而試壓結束后放散過程中產生的刺耳噪音，將會給周圍的環境帶來嚴重的噪聲污染問題。因此必須采取措施對其進行消音減噪。其中，小孔消音器以體積小、重量輕、加工安裝簡單、消聲量大等優點成為較為理想的消音裝置。

本文提出了一種新型復合式小孔消音器，它是根據節流降壓與小孔消音的原理相結合設計而成的。通過逐級擴容降壓后，消聲器出口管道的氣流的壓力和流速將會大幅度降低，從而達到消音的效果。文中對比了安裝該消音設備前、后高壓燃氣管道放散試驗的管段噪聲值，得出了新型復合式小孔消音器能滿足實際工程降噪要求的結論，可將其應用于高壓燃氣管道的放散降噪。

1 高壓燃氣管道噪聲產生原因及其控制措施

根據《城鎮燃氣設計規范》（GB50028—2006）壓力分級[4]：高壓A為 2.5MPa＜P≤4.0MPa，高壓 B為 1.6MPa＜P≤2.5MPa。高壓燃氣管道輸送天然氣時，輸送溫度為-19℃至60℃。

1.1 分析管道噪聲產生的原因

管道噪音屬于空氣動力性噪聲，它是由于空氣流動或物體在空氣中運動而引起空氣渦流、沖擊，或者壓力突變導致空氣擾動而形成的。高壓燃氣管道放散過程產生噪音的原因是：在管道出口端氣體壓力急劇下降、氣體體積迅速膨脹，通過出口時，氣體沖擊管道、閥門等有形物體，致使氣體微型氣團相互擠壓、碰撞、摩擦，并形成局部強烈的湍流和渦旋甚至對有形物體形成氣蝕，從而形成噪音；同時，氣體在沖出管口段形成高速氣流的激烈振蕩也將形成強噪音。

1.2 控制噪聲的措施

分析噪聲產生的原因是為找出合適的控制噪聲的途徑，不同噪聲產生的原因，噪聲控制的途徑不同。對聲源的控制有兩條途徑：一是改進結構，以降低聲源的噪聲發射功率，包括提高其中部件的加工精度和裝配質量、采用合理的操作方法等；二是利用聲的吸收、反射、干涉等特性，以控制聲源的噪聲輻射，包括采用吸聲、隔聲、減振、隔振等技術及安裝消音器的措施等。從聲源上降低氣流噪聲可由幾方面著手，包括降低流速，減少管道內和管道口產生擾動氣流的障礙物，適當增加導流片，減小氣流出口處的速度梯度，改進管道連接處的密封性等。燃氣管道在放散過程中所產生的降噪屬于控制聲源的噪聲輻射，同時考慮到燃氣管道放散特性，通常在工程中采用加裝消聲器的降噪措施。

1.3 消音設備的選型

對于消聲裝置的選擇：首先，對于高壓燃氣管道，消音設備的材質及連接消音設備的連接螺栓均須要耐壓；其次，在管道內不可避免的存有一些雜物，放散試驗時，雜物在氣壓氣流的作用下隨著高壓空氣一起噴出，這將直接影響消音設備的正常運行，因此消音設備須具備能夠濾掉這些雜物的防塵網；第三，具備降噪功能。

在以上的基礎上，本文提出采取安裝新型復合式小孔消音器的方法來控制噪聲，它是根據節流降壓與小孔消音原理相結合而設計。這種新型復合式小孔消音器的使用能有效降低噪聲的產生和傳播，且不影響氣流的通過。小的孔徑能提高吸聲系數，低的孔隙率能增加吸聲頻帶的寬度，孔板深度能改變共振吸聲峰的位置。此外，還做了如下改進：（1）選擇焊接性能好并對小孔局部集中應力不敏感的塑性金屬作為制作材料；焊接采用電弧焊，與放散口的連接采用法蘭形式以抗高壓；（2）在設備中加了一層濾網，截住放散試驗時產生的雜物，防止消音器小孔的堵塞。

2 新型復合式消音器的設計原理

新型復合式小孔消音器是由排氣管、連接螺套、消聲筒和筒芯等組成。它結合了抗、噴、阻三種不同消音原理，并采用逐級擴容降壓的原理降低噪音，如圖1所示。

圖1 新型復合式消音器示意圖

當壓力高而流速快的氣流通過消音器時，利用節流降壓作用降低小孔噴注前的駐壓，預先消耗部分聲能，再與小孔降噪通過適當結構復合而成，以達到較高的消聲量。在消聲器連接管道進口截面處安裝節流孔板，孔板截面面積由排氣量流量的大小確定，當高壓氣體通過多級串聯的節流孔后，其壓力及流速均降至臨界值，不會產生激波噪聲，可達到降噪的初步效果；氣流經過節流板后以相同的流量通過小孔噴口向周圍環境排放，排放的噴口直徑愈小（一般選為1～3mm），噴注的噪聲頻率愈高，利用這一聲學特性可將人耳聽覺最敏感的250～5000Hz附近的一個噪音“鴕峰”，移至可聽聲之外，進而達到消聲目的。需要指出的是，在節流降壓后消聲器噴注層的駐壓將大大降低，因此其在強度設計所需要的壁厚也將降低，這降低其鉆孔的難度。

3 工程應用

作為天津市燃氣供應的樞紐工程，寶靜大二期工程和津沽燃氣輸氣管網工程均使用了該新型復合式消音裝置，該消聲設備采用了四層擴容降壓結構，外加阻聲罩。管道設計壓力均為4.0MPa，氣密性試驗壓力為4.6MPa。該消音設備的技術特性如表1所示。

表1 新型復合式小孔消音器技術參數表

圖2 安裝新型復合式消音器前后噪聲對比值

為驗證該消音器是否符合環保要求，于2012年10月選擇管道穿越段的一部分進行了放散試驗，對其噪聲值進行了測試。圖2給出了安裝消音器前后噪聲值分布規律以及降噪量的變化：原管道排氣放散噪聲值分布在110～126dB（A），安裝該消音設備后在同樣的排氣量下，噪聲降至60～65dB（A），滿足了環境噪聲小于80dB（A）的環保要求；經計算降噪量達致45～60 dB（A），如圖2。

4 結語

本文分析了高壓燃氣管道噪聲產生的原因，研究了新型復合式小孔消音器在高壓燃氣管道放散降噪的應用，并對實際工程進行了測試。結果表明：安裝使用該新型復合式小孔消音器后取得了明顯的降噪效果，原燃氣管道排氣未安裝該消音器時，噪聲值最高達126dB（A），安裝后在同樣的排氣量下，噪聲值降至 60～65dB（A），降噪量達致 45～60dB（A），滿足了環保降噪要求。

[1]盛曉文,馮慶祥.燃油燃氣鍋爐的應用及前景展望[J].哈爾濱建筑大學學報,2000,33.1:121-125.

[2]彭海濤,郭丹,段明盛.城市燃氣管道環境風險評價和管理探討[J].油氣田環境保護,2013,23(5):68-71.

[3]呂瀛.城鎮燃氣調壓工藝[M].重慶：重慶大學出版社，2011.

[4]GB50028—2006.城鎮燃氣設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2006.