計(jì)量站變徑輸氣管道包裹降噪仿真研究*

嚴(yán) 羿，梁 政

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500)

0 引言

管路系統(tǒng)噪聲廣泛存在于石油天然氣、化工等行業(yè)，而天然氣輸氣管道的站場(chǎng)噪聲污染更為突出，嚴(yán)重影響著環(huán)境及人員的身心健康。筆者以某天然氣計(jì)量站計(jì)量管線系統(tǒng)中噪聲突出的變徑管段為研究對(duì)象，建立聲學(xué)有限元模型模擬管道外場(chǎng)噪聲，利用軟件模擬研究噪聲嚴(yán)重的輸氣管段采用不同包裹材料、包裹厚度的降噪效果，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，證實(shí)了仿真方法的正確性，可為輸氣管道包裹降噪工藝技術(shù)的實(shí)施提供參考。

1 天然氣計(jì)量站噪聲現(xiàn)狀

某天然氣計(jì)量站接收來自上游的天然氣，計(jì)量管網(wǎng)系統(tǒng)中計(jì)量撬分匯管的管徑為Ф1 067 mm，與分匯管連接的計(jì)量管為Φ400 mm，計(jì)量管線與分匯管連接處為內(nèi)加厚，內(nèi)徑由Φ387．5 mm縮為Φ322 mm，如圖1所示。

隨著輸氣量和輸氣壓力的變化，計(jì)量管線系統(tǒng)出現(xiàn)了較為明顯的噪聲。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果站場(chǎng)平均噪聲值高達(dá)85 dB，管道變徑處噪聲尤為突出，部分測(cè)點(diǎn)噪聲值超過90 dB，嚴(yán)重超過了國(guó)家工廠企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定允許值，見表1［1］。

圖1 計(jì)量管線內(nèi)加厚

表1 工廠企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)

輸氣管道噪聲主要有管道振動(dòng)噪聲和管內(nèi)氣流噪聲。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，輸氣管道正常運(yùn)行時(shí)管道振動(dòng)的各項(xiàng)參數(shù)均較小，滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)定，所以認(rèn)為該計(jì)量站的噪聲主要為管內(nèi)氣流噪聲。筆者選擇氣流噪聲為主要研究對(duì)象。

2 聲學(xué)有限元理論

聲學(xué)計(jì)算方法可分為聲學(xué)有限元法、聲學(xué)邊界元法、聲線法以及統(tǒng)計(jì)能量法，其中聲學(xué)有限元法在解決封閉空間的聲場(chǎng)計(jì)算和長(zhǎng)管道的聲場(chǎng)計(jì)算方面具有優(yōu)勢(shì)。

對(duì)流體歐拉方程進(jìn)行線化和簡(jiǎn)化，得到在均勻流或者剪切流中傳播的基本聲學(xué)方程［2］為:

式中:p、q分別表示流體的壓力和外部作用于流體的力;c0、ρ0分別表示定常流動(dòng)的聲速和密度;?2是拉普拉斯算子，對(duì)直角坐標(biāo)系

對(duì)方程進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)化、有限元網(wǎng)格離散，整理得到數(shù)值形式的方程組為:

式中:Qi為輸入的聲源向量;Vni為輸入的聲質(zhì)點(diǎn)速度向量，即聲質(zhì)點(diǎn)速度邊界條件;Pi為輸入的聲壓向量，即聲壓邊界條件;Fai為聲學(xué)激勵(lì);pi為求解的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)聲壓;Ka+jωCa-ω2Ma為方程矩陣，稀疏矩陣。

在聲學(xué)有限元求解中，給定聲源及相關(guān)邊界條件，通過稀疏矩陣求逆就可以算出聲場(chǎng)。

3 輸氣管道噪聲及防噪技術(shù)仿真分析

通過對(duì)計(jì)量站實(shí)測(cè)噪聲的頻譜分析，確定噪聲頻率分布及計(jì)算頻率范圍，然后建立適當(dāng)?shù)墓艿滥Ｐ瓦M(jìn)行管內(nèi)流場(chǎng)分析，導(dǎo)出管道表面壓力脈動(dòng)，并將其作為激勵(lì)計(jì)算管道的外場(chǎng)噪聲［2］。

3．1 噪聲頻譜分析

噪聲信號(hào)是由多種頻率成分組合而成的隨機(jī)信號(hào)。頻譜分析，就是將噪聲的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域中的信息，分析出噪聲能量在各個(gè)頻率上的能量分布情況。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)噪聲信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到其頻譜分布情況如圖2、3所示。

圖2 噪聲信號(hào)頻譜圖

圖3 噪聲信號(hào)0～2 500 Hz頻譜圖

由圖2、3可知，站場(chǎng)輸氣管道的噪聲信號(hào)頻率分量主要分布在2 000～2 500 Hz范圍內(nèi)，屬于高頻范圍。選取分析頻率范圍為1 500～2 500 Hz。

根據(jù)頻譜分布情況，選擇對(duì)中高頻噪聲吸聲效果較好的多孔材料進(jìn)行包裹降噪。多孔材料內(nèi)部具有大量的連通孔隙，聲波進(jìn)入材料內(nèi)部傳播時(shí)，由于空氣的黏滯性以及材料的傳導(dǎo)性，使聲能不斷損耗降低，起到吸聲降噪的作用。實(shí)踐表明，吸聲材料的吸聲性能與孔隙率具有密切的關(guān)系;而孔隙率的大小又反映為空氣流經(jīng)材料所遇到的阻力，即流阻的大小。筆者利用Delany和Bazley提出的多孔材料流阻轉(zhuǎn)換經(jīng)驗(yàn)公式，將包裹層轉(zhuǎn)化為等效流體進(jìn)行分析計(jì)算［3-5］。

3．2 管道流場(chǎng)分析

建立管道模型并劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸應(yīng)滿足聲學(xué)軟件最高計(jì)算頻率要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)，管道大端直徑為Φ387．5 mm，小端直徑為Φ322 mm，小端長(zhǎng)度為580 mm，取大端長(zhǎng)度3 000 mm。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況運(yùn)行數(shù)據(jù)，設(shè)定模擬邊界為:速度進(jìn)口(m/s)和壓力出口(MPa)。流速和壓力偶合采用SIMPLEC算法。對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算收斂后，用大渦模型進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。根據(jù)氣體在管道內(nèi)的流場(chǎng)模擬，得到管道壁面壓力脈動(dòng)，以CGNS文件形式輸出時(shí)域計(jì)算結(jié)果。

3．3 降噪分析

用LMS Virtual．Lab Acoustics軟件進(jìn)行噪聲分析，以管道內(nèi)壁的壓力脈動(dòng)為激勵(lì)，壓力脈動(dòng)映射到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上。運(yùn)用AML自動(dòng)匹配聲輻射邊界條件，根據(jù)指定的聲輻射邊界自動(dòng)定義吸聲層和吸收系數(shù)，保證了聲學(xué)有限元方程組完全封閉，確定唯一解。

計(jì)算管道進(jìn)氣壓力7．38 MPa，年總流量38．22×108N·m3/y，在管道實(shí)測(cè)噪聲較大的變徑處兩端選取4個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距管道變徑處100 mm，如圖4。

4 測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)分別為 72．1 dB、72．2 dB、72．9 dB、73．1 dB。而在相同工況的實(shí)際測(cè)量中，相應(yīng)位置噪聲值為69．3～75．3 dB，表明計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值吻合良好。

在設(shè)定工況下，計(jì)算得到管道總噪聲為84 dB(A)，在相同工況時(shí)，實(shí)測(cè)各點(diǎn)的最大噪聲值為82 dB(A)，計(jì)算值與實(shí)際值吻合較好。圖5為2 200 Hz時(shí)聲學(xué)網(wǎng)格表面的聲壓級(jí)云圖。

多孔材料流阻率典型值為5 000～100 000 Pa·s/m2［6］。選取玻璃棉作為包裹材料，選取材料厚度為 50 mm，流阻率分別為 5 000、10 000、20 000、50 000、80 000 Pa·s/m2時(shí)的對(duì)比情況如圖6所示，選測(cè)點(diǎn)3為對(duì)比點(diǎn)。

圖4 2 200 Hz壓力脈動(dòng)云圖

圖5 2 200 Hz時(shí)的聲壓級(jí)云圖

圖6 不同流阻率聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線

在不同包裹情況下，測(cè)點(diǎn)3聲壓級(jí)如表2。

表2 不同流阻率材料包裹聲壓級(jí)

由圖6和表2可知，當(dāng)包裹層為50 mm、流阻率為5000 Pa·s/m2時(shí)，測(cè)點(diǎn)3處聲壓級(jí)比包裹前降低約20 dB，降噪效果良好。流阻率在5 000～10 000 Pa·s/m2范圍內(nèi)增大時(shí)，聲壓級(jí)有所升高，但變化很小。隨著材料流阻率不斷增大，吸聲降噪效果逐漸降低;流阻率增大到80 000 Pa·s/m2時(shí)，測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)只降低了3 dB。在流阻率一定的情況下(材料流阻率均為 10 000 Pa·s/m2)，選擇厚度為 25、50、75、100 mm的材料包裹，對(duì)比情況如圖7。

在不同厚度情況下，測(cè)點(diǎn)3聲壓級(jí)如表3。

由圖7、表3知，當(dāng)包裹材料流阻率為10 000 Pa·s/m2，包裹厚度增大時(shí)，在2 000～2 500 Hz頻率范圍內(nèi)，不同包裹厚度的吸聲效果差距不大，但在1 500～2 000 Hz范圍內(nèi)，從聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線看出，50 mm包裹時(shí)效果較好。從測(cè)點(diǎn)3聲壓級(jí)情況上看，50 mm包裹時(shí)降噪量超過20 dB，厚度繼續(xù)增大，如75 mm、100 mm包裹時(shí)聲壓級(jí)比50 mm時(shí)略高，可能原因是在材料厚度增大引起管道振動(dòng)加大，噪聲增大。

圖7 不同包裹厚度聲壓級(jí)響應(yīng)曲線

表3 不同包裹厚度聲壓級(jí)

4 結(jié)語

(1)研究計(jì)量站站場(chǎng)噪聲信號(hào)主要分布在2 000～2 500 Hz的高頻段，管道無包裹時(shí)仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果吻合良好，仿真分析方法是可行的。

(2)對(duì)比分析不同包裹條件下的降噪效果表明，相同包裹厚度，材料流阻率增大，吸聲效果降低;相同流阻率，材料厚度增大，吸聲效果增加，但厚度增大到一定值時(shí)，效果不再明顯增強(qiáng)。其中，材料厚度為50 mm、流阻率為5 000 Pa·s/m2時(shí)，降噪效果達(dá)到23 dB。

(3)管道包裹實(shí)際施工中，還必須綜合考慮管道布局、防腐、經(jīng)濟(jì)效益等因素，分析計(jì)算結(jié)果可為輸氣管道包裹降噪材料及材料厚度選擇提供參考。

［1］ GB12348-2008．工廠企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［2］ 詹福良，徐俊偉．Virtual．Lab Acoustics聲學(xué)仿真計(jì)算從入門到精通［M］．西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2013．

［3］ Delany M E，Bazley EN．Acoustical Propertiesof Fibrous Absorbent Materials［J］．Applied Acoustics，1970(3):105-16．

［4］ Allard JF，Atalla N．Propagation of Sound in Porous Media:Modelling Sound Absorbing Materials［M］．John Wiley ＆ Sons Ltd，2009．

［5］ 向建華，廖日東，蒲大宇．基于流阻率的吸聲材料聲學(xué)性能研究［J］．北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，11:1018-1021+1034．

［6］ 方慶川．多孔吸聲材料流阻測(cè)試實(shí)踐介紹［J］．環(huán)境工程，2012(S1):183-186．