9 000m鉆機發電機房噪聲控制與應用

劉占鵬，許益民，黃咸璞，叢 雷，張志永，彭小軍

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

柴油發電機組是整個井場區主要動力來源，也是井場區主要噪聲來源。柴油發電機組的噪聲控制對于井場區噪聲控制具有重要意義［1］。國外客戶在石油鉆機的配套中特別強調HSE（即，健康、安全、環保），要求距發電機房15m處的噪聲控制在86 dB以下。目前國內發電機房設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鉆機項目為依托，著重解決柴油發電機組的噪聲控制問題。此9 000m鉆機采用5臺CAT 3512B型發電機作為主柴油發電機組，1臺CAT C15型發電機作為輔助柴油發電機。

1 噪聲分析

1.1 噪聲來源

柴油發電機組噪聲主要來源于柴油機的排氣噪聲、機械噪聲、風扇噪聲以及進氣噪聲。

1.2 噪聲值的確定

1.2.1 單臺機組理論噪聲

排氣噪聲和機械噪聲是鉆機發電機組主要的噪聲源，根據卡特皮勒公司提供的發電機組噪聲數據，可以確定單臺機組理論的最大排氣噪聲值和最大機械噪聲值［2］，如表1。

表1 單臺發電機組理論噪聲值

1.2.2 噪聲混合運算

根據聲級加法運算公式，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臺發電機組的噪聲；△Lp為2個噪聲聲級差Lp1－Lp2所對應的增值。

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

則可得出單臺機組理論混合噪聲值，如表3。

表3 單臺機組理論混合噪聲值

1.2.3 實測噪聲值

在9 000m鉆機24h負載試驗中，對單臺CAT 3512B型發電機在高負荷、運轉平穩時進行了噪聲測試，測試值如表4。

表4 單臺機組實測混合噪聲值

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計依據。

2 噪聲控制方案

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

機械噪聲主要通過發電機房的隔聲功能及發電機房裝修材料的吸聲功能來有效控制。需要對吸聲材料進行選擇，對裝修結構進行設計。

排風通道是風扇噪聲、機械噪聲輻射到房體外部的主要途徑。風扇噪聲可以通過在排風通道內設計消聲結構，使排風在通道內有一段距離進行緩沖，可有效降低噪聲從機房內向外輻射的強度。

由于柴油發電機組一般都配置有設計合理的空氣濾清器，其本身有一定的消聲作用。考慮到進氣噪聲相對較低，故對進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散，降低排出氣壓，使氣流在其內部碰撞、反射、擴散，以減弱排出壓縮空氣的速度和強度。根據消聲原理不同，消聲器大體可以分為4類［4］，如表5。

表5 消聲器分類

對于柴油發電機組以中低頻為主的排氣噪聲，根據消聲器安裝特點，優先選用抗性膨脹式消聲器。

3.2 排氣管設計

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

CAT 3512B型發電機組許用背壓值為6.7 kPa，一般不超過3kPa［2］。可以此來設計排氣管直徑與當量長度，以達到其最佳消聲效果。如圖1。

圖1 排煙管長度與結構

3.3 吸聲與隔聲處理

3.3.1 吸聲裝修處理

該發電機房內部裝修表面積為240m2。發電機房沒做裝修處理前吸聲系數ā1為0.1［5］。在房頂與長度方向的兩側墻壁處做吸聲裝修處理，可以提高室內吸聲系數，以達到降噪目的。

離心玻璃棉制品具有成型好、體積密度小、化學性能穩定、保溫絕熱性能好、吸聲性能好、防潮、阻燃、施工性能好、不產生有害氣體等優點。吸聲機理使玻璃棉具有多孔性結構，當聲波通過時，聲能的一部分會被纖維吸收，阻礙了聲波的傳遞。9 000m鉆機發電機房采用的吸聲材料為離心玻璃棉。

吸聲裝修結構分為3層：外層為1mm鍍鋅沖孔板；中間層為無堿玻璃棉布；內層為32kg／m3、10 mm厚離心玻璃棉。在內層與墻板中間留有40mm厚空腔；中間層和外層通過鉆尾釘固定在型鋼上，起裝修、固定和保護作用；內層離心玻璃棉分成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 墻壁裝修結構

經過吸聲裝修后機房內平均吸聲系數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分別為室內做吸聲裝修前后的吸聲系數。

由上式計算出室內平均降噪量的理論值為9.1dB。

經過吸聲裝修，既減少了機房內噪聲、降低了室內混響，又達到了美觀的效果。如圖3。

圖3 裝修前后效果對比

3.3.2 隔聲處理

在噪聲控制工程設計中，墻板的隔聲量主要取決于其單位面積質量，單位面積質量越大，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

機房墻板采用3mm厚瓦楞鋼板制作，其m＝23.5kg／m2，經計算＝30dB。

經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 消聲風罩

多數發電機房設計是在發電機組風扇側使用雙開門做排風通道，運輸時關閉。使用時，房內發電機組的風扇與排風噪聲、機械噪聲會通過敞開的雙開門輻射至房外，降噪效果很差。

針對現有發電機房因發電機組散熱排風導致隔音效果降低的問題，設計了一種發電機房用消聲風罩。消聲風罩由框架、鋼板等焊接而成，內涂消聲涂料，在降噪的同時導風，將發電機組散熱排風導向上方。消聲涂料可以將振動的能量轉化為熱等其他形式的能量，從而起到消聲防震的效果。消聲風罩采用可拆式連接，拆裝方便。如圖4。

圖4 消聲風罩

4 實施效果

在9 000m鉆機24h負載試驗中，在動力區距離發電機房前、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負載試驗動力區噪聲采集點分布

根據9 000m鉆機24h負載試驗中的實測噪聲數據繪制出井場區86dB噪音采集分帶曲線，如圖6。

圖6 24h負載井場區86dB噪聲采集分帶曲線

根據發電機組理論噪聲值與經噪聲控制后實測噪聲值對比，可以得出發電機房的噪聲控制效果，如表5。

表5 噪聲控制效果

通過比較，可以得出以下結論：

1） 經過處理，各個方向噪聲都有較大幅度降低。

2） 輔發側因有輔助發電機房隔音，距噪聲源較遠，降噪效果較主發側要好；前側因設計有消音風罩，降噪效果明顯較后側要好。

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 現場應用

該9 000m鉆機于2010年發往國外現場。售后服務人員的反饋信息表明，客戶對本產品的噪聲控制效果非常滿意。在繼續合作的快速移運鉆機項目中，客戶明確要求使用該類發電機房。該類發電機房經過持續改進，已經形成幾大系列的成熟產品，并可根據客戶的個性化需求進行設計［7］。

6 結語

柴油發電機組的噪聲控制要對噪聲源進行分析，有針對性地選取控制方案。本文在不影響發電機房移運性能的基礎上，通過消聲器選擇、排煙管設計、吸聲裝修、消聲風罩設計分別有效控制了柴油發電機組的排氣噪聲、機械噪聲與排風噪聲，設計理念較為先進。本系列發電機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.淺談鉆機的噪聲控制［J］.石油礦場機械，2003，32（04）：52－53.

［2］卡特皮勒公司.卡特發電機組操作和保養手冊［Z］.2002.

［3］馬大猷.聲學手冊［K］.北京：科學出版社，2002.

［4］馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊［K］.北京：機械工業出版社，2002.

［5］劉曉麗.環境監測［M］.北京：北京大學出版社，2005.

［6］洪宗輝.環境噪聲控制工程［M］.北京：高等教育出版社，2002.

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