風(fēng)機(jī)布置對海洋平臺噪聲的影響研究

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(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計公司， 天津 300451)

0 引言

近年來，隨著人們對船舶與海洋平臺噪聲控制的日益重視，國際海事組織(IMO)對船舶與海洋平臺噪聲限制均作出了嚴(yán)格規(guī)定：在船舶噪聲控制領(lǐng)域，IMO于2012年12月通過了船舶噪聲的新要求(MSC.337條款)[1]，對船舶艙室噪聲提出了更為嚴(yán)格的控制指標(biāo)；在海洋平臺噪聲控制領(lǐng)域，國際海事組織針對不同平臺提出了相應(yīng)的噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)，以保障人員的安全。因此，開展船舶與海洋平臺結(jié)構(gòu)振動噪聲分析，對于保障船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)安全性具有重要意義。孟凡名等[2]以實船艙室噪聲測試數(shù)據(jù)為訓(xùn)練樣本，將灰色理論與支持向量機(jī)相結(jié)合，研究了基于灰色支持向量機(jī)的大型集裝箱船上層建筑艙室的噪聲預(yù)測方法；劉曉明等[3]介紹了封閉聲腔結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)流固耦合聲學(xué)有限元數(shù)值分析理論、方法和計算流程, 并將該方法應(yīng)用于船舶艙室噪聲數(shù)值預(yù)報；楊德慶等[4]針對FPSO高頻艙室噪聲預(yù)報，詳細(xì)給出了FPSO中高頻預(yù)報的流程及船舶艙室噪聲預(yù)報模型的簡化方法。

風(fēng)機(jī)、主機(jī)作為海洋平臺結(jié)構(gòu)的主要噪聲源，其布置及設(shè)計將會對海洋平臺結(jié)構(gòu)的噪聲產(chǎn)生較大影響，特別是用于主機(jī)房內(nèi)的進(jìn)排氣風(fēng)機(jī)，由于其噪聲水平高、聲學(xué)防護(hù)措施易受周圍環(huán)境影響，主機(jī)房內(nèi)的進(jìn)排氣風(fēng)機(jī)布置通常會對海洋平臺噪聲環(huán)境產(chǎn)生較大影響?；诖?，通過對某海洋平臺主機(jī)房進(jìn)排氣風(fēng)機(jī)布置對平臺噪聲的影響進(jìn)行研究，分析進(jìn)排氣風(fēng)機(jī)布置對平臺典型區(qū)域噪聲的影響規(guī)律，從平臺噪聲最優(yōu)角度，給出風(fēng)機(jī)的最佳布置方式。

1 統(tǒng)計能量法

統(tǒng)計能量法(SEA)在結(jié)構(gòu)中高頻聲振環(huán)境預(yù)報方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，特別是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后, SEA開始在理論和工程應(yīng)用上有了新的進(jìn)展，如非保守耦合、強(qiáng)耦合、激勵相關(guān)性、試驗SEA以及有限元和SEA相結(jié)合[5-7]等,大幅提高了SEA計算精度。

統(tǒng)計能量分析的基本原理[8]是將復(fù)雜結(jié)構(gòu)劃分成若干子系統(tǒng)，當(dāng)某個或者某些子系統(tǒng)受到激勵載荷振動時，子系統(tǒng)間將通過邊界進(jìn)行能量交換；這樣對每個子系統(tǒng)都能列出一個能量平衡方程，并最終得到一個高階線性方程組，求解此方程組可得到各子系統(tǒng)的能量，進(jìn)而由子系統(tǒng)能量得到各個子系統(tǒng)的振動參數(shù)，如位移、速度、加速度等。

對于SEA模型中的某子系統(tǒng)i而言，其在帶寬Δω內(nèi)的平均損耗功率Pid為：

Pid=ωηiEi

(1)

式中：ω為分析帶寬δω內(nèi)的中心頻率；ηi結(jié)構(gòu)損耗因子；Ei子系統(tǒng)的模態(tài)振動能量。

保守耦合系統(tǒng)中從子系統(tǒng)i傳遞到子系統(tǒng)j的單向功率流pij可表示為：

pij=ωηijEi

(2)

式中：ηij為從子系統(tǒng)i到子系統(tǒng)j的耦合損耗因子。

(3)

式中：Pi,in為外界對子系統(tǒng)i的輸入功率；Pij為子系統(tǒng)i流向子系統(tǒng)j的功率。

(4)

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動時，第i個子系統(tǒng)輸入功率除消耗在該子系統(tǒng)阻尼上外，應(yīng)全部傳輸?shù)较噜徸酉到y(tǒng)上去，因此，式(4)中的最后一項表示為：

(5)

式(5)表示為矩陣形式：

或

ω[L]{E}={Pin}

(6)

式中：{E}T={E1,E2,…,EN}為能量轉(zhuǎn)置矩陣；{Pin}T={P1,in,P2,in,…,PN,in}為輸入功率矩陣；[L]為系統(tǒng)損耗因子矩陣。

求解式(6)可得到每個子系統(tǒng)的振動能量，再根據(jù)子系統(tǒng)的振動能量分析就可以得到該子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動均方速度，其表達(dá)式為：

(7)

式中：Ei為子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模態(tài)振動能量；Mi為子系統(tǒng)質(zhì)量。

子系統(tǒng)的振動速度級為

(8)

式中：v0=1×10-9m/s。

對于聲場子系統(tǒng)，其聲壓均方值為

(9)

聲壓級為

(10)

式中：P0=2×10-5N/m2，為水介質(zhì)中的參考聲壓。

2 海洋平臺噪聲預(yù)報模型的建立

2.1 海洋平臺結(jié)構(gòu)模型簡介

圖1 海洋平臺上層甲板結(jié)構(gòu)布置示意圖

圖1為某海洋平臺的上層甲板結(jié)構(gòu)布置示意圖，其布置了兩個主機(jī)房，主機(jī)房緊挨作業(yè)區(qū)、公共區(qū)及生活區(qū)布置，主機(jī)房內(nèi)布置原油主機(jī)、空壓機(jī)、發(fā)電機(jī)組輔助系統(tǒng)等高噪聲源設(shè)備，主機(jī)房頂部對稱設(shè)有進(jìn)氣風(fēng)機(jī)及排氣風(fēng)機(jī)。主機(jī)房布置設(shè)計時，主要考慮了進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)布置及進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房外布置兩種方案對于主機(jī)房內(nèi)、海洋平臺生活區(qū)、海洋平臺公共區(qū)噪聲的影響等有關(guān)平臺設(shè)計安全性分析。

2.2 平臺噪聲SEA預(yù)報模型的建立

選取主機(jī)房、主機(jī)房周圍公共區(qū)及生活區(qū)為研究對象，建立海洋平臺噪聲預(yù)報的SEA模型(如圖2所示)。海洋平臺甲板、主機(jī)房、生活區(qū)結(jié)構(gòu)由板殼子系統(tǒng)離散，主機(jī)房生活區(qū)內(nèi)部艙室及公共區(qū)空氣由聲腔子系統(tǒng)離散；為保障平臺噪聲分析的有效性，模型對各子系統(tǒng)的尺寸進(jìn)行控制，使各子系統(tǒng)在分析頻帶的模態(tài)數(shù)均≥4；平臺SEA預(yù)報模型子系統(tǒng)共計1 165個。

圖2 海洋平臺上層甲板結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)報SEA模型

2.3 載荷及工況設(shè)置

考慮到主機(jī)房噪聲源除進(jìn)排氣風(fēng)機(jī)外，還包含原油主機(jī)、滑油分油機(jī)、滑油泵和空壓機(jī)等多種振動噪聲源設(shè)備，為準(zhǔn)確評價風(fēng)機(jī)布置對平臺噪聲的影響，除考慮風(fēng)機(jī)的振動載荷及空氣噪聲載荷外，還應(yīng)考慮原油主機(jī)、滑油分油機(jī)、滑油泵和空壓機(jī)等振動及空氣噪聲載荷的影響，平臺結(jié)構(gòu)典型激勵載荷如圖3所示。

圖3 海洋平臺上層甲板結(jié)構(gòu)激勵載荷

考慮到本次分析涉及進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)布置與主機(jī)房外布置兩種方式，為此，計算中通過保持原油主機(jī)、滑油分機(jī)、漏油泵、空壓機(jī)等設(shè)備振動及空氣噪聲激勵載荷不變，而將進(jìn)氣風(fēng)機(jī)振動及空氣噪聲激勵載荷施加于進(jìn)氣風(fēng)管主機(jī)房內(nèi)外處，開展了進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)外布置時的噪聲分析，模擬計算工況詳見表1。

表1 模擬計算工況表

3 風(fēng)機(jī)布置對平臺噪聲的影響

3.1 進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房外布置時平臺的噪聲特性分析

圖4表示進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房外布置時平臺噪聲分布情況。從圖4這幾幅圖中可以看出，主機(jī)房噪聲最大，進(jìn)氣風(fēng)管及排氣風(fēng)管處噪聲次之，平臺生活區(qū)噪聲最?。恢鳈C(jī)房周圍公共區(qū)噪聲也相對較大，距離主機(jī)房較遠(yuǎn)的公共區(qū)域噪聲相對較小。同時，距離甲板及主機(jī)房越近，平臺噪聲越高，距離甲板越遠(yuǎn)，其噪聲水平越低。造成上述現(xiàn)象的主要原因是平臺噪聲源主要集中于主機(jī)房區(qū)域所致，由于原油主機(jī)等高振動及噪聲源設(shè)備布置于主機(jī)房內(nèi)部，進(jìn)氣風(fēng)機(jī)雖布置于主機(jī)房外，但其空氣噪聲激勵載荷相對原油供油機(jī)等載荷相對較小，從而使得主機(jī)房噪聲顯著增大，主機(jī)房周圍噪聲次之，生活區(qū)最小。

圖4 進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房外布置時平臺噪聲分布

3.2 進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)布置時的平臺噪聲特性分析

圖5表示進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)布置時平臺噪聲分布情況。從圖5可以看出：相比于進(jìn)氣風(fēng)機(jī)在主機(jī)房外布置，當(dāng)進(jìn)氣風(fēng)機(jī)在主機(jī)房內(nèi)布置時，主機(jī)房噪聲分布規(guī)律與風(fēng)機(jī)主機(jī)房外布置時變化不大，其噪聲分布規(guī)律為主機(jī)房噪聲最大，進(jìn)氣風(fēng)管機(jī)排氣風(fēng)管處噪聲次之，平臺生活區(qū)噪聲最小，主機(jī)房周圍公共區(qū)噪聲也相對較大。然而，公共區(qū)及生活區(qū)噪聲分布規(guī)律與風(fēng)機(jī)主機(jī)房外布置時顯著增大，正對主機(jī)房生活區(qū)噪聲較遠(yuǎn)離主機(jī)房生活區(qū)噪聲也顯著偏大。

圖5 進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)布置時平臺噪聲分布

圖6表示為進(jìn)氣風(fēng)機(jī)布置在主機(jī)房內(nèi)外時海洋平臺典型區(qū)域噪聲對比情況。將風(fēng)機(jī)布置主機(jī)房內(nèi)外時平臺典型區(qū)域噪聲分布進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)：風(fēng)機(jī)布置對平臺典型區(qū)域的噪聲影響各不相同。對于主機(jī)房而言，風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)布置將使主機(jī)房的噪聲變化不大，且其影響主要集中于中低頻段；對于公共區(qū)及生活區(qū)而言，風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)布置時可降低平臺公共區(qū)及生活區(qū)的噪聲水平，其影響主要集中在中高頻段。造成上述現(xiàn)象的主要原因是，進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)布置時，主機(jī)房內(nèi)原油主機(jī)是平臺公共區(qū)及生活區(qū)的主要噪聲源，進(jìn)氣風(fēng)機(jī)對公共區(qū)及平臺生活區(qū)的影響相對較??；而當(dāng)進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房外布置時，由于主機(jī)房艙壁的隔聲效果，使得原油主機(jī)等噪聲源對公共區(qū)及生活區(qū)噪聲的影響較小，進(jìn)氣風(fēng)機(jī)則成為平臺噪聲的最主要噪聲源，因此進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)外布置對公共區(qū)及生活區(qū)的影響相對較小。

圖6 進(jìn)氣風(fēng)機(jī)布置在主機(jī)房內(nèi)外時海洋平臺典型區(qū)域噪聲對比

表2給出了進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)外布置時平臺典型區(qū)域噪聲分布及進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)布置的降噪效果，可以看出，主機(jī)房內(nèi)布置時主機(jī)房噪聲變化不大，平臺公共區(qū)及生活的降噪效果卻十分顯著，進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)布置時，會使主機(jī)房噪聲提供約0.6 dBA，但卻可使公共區(qū)噪聲下降約7.9 dBA，使平臺生活區(qū)噪聲下降約4.2 dBA～6.3 dBA。因此，從降低平臺噪聲、保護(hù)人員安全性角度而言，宜將進(jìn)氣風(fēng)機(jī)布置于主機(jī)房內(nèi)。

不論進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)布置還是主機(jī)房外布置，主機(jī)房的噪聲水平均在120 dBA左右，主機(jī)房周圍公共區(qū)噪聲也在77 dBA～85 dBA之間，生活區(qū)噪聲在51.9 dBA～70.3 dBA，其絕對量值均較大。因此，從人員安全角度考慮，除需將進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)布置外，還需對主機(jī)房采取必要的聲學(xué)防護(hù)、個體聲學(xué)防護(hù)手段及嚴(yán)格的管理手段等措施。

表2 進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)外布置平臺典型區(qū)域噪聲及降噪效果

4 結(jié)論

基于統(tǒng)計能量法(SEA)開展了風(fēng)機(jī)布置對海洋平臺噪聲的影響研究，分析了進(jìn)氣風(fēng)機(jī)布置于主機(jī)房內(nèi)外時海洋平臺典型區(qū)域的噪聲分布。在此基礎(chǔ)上，以平臺噪聲最優(yōu)為目標(biāo)，開展了風(fēng)機(jī)布置的優(yōu)化設(shè)計，給出了風(fēng)機(jī)的優(yōu)化布置。通過上述分析可以得到如下主要結(jié)論：

(1) 進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)外布置時平臺噪聲分布規(guī)律大致相同，主機(jī)房噪聲最大，主機(jī)房周圍公共區(qū)噪聲也相對較大，平臺生活區(qū)噪聲最小，距離主機(jī)房越近，平臺噪聲越高，距離主機(jī)房越遠(yuǎn)，其噪聲水平越低。

(2) 風(fēng)機(jī)內(nèi)外布置主機(jī)房的噪聲影響較小，而對于公共區(qū)及生活區(qū)的影響較大。進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)布置時，會使主機(jī)房噪聲提供約0.6 dB，但卻可使公共區(qū)噪聲下降約7.9 dB，使平臺生活區(qū)噪聲下降約4.2 dB～6.3 dB。因此，從降低平臺噪聲、保護(hù)人員安全性角度而言，宜將進(jìn)氣風(fēng)機(jī)布置于主機(jī)房內(nèi)。

(3) 不論進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)布置還是主機(jī)房外布置，主機(jī)房噪聲水平均在120 dBA左右，主機(jī)房周圍公共區(qū)噪聲也在77 dBA～85 dBA之間，生活區(qū)噪聲在51.9 dBA～70.3 dBA，其絕對量值均較大。因此，從人員安全角度而言，除需將進(jìn)氣風(fēng)機(jī)主機(jī)房內(nèi)布置外，還需對主機(jī)房采取必要的聲學(xué)防護(hù)、個體聲學(xué)防護(hù)手段及嚴(yán)格的管理手段等措施。

[1] International Maritime Organisation. Adoption of the Code on Noise Levels on Board Ships Resolution MSC[S].337(91) ,adopted on 30 November 2012:20-84.

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