化工裝置調(diào)節(jié)閥的噪聲預(yù)測(cè)

劉珊

(中石化上海工程有限公司,上海 200120)

調(diào)節(jié)閥作為工藝過(guò)程的重要控制元件,廣泛應(yīng)用于各種石油化工裝置。根據(jù)SH/T 3005—2016《石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定,計(jì)算出的調(diào)節(jié)閥最大噪聲應(yīng)使其下游1 m處和管道表面1 m處的最大穩(wěn)態(tài)噪聲限制不得超過(guò)85 dB(A);用于泄放、放空等脈動(dòng)或間歇操作的調(diào)節(jié)閥在上述位置的最大脈沖噪聲限值不得超過(guò)105 dB(A),否則應(yīng)選用低噪音調(diào)節(jié)閥或采取外部降噪措施。

GBZ/T 189.8—2007《工作場(chǎng)所物理因素測(cè)量 第8部分: 噪聲》附錄B的規(guī)定,實(shí)際工作中,對(duì)于每天接觸噪聲不足8 h時(shí)的工作場(chǎng)所,可根據(jù)實(shí)際接觸噪聲的時(shí)間和測(cè)量(或計(jì)算)的等效聲級(jí),按照接觸時(shí)間減半噪聲接觸限值增加3 dB(A)的原則,工作場(chǎng)所噪聲日接觸時(shí)間及等效聲級(jí)接觸限值見(jiàn)表1所列。

表1 工作場(chǎng)所噪聲日接觸時(shí)間及等效接觸限值

對(duì)于液體工況的閥門,噪聲的突然增大往往也可作為閥門內(nèi)部發(fā)生氣蝕的有力判據(jù)之一,這是因?yàn)榇藭r(shí)閥門內(nèi)部的空化是噪聲激增的主要原因,這也使得噪聲可以作為閥門抗氣蝕效果的判斷依據(jù)。

本文所介紹的噪聲計(jì)算方法是對(duì)IEC標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)標(biāo)中所提供的計(jì)算流程,即采用壓差比和初始空化特性壓力比進(jìn)行計(jì)算與判斷的方法。

1 不可壓縮流體的閥門噪聲計(jì)算

噪聲的來(lái)源是流體機(jī)械能的損失,不可壓縮流體的噪聲計(jì)算思路: 首先通過(guò)流體的參數(shù)計(jì)算出管道內(nèi)部的機(jī)械損耗功率,將機(jī)械損耗功率按一定的聲功率比轉(zhuǎn)換為內(nèi)部聲功率,由內(nèi)部聲功率計(jì)算出內(nèi)部噪聲,再減去通過(guò)管壁的傳播損失,即計(jì)算出外部噪聲值。

1.1 流體參數(shù)及機(jī)械損耗功率的計(jì)算

不可壓縮流體的壓差比xF計(jì)算如式(1)所示:

(1)

式中: Δp——閥門上下游差壓,kPa;p1——閥門上游絕對(duì)壓力,MPa;pV——流體飽和絕對(duì)蒸汽壓,MPa。

當(dāng)xF增至足夠大時(shí),非空化流將向空化流轉(zhuǎn)變。在該轉(zhuǎn)變過(guò)程中,聲壓級(jí)因空化作用開(kāi)始增大,此時(shí)的壓差為Δpk,初始空化特性壓力比xFZ如式(2)所示:

(2)

當(dāng)xF>xFZ時(shí)空化開(kāi)始產(chǎn)生,一般來(lái)說(shuō),xFZ隨行程的變化而變化。實(shí)際應(yīng)用中,空化帶來(lái)的最大問(wèn)題就是閥門的氣蝕,因此液相閥門的噪聲激增往往代表了初始?xì)馕g的開(kāi)始。

值得注意的是,從空化的產(chǎn)生到對(duì)閥門產(chǎn)生空化損害存在一定過(guò)程,國(guó)外的文獻(xiàn)中,還定義了開(kāi)始出現(xiàn)損害的空化壓差比xFid,該數(shù)值對(duì)設(shè)計(jì)人員避免閥門空化損害更有指導(dǎo)意義,但需要由閥門制造商根據(jù)閥門的形式與內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供參考值。

當(dāng)p1=0.6 MPa時(shí),普通閥門的xFZ計(jì)算如式(3)所示:

(3)

當(dāng)p1=0.6 MPa時(shí),多孔的級(jí)閥芯閥門的xFZ計(jì)算如式(4)所示:

(4)

當(dāng)p1為其他壓力時(shí),應(yīng)修正xEZ,計(jì)算如式(5)所示:

(5)

式中:C——流量系數(shù);Fd——閥門類型修正系數(shù),與閥門的開(kāi)度行程有關(guān);FL——壓力恢復(fù)系數(shù),與閥門型式有關(guān),常規(guī)單座調(diào)節(jié)閥一般為0.9左右,球閥和蝶閥稍低,通常為0.6～0.8,準(zhǔn)確數(shù)值應(yīng)由閥門制造商確定;N34——流量系數(shù),C取Kv時(shí)為1,C取Cv時(shí)為1.17;NO——多級(jí)閥門級(jí)數(shù);dH——多孔閥門孔徑,m。

Δp>xFZp1(p1-pV)時(shí),即進(jìn)入空化狀態(tài),噪聲也會(huì)急劇增大。

(6)

式中:vVC——縮流斷面射流流速,m/s;ΔpC——vVC計(jì)算用差壓,ΔpC為xF(p1-pV)與2FL(p1-pV)中的較小值,Pa;ρL——液體密度,kg/m3。

(7)

式中:Wm——不可壓縮流體的機(jī)械損耗功率(流束功率),W;qm——介質(zhì)質(zhì)量流量,kg/s;

1.2 計(jì)算內(nèi)部聲功率

內(nèi)部聲功率計(jì)算如式(8)所示:

Wa=(ηturb+ηcav)WmrW

(8)

式中:Wa——聲功率,W;ηturb——紊流聲效系數(shù);ηcav——空化聲效系數(shù);rW——聲功率比,代表輻射到管道內(nèi)的部分聲功率。

(9)

式中:cL——液體中的聲速,m/s。

非空化狀態(tài)下ηcav=0,空化狀態(tài)下ηcav計(jì)算如式(10)所示:

(10)

式中:p2——閥門下游絕對(duì)壓力,MPa。

1.3 計(jì)算內(nèi)部噪聲

內(nèi)部聲壓級(jí)的計(jì)算如式(11)所示:

(11)

式中:Lpi——內(nèi)部聲壓級(jí),dB;Di——管道內(nèi)徑,m。

(12)

式中:fp, turb——紊流峰值頻率,Hz;NSTR——射流的斯特勞哈爾數(shù);Dj——縮流斷面射流直徑,m。

(13)

(14)

式中:N14——流量系數(shù),C取KV時(shí)等于0.004 9,C取CV時(shí)等于0.004 6;d——閥入口管道內(nèi)徑,m;d0——閥座/閥芯孔徑,m。

空化峰值頻率fp, cav計(jì)算如式(15)所示:

(15)

1.4 計(jì)算傳播損失

環(huán)形頻率計(jì)算如式(16)所示:

(16)

式中:fr——環(huán)形頻率,Hz;cp——管道中的聲速,m/s,鋼鐵按5 km/s取值。

環(huán)形頻率下的傳播損失如下:

(17)

式中:TLfr——環(huán)形頻率下的最低傳播損失,dB;ρP——管道材質(zhì)密度,鋼鐵按7.8 t/m3取值;φP——管道壁厚,m;cO——空氣中的聲速,343 m/s;ρO——空氣密度,1.293 kg/m3。

紊流的傳播損失計(jì)算如下:

TLturb=TLfr+ΔTLfp, turb

(18)

式中:TLturb——紊流的全部傳播損失,dB。

(19)

式中: ΔTLfp, turb——紊流峰值頻率的全部傳播損失TLturb到沿管道傳播的環(huán)形頻率下的傳播損失TLfr過(guò)程中的傳播損失之差,dB。

空化流的傳播損失計(jì)算如下:

(20)

式中:TLcav——空化流的全部傳播損失,dB。

1.5 計(jì)算外部噪聲

在紊流條件下,xF≤xFZp1時(shí),管壁外1 m處聲壓級(jí)LpAe, 1m計(jì)算式如式(21)所示:

(21)

空化條件下,xFZp1

(22)

2 可壓縮流體閥門噪聲計(jì)算

可壓縮流體的噪聲計(jì)算思路與不可壓縮流體相似,但因?yàn)榭蓧嚎s流體的流體狀態(tài)更為復(fù)雜,因此實(shí)際計(jì)算過(guò)程與不可壓縮流體稍有不同:

1)首先根據(jù)縮流斷面處壓力和下游壓力之間幾個(gè)極限值之間的關(guān)系,將流體狀態(tài)分為狀態(tài)Ⅰ～狀態(tài)Ⅴ,不同的流體狀態(tài)對(duì)應(yīng)了不同的計(jì)算公式,但噪聲計(jì)算的過(guò)程均相同。

2)計(jì)算縮流斷面處過(guò)程中的總流束功率。

3)根據(jù)流體狀態(tài),計(jì)算出相應(yīng)的聲效系數(shù)η,并且得到對(duì)應(yīng)的聲功率Wa。

4)將聲功率轉(zhuǎn)換成管道內(nèi)部聲壓級(jí)。

5)考慮管道壁的傳遞損失,并考慮觀測(cè)距離,計(jì)算出管壁外1 m處A加權(quán)聲壓級(jí)LpAe, 1m。

2.1 流體狀態(tài)的判定

2.1.1壓力與壓力比

為確定流體狀態(tài),需確定幾個(gè)壓力和壓力比參數(shù),計(jì)算公式如下:

(23)

式中:X——可壓縮流體壓差比。

(24)

(25)

式中:pVC——亞音速流條件下,假定氣體壓力恢復(fù)情況與液體相同,縮流斷面絕對(duì)壓力,Pa。

(26)

(27)

(28)

(29)

式中:pVCC——臨界流,即閥出口開(kāi)始達(dá)到音速流條件下,下游絕對(duì)壓力,Pa;γ——比熱比;p2C——縮流斷面音速流開(kāi)始時(shí),下游臨界壓力,Pa;XC——縮流斷面音速流開(kāi)始時(shí)的壓差比;XVCC——臨界流條件下,可壓縮流體壓差比。

(30)

式中:α——修正系數(shù)。

(31)

(32)

式中:p2B——斷點(diǎn)處下游壓力,即為激波紊流作用(狀態(tài)Ⅳ)開(kāi)始超越剪切紊流作用(狀態(tài)Ⅲ)影響噪聲頻譜所在,Pa;XB——馬赫面形成時(shí)的壓差比。

(33)

(34)

式中:p2CE——聲效系數(shù)為常數(shù)的區(qū)域(狀態(tài)Ⅴ)開(kāi)始時(shí)的下游壓力,Pa;XCE——聲效系數(shù)開(kāi)始固定為常數(shù)時(shí)的壓差比。

2.1.2流體狀態(tài)判定

控制閥通過(guò)把勢(shì)能(壓力)轉(zhuǎn)換成紊流來(lái)控制流體?？刂崎y中的噪聲是由這種轉(zhuǎn)換能量中的一小部分產(chǎn)生的,大部分能量都變成熱能。產(chǎn)生噪聲的不同狀態(tài)是各種聲學(xué)現(xiàn)象或氣體分子與激波相互作用的結(jié)果。

1)狀態(tài)Ⅰ。X≤XC,即p2≥p2C,流體以亞音速流動(dòng),氣體被部分再壓縮,這與FL有關(guān)。該類噪聲主要由偶級(jí)子聲源引起。

2)狀態(tài)Ⅱ。XCp2≥pVCC,噪聲主要由激波之間相互作用和紊流阻塞流產(chǎn)生。當(dāng)狀態(tài)Ⅱ接近極限時(shí),二次壓縮量減小。

3)狀態(tài)Ⅲ。XVCCp2≥p2B,不存在等熵壓縮。流體為超音速流動(dòng),剪切紊流占主導(dǎo)地位。

4)狀態(tài)Ⅳ。xBp2≥p2CE,馬赫面形成,分子碰撞減少,激波紊流作用占主要因素。

5)狀態(tài)Ⅴ。XCEp2,聲效系數(shù)為常數(shù)。p2的進(jìn)一步降低將不會(huì)使噪聲增加。

可壓縮流體五種流體狀態(tài)的壓差比區(qū)間范圍如圖1所示。

圖1 可壓縮流體五種流體狀態(tài)示意

2.2 初步計(jì)算

閥門類型修正系數(shù)計(jì)算如式(35)所示:

(35)

式中:dm——單流路水力直徑;d1——總流路面積的等效直徑。

(36)

式中:A——單流路面積,m2;Lw——單流路接液孔的周長(zhǎng),m。

(37)

2.3 縮流斷面處機(jī)械損耗功率與聲功率計(jì)算

不同流體狀態(tài)下的流體參數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)表2所列,通過(guò)計(jì)算機(jī)械損耗功率,再算出流體的聲功率。

表2 不同流體狀態(tài)下的流體參數(shù)計(jì)算

表2中:TVC,TVCC——縮流斷面溫度,K;cVC,cVCC——縮流斷面中的聲速,m/s;MVC,Mj,Mj5——縮流斷面馬赫數(shù);η1～5——聲效系數(shù);fP——產(chǎn)生噪聲的峰頻率,Hz。

2.4 將聲功率轉(zhuǎn)換成內(nèi)部聲壓級(jí)

將聲功率轉(zhuǎn)換成內(nèi)部聲壓級(jí)的計(jì)算如式(38)所示:

(38)

式中:ρ2——下游流體密度,kg/m3;c2——下游聲速,m/s。

其中:

(39)

式中:ρ1——上游流體密度,kg/m3。

(40)

式中:R——通用氣體常數(shù),R取值為8 314 J/(kmol·K);T2——下游溫度,可由熱力學(xué)等焓關(guān)系得出,或者T2近似等于T1。

(41)

式中:M0——閥出口處馬赫數(shù),M0不宜大于0.3;D——閥出口直徑,m。

(42)

式中:Mg——下游管道馬赫數(shù)修正值。

(43)

式中:M2——下游管道馬赫數(shù)。

2.5 計(jì)算出管壁外1 m處A加權(quán)聲壓級(jí)

透過(guò)管壁的傳播損失可由式(44)所示公式計(jì)算:

(44)

式中:TL——透過(guò)管壁的傳播損失,dB;pa/ps——當(dāng)?shù)卮髿鈮毫π拚?Gx,Gy——頻率系數(shù),可由表3計(jì)算得出。

表3 頻率系數(shù)Gx, Gy計(jì)算公式

在表3中,fr,f0,fg計(jì)算式如下:

(45)

式中:cS——管道音速,鋼制管道中為5 km/s。

(46)

式中:f0——內(nèi)部管道重合頻率,Hz。

(47)

式中:ca——外部音速,343 m/s;fg——外部管道重合頻率,Hz。

(48)

(49)

LpAe=5+Lpi+TL+Lg

(50)

式中:LpAe——管道外壁處輻射出的A加權(quán)聲壓級(jí),dB。

公式(50)中第一項(xiàng)5 dB是跟所有峰頻率有關(guān)的一個(gè)平均修正值。

(51)

3 計(jì)算實(shí)例

3.1 某液相工況閥門

某液相閥門的工藝參數(shù): 管道外徑為60.3 mm,管道壁厚為3.91 mm,流量為5 m3/h,閥前絕對(duì)壓力為0.386 MPa,計(jì)算差壓為0.166 MPa,閥前溫度為40 ℃,介質(zhì)密度為990 kg/m3,飽和蒸汽絕對(duì)壓力為7 kPa,臨界絕對(duì)壓力為22 MPa,黏度為0.651 mPa·s。

選擇單座調(diào)節(jié)閥,閥門口徑為DN50。第一步計(jì)算流體參數(shù)和機(jī)械損耗功率: 根據(jù)式(1)計(jì)算得XF=0.438,由式(5)得XFZp1=0.496>XF,因此為非空化狀態(tài),由式(6),式(7)得vVC=20.347 m/s,Wm=230.55 W。

第二步計(jì)算內(nèi)部聲功率: 液體聲速預(yù)估為1.5 km/s,聲功率比rW取0.25,非空化狀態(tài)下ηcav=0,由式(8)得Wa=7.818×10-5W。

第三步計(jì)算內(nèi)部噪聲: 由式(11)計(jì)算得Lpi=135 dB。

第四步計(jì)算傳播損失: 先由式(13)算出NSTR=0.012 4,非空化工況由式(12),式(16)僅計(jì)算fp, turb=63.374 Hz,fr=14 860.4 Hz。

內(nèi)部聲壓傳播過(guò)程中的損失總和為本身的傳播損失加上沿管道傳播的損失:TLturb=TLfr+ΔTLfp, turb=-92.137(dB)。

3.2 某氣相工況閥門

某氣相工況閥門的工藝參數(shù): 管道外徑為168.3 mm,管道壁厚為10.97 mm,流量為24 t/h,閥前絕壓為3.864 MPa,閥后絕壓為3.57 MPa,閥前溫度為400 ℃,介質(zhì)密度為12.19 kg/m3,壓縮系數(shù)為0.947,摩爾質(zhì)量為28 g/mol。選擇口徑為DN150的套筒調(diào)節(jié)閥。

第一步計(jì)算流體狀態(tài),比熱比取γ=1.3: 臨界流條件下,由式(26)計(jì)算得pVCC=2.109 MPa;縮流斷面音速流開(kāi)始時(shí),由式(28)計(jì)算得p2C=2.442 2 MPa。因?yàn)閜2>p2C,所以流體處于狀態(tài)Ⅰ。

第二步套用狀態(tài)Ⅰ下的計(jì)算公式,由式(7),式(8)分別計(jì)算出縮流斷面處Wm=203 187.8 W,Wa=0.315 W。

第三步將聲功率轉(zhuǎn)換為內(nèi)部聲壓級(jí),由式(11)得到Lpi=143.1 dB。

第四步由式(44)計(jì)算透過(guò)管壁的傳播損失TL=-54.63 dB,由式(5)計(jì)算管道外壁處的聲壓級(jí)LpAe=93.85 dB。

最后得到管壁外1 m處的A加權(quán)聲壓級(jí)LpAe, 1m=83.24 dB。

4 結(jié)束語(yǔ)

從噪聲計(jì)算的過(guò)程來(lái)看,可以發(fā)現(xiàn)閥門前后的壓差比是決定最終噪聲值的重要參數(shù)之一,實(shí)際應(yīng)用中,改變閥門結(jié)構(gòu)(如采用降噪閥籠)或增大閥門操作背壓都是降低噪聲的有效手段。

此外在計(jì)算閥門噪聲時(shí)需要用到一些由廠家提供的特性參數(shù),否則就只能采用經(jīng)驗(yàn)值估算,但即使是估算,對(duì)閥門選型與流體狀態(tài)預(yù)估也有著積極意義,一方面可以對(duì)有氣蝕風(fēng)險(xiǎn)或氣相阻塞流工況的閥門有個(gè)預(yù)判,另一方面也能更好的理解閥門噪聲的產(chǎn)生過(guò)程。