高產天然氣采氣場站工藝降噪探討＊

張 鵬 熊 軍 張聰鑫 鄒海山

(1.中國石油西南油氣田分公司安全環保與技術監督研究院；2.四川天宇石油環保安全技術咨詢服務有限公司； 3.南京大學)

0 引 言

高產采氣井具有氣量大、溫度高、壓差大、能量高等特點，在天然氣開采過程中可產生強烈的噪聲，主要可分為氣流噪聲、機械噪聲和電磁噪聲等，其中氣流噪聲在85～90 dB(A)，較機械噪聲和電磁噪聲高10～30 dB(A)，是工藝場站的主要噪聲源[1]。場站內井口節流閥、分離器等設備兩端壓差較高，由此產生的氣流噪聲[2]顯著。此外，大小頭結構(異徑管)、彎管等產生的湍流及渦流作用[3]，也是產生氣流噪聲的重要因素。在保證采氣場站穩產開發的同時，減小噪聲污染是當前高產采氣場站亟需解決的重要問題。

1 高產采氣場站聲源調查情況

采氣場站運行過程中，一般將日產氣量大于50萬m3的采氣井稱為高產采氣井。其一般工藝流程為：原料氣采出后，在井口區域進行兩級節流，節流后原料氣進入場站內分離計量撬進行分離計量。其中氣相經過氣相管線上配套的計量儀表實現精確計量，液相則通過計次排放的方式進行產液量計量。分離出的液相再次進入原料氣管線，經采氣管線氣液混輸至下游集氣站進行分離[4]。

通過對四川境內多處高產采氣井的一級節流閥、二級節流閥、二級節流后測溫測壓套、分離器等聲源進行實地監測后，可明確高產采氣場站內各聲源的聲壓級主要集中在70～90 dB(A)。根據GB 12348—2008《工業企業廠界環境噪聲排放標準》，位于農村、郊區環境的采氣場站應執行2類標準，即晝間60 dB(A)，夜間50 dB(A)。若上述聲源離場站廠界距離較近，導致噪聲隨距離衰減的效果不顯著，則極可能導致廠界噪聲超標。

2 流體力學數值仿真

為研究場站內各工藝設備聲源的降噪方法及效果，本文利用流體力學軟件對川中地區某高產采氣場站的主要噪聲源進行仿真模擬，分別針對彎管道角度、彎管道曲率半徑、Z型管耦合、大小頭結構和分離器等多種模型進行工藝降噪研究。

該采氣場站主要運行參數如下。

2.1 工藝流程及產噪設備

原料氣經井口節流后，進入站內分離器進行氣液分離，并經采氣管線氣液混輸至下游集氣站。主要產噪設備包括井口一級節流閥、二級節流閥、地面管匯和分離器等。

2.2 基本運行參數

產氣規模為1.0×106m3/d，二級節流后壓力為7.0 MPa，分離器規格為8 200 mm×5 400 mm×3 574 mm。

2.3 原料氣組分

原料氣以甲烷為主，原料氣組分及各組分摩爾質量見表1。

表1 原料氣組分及各組分摩爾質量

3 工藝優化及降噪效果分析

3.1 彎管道結構優化

采氣場站內，井口到分離計量撬一般設置有曲率半徑R=1.5D(管徑)的彎頭9～10個。彎管處流場復雜，氣流快速通過時會在管壁附近形成分離區、二次流，可造成流體總壓和能量損失、振蕩或脈動，從而產生流動和結構噪聲[5]。彎頭的角度、耦合以及曲率半徑等對于彎頭處的聲壓級大小均有影響。

3.1.1 彎管角度優化

以單個彎管為研究對象，在彎管周圍1 m處分別設置8個監控點，見圖1，對比分析彎管角度為90°和135°時彎管聲壓級的變化。該仿真模型中，彎管入口管長L1=5 m，出口管長L2=5 m，管徑D=150 mm，出口壓力P=7 MPa，管道流量V=1.0×106Nm3/d。

圖1 90°和135°彎管建模及評價點設置示意

通過仿真模擬，不同角度彎管內氣流速度云圖見圖2，評價點1和4處聲壓級線譜見圖3，各評價點聲壓級見表2。

從表2可知，彎管角度由90°變為135°后，各評價點聲壓級減少20.2～26.9 dB(A)，平均下降23.6 dB(A)，降噪效果顯著。

圖2 t=0.6 s時不同角度彎管內氣流速度云圖

圖3 不同角度彎管在評價點1和4處頻譜

彎管角度評價點聲壓級/dB(A)12345678平均聲壓級/dB(A)90°83.690.486.892.783.690.486.892.788.4135°63.465.864.165.863.465.864.165.864.8

3.1.2 Z型彎管彎頭間距優化

場站內多個彎管的存在可形成Z型管，Z型管中兩彎管之間的距離變化可能導致彎管間的耦合或解耦。通過增大Z型管彎頭之間的距離，分析彎頭之間的耦合程度及耦合效果，模型示意見圖4。兩個彎頭間距分別設置為3.6，5，10 m。

圖4 Z型管建模及評價點設置示意

通過仿真模擬，Z型管結構下不同彎頭間距時彎管內氣流速度云圖見圖5，評價點1和4處聲壓級線譜見圖6，各評價點聲壓級見表3。

圖5 t=0.6 s時90°Z型彎管內氣流速度云圖

圖6 不同彎管間距90°Z型彎管在評價點1和4處頻譜

從表3可知，Z型管間距越近，耦合程度越大，聲壓級越高，反之越低。當兩彎頭間距由3.6 m增加至10 m時，平均聲壓級下降2.9 dB(A)，對聲源降噪有一定效果，但不明顯。

3.1.3 彎管曲率半徑優化

在采氣場站中，曲率半徑R=1.5D的彎管最為常見。氣流在彎頭處沖擊管壁，造成工藝管道強烈振動，從而產生高強度的高頻振動噪聲。噪聲主要發生在彎頭內側，這也是壓強最大、流速最小處，容易產生渦流、空穴等現象[6]。為探討曲率半徑對彎管噪聲的影響，分析了曲率半徑為1.5D和5D彎管噪聲的產生情況，模型示意見圖7。

圖7 不同曲率半徑彎管建模及評價點設置示意

通過仿真模擬，不同曲率半徑彎管內氣流速度云圖見圖8，評價點1和4處聲壓級線譜見圖9，各評價點聲壓級見表4。

圖8 t=0.6 s時不同曲率半徑彎管內氣流速度云圖

從表4可知，當彎管曲率半徑由1.5D增大到5D時，各評價點聲壓級下降26.7～33.1 dB(A)，彎管處平均聲壓級下降30.4 dB(A)，降噪效果較好。

圖9 不同曲率半徑彎管在評價點1和4處頻譜

90°彎管曲率半徑評價點聲壓級/dB(A)12345678平均聲壓級/dB(A)1.5 D83.690.486.892.783.690.486.892.788.45 D56.759.456.459.656.959.456.459.658.0

3.2 大小頭(異徑管)結構優化

大小頭結構(即異徑管)在采氣場站內普遍存在，用于兩種不同管徑的管道之間的連接。氣流通過大小頭時流道發生突變，導致管道內部的流體出現亂流、氣切、渦流、軸線方向速度分布不均勻等現象，并產生不穩定的氣流噪聲。通過改變大小頭端面間距進行數值仿真，各評價點距離大小頭管壁均為1 m，模型示意見圖10，L1=40 mm，L2=100 mm，D1=114 mm，D2=200 mm，P=7 MPa，Qm=1.0×106Nm3/d。

圖10 大小頭模型及評價點設置示意

通過仿真模擬，分別設置大小頭端面間距為0.15，0.3，0.6 m，大小頭兩個端面保持不變。不同大小頭間距下彎管內氣流速度云圖見圖11，評價點1和3處聲壓級線譜見圖12，各評價點聲壓級見表5。

從表5可知，大小頭端面間距從0.15 m增加到0.6 m，評價點1和3聲壓級逐步降低，評價點2先升高后降低，平均聲壓級下降14.4 dB(A)，降噪效果較好。

圖11 t=0.6 s時不同大小頭間距下彎管內氣流速度云圖

圖12 不同大小頭間距下評價點1和3處1/3倍頻程

大小頭端面間距/m評價點聲壓級/dB(A)123平均聲壓級/dB(A)0.1589.171.989.483.50.374.174.388.779.00.669.269.168.969.1

3.3 分離器結構優化

分離器是原料氣氣液分離的重要裝置，普遍分布于各采氣場站。氣流從管道進入分離器腔體時，流速突然降低，在入口產生噴氣噪聲，并在分離器腔體進行放大、共鳴。而分離器腔體體積大，噪聲頻率較低，隨距離衰減慢，傳播距離遠，治理較難。通過改變分離器進、出口管徑大小，分析噪聲聲壓級的變化。分離器模型及24個噪聲評價點設置見圖13。

圖13 分離器模型及評價點設置示意

3.3.1 入口直徑200 mm，出口直徑變化

維持入口直徑D1=200 mm不變，出口直徑D2變化時各評價點聲壓級變化情況如表6所示。出口直徑增加可使分離器平均聲壓級降低，具有降噪效果，但是分離器周圍單個評價點噪聲可能升高也可能降低。

表6 出口管徑變化時各評價點聲壓級變化情況dB(A)

評價點直徑D2/mm200300400評價點直徑D2/mm200300400196.471.688.31482.170.266.1298.588.783.2151016887.53101.993.266.81696.568.764.74101.878.789.21778.791.383.45101.971.685.41896.289.382.169092.773.31994.88961.878372.181.62078.266.461.5899.875.681.22196.564.984.7999.771.581227691.358.71085.773.569.42397.290.793.11110070.484.92498.163.157.51283.794.167.6均值97.487.684.51395.189.488.4

3.3.2 出口直徑200 mm，入口直徑變化

維持出口直徑D2=200 mm不變，入口直徑D1變化時各評價點聲壓級變化情況如表7所示。入口直徑增加可使分離器平均噪聲稍有增加，但是分離器周圍單個評價點噪聲可能升高也可能降低，增大入口直徑并不利于噪聲值降低。

表7 入口管徑變化時各評價點聲壓級變化情況dB(A)

評價點直徑D1/mm200300400評價點直徑D1/mm200300400196.498.986.51482.183.386.8298.599.7105.415101104.382.33101.9100.3100.61696.5104.1107.64101.892.2106.51778.779.681.65101.984.3103.71896.2103.5109.369091.7107.41994.8108.18178384.485.52078.279.9107.1899.889.593.52196.5103.980.4999.783.885.12276107.5105.31085.7102.3912397.29979.11110082.8110.72498.175.678.71283.7107.688.7均值97.4101.5103.41395.181.698.4

4 結論及建議

4.1 結 論

天然氣采氣場站內井口節流閥、大小頭結構、分離器產生的氣流噪聲是導致場站廠界噪聲超標的主要原因。在優化站內平面布局的基礎上，可以通過減少彎頭個數、增大彎頭曲率半徑、增大相鄰彎管的距離、增大大小頭端面間距、增大分離器出口直徑等措施，使聲源噪聲降低。在本文模擬條件下，降噪量高達33.1 dB(A)。

4.2 建 議

1)彎管改進

對于彎管而言，當入口流量和出口壓力恒定時，增大彎管角度和彎管曲率半徑有較好的聲源降噪效果。通過仿真模擬，在本文3.1節工藝參數條件下，采用以下3種彎管降噪措施，可大幅降低由彎管引起的氣流噪聲。

(1)管道直徑D=150 mm時，彎管角度由90°增加至135°可使評價點平均聲壓級降低20.2～26.9 dB(A)。

(2)彎管曲率半徑由1.5D增加到5D時，可使評價點平均聲壓級降低26.7～33.1 dB(A)。

(3)對于有多個彎管的輸氣管道，減少彎管個數可以降低管道輻射噪聲；若必須采用多個彎管，則相鄰彎管的距離應盡量拉長，以減少彎管噪聲的耦合。

2)大小頭結構改進

對于大小頭結構而言，當入口流量和出口壓力恒定時，應增大大小頭端面間距，以減小大小頭處不穩定的氣流噪聲。通過仿真模擬，在本文3.2節工藝參數條件下，當小頭直徑D1=114 mm、大頭直徑D2=200 mm，且大小頭端面間距從0.15 m增加到0.6 m時，大小頭處平均聲壓級下降14.4 dB(A)。

3)分離器改進

對于分離器而言，當入口流量和出口壓力恒定時，可增大出口直徑D2，以減小分離器噪聲。通過仿真模擬，在本文3.3節工藝參數條件下，當出口直徑由200 mm增大至300，400 mm時，分離器處平均聲壓級可降低9.8～12.9 dB(A)。

4)其他建議

當通過上述平面布局及工藝改進仍無法實現廠界噪聲達標時，應考慮結合末端降噪措施對場站噪聲進行綜合治理，如增設聲屏障、隔聲罩，鋪設吸聲、隔聲材料等降噪設備或介質，或通過將采氣場站內露空管道埋地、選擇隔聲材料包裹等方式進行處理，促進廠界噪聲達到晝間60 dB(A)，夜間50 dB(A)的標準限值。