9 000m鉆機(jī)發(fā)電機(jī)房噪聲控制與應(yīng)用

劉占鵬，許益民，黃咸璞，叢 雷，張志永，彭小軍

（1.山東科瑞控股集團(tuán)有限公司 鉆采設(shè)備研究所，山東 東營257067；2.中國石油天然氣集團(tuán)公司尼羅河公司，北京100041；3.中原油田 塔里木鉆井公司，新疆 庫爾勒841000）＊

柴油發(fā)電機(jī)組是整個井場區(qū)主要動力來源，也是井場區(qū)主要噪聲來源。柴油發(fā)電機(jī)組的噪聲控制對于井場區(qū)噪聲控制具有重要意義［1］。國外客戶在石油鉆機(jī)的配套中特別強(qiáng)調(diào)HSE（即，健康、安全、環(huán)保），要求距發(fā)電機(jī)房15m處的噪聲控制在86 dB以下。目前國內(nèi)發(fā)電機(jī)房設(shè)計大多注重移運性能，在噪聲控制方面有所欠缺。本文以國外某9 000 m鉆機(jī)項目為依托，著重解決柴油發(fā)電機(jī)組的噪聲控制問題。此9 000m鉆機(jī)采用5臺CAT 3512B型發(fā)電機(jī)作為主柴油發(fā)電機(jī)組，1臺CAT C15型發(fā)電機(jī)作為輔助柴油發(fā)電機(jī)。

1 噪聲分析

1.1 噪聲來源

柴油發(fā)電機(jī)組噪聲主要來源于柴油機(jī)的排氣噪聲、機(jī)械噪聲、風(fēng)扇噪聲以及進(jìn)氣噪聲。

1.2 噪聲值的確定

1.2.1 單臺機(jī)組理論噪聲

排氣噪聲和機(jī)械噪聲是鉆機(jī)發(fā)電機(jī)組主要的噪聲源，根據(jù)卡特皮勒公司提供的發(fā)電機(jī)組噪聲數(shù)據(jù)，可以確定單臺機(jī)組理論的最大排氣噪聲值和最大機(jī)械噪聲值［2］，如表1。

表1 單臺發(fā)電機(jī)組理論噪聲值

1.2.2 噪聲混合運算

根據(jù)聲級加法運算公式，2個噪聲等級為Lp1、Lp2（Lp1≥Lp2）的噪聲在某點處混聲等級為［3］

式中：Lp為1臺發(fā)電機(jī)組的噪聲；△Lp為2個噪聲聲級差Lp1－Lp2所對應(yīng)的增值。

在聲級運算加法表［4］中可以查得△Lp值，如表2。

表2 聲級運算加法表［3］dB

則可得出單臺機(jī)組理論混合噪聲值，如表3。

表3 單臺機(jī)組理論混合噪聲值

1.2.3 實測噪聲值

在9 000m鉆機(jī)24h負(fù)載試驗中，對單臺CAT 3512B型發(fā)電機(jī)在高負(fù)荷、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)時進(jìn)行了噪聲測試，測試值如表4。

表4 單臺機(jī)組實測混合噪聲值

與理論噪聲值相比較，實測噪聲值略低。本文選取理論噪聲值作為噪聲控制方案的設(shè)計依據(jù)。

2 噪聲控制方案

在柴油機(jī)排氣管上安裝消聲器可以有效控制排氣噪聲。可根據(jù)排氣噪聲特點來合理選擇消聲器種類，合理設(shè)計排氣管使消聲器達(dá)到最佳效果。

機(jī)械噪聲主要通過發(fā)電機(jī)房的隔聲功能及發(fā)電機(jī)房裝修材料的吸聲功能來有效控制。需要對吸聲材料進(jìn)行選擇，對裝修結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

排風(fēng)通道是風(fēng)扇噪聲、機(jī)械噪聲輻射到房體外部的主要途徑。風(fēng)扇噪聲可以通過在排風(fēng)通道內(nèi)設(shè)計消聲結(jié)構(gòu)，使排風(fēng)在通道內(nèi)有一段距離進(jìn)行緩沖，可有效降低噪聲從機(jī)房內(nèi)向外輻射的強(qiáng)度。

由于柴油發(fā)電機(jī)組一般都配置有設(shè)計合理的空氣濾清器，其本身有一定的消聲作用?？紤]到進(jìn)氣噪聲相對較低，故對進(jìn)氣噪聲一般不另做處理。

3 噪聲控制實施

3.1 消聲器選擇

消聲器能使壓縮的空氣在大直徑里擴(kuò)散，降低排出氣壓，使氣流在其內(nèi)部碰撞、反射、擴(kuò)散，以減弱排出壓縮空氣的速度和強(qiáng)度。根據(jù)消聲原理不同，消聲器大體可以分為4類［4］，如表5。

表5 消聲器分類

對于柴油發(fā)電機(jī)組以中低頻為主的排氣噪聲，根據(jù)消聲器安裝特點，優(yōu)先選用抗性膨脹式消聲器。

3.2 排氣管設(shè)計

柴油發(fā)電機(jī)組排氣背壓即排氣管后的壓力，在柴油機(jī)排氣口處測得。背壓不能超出許用背壓值。超出會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燃料燃燒效率下降，排放變差。排氣管有一定的消聲作用，但其直徑與當(dāng)量長度的增加會增大發(fā)電機(jī)組排氣背壓。

CAT 3512B型發(fā)電機(jī)組許用背壓值為6.7 kPa，一般不超過3kPa［2］?？梢源藖碓O(shè)計排氣管直徑與當(dāng)量長度，以達(dá)到其最佳消聲效果。如圖1。

圖1 排煙管長度與結(jié)構(gòu)

3.3 吸聲與隔聲處理

3.3.1 吸聲裝修處理

該發(fā)電機(jī)房內(nèi)部裝修表面積為240m2。發(fā)電機(jī)房沒做裝修處理前吸聲系數(shù)ā1為0.1［5］。在房頂與長度方向的兩側(cè)墻壁處做吸聲裝修處理，可以提高室內(nèi)吸聲系數(shù)，以達(dá)到降噪目的。

離心玻璃棉制品具有成型好、體積密度小、化學(xué)性能穩(wěn)定、保溫絕熱性能好、吸聲性能好、防潮、阻燃、施工性能好、不產(chǎn)生有害氣體等優(yōu)點。吸聲機(jī)理使玻璃棉具有多孔性結(jié)構(gòu)，當(dāng)聲波通過時，聲能的一部分會被纖維吸收，阻礙了聲波的傳遞。9 000m鉆機(jī)發(fā)電機(jī)房采用的吸聲材料為離心玻璃棉。

吸聲裝修結(jié)構(gòu)分為3層：外層為1mm鍍鋅沖孔板；中間層為無堿玻璃棉布；內(nèi)層為32kg／m3、10 mm厚離心玻璃棉。在內(nèi)層與墻板中間留有40mm厚空腔；中間層和外層通過鉆尾釘固定在型鋼上，起裝修、固定和保護(hù)作用；內(nèi)層離心玻璃棉分成800 mm×600mm的小塊，填充在中間層與空腔型鋼之間的空隙中。如圖2。

圖2 墻壁裝修結(jié)構(gòu)

經(jīng)過吸聲裝修后機(jī)房內(nèi)平均吸聲系數(shù)ā2為0.81。

吸聲降噪效果可用下式［5］計算，即

式中：△Lp為吸聲降噪量，dB；ā1、ā2分別為室內(nèi)做吸聲裝修前后的吸聲系數(shù)。

由上式計算出室內(nèi)平均降噪量的理論值為9.1dB。

經(jīng)過吸聲裝修，既減少了機(jī)房內(nèi)噪聲、降低了室內(nèi)混響，又達(dá)到了美觀的效果。如圖3。

圖3 裝修前后效果對比

3.3.2 隔聲處理

在噪聲控制工程設(shè)計中，墻板的隔聲量主要取決于其單位面積質(zhì)量，單位面積質(zhì)量越大，隔聲量越高。對于頻率范圍為100～3 150Hz的平均隔聲量，可以利用下式來計算，即

機(jī)房墻板采用3mm厚瓦楞鋼板制作，其m＝23.5kg／m2，經(jīng)計算＝30dB。

經(jīng)過吸聲與隔聲處理后，兩者相加理論上可以降低噪聲量39.1dB。

3.4 消聲風(fēng)罩

多數(shù)發(fā)電機(jī)房設(shè)計是在發(fā)電機(jī)組風(fēng)扇側(cè)使用雙開門做排風(fēng)通道，運輸時關(guān)閉。使用時，房內(nèi)發(fā)電機(jī)組的風(fēng)扇與排風(fēng)噪聲、機(jī)械噪聲會通過敞開的雙開門輻射至房外，降噪效果很差。

針對現(xiàn)有發(fā)電機(jī)房因發(fā)電機(jī)組散熱排風(fēng)導(dǎo)致隔音效果降低的問題，設(shè)計了一種發(fā)電機(jī)房用消聲風(fēng)罩。消聲風(fēng)罩由框架、鋼板等焊接而成，內(nèi)涂消聲涂料，在降噪的同時導(dǎo)風(fēng)，將發(fā)電機(jī)組散熱排風(fēng)導(dǎo)向上方。消聲涂料可以將振動的能量轉(zhuǎn)化為熱等其他形式的能量，從而起到消聲防震的效果。消聲風(fēng)罩采用可拆式連接，拆裝方便。如圖4。

圖4 消聲風(fēng)罩

4 實施效果

在9 000m鉆機(jī)24h負(fù)載試驗中，在動力區(qū)距離發(fā)電機(jī)房前、后、左、右各1.5、7.0、15.0m，高度為1.6m處共選取了24個測試點，每隔10min測1次，共測2次并做記錄，得到測試點噪聲值，如圖5。

圖5 24h負(fù)載試驗動力區(qū)噪聲采集點分布

根據(jù)9 000m鉆機(jī)24h負(fù)載試驗中的實測噪聲數(shù)據(jù)繪制出井場區(qū)86dB噪音采集分帶曲線，如圖6。

圖6 24h負(fù)載井場區(qū)86dB噪聲采集分帶曲線

根據(jù)發(fā)電機(jī)組理論噪聲值與經(jīng)噪聲控制后實測噪聲值對比，可以得出發(fā)電機(jī)房的噪聲控制效果，如表5。

表5 噪聲控制效果

通過比較，可以得出以下結(jié)論：

1） 經(jīng)過處理，各個方向噪聲都有較大幅度降低。

2） 輔發(fā)側(cè)因有輔助發(fā)電機(jī)房隔音，距噪聲源較遠(yuǎn)，降噪效果較主發(fā)側(cè)要好；前側(cè)因設(shè)計有消音風(fēng)罩，降噪效果明顯較后側(cè)要好。

3） 因低頻噪聲易被屏蔽且衰減較快，故屏蔽越接近噪聲源，降噪效果越好。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

該9 000m鉆機(jī)于2010年發(fā)往國外現(xiàn)場。售后服務(wù)人員的反饋信息表明，客戶對本產(chǎn)品的噪聲控制效果非常滿意。在繼續(xù)合作的快速移運鉆機(jī)項目中，客戶明確要求使用該類發(fā)電機(jī)房。該類發(fā)電機(jī)房經(jīng)過持續(xù)改進(jìn)，已經(jīng)形成幾大系列的成熟產(chǎn)品，并可根據(jù)客戶的個性化需求進(jìn)行設(shè)計［7］。

6 結(jié)語

柴油發(fā)電機(jī)組的噪聲控制要對噪聲源進(jìn)行分析，有針對性地選取控制方案。本文在不影響發(fā)電機(jī)房移運性能的基礎(chǔ)上，通過消聲器選擇、排煙管設(shè)計、吸聲裝修、消聲風(fēng)罩設(shè)計分別有效控制了柴油發(fā)電機(jī)組的排氣噪聲、機(jī)械噪聲與排風(fēng)噪聲，設(shè)計理念較為先進(jìn)。本系列發(fā)電機(jī)房的噪聲控制方案有較好的市場推廣價值。

［1］李國宏，丁曉鵬，裴志明，等.淺談鉆機(jī)的噪聲控制［J］.石油礦場機(jī)械，2003，32（04）：52－53.

［2］卡特皮勒公司.卡特發(fā)電機(jī)組操作和保養(yǎng)手冊［Z］.2002.

［3］馬大猷.聲學(xué)手冊［K］.北京：科學(xué)出版社，2002.

［4］馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊［K］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［5］劉曉麗.環(huán)境監(jiān)測［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2005.

［6］洪宗輝.環(huán)境噪聲控制工程［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［7］SY／T 6276—1997，石油天然氣工業(yè)健康、安全與環(huán)境管理體系［S］.