大型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)降噪設(shè)計特點

黃保平 唐敏 王偉

1.江蘇華強(qiáng)新能源科技有限公司；2.上海華強(qiáng)新能源技術(shù)有限公司

一、大型燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點

大型陸用燃?xì)廨啓C(jī)主要用于能源發(fā)電，利用燃燒氣體在動輪葉片間的膨脹做功。進(jìn)氣系統(tǒng)的主要功能在于將空氣中的塵埃、雜物顆粒過濾，給燃?xì)廨啓C(jī)提供充分的潔凈空氣。進(jìn)氣系統(tǒng)由進(jìn)氣過濾房和進(jìn)氣管道兩部分組成，進(jìn)氣管道與燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)入口相連接。圖一是大型燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的布置和結(jié)構(gòu)示意圖，通常設(shè)計情況下，過濾房部分位于室外，進(jìn)氣管道置于室內(nèi)。

圖一：大型燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在大型燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，處理風(fēng)量高達(dá)600Nm3/s，燃機(jī)壓氣機(jī)的噪聲源強(qiáng)度高，燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行效率對進(jìn)氣系統(tǒng)壓降值比較敏感。在設(shè)計進(jìn)氣系統(tǒng)管道消聲器時，需要充分考慮這些因素。

二、大型燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲源特征以及降噪的控制方式

燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)本身是一個無動力系統(tǒng)，不會產(chǎn)生主動噪聲。但是，由于進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣管道與燃機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)風(fēng)口連接，壓氣機(jī)的噪音經(jīng)由空氣通道，一直傳遞到進(jìn)氣系統(tǒng)過濾房的空氣入口，造成環(huán)境噪音污染。

大型燃?xì)廨啓C(jī)的噪聲主要是壓氣機(jī)內(nèi)空氣高速流動產(chǎn)生的氣動噪聲，燃燒室天然氣燃燒膨脹產(chǎn)生的爆震噪聲，以及機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動過程中的噪聲；這些噪聲呈現(xiàn)出頻帶寬、噪聲值高的特點，壓氣機(jī)入口處的聲功率級一般都會達(dá)到160dB（A）左右。這些噪聲沿著進(jìn)氣系統(tǒng)空氣通道向通道外和進(jìn)氣系統(tǒng)入口方向傳遞，造成環(huán)境噪音污染程度相當(dāng)嚴(yán)重，因此，在燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計過程中，必須采取相應(yīng)對策，確保符合相應(yīng)的噪音排放標(biāo)準(zhǔn)。

表一是幾種大型燃機(jī)壓氣機(jī)入口處的噪音頻譜特征數(shù)據(jù)。

表一 壓氣機(jī)入口處頻譜特性

從燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)看，燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)入口處輻射出來的噪音在進(jìn)氣系統(tǒng)中的傳播途徑有兩條，一是透過進(jìn)氣系統(tǒng)空氣通道殼體向外傳播，二是從進(jìn)氣系統(tǒng)過濾房的空氣入口處向外傳播。相對應(yīng)地，進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計中，分別采用通道的外壁隔聲設(shè)計、空氣通道中配置消聲片設(shè)計，如圖二所示。

圖二：大型燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計示意圖

三、進(jìn)氣管道外壁的隔聲設(shè)計特點

大型燃?xì)廨啓C(jī)呈現(xiàn)出噪聲輻射值高、進(jìn)氣流量大、電廠廠區(qū)環(huán)保要求高的特點，在一般的項目中燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣管道的外側(cè)1m遠(yuǎn)1.5m高位置聲功率級需低于98dB，管道的隔音量需達(dá)到63dB。結(jié)構(gòu)上，進(jìn)氣管道是一個薄板結(jié)構(gòu)件通道，需要滿足大流量、高流速（流速一般會控制在40m/s左右）、壓力波動范圍大（±3000Pa）、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高、使用年限要求高和高隔聲量且需兼顧保溫。進(jìn)氣系統(tǒng)的管道壁一般是采用5mm的碳鋼板，外側(cè)布置適量的加強(qiáng)筋，內(nèi)外表面都按照高附著力、高耐久等要求進(jìn)行了噴涂處理。

兼顧隔聲、經(jīng)濟(jì)性和保溫效果，管道外側(cè)適合采用鋪設(shè)復(fù)合隔聲結(jié)構(gòu)，復(fù)合隔聲結(jié)構(gòu)采用巖棉板、阻尼層及外護(hù)板的形式。為了防止形成聲橋結(jié)構(gòu)，固定護(hù)面的結(jié)構(gòu)需與管道外殼之間會使用隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。為了能夠增加隔聲結(jié)構(gòu)的隔聲效果，護(hù)面與巖棉之間設(shè)計有空氣層。

圖三:管道隔聲結(jié)構(gòu)

由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲量的理論計算值與工程實際結(jié)果往往有較大偏差，因此，通過試驗測量的方法更適用。適用于AE94.3A燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)管道外壁復(fù)合隔聲結(jié)構(gòu)的實驗測試數(shù)據(jù)如表二；根據(jù)試驗測試結(jié)果可以計算出管道外壁的實際的噪音聲功率級，如表三。

表二：復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲量測試數(shù)據(jù)表

表三：管道隔聲結(jié)構(gòu)聲學(xué)計算表

四、進(jìn)氣通道消聲的設(shè)計特點

大型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)除了對管道外壁進(jìn)行隔聲處理外，為了滿足系統(tǒng)的噪聲輻射值要求，根據(jù)燃?xì)怆姀S廠界的噪聲排放要求和整個電廠的噪聲排放規(guī)劃的要求，一般項目會要求在距進(jìn)氣系統(tǒng)1m處，1.5m高的位置的聲壓級不能高于85dB（A）。

進(jìn)氣系統(tǒng)氣流通道的聲學(xué)設(shè)計影響因素有: 消音片的插入損失、過濾房濾芯的插入損失、沿程損失（沿管道的損失和壁板透射損失）、系統(tǒng)再生噪音。在進(jìn)氣系統(tǒng)中氣流通道壁板一般都是用5mm左右的金屬板和外壁加強(qiáng)筋制成，沿壁板透射的噪聲相對管道內(nèi)部的噪聲基本可忽略不計，因此，壓氣機(jī)噪音通過進(jìn)氣系統(tǒng)到達(dá)過濾房空氣入口處的噪音衰減值：

△L = △L1 + △L2 - △L3

其中, △L1=消音片的插入損失

△L2=過濾房濾芯的插入損失

△L3=系統(tǒng)再生噪音

（一）濾芯的插入損失

進(jìn)氣系統(tǒng)中濾芯是安裝于過濾房的結(jié)構(gòu)框架之上，濾芯與結(jié)構(gòu)框架之間具有良好的密封性；結(jié)構(gòu)框架一般是5mm厚的鋼板制成，濾芯一般是由濾紙、框架和密封材料組成，均會有一定的隔聲和吸聲性能，理論上隔聲性能與材料的面密度有關(guān)，初濾、反吹濾筒、框式精濾的插入損失各不相同，不同廠家提供的濾芯一般都會稍有差別，因此，在進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計時，這方面的影響是不可忽略的。不同項目的過濾房濾芯配置不同，對聲學(xué)的影響也就不同。

表四顯示，某項目AE94.3燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)過濾房配置兩級濾芯，在不配置消音器的情況下，進(jìn)氣系統(tǒng)入口監(jiān)測點的聲壓級如表5是115dB（A）左右。

表四 不加消音器時進(jìn)氣系統(tǒng)入口聲壓級計算表

（二）消音器的插入損失

僅僅有濾芯的消音降噪效果還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能聲學(xué)設(shè)計要求，需要在進(jìn)氣通道中設(shè)計安裝消聲器。進(jìn)氣系統(tǒng)中一般配置是阻性片式消音器，大型F級燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣量一般都在600Nm3/s左右，片式消音器的片間流速是一個重要的控制指標(biāo)。

若片間流速設(shè)計的過小，消音器的體量就會非常大，設(shè)備的成本就較高，不經(jīng)濟(jì)；若進(jìn)氣系統(tǒng)消音片的片間流速過大，會造成消音器壓力損失和再生噪聲都會更大，同時，消音器壓力損失過大會造成整個進(jìn)氣系統(tǒng)的運(yùn)行阻力過大，燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行效率就會降低，如圖三所示，一般把消音器壓力損失控制在200Pa左右；再生噪聲的增大也會影響消音器的消音效果。這是一個綜合平衡的考慮。

圖四：大型燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)壓損與燃機(jī)效率關(guān)系圖

消音器的消音量計算公式如下：

其中

式中φ（α0）是與材料吸聲系數(shù)α0有關(guān)的消聲系數(shù)；

α0正入射吸聲系數(shù)；

P消音器通道截面周長；

S消音器通道截面積；

l消音器的有效長度；

消音器的壓力損失計算方式如下：

局部阻力

在消音片設(shè)計過程中，需選擇合適的截止頻率范圍，還需對消音片的高頻失效問題進(jìn)行校核。對于消音片厚度的確定、吸音材料的選擇、包裹玻纖布的選擇等，除了利用經(jīng)驗公式、材料數(shù)據(jù)之外，還是要做必要的樣件測試。

燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)管道消聲器設(shè)計上，一個重要的原則是安全，絕對不可以有任何物件脫落。

（三）系統(tǒng)氣動噪音（再生噪音）

在進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計過程中消音器的再生噪聲是對消聲性能影響的一個關(guān)鍵量，對于消音器的再生噪聲可根據(jù)經(jīng)驗公式進(jìn)行核算，公式如下：

其中：LWA為消音器氣流再生噪聲的A聲功率級；

α為與消音器結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)；

v為消音器內(nèi)的平均流速；

s為消音器內(nèi)氣流通道的總面積

進(jìn)氣系統(tǒng)中消音器為片式的，α我們?nèi)?dB，消音器的片間流速一般會控制在25m/s左右，故消音器位置的再生噪聲的聲功率級約為102.7dB；而進(jìn)氣系統(tǒng)消音器出口位置的理論聲功率計會達(dá)到125dB左右，兩者的差值較大，所以消音器的再生噪聲基本可以忽略不計。

至此，進(jìn)氣系統(tǒng)過濾房入口處的噪聲衰減值計算模型可以簡化為：

其中, △L1=消音片的插入損失

△L2=過濾房濾芯的插入損失

五、工程驗證

以某項目燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計為驗證目標(biāo)，聲學(xué)計算表如下：

表五：某燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)計算表

項目完成后，對該項目的進(jìn)氣系統(tǒng)的入口處噪音進(jìn)行了實測，結(jié)果如下：

表六：某燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)運(yùn)行噪音實地測量值

從測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計模型與實測結(jié)果有較高的相關(guān)度，基本滿足進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計需要，見圖五、圖六。

圖五：進(jìn)氣口位置理論計算值與實測值對比表

圖六：管道外側(cè)理論值與實測值對比表

六、結(jié)論

綜上所述，燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)是為燃?xì)廨啓C(jī)配套的輔助系統(tǒng)，其應(yīng)用場合決定了燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計的基本特點。

1.燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計需考慮管道外壁的隔聲和沿氣流通道方向的降噪設(shè)計。進(jìn)氣管道的外壁隔聲采用復(fù)合結(jié)構(gòu)；沿氣流通道方向的降噪設(shè)計主要有消音片和濾芯。

2.沿氣流通道方向的降噪設(shè)計時，必須考慮結(jié)構(gòu)上的安全性，任何物件的脫落都將造成燃機(jī)葉片損害，造成巨大損失。

3.沿氣流通道方向的降噪設(shè)計時, 考慮的主要降噪因素是進(jìn)氣管道中的消音片插入損失和過濾器濾芯插入損失兩個方面。先根據(jù)過濾房的濾芯配置，確定濾芯的插入損失后，再考慮進(jìn)氣管道內(nèi)消音器的設(shè)計。

4.隔聲設(shè)計需兼顧高隔聲結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)性的權(quán)衡。在消音器設(shè)計時壓力損失和消音量之間是一對相互矛盾的量，而進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力損失又直接影響燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行效率，我們設(shè)計時需兼顧進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲控制要求、制造成本、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性這三個方面，在具體項目實施中，應(yīng)考慮項目具體要求做差異化設(shè)計。