埕島海洋平臺(tái)天然氣壓縮機(jī)噪聲仿真與分析

鄭立新，羅宏志，劉建華，叢 軍，甘 璐，劉學(xué)智

(中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257000)

計(jì)算機(jī)與信息化

埕島海洋平臺(tái)天然氣壓縮機(jī)噪聲仿真與分析

鄭立新，羅宏志，劉建華，叢 軍，甘 璐，劉學(xué)智

(中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257000)

受空間的限制，海洋石油平臺(tái)主要噪聲源的噪聲總是對(duì)整個(gè)平臺(tái)區(qū)域產(chǎn)生持續(xù)的影響。噪聲由振動(dòng)引起，振動(dòng)損害設(shè)備，噪聲污染環(huán)境。本文對(duì)埕島二號(hào)海洋石油平臺(tái)上的天然氣壓縮機(jī)設(shè)備進(jìn)行了振動(dòng)與噪聲測(cè)試，并在此基礎(chǔ)上建立了聲學(xué)模型，仿真分析了各設(shè)備周圍的聲壓及聲功率分布。分析結(jié)果表明，噪聲的輻射范圍受周邊設(shè)備的遮擋影響，尤其是高頻頻帶噪聲受遮擋影響更明顯。據(jù)此，本文提出了改善噪聲場(chǎng)分布的具體措施，指出了應(yīng)該重點(diǎn)進(jìn)行個(gè)人隔聲防護(hù)的區(qū)域。

采油平臺(tái)；噪聲；邊界元；仿真

1 研究背景

海洋石油平臺(tái)在環(huán)境惡劣的海洋中受到各種載荷的作用，并會(huì)配置大量的髙功率動(dòng)力設(shè)備，這會(huì)引發(fā)機(jī)械振動(dòng)和噪聲輻射。由于海洋平臺(tái)大多均為鋼材制成，阻尼小，振動(dòng)和噪聲更容易傳遞。嚴(yán)重振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)設(shè)備、結(jié)構(gòu)疲勞破壞。噪聲對(duì)平臺(tái)人員的工作和生活環(huán)境造成污染，帶來不適的感覺，并損害健康。在以人為本的社會(huì)大環(huán)境下，減振降噪問題日益受到重視。

勝利油田海洋采油廠埕島中心二號(hào)海洋石油平臺(tái)主要包含生活平臺(tái)、注水平臺(tái)、動(dòng)力平臺(tái)、儲(chǔ)罐平臺(tái)四個(gè)平臺(tái)區(qū)域，主要的噪聲設(shè)備有：天然氣壓縮機(jī)、空壓機(jī)、大型注水泵、污水提升泵等，其噪聲聲壓級(jí)均達(dá)到90 dB(A)以上；受其影響，生活區(qū)職工宿舍內(nèi)的噪聲在40～55 dB(A)之間。本文選擇天然氣壓縮機(jī)進(jìn)行測(cè)試和仿真。

2 測(cè)試和仿真

2.1 測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)

測(cè)量方法按照GBZ/T189.8-2007《工作場(chǎng)所物理因素測(cè)量第8部分：噪聲》執(zhí)行，噪聲結(jié)果的判定按照GBZ/T2.2-2007《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值第2部分：物理因素》的要求進(jìn)行。

表1 測(cè)量?jī)?nèi)容、設(shè)備及方法

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

該設(shè)備噪聲主要由壓縮機(jī)產(chǎn)生。圖1～3分別為壓縮機(jī)的振動(dòng)加速度、噪聲聲壓和功率譜。

圖1 天然氣壓縮機(jī)振動(dòng)加速度

圖2 壓縮機(jī)噪聲聲壓圖

圖3 壓縮機(jī)噪聲功率譜(A計(jì)權(quán)，1/3倍頻程)

2.3 建模與仿真

由圖可知，壓縮機(jī)振動(dòng)加速度最大值為40 g，噪聲聲壓為12Pa，聲壓級(jí)最大值為91.5dB，位于300Hz頻帶附近。使用SolidWorks建立該設(shè)備的三維模型(圖4)，使用Ansys劃分邊界元網(wǎng)格，使用Virtual Lab進(jìn)行仿真。在四個(gè)壓縮機(jī)處插入點(diǎn)聲源進(jìn)行解算分析，數(shù)據(jù)提取區(qū)域?yàn)椴捎推脚_(tái)地面，如圖5外圍網(wǎng)格所示。300Hz頻率噪聲的分析結(jié)果如圖6所示。在云圖中選擇距離壓縮機(jī)底座邊緣分別為0.5 m、1 m、2 m、4 m、5 m的5個(gè)點(diǎn)，提取數(shù)據(jù)如圖所示，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)基本吻合。說明本算例較為精確，解算結(jié)果符合實(shí)際。

圖4 天然氣壓縮機(jī)聲學(xué)三維模型

圖5 噪聲分布場(chǎng)點(diǎn)邊界元網(wǎng)格

圖6噪聲在平臺(tái)平面的分布云圖(300Hz)

3 噪聲治理方案

3.1 振動(dòng)噪聲產(chǎn)生原因分析

海洋平臺(tái)上壓縮機(jī)組應(yīng)用廣泛，也是產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)的主要裝備。壓縮機(jī)的振動(dòng)主要集中在軸承、轉(zhuǎn)子以及管路等結(jié)構(gòu)上，主要包括機(jī)械振動(dòng)、流體振動(dòng)、管路振動(dòng)等方面，由此產(chǎn)生了機(jī)械噪聲、流體動(dòng)力性噪聲、電磁噪聲。其中，機(jī)械噪聲主要是由機(jī)械各零件間的相互作用力引起的，各零件間的相互作用會(huì)引起機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲。

此外，電機(jī)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其內(nèi)部各運(yùn)動(dòng)元件間的摩擦，碰撞以及振動(dòng)也會(huì)引起噪聲。壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)時(shí)每個(gè)振動(dòng)部件都會(huì)發(fā)出聲音，并且聲音頻率和幅值都不相同。因此，壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲頻帶很寬。這些噪聲主要由壓縮機(jī)組的設(shè)計(jì)、選材、加工等因素決定，不會(huì)隨著壓縮機(jī)的運(yùn)行而逐漸減小。流體動(dòng)力性噪聲主要包含旋轉(zhuǎn)噪聲、進(jìn)排氣口噪聲等部分。

對(duì)于目前海洋平臺(tái)來講，由于壓縮機(jī)的型號(hào)確定以后，其轉(zhuǎn)速也隨之確定，從而也確定了管路系統(tǒng)的激振力頻率。

3.2 減噪方案措施

3.2.1 隔聲降噪

采用隔聲構(gòu)件將噪聲源和接收者分開，隔離空氣噪聲的傳播，從而降低噪聲污染程度。采用適當(dāng)隔聲設(shè)施，能降低噪聲級(jí)20～50dB(A)。

圖7 聲屏障安裝示意圖

圖7所示為天然氣壓縮機(jī)隔聲屏障示意圖。依據(jù)前述仿真分析結(jié)果，在設(shè)備外圍，靠近生活平臺(tái)側(cè)設(shè)置隔音屏障進(jìn)行噪聲隔離。

3.2.2 個(gè)人防護(hù)措施

圖8 天然氣壓縮機(jī)噪聲嚴(yán)重區(qū)域(R=12.5 m)

采取個(gè)人防護(hù)是最有效、最經(jīng)濟(jì)的辦法。個(gè)人防護(hù)用具有耳塞、耳罩、耳棉等。耳塞一般平均隔聲可達(dá)20dB(A)以上，性能良好的耳罩可達(dá)30dB(A)。

根據(jù)邊界元噪聲場(chǎng)點(diǎn)分析結(jié)果，天然氣壓縮機(jī)周圍的噪聲聲壓分布如圖8所示。在該設(shè)備附長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，如果已經(jīng)進(jìn)入圓圈范圍，建議佩戴耳罩、耳塞等防護(hù)用具。

4 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及噪聲的基本方程相關(guān)理論，利用有限元+邊界元的方法對(duì)聲壓、聲功率和聲強(qiáng)、聲級(jí)和頻譜等參數(shù)進(jìn)行分析，得出目標(biāo)平臺(tái)上主要噪聲激勵(lì)源及其分布情況最終建立聲學(xué)模型，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的噪聲聲壓級(jí)水平進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)。最終驗(yàn)證預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)試的誤差，并據(jù)此提出優(yōu)化完善治理方案。

同時(shí)，本文分析了振動(dòng)、噪聲產(chǎn)生的原因，形成了對(duì)設(shè)備行之有效的降噪方案。

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(本文文獻(xiàn)格式：鄭立新，羅宏志，劉建華，等.埕島海洋平臺(tái)天然氣壓縮機(jī)噪聲仿真與分析[J].山東化工,2017,46(3):120-122.)

Chengdao Offshore Natural Gas Compressor Noise Simulation and Analysis

ZhengLixin,LuoHongzhi,LiuJianhua,CongJun,GanLu,LiuXuezhi

(China Petroleum Chemical Co.,Shengli Oilfield Branch,Dongying 257000,China)

Restricted by space,the main noise source of the offshore oil platform always have a lasting impact on the entire platform area. The noise caused by vibration,vibration damage equipment,and noise pollute environment. In this paper,the vibration and noise of natural gas compressor in Chengdao No.2 offshore platform were tested,and on this basis,the acoustic model was established to simulate and analyzing the sound pressure and sound power distribution.The analysis results show that the noise radiation effected by peripheral devices,especially high frequency band noise is shielded more obviously. Accordingly,this paper put forward specific measures to improve the noise distribution,pointed out the area that should focus on individual sound insulation protection.

oil production platform; noise; boundary element; simulation

2016-12-30

鄭立新(1968—)，男，山東壽光人，安全環(huán)保處副處長(zhǎng)，從事海上安全環(huán)保管理和技術(shù)管理工作。

TQ015.9

A

1008-021X(2017)03-0120-03