淺談井場柴油機噪聲污染控制

楊新順蔣根華余利軍郝麗軍崔　凱鄭盈俊

（1.南陽二機石油裝備（集團）有限公司；2.中國石油技術開發公司）

淺談井場柴油機噪聲污染控制

楊新順1蔣根華2余利軍1郝麗軍2崔凱2鄭盈俊1

（1.南陽二機石油裝備（集團）有限公司；2.中國石油技術開發公司）

對野外石油鉆井用柴油機噪聲特點進行研究，對柴油機排氣噪聲、機械噪聲、風扇噪聲等采取消聲、吸聲、隔聲、減振等綜合防治措施達到降噪的目的。同時，對隔聲降噪房采取溫度控制措施，有效避免惡性事故的發生。通過柴油機的噪聲治理，可有效降低井場噪聲污染，達到GB/T 50087—2013《工業企業噪聲控制設計規范》中不超過85 dB（A）的排放要求。

柴油機；噪聲；隔聲；吸聲；降噪

0　引 言

石油鉆井作業產生噪聲污染和危害。井場噪聲遠遠超出了排放標準和環境容許水平，影響環境和職工的身心健康。以澳大利亞等國家的石油鉆機為例：只有符合職業噪聲接觸極限8h噪聲極限值為85 dB（A）的產品才允許進口。我國在職業噪聲危害方面也頒布了GBZ 2.2—2007《工作場所有害因素職業接觸限值物理因素》法規。

鉆井作業的噪聲源設備很多，對這些設備的噪聲測量分析表明，占突出地位的是作為鉆井動力的柴油機，其噪聲高達110 dB（A）以上［1］，場界噪聲80 dB（A）以上。其聲級比其它噪聲源設備高20 dB（A）以上。通過柴油機噪聲綜合治理，有效降低了井場噪聲污染，達到工業企業噪聲≤85 dB（A）的要求，有利于環境保護和職工身心健康。本文以CAT C15柴油機為例進行噪聲污染控制研究。

1　柴油機降噪要求

柴油機屬多發聲源的復雜機器，隨著機組結構形式和尺寸、運轉工況的不同，各個發聲源對總噪聲的影響也不同。一般情況下，機組各類噪聲按噪聲級大小排列為：排氣噪聲、燃燒噪聲或機械噪聲、風扇噪聲、進氣噪聲。

根據降噪要求，保證距離降噪房l m外的聲壓級在85 dB（A）以下。同時為了保證柴油機正常工作，必須在允許的溫度范圍內工作（≤55℃）。

2　解決方案

首先根據噪聲源特性以及降噪量要求。采取有關技術措施，將各聲源的噪聲級盡量降低到大致相同水平，其中容易降低的噪聲源可以多降一些［2］。另外，降噪還要結合其它技術要求綜合考慮，如對柴油機輸出功率的影響、降噪成本等諸多因素。下面按照噪聲源大小進行噪聲污染控制工程設計。

2.1排氣噪聲控制

降低柴油機排氣噪聲，首要的問題是設計合理的消聲器，達到排出廢氣消聲、凈化目的。消聲器是控制排氣噪聲切實有效的措施。

2.1.1消聲器選型

由于消聲器排出的廢氣是高溫、高速，且排氣噪聲以中低頻最為突出。因此，發動機排氣消聲器采用中低頻消聲效果好的抗性消聲器。并且通過使用穿孔板、內插管、回流和穿孔管等多種組合消聲結構改善高頻消聲效果。

2.1.2排氣消聲器設計

本方案擬選用組合型消聲器，采用兩腔設計，見圖1。

消聲器外觀尺寸為Φ0.5×0.6 m，采用直徑Φ5 mm的穿孔管，同時配合內插管，為了增加低頻吸音性能，采用直徑1 mm，穿孔率為5%的微穿孔板進行吸聲處理。

①消聲器擴張比M。消聲量與擴張比M成正比。增大擴張比M有兩種途徑：一是縮小消聲器入口或出口管的直徑，二是增大消聲器外殼的直徑。縮小入口或出口管直徑容易造成排氣背壓增高，功率損失增加，也會使排氣流速增加，激發排氣噪聲，影響消聲器的實際消聲效果。同時，消聲器的外形尺寸也不能過大。一般消聲器的M值為9～16［3］。本方案設計的消聲器擴張比M=14，比較合理。

圖1　消聲器結構示意

②消聲器容積比的確定。消聲器容積比Vr，即消聲器容積V與氣缸工作容積Vh之比，一般取值為5～10倍。

國內外的研究表明，消聲器消聲室的容積對消聲效果影響很大，條件允許的情況下，盡量取大的容積比，有助于降低下限失效頻率，增加消聲效果。通常可根據下述經驗公式計算：

式中：n為發動機轉速，r/m，此處為2 000 r/m；τ為沖程數，此處τ=2；Z 為氣缸數，此處Z=6；Q 為系數，一般取3～6。

本設計消聲器的容積比為10，對應的Q=17。容積比較大，消聲效果好。

③消聲器縱橫比。消聲器的縱橫比L/D取值為1.5～5。L/D越小，說明消聲器越短粗，膨脹比越大，最大消聲量也大，高頻消聲效果好，低頻消聲效果差；反之，消聲器的L/D 越大，說明消聲器越細長，高頻消聲效果差，低頻消聲效果好。本消聲器的縱橫比為1.2，可見，縱橫比較小，比較合理。

綜上所述，該消聲器參數選擇較合理，滿足要求。

2.2柴油機機械噪聲、風扇噪聲的控制

2.2.1柴油機隔振處理

柴油機工作時，除排氣噪聲外，另一個是由機械振動產生的噪聲，其振動噪聲會通過周圍接觸的介質進行傳遞。故柴油機需進行隔振處理。

①在柴油機與底座之間加裝減振器，可大大減少柴油機振動噪聲傳遞到底座。

②柴油機與消聲器之間采用柔性連接，可大大減少柴油機振動噪聲傳遞到消聲器。

2.2.2噪聲控制方案

根據井場柴油機使用情況，降低柴油機機械噪聲、風扇噪聲的方法措施并不統一。目前較常見的設計方案有四種［4］：①隔聲屏方法。即在井場四周圍一圈隔聲屏障。②每臺柴油機獨立設一個隔聲罩（以下均稱隔聲降噪房）。③對多臺柴油機設置整體隔聲罩。④對整個機房（包括泥漿泵）設一個大隔聲罩。

方案①、③、④在取得隔聲效果的同時，拆裝和搬家工作量太大。淺井1個月完工，中深井2～3個月完工，井場搬家的頻繁程度不允許增加太多運輸和拆卸工作量，否則影響進度。

噪聲測量結果表明，井場其它設備均比柴油機噪聲低10 dB（A）以上，其聲級功率則要低15 d B（A）以上，故只對柴油機隔聲降噪就可以取得較明顯的降噪效果，這是切實可行的方案。

2.2.2.1隔聲降噪設計

針對柴油機的機械噪聲、風扇噪聲等噪聲控制，采用隔聲降噪房進行吸聲、隔聲處理。房內采用微穿孔板與隔板組合使用達到吸聲、隔聲效果，其原理如下：

①吸聲。微穿孔板與壁面間的空氣層相當于一個“彈簧”，它阻止聲壓的變化。由于空氣在穿孔附近來回振動存在摩擦阻尼，因此可以消耗聲能。

②隔聲。隔聲量遵循質量定律原則，隔聲材料的單位面密度越大，隔聲量就越大，面密度與隔聲量成正比關系。

由于柴油機工作時要散發大量熱量，房內的溫度比較高，在吸聲材料的選擇具有阻燃、耐熱、吸聲效果好、可塑性強的離心玻璃棉。

在降噪房內四周墻面及頂部結構采用微穿孔板、玻璃布、離心玻璃棉、瓦楞板組成的吸聲隔聲復合結構，其結構如圖2所示。采用這種填充吸聲材料的微穿孔吸聲結構能達到更好寬頻吸聲性能，填充吸聲材料前后吸聲特性變化，如圖3所示。

圖2　墻體及頂棚結構

圖3　填充吸聲材料前后吸聲特性變化

①護面材料采用表面噴塑的鋁合金微穿孔板，板厚0.8 mm；孔徑Φ=1 mm；孔距B=4 mm，穿孔率4.9%，結構吸聲系數α=0.7。

②微穿孔板后加5 mm厚的玻璃纖維布，目的是進一步增加聲阻，達到更好的吸聲效果。

③內部填充吸聲材料采用離心玻璃棉，厚50 mm，密度32 kg/m3，導熱系數0.03W/（m2·K），最高使用溫度450～550℃。其吸聲系數見表1。

表1　離心玻璃棉吸聲系數

④本方案外護板為2 mm厚的碳鋼瓦楞板作為護面層，鋼板能反射聲波，其透射系數小，隔聲作用好，在125～2 000 Hz頻率范圍內，其隔聲量為10～31 dB（A）（指理想密封狀態）。其隔聲量如表2所示。

表2　鋼板隔聲量

選用Q235鋼板作為吸聲板塊邊框和面板，其隔聲性能參數如下：

經吸聲處理后，該隔聲降噪房吸聲系數為α2= 0.5，而處理前的平均吸聲系數為α1=0.03。

2.2.2.2隔聲降噪房通風設計

柴油機工作散發大量熱量，為保證設備正常運作，隔聲降噪房需進行必要的通風散熱設計，散熱風量按下式估算［5］：

式中：C為空氣比熱（一般取1.047 kJ/kg℃）；Y為空氣密度（取1.01 kg/m3）；ΔT為進氣和排氣的溫差，取20℃；G為燃油耗油量0.226 kg/（k W·h）；N為C15額定功率400 k W；K為常數，一般取0.25；漏損系數，取1.1。

鉆孔軌跡安全評價是評價鉆孔軌跡彎曲對鉆探鉆井正常施工的影響程度，應分為二個層次：彎曲段(局部)軌跡安全評價、全孔軌跡安全評價。彎曲段軌跡安全評價可采用最大允許狗腿嚴重度。彎曲狗腿嚴重度為鉆孔軌跡軸線兩個測點之間，其頂角與方位角的空間變化值與兩測點長度的比值，表示鉆孔彎曲程度或變化快慢程度，即鉆孔軌跡曲率(°/30 m或°/100英尺)：

經過計算得出柴油機的散熱用風量為12.6 m3/s，因此強制冷卻風量為13.9 m3/s。

為保證柴油機的正常工作，隔聲降噪房需具備散熱通風能力。在隔聲降噪房兩端增加通風、吸聲百葉窗，單個結構示意如圖4所示。

圖4　吸聲通風百葉窗結構

該百葉窗外廓面積為2×2.4 m2，進風面積按50%計算，則有效進風面積為S=2.4 m2。則風速= V/S=13.9/2.4=5.8（m/s）；計算風速相當于4級風。根據經驗要求，最強風速不應超過8 m/s。而本結構風速為5.8 m/s，滿足散熱要求。

2.2.2.3隔聲門設計

隔聲降噪房的隔聲門采用與墻體相同的隔聲降噪結構：采用微穿孔內護板，中間夾層吸聲材料采用優質離心玻璃棉，外側采用2 mm厚的瓦楞板作為外墻，處理后其平均吸聲系數大于0.8，門和門框間用棉氈聯接，并采用隔聲條進行密封，以保證隔聲效果。

2.2.3隔聲降噪量

隔聲降噪房的實際隔聲量，與隔聲間內壁材料的吸聲系數和襯面材料的隔聲量有關，可按下式計算［6］：

式中：TL為各倍頻插入損失，dB（A）；TL0為隔聲材料的固有隔聲量，dB（A）；a為平均隔聲量，d B（A）。

隔聲房外面板采用2 mm鋼板，各頻段平均隔聲量≥21 d B（A）。

通過采取吸聲、隔聲結構，以及更換為隔聲門等多種措施后，可將室內平均吸聲系數提高到0.5，則TL=33.2 dB（A）。

理論可達到33.2 dB（A）的降噪值。

經過隔聲降噪處理后，在柴油機隔聲房1 m外測量，平均聲壓級為81 dB（A），最高聲壓級不超過84 d B（A）。

3　隔聲降噪房內溫度的控制

柴油機工作時會產生大量的熱，若不能有效散熱，高溫可能會造成機組故障，甚至導致噴油、火災等危險事故發生。為了保證柴油機在降噪房內長時間正常工作，必須使柴油機工作在允許的溫度范圍內（≤55℃）。

為了保證柴油機正常運行，在排氣歧管及渦輪、排氣管等部分使用玻璃纖維繩纏繞的措施減少熱表面輻射，減少房內的溫升。

為避免可能產生的危險，在降噪房內頂部安裝溫度傳感器（兩處以上）對溫度進行監控。當散熱不好引起降噪房內溫度過高，使某個測試點達到55℃時或設定的溫度值，傳感器便有信號輸出，通過外部聲光報警裝置進行報警。工作人員可及時檢查機組，避免惡性事故發生。

4　結束語

柴油機經過以上隔聲降噪處理，滿足GB/T 50087—2013《工業企業噪聲控制設計規范》中關于生產場所噪聲應≤85 dB（A）［6］的要求；并通過百葉窗設計保障柴油機安全運行。在隔聲降噪的同時保障柴油機運行安全，有效提升了設備的環境適應能力。

［1］ 梁杰，陸曉軍，孫巍，等.S493Q柴油機噪聲源識別與噪聲控制［J］.吉林業大學自然科學學報，2001，31（3）：57-60.

［2］ 馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊［M］.北京：機械工業出版，2002.

［3］ 王偉.柴油機排氣消聲器的設計與研究［D］.濟南：山東大學2004.

［4］ 種法國.油氣田鉆井地面動力設備噪聲污染控制研究［J］.石油工程建設，2010，36（3）：142-145.

［5］ 張杰.簡述發動機冷卻系統設計及散熱量的計算［J］.裝備制造技術，2004（2）：21-24.

［6］ GB/T 50087—2013工業企業噪聲控制設計規范［S］.

（編輯 王蕊）

10.3969/j.issn.1005-3158.2015.06.014

1005-3158（2015）06-0050-03

2015-03-16）

楊新順，2007年畢業于東北大學機械設計及理論專業，碩士，現在南陽二機石油裝備（集團）有限公司從事石油機械設計及新產品研發工作。通信地址：河南省南陽市中州西路869號，473006