300英尺鉆井平臺生活區域空調通風系統降噪分析及解決方案

張盛鞠

(上海振華重工(集團)股份有限公司， 上海 200125)

0 引 言

全球范圍內對石油需求量的與日俱增推動了海洋鉆井平臺需求量的增加。由于海洋鉆井平臺在海上工作的時間較長，為平臺上的工作人員提供舒適居住環境的需求日益迫切。隨著人們安全環保意識的日益提升，平臺內部各項基礎設施持續得到不同程度的優化。然而，在空調系統的設計和安裝方面一直存在一系列問題，尤其是噪聲污染問題，現已成為空調通風系統最主要的問題，致使工作人員無法得到安靜的居住環境。

為此，對海洋鉆井平臺空調通風系統進行減振降噪設計和優化十分必要，相應的優化舉措已在國內相關船舶和平臺上得到應用并獲得了良好效果。目前存在的問題是，尚未針對生產設計階段提出更高要求。

1 平臺生活區域空調通風系統噪聲分析

空調通風系統中產生的噪聲主要是空調通風系統運行過程中風機工作產生的噪聲，以及空調通風系統在送風過程中根據風管的結構形式和氣流在通過管道內部產生的次生噪聲。

1.1 空調通風系統設備噪聲分析

下面以某300英尺鉆井平臺生活區域的空調通風系統為例，對其產生的噪聲進行分析。該空調通風系統主要由空調單元(Air Conditioning Unit,AHU)、送風管路、調風門、消聲器、送風箱和布風器組成?，F階段空調通風系統的噪聲主要是設備在工作運行過程中產生的。由于AHU是一個單元設備，包含離心風機、電機、熱水加熱器和電極式溫度加濕器，因此在其運轉時風機會產生噪聲，同時設備自身振動也會產生噪聲。

1.2 空調通風系統送風管道噪聲分析

送風管道是空調通風系統的重要組成部分,其內部產生的噪聲往往通過設計優化、增加消聲設備和增加管路絕緣來控制。送風管道的噪聲主要來源于3個方面。圖1為300英尺鉆井平臺螺旋風管節點圖。

圖1 300英尺鉆井平臺螺旋風管節點圖

1) 空調系統送風時氣流產生的噪聲：目前平臺采用的管道都是由鍍鋅鋼板制作而成的，當送風管道內有流速大的空氣流通過時就會產生噪聲。空調通風系統主管路的流速在12～14 m/s，當氣流經過管道、彎頭、三通、異徑接頭、調風門和布風器時就會產生噪聲,其強度隨風速的提高而增加，其聲功率級與管道風速的5～6次方成正比，即風速提高1倍，噪聲增加15～18 dB(A)。因此,目前海上平臺風管系統內推薦風速為6～8 m/s，此時的氣流噪聲與較大聲源相疊加之后可忽略。

2) 管道連接支管的噪聲:由于1根空調送風管道要為多個居住艙室和工作艙室送風，1根送風管道上會有多個支管、調風門、異徑接頭和布風器，需連接很多支管，當將支管連接到主管道上之后，支管就會產生高、低噪聲，并將這些噪聲傳回至主管道，致使整個管道的噪聲更加嚴重。

3) 船體結構與管道的噪聲:當空調通風系統管道穿墻船體艙壁時，因管道要焊接在船體艙壁上，送風過程中管道本身有噪聲和振動，并通過管壁和船體艙壁將噪聲傳遞到船體結構上。

2 平臺生活區域空調通風系統噪聲控制及解決方案

當前平臺生活區域空調通風系統的減振降噪設計、制作和安裝工藝大都在改進，通過改進設計及制作安裝工藝可起到減振降噪的作用。

2.1 空調通風系統設備的選用

2.1.1 降低離心風機自身噪聲的方法

風機噪聲的大小取決于風機的結構形式、流量、全壓和轉速等因素。風機的總噪聲功率的計算公式為

L

=

L

+10lg(

QH

)-20

(1)

式(1)中:

L

為風機的比聲功率級，dB;

Q

為風機的風量，m;

H

為風機全壓，Pa。

由式(1)可知，降低風機自身噪聲的方法是改變風機的風量和壓力，但風量與壓力是沒有比例關系的，因此若要降低風機的噪聲，只能改變風機的結構，在選取風機時選取低噪聲的離心風機，在相同風量和風壓下，機翼型葉片的離心風機噪聲小，前向板型葉片的離心風機噪聲大。

2.1.2 控制風機直接暴露室外生產的噪聲

對于直接暴露在室外工作的大功率風機，在空間允許的條件下增加消聲箱體，將箱體做成一個能方便風機檢修的風機消聲設備，在箱體內用巖棉和消聲面做內襯，在有條件的區域增加一個風機室，在風機室內部做一些消聲處理，例如增加艙壁巖棉的厚度，在門窗上用隔聲門窗等。

2.1.3 風機的振動控制

在設計中可為風機設計減振塊，而不是直接與船體基座相連接。首先，在最初設計通風系統時就將噪聲設計要求提供給風機制造單位，由制造單位據此完成減振塊設計制作?，F場安裝時增加彈簧墊圈和橡膠墊圈，使風機振動通過減振塊傳遞到船體結構上，從而更有效地降低振動。

2.1.4 風機與送風管道的噪聲控制

當送風機與空調送風管道連接時，風機送回口的尺寸要通過一個異徑接頭變換成設計的送風管道的尺寸。由于送風口的風壓很大，若選用鋼制風管硬連接，相當于風機吹出來的高壓風直接吹在了鋼管上，會大大地增加空調通風系統管路的噪聲，同時風量在與鋼管接觸時會有很大的損失，風長時間吹在鋼制管路上使平臺上的工作人員產生不適感，因此風機與風管管道之間的異徑接頭采用帆布這樣的軟連接，以大幅減少風機與空調送風管道的接觸，從而降低風機與空調通風系統管路連接產生的噪聲。

2.2 空調通風系統內送風管道的噪聲控制及解決辦法

控制空調系統管道內的噪聲的根本措施是控制管道內風的流速,這樣的理念應從空調通風系統設計之初開始統籌考慮。

2.2.1 通風系統管道布置降低噪聲

管道設計應盡可能地使管道內的風速均勻，生活區域空調通風系統送風主管路會采用螺旋風管，因為螺旋風管本身是圓形，這樣做不僅能減少風在管道內流動的損失，而且在送風過程中能避免使用直角彎頭，所有的彎頭、三通管接頭、異徑接頭和調節風門都是圓弧形的，在對噪聲進行控制過程中，生產設計起到了很大的作用。空調通風系統管道根據生產設計圖紙安裝，在實際生產設計中存在供電系統、生活用水系統、污水系統和暖通系統，如何將這些系統合理地布置到平臺上是生產設計所有做的工作，通風管道并不能達到一個理想的狀態，在與其他系統交叉時，往往需要一些折彎，但為了控制噪聲，并盡量在設計過程中減少彎頭的使用，合理地對空調通風系統管路進行布置也是控制管道噪聲很好的方式。

2.2.2 通過設計降低噪聲

1) 直管道噪聲。直管道的氣流噪聲聲功率級的計算公式為

L

=

L

+50lg

v

+10lg

F

(2)

式(2)中：

L

為直管比聲功率級，一般取10 dB;

v

為氣流速度，m/s；

F

為直管道的斷面積，m。

2) 彎管管道噪聲。彎管道的氣流噪聲聲功率級的計算公式為

L

′=

L

′+10lg

f

+30lg

d

+50lg

v

′

(3)

式(3)中：

L

′為彎管道比聲功率級，dB；

f

為倍頻帶低限頻率，HZ；

d

為風管直徑或當量直徑，m；

v

′為彎管內流速，m/s。

在設計空調通風系統時，在HVAC(Heating,Ventilation and Air Conditioning)基本設計和詳細設計階段就要充分考慮300英尺鉆井平臺生活區域有多少房間，哪些房間需配備暖通系統，是居住艙室還是工作艙室，醫務室和駕駛室的送風量與居住艙室的送風量都是不一樣的，對噪聲的要求也不一樣。此外，還需考慮整個平臺上的居住人數，各房間對風量的需求，以及對噪聲有嚴格要求的艙室。有些艙室對噪聲的要求很高，比如醫務室，其本身是供生病人員休息和養病的場所，需具有安靜舒適的環境，因此在設計過程要考慮到對這些特殊的房間進行降噪，做到在不影響送風效果和各房間使用功效的前提下合理地將AHU的風量分配到幾個主管路上。同時，在設計空調通風系統時還要考慮風量的平衡，在每根主管路的起始點都安裝調風門，1根主管路要給多個房間送風，在給每個房間送風時，風量都會減少，為保證管道末端有足夠的風量，在送風過程中，送風主管道會逐漸變細，這就要求在不同管徑之間變化時需有異徑接頭，對異徑接頭的選用都有很高的要求，必須是同心異徑接頭，好處是當管徑發生變化時，整個接頭非常平滑，對風速的作用是緩慢減弱，且在異徑接頭處都要增加調風門，作用是有效減少2個不同管徑管道的風量，以保證空調送風系統主管道風的流速。用圓形三通將主管道與支管道相連接，每個支管都要裝一個調風門，以保證風管內風的流速，這樣能減少風直接送到布風器產生的撞擊噪聲。

此外，在生產設計時根據詳細設計圖紙的要求進行。降噪對生產設計的要求也很高，因為平臺上有電力系統、生活用水系統、污水系統、空調通風系統和通風系統，為保證能將這些系統更好地放在平臺上，就要通過生產設計來完成。在與電力系統和水系統交叉時，對空調通風系統管道做一段折彎，以保證管道能走通。為降低噪聲，一般不會用90°彎頭，更多的是采用30°和45°彎頭借高低差，這樣能使風速平穩地通過管道。在整個生產設計過程中也將對特殊房間的降噪作為設計的根本，在特殊房間的管路上，會在螺旋風管外包一層消聲棉，以保證特殊房間的噪聲控制，在AHU的回風口做一個靜壓箱，箱體外面是鋼板，里面是消聲棉和玻璃纖維，在加上一層鋁箔用鋼網壓在上面，這樣就對回風口達到了降低噪聲的功效。在生產設計過程中，會將所有房間連接布風器與支管連接的地方用300～350 mm軟管連接，在房間的布風器上用15 mm厚的消聲棉把所有布風器包起來，以降低風通過布風器產生的噪聲。對空調通風系統管道的吊架進行處理，避免通風管道與吊架直接接觸，每個支架單邊都會有2 mm的間隙在吊架和風管中用橡膠墊圈隔離開。通過空調通風系統的基本設計、詳細設計和生產設計，對管道內的風量和通過管道的流速進行有效控制，合適地布置空調通風系統的管路，減少三通、彎頭和異徑接頭的使用，達到降低噪聲的效果。

2.2.3 通過消聲設備及材料降低噪聲

對于消聲設備和材料的選用，在空調通風系統主管路起始段增加消聲設備，在空調通風系統送風主管路起始段增加管道消聲器。管道聲音器的選擇也很關鍵，對于不同的噪聲所選用的消聲材料不同。風通過管路各個彎頭、三通、異徑接頭和調風門時都會產生噪聲，為降低管路內噪聲，一般通過改變絕緣厚度，在空調通風系統中采用預絕熱螺旋風管來實現。為在送風過程中防止能量在管道內溜走時損失，會在制作預絕熱螺旋風管過程中包一層絕緣，這層絕緣常規是單邊包12.5 mm厚度的隔熱防噪材料。在采購過程中要求制作廠家將材料的厚度由12.5 mm增加到15.0 mm，通過改變消聲材料的厚度及材質，更有效地控制管道內噪聲。

2.2.4 布風器材料更新換代以降低噪聲

在傳統的鉆井平臺空調送風系統設計中，布風器的箱體通常是用鍍鋅板制成的，因其抗腐蝕性能不佳，使用壽命較短。頻繁地對布風器的箱體材料進行更換，無異于重新對安裝上去的鍍鋅板與整體的送風系統進行磨合，這會提升誘發噪聲的概率。因此，尋找鍍鋅板替代材料，使布風器的使用壽命得到延長，也是進行減振降噪的有效措施。研究發現，鋁鋅板相比鍍鋅板具有更強的抗腐蝕性能，改用鋁鋅板制作布風器的箱體，或許能在一定程度上延長布風器的使用壽命。布風器的更換次數減少，空調通風系統誘發噪聲的概率就會大大下降。未來，平臺空調通風系統設計中或許會使用其他新型能源材料制作平臺空調通風系統。這就意味著平臺空調通風系統的設計和制作要切合時代的發展潮流與動向，只有如此才能使平臺空調通風系統的設計保持先進性。因此，新能源材料的使用也是對船舶空調送風系統進行減振降噪的有效措施之一。

3 結 語

本文通過對某300英尺鉆井平臺生活區域空調通風系統的噪聲進行分析，總結了空調通風系統噪聲的主要來源；在海上平臺空調通風系統的詳細設計和生產設計階段，結合送風管道的綜合布置，詳細分析了噪聲的來源。通過在空調通風系統詳細設計和生產設計階段對送風管道進行合理布置，并根據每個房間的使用功效對其空調通風系統進行合理設計，探討了降噪的解決方案。實際應用結果表明，采用新方案后，該300英尺鉆井平臺生活區域空調通風系統的噪聲降低了10%，得到了用戶的一致好評。