化工裝置噪聲控制技術(shù)簡析

郭　浩

(陜西延長石油集團北京石油化工工程有限公司，陜西　西安　710075)

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化工裝置噪聲控制技術(shù)簡析

郭浩

(陜西延長石油集團北京石油化工工程有限公司，陜西西安710075)

噪聲是危害人類健康的四大污染源之一，化工裝置生產(chǎn)過程中，常伴隨各種噪聲的產(chǎn)生。本文結(jié)合化工裝置生產(chǎn)實際，分析并指出化工生產(chǎn)過程中噪聲產(chǎn)生的主要原因為振動噪聲、噴射噪聲、旋轉(zhuǎn)噪聲、電磁噪聲等，并針對不同的噪音成因，分別提出針對性的噪音控制措施。如采用隔振器及消除管系激擾力等方面進行振動噪音控制；采用消音器進行噴射噪音控制；采用優(yōu)化設(shè)計選型及消聲隔聲等措施進行旋轉(zhuǎn)噪聲控制；通過選擇合適的轉(zhuǎn)子槽配合、采用轉(zhuǎn)子斜槽及提高定子剛度等措施進行電磁噪聲控制。

化工裝置；噪音；減噪

化工裝置是進行化工生產(chǎn)的基本單元，由反應(yīng)器、壓縮機、容器、塔器及管道閥門等按照一定的工藝流程要求組成，用以完成特定的化工生產(chǎn)目的。在化工正常操作、開停車過程中，由于葉輪高速旋轉(zhuǎn)、機械振動、高壓放空等操作而會產(chǎn)生刺耳的噪聲現(xiàn)象。

當噪聲超過一定的標準就會嚴重干擾工作人員的工作。長期暴露在高噪聲環(huán)境中工作，會危害人的健康。世界各國都很重視噪聲問題，把噪聲污染列為與大氣污染、水污染、廢固污染并列的四大污染源之一。因此分析化工裝置噪音產(chǎn)生的原因并尋求解決辦法，就成為化工設(shè)計、操作人員需要解決的首要問題。

1　噪聲原因分析

根據(jù)噪聲產(chǎn)生的部位及原因，化工裝置中噪聲主要可分為振動噪聲、噴射噪聲、旋轉(zhuǎn)噪聲、電磁噪聲等類型。

1.1機械振動噪聲

化工裝置中，機械振動分為設(shè)備振動和管道振動兩大類。

空壓機、離心泵等動設(shè)備在運轉(zhuǎn)過程中，由于運轉(zhuǎn)部件的不平衡或聯(lián)軸器定心不良等造成質(zhì)量的不平衡，產(chǎn)生慣性力而引起的振動噪聲。振動噪音的擾動頻率為：

式中：f——機械振動噪音的頻率，Hz

n——設(shè)備轉(zhuǎn)速，r/min

而管道振動噪音的原因則包括液壓沖擊和氣流脈動等激擾力。液壓沖擊使管壁的應(yīng)力增加數(shù)倍，管道產(chǎn)生嚴重的振動。高壓力降在液流管道中產(chǎn)生氣液兩相的空化現(xiàn)象，空化氣泡破裂時產(chǎn)生巨大的沖擊力，使管道嚴重失穩(wěn)。液流管道中流體流速的突變是導(dǎo)致液壓沖擊的主要原因，而引起流速突變的主要因素有：閥門的快速開關(guān)或泵的啟動與停止引起的水錘；流體速度的改變；液體通過節(jié)流孔時產(chǎn)生的高壓力降液體等。

1.2噴射噪聲

高速氣流從管口噴出后，會將管口周圍靜止的空氣卷入，與周圍氣體不斷進行動量、質(zhì)量交換，周圍空氣不斷被卷人，射流流量不斷增加，斷面不斷擴大。根據(jù)20世紀50年代初英國學(xué)者M J Lingtbill進行的噴射噪聲聲源特性的研究成果，結(jié)果表明，隨離開噴口距離的增加射流的寬度會逐漸擴展，且隨著壓力的逐漸下降流速會逐漸減慢[1]。氣流噴射產(chǎn)生噪聲的流場如圖1所示。

圖1　噴射氣流的流場分布

氣流噴射過程大致可分為三個區(qū)，即混合區(qū)、過渡區(qū)和擴散區(qū)。當氣流剛從管口噴出時，由于其流速較快，故能保持成束狀流動，這一段的距離一般為4～5 D(D為噴口直徑)。在距離管口5～8 D處，噴射氣流在剪切周圍空氣的同時，兩者發(fā)生強烈的混合并逐漸向外擴散，從而產(chǎn)生強烈的噪聲。因此，混合區(qū)、過渡區(qū)是噴射噪聲的主要產(chǎn)生區(qū)域，發(fā)出高頻噪聲，在擴散區(qū)兩者進一步混合形成紊流，發(fā)出低頻噪聲。

1.3旋轉(zhuǎn)噪聲及渦流噪聲

旋轉(zhuǎn)噪聲是壓縮機、風(fēng)機等機械設(shè)備在做高速旋轉(zhuǎn)過程中，葉輪高速旋轉(zhuǎn)切割周圍氣體介質(zhì)，引起周圍氣體壓力脈動而產(chǎn)生，當葉輪旋轉(zhuǎn)時，葉片出口區(qū)內(nèi)氣流具有很大的不均勻性，這種不均勻性周期地作用于周圍介質(zhì)，產(chǎn)生壓力脈動而形成旋轉(zhuǎn)噪聲。旋轉(zhuǎn)噪聲的基頻具有確定的頻率，它等于葉片打擊空氣的次數(shù)。

式中：fr——旋轉(zhuǎn)噪音的基頻，Hz

n——葉輪轉(zhuǎn)速，r/min

Z——葉片數(shù)

葉片在轉(zhuǎn)動時除了產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)噪聲外，同時使周圍的氣體在葉片的后面產(chǎn)生渦流，這些渦流由于空氣本身的粘滯作用，又分裂成許多小渦流，從而擾動空氣形成壓縮與稀疏過程而產(chǎn)生噪聲，它的頻率可以由下式計算：

式中：Fi——渦流噪音的基頻，Hz

sh——斯脫路哈數(shù)，無量綱

V——氣體與葉片的相對速度，m/s

D——氣體入射方向的厚度，m

1.4電磁噪聲

電機氣隙中磁場相互作用產(chǎn)生隨時間和空間變化的徑向力，使定子鐵心和機座隨時間周期性變形，即定子發(fā)生振動。電磁噪聲主要是由于定子的振動使周圍空氣脈動而引起氣載噪聲。電磁噪聲的形成原因歸結(jié)如下：

(1)氣隙空間的磁場是一個旋轉(zhuǎn)波，定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生的徑向力基波使定、轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向變形和周期性振動，產(chǎn)生電磁噪聲；

(2)氣隙磁場中除了基波分量外，還有高次諧波分量，高次諧波的徑向力波也都分別作用于定、轉(zhuǎn)子鐵心上，使它們產(chǎn)生徑向變形和周期振動。一般情況下，對高次諧波來說，電動機轉(zhuǎn)子剛度相對較強，而定子鐵心呈薄壁圓環(huán)形，剛性較差，因此定子鐵心的徑向變形振動是引起電磁噪聲的主要原因；

(3)定子鐵心不同階次的變形有不同的固有頻率，當徑向力波的頻率與鐵心的某個固有頻率接近或相等時，就會引起“共振”。在這種情況下，即使徑向力波的波幅不大，也會導(dǎo)致定子鐵心變形和周期性振動，產(chǎn)生較大的電磁噪聲。

2　噪聲控制技術(shù)

2.1機械振動噪聲噪聲控制技術(shù)

根據(jù)機械振動噪音產(chǎn)生的機理及其特點，一般采用有針對性的隔振減噪技術(shù)。工程中，表示隔振效果的物理里是傳遞比(或稱傳遞系數(shù))T，它表示作用于設(shè)備的各種力經(jīng)隔振裝置后傳遞到設(shè)備基礎(chǔ)的比例。T值越小，表明隔振效果越好。表1列出了按設(shè)備功率不同所需的振動傳遞比T的建議值。

表1　按設(shè)備功率傳遞比的建議值

在機械振動的隔振減噪設(shè)計中，首先根據(jù)需要確定振動傳動比T，然后根據(jù)振動噪音的擾動頻率f，根據(jù)下式計算隔振器的自振頻率f0：

式中：f0——隔振器的自振頻率，Hz

f——振動噪音的擾動基本頻率，Hz

T——傳動比

選擇隔振器形式時，除了要考慮隔振器的承載能力外，重點考慮其對自振頻率的要求。一般來說，當自振頻率f0<5 Hz時，應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力阻尼型金屬彈簧隔振器；當5 Hz≤f0<12 Hz時，可采用金屬彈簧隔振器或橡膠剪切型隔振器；當f0≥12 Hz時，宜采用橡膠剪切型隔振器或橡膠隔振墊。

而對化工裝置管道振動產(chǎn)生的噪音控制，首先應(yīng)從消減管系的激擾力方面入手[2],如在管道和機械設(shè)備接口之間增加柔性接頭，隔離振動，減少噪音；對流體脈動，可在管道上設(shè)置足夠容量的緩沖器，或安裝節(jié)流孔板，可起到脈動波消峰填谷的緩沖作用；對氣液兩相流引起的振動，應(yīng)采取適當措施改變流體在管內(nèi)流動狀態(tài)，避免出現(xiàn)塞狀流、團狀流等兩相流；對高速流體，可適當降低流速或設(shè)緩沖器，避免出現(xiàn)水錘。其次，應(yīng)增加管系結(jié)構(gòu)的剛度，提高結(jié)構(gòu)剛度可以使管道固有頻率遠離激振頻率，減小管系對激勵源的振動響應(yīng)，進而降低噪聲。第三，可通過增加管系結(jié)構(gòu)的阻尼，限制并減輕管道振動，達到減噪的目的。

2.2噴射噪音的控制技術(shù)

噴射噪音的控制技術(shù)主要采用消音器。根據(jù)消聲的原理不同大致可分為阻性和抗性兩大類。阻性消聲器的消聲原理是借助裝置在管道內(nèi)壁或在管道中按一定方式排列的吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲作用，使沿管道傳播的聲能部分地轉(zhuǎn)化為熱能而消耗掉，達到消聲的目的，它對中、高頻有較好的消聲性能?？剐韵暺魇墙柚艿澜孛娴耐蝗粩U張或收縮或旁接共振腔，使沿管道傳播的某些特定頻率或頻段的噪聲，在突變處向聲源反射回去而不再向前傳播，從而達到消聲的目的?？剐韵暺鲗Φ皖l和低中頻有較好消聲性能。共振型消聲器屬抗性消聲器范疇。它適用于低頻或中頻窄帶噪聲或峰值噪聲，消聲頻率范圍窄。復(fù)合型消聲器(阻抗復(fù)合，阻性和共振復(fù)合)則可發(fā)揚各自的優(yōu)點，但價格較貴。

在進行噴射類噪音減噪時，首先測量噪音的頻譜，根據(jù)頻譜特征，判斷該噪音屬于高頻、中頻、低頻還是混合寬頻。若噪音主要集中在中高頻，則優(yōu)先選用阻性消音器；若噪音主要集中在低頻，則優(yōu)先選用抗性消音器；若噪音帶頻較寬，可考慮采用復(fù)合型消聲器。

此外，國內(nèi)科研工作者在近些年研發(fā)的新型消聲器中有一類微穿孔板新型消音器[3-4]。這類消聲器的特點是在薄的金屬板上鉆許多絲米級微孔取代通過多孔吸聲材料實現(xiàn)消聲的傳統(tǒng)消音方法實現(xiàn)消聲的。在結(jié)構(gòu)形式上看，微穿孔板消聲器跟阻性消聲器很相似。其原理是在金屬板上鉆很多絲米級微孔，微孔板后留下一定空腔，成為微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，達到消音的效果。該型消音器廣泛適用于化工裝置高溫、潮濕、油霧等環(huán)境，其減噪效果一般為15～40 dB。這類消聲器的優(yōu)點有耐高溫、耐油、防水，氣流再生噪聲低，但是該類型消聲器的使用也應(yīng)滿足一定的條件要求，如避免高塵環(huán)境等，選用時應(yīng)注意。

2.3旋轉(zhuǎn)噪聲及渦流噪聲的控制技術(shù)

旋轉(zhuǎn)噪聲及渦流噪聲的控制應(yīng)從設(shè)計選型階段的主動降噪及后期的被動降噪兩方面入手[5]。

通過控制噪聲源從而降低噪聲的方法稱為主動降噪方法。旋轉(zhuǎn)噪聲及渦流噪聲的噪聲源為壓縮機、風(fēng)機等機械設(shè)備在做高速旋轉(zhuǎn)過程中形成的。因此在設(shè)計選型階段，應(yīng)選擇最佳的結(jié)構(gòu)型式及合理的轉(zhuǎn)速，提高加工精度及裝配質(zhì)量，使之達到最優(yōu)化設(shè)計而降低旋轉(zhuǎn)噪聲及渦流噪聲。

被動降噪方法是指通過切斷噪聲的傳播途徑從而達到控制噪聲的目的。被動降噪的方法可以分為消聲、隔聲、吸聲等方法。其中消聲即指通過安裝消聲器實現(xiàn)噪聲控制。隔聲及吸聲則是通過隔聲吸聲材料進行，通過金屬等密度高的材料將噪聲源封閉在一個空間內(nèi)與外界隔絕，減少噪聲向外界的傳播，當噪聲源所在空間完全封閉時，聲源所發(fā)出的聲音將在隔聲材料面上多次反射，增加隔聲空間內(nèi)的聲能密度，使得隔聲量迅速下降。另外同時在隔聲空間內(nèi)部添加吸聲材料，將聲能耗散成熱能，減少聲波的反射，從而達到控制噪聲的目的。

2.4電磁噪聲的控制技術(shù)

在電磁噪聲的諸多控制技術(shù)中，變頻電機定、轉(zhuǎn)子槽配合的合理選擇對降低電磁噪聲具有決定性的意義。為了限制電磁噪聲，應(yīng)選擇合適容量的電機并配合適合的轉(zhuǎn)子槽配合[6]，不存在既適用于小容量電機，又適用于大容量電機的選擇槽配合的通用規(guī)則，因為小容量電機和大容量電機定子鐵心的共振特性是不同的。其次，轉(zhuǎn)子斜槽是降低電磁噪音的有效辦法，采用轉(zhuǎn)子斜槽后，槽配合選擇的范圍擴大，可有效控制電磁噪聲的產(chǎn)生[7]。第三，除了電磁設(shè)計參數(shù)外，定子結(jié)構(gòu)剛度、固有振動頻率等都對電機的電磁噪音發(fā)生影響。因此，為了設(shè)計選用出低噪聲的變頻電機，必須對槽配合和定子鐵心的共振特性進行綜合分析，擇優(yōu)選用。

3　結(jié)　論

化工裝置作為化工生產(chǎn)的基本形態(tài)，有別于其他類型生產(chǎn)裝置，具有高溫、高壓、各類動設(shè)備種類繁多、管道復(fù)雜等特點。另外，由于在正常操作及開停車過程中，經(jīng)常由于葉輪高速旋轉(zhuǎn)、機械振動、高壓放空等操作而會產(chǎn)生刺耳的噪聲現(xiàn)象。本文結(jié)合化工裝置生產(chǎn)的特點，從化工裝置噪音產(chǎn)生的部位及原因分析入手，提出有針對性的噪聲控制技術(shù)，在化工設(shè)計及生產(chǎn)改造中，具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]黃澤淦,齊忠流.化工廠噴射噪聲消聲器的設(shè)計及應(yīng)用[J].化工環(huán)保,1993,13(2):100-109.

[2]趙子琴.管道振動的減振方案及工程應(yīng)用[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2011(3):54-56.

[3]馬大猷.微穿孔吸聲體的準確理論和設(shè)計[J].聲學(xué)學(xué)報,1997,22(5):385-393.

[4]劉克.微穿孔板和微縫板吸聲體研究進展[J].應(yīng)用聲學(xué),2012,21(1):3-6.

[5]毛義軍,祁大同.葉輪機械氣動噪聲的研究進展[J].力學(xué)進展,2009,39(2):189-202.

[6]李廣.變頻電機電磁噪聲分析及改進[J].電機與控制技術(shù),2009,36(4):55-57.

[7]邵建清.改善三相異步電動機電磁噪音的探討[J].電機技術(shù),2000(4):31-33.

Study on Noise Control Technology of Chemical Plant Installations

GUOHao

(Shaanxi Yanchang Petroleum Group Beijing Petrochemical Engineering Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710075, China)

Noise is one of the four pollution sources which endanger human health. There are many kinds of noises generated during chemical processes. Combing with the operation of chemical processing units, it was pointed out that the chemical process noises were classified as shaking noise, jetting noise, rotating noise and electromagnetic noise based on the reasons of the noise originated. Some dedicating solutions were applied according to different noise causations. For instance, vibration isolator and elimination of piping excitation were taken into account to reduce shaking noise, silencer was installed to reduce jetting noise, optimal model selection method and noise insulation were adopted to reduce rotating noise, optimal rotor slot, flume rotor and increasing strength of stator were employed to reduce electromagnetic noise.

chemical plant; noise; noise reduction

郭浩(1981-)，男，西北大學(xué)碩士，工程師,，主要從事石油化工工程設(shè)計。

TU112.3

A

1001-9677(2016)010-0185-03