試論輸氣管道站場調壓閥噪聲的產生機理

韓琴

摘要：針對輸氣管道站場噪聲過大的問題，以調壓閥的噪聲為研究對象，通過氣體動力學原理分析噪聲產生過程；通過流體動力學模擬技術模擬噪聲源的內部流場；通過理論分析和流場模擬，得到調壓閥噪聲產生的機理為機械振動噪聲和流體動力學噪聲，其中前者為調壓閥的主要噪聲。獲得噪聲與壓力調節閥的開度之間的關系：在一定的開度范圍內，壓力調節閥的開度越大，產生的噪音越大。本文的目的是探討壓力調節閥在輸氣管道中產生噪聲的機理，為其降噪技術的研究提供思路。

關鍵詞：油氣運輸工程；調壓閥噪聲；降噪

引言：

在油氣管道運輸過程中，當氣體流過閥門位置時，流體壓力和流量隨著管道橫截面積的變化而變化，從而在閥門處產生更大的噪音。目前，中國石油輸氣干線管道已達30km，分輸站場約200個，大部分分輸站場在輸量較大時均存在一定程度的噪聲超標問題。由于管道的直徑較大，長距離輸氣管道的調壓閥尺寸也相對較大。噪音的原因是氣體流過閥門后壓力和速度發生顯著變化，與管后壁發生碰撞，產生更大的噪音。

1調壓閥氣動理論

天然氣流經調壓閥的節流過程是一種不可逆的氣體膨脹過程。當調壓閥閥前的絕對壓力與調壓閥閥后的絕對壓力相等時，天然氣處于靜止狀態；那么在開度恒定不變的情況下，如果絕對壓力逐漸減小，天然氣流量逐漸增大，則氣體開始處于亞音速流動狀態；當調壓閥閥前與閥后的絕對壓力比達到臨界壓力比時，流量達到最大值，即再降低也不會提高通過調壓閥的氣體流量。

2調壓閥噪聲產生機理

調壓閥的噪聲來源主要為機械振動和流體力學兩大類。

2.1機械振動噪聲

機械振動噪聲是機械固有頻率振動導致流體壓力波動產生的噪聲。其原因與各種因素有關，例如調節器的設計和裝配質量。選擇高質量的壓力調節閥并進行仔細維護可以減少甚至避免產生這種噪音。

2.2流體力學噪聲

流體動態噪聲是在流體通過調節器端口之后由湍流與調節器和管道內表面的相互作用產生的噪聲。針對壓力調節閥的噪聲問題，采用流體流動技術模擬調壓閥部分的內部流場，得到流速和壓力分布規律。當天然氣通過壓力調節器中的減壓和出口膨脹點時，由于流速和壓力的變化而產生渦流和湍流。由于其自身的運動特性和沖擊，渦流和湍流將流體的機械能轉換成聲能。在壓力調節閥孔處，氣流的流速達到聲速，甚至在某些結構中，超過了聲速。但在調壓閥下游，當流速從超聲速降為亞音速時，在速度突然降低的同時，氣流壓力反而突然升高，產生與氣流方向不同的激波。激波是由運動流體物理狀態（速度、壓力及溫度等）的突然變化所產生的，是超聲速流動特有的現象。該壓力波以接近聲速的速度傳播，在傳遞過程中，一部分轉換為熱能，另一部分轉換為高頻聲能，即調壓器噪聲的主要來源。流體動力學噪聲不能完全被消除，但可以采取一定的措施予以降低。例如，通過改變壓力調節閥的內部空間結構，改變其流場，減小壓力波動，降低渦流，湍流和沖擊的產生概率，減少流體動力噪聲。

3調壓閥開度對噪聲的影響

對調壓閥在不同開度下的噪聲進行測試，測量數據均為平均值，誤差為±2 dB。根據調壓閥氣動理論，在測試工況下，rc<0.546調壓閥流量主要取決于閥口開度。在不同開度下，調壓閥具有不同的流通能力系數。當天然氣通過管道壓力調節閥門時，由于閥門開度較小，天然氣被閥門前壁阻塞，導致大部分氣流速度降低，流體的動能為轉化成壓力能量，導致這里的壓力顯著增加。盡管流速降低，但由于壓力差，流體仍然通過閥口流到管道的下游，并且流體的壓力能量逐漸轉換動能。氣流在閥口前壁的入口處收縮，并在閥口的后部出口處膨脹。壓力能和動能相互轉換，導致強烈的分流和旋轉流，增加渦流擾動。產生的渦流最終將在管道內表面上產生壓力脈動。

對于流場壓力變化，當天然氣通過管道段遇到閥口時，由于閥口的堵塞，氣體首先被壓縮，其動能轉換成壓力能量，在閥口的前部產生局部高壓區。當流體介質通過閥口時，壓力能量部分轉換為動能，使閥腔內的壓力降低；在流體通過閘閥后，它在閥口之后迅速膨脹，從而產生局部低壓區，并且在局部低壓區和局部高壓區之間產生大的壓力差，促進各部分渦流的形成。由于閥門的堵塞，氣流不能順利通過，并且重復進行渦流運動。氣體和閥門的相互作用引起壓力脈動和輻射流體噪聲。比較三種不同開啟條件下的流場，可以看出隨著閥門開度的增加，閥門對流體介質的阻塞越來越小，閥門后部流場產生的渦流也越來越少，越來越小了。

隨著閥門開度的增大，閥口流速為聲速恒定，流通面積增大、流量增加，氣動噪聲輻射功率增大，閥前壓力下降、閥后壓力反而上升。實際上，站控系統為保護下游管道不超過其設計壓力，會設定程序保護。假設不受下游管道壓力限制影響，將閥門開度繼續加大，閥前壓力會繼續下降、閥后壓力繼續上升，在達到某一開度時會出現re=0.546，流速仍為聲速，但流量達到最大值，噪聲也將達到最大值；繼續加大閥門開度，此時雖然閥門流通能力系數繼續加大，但由于 re>0.546，閥門前后壓差減小，閥口流速開始逐漸降低，流量、噪聲也隨之下降；當閥口開度達到100%時，流量繼續減小，直到壓力平衡后等于下游用戶的用氣量，此時調壓閥沒有節流作用，僅有氣流與閥體及管壁的低頻摩擦聲。

4、結語：

利用氣體動力力學原理對輸氣管道站場調壓閥噪聲產生的機理進行模擬分析，可以確定流體力學噪聲為調壓閥噪聲的主要部分；噪聲值的大小與調壓閥開度有關，在一定的開度范圍內，噪聲值隨著開度的增大而增大。針對調壓閥噪聲主要為流體動力學噪聲的特點，通過改善調壓閥后內部氣體流向和流速，降低產生噪聲的渦流、湍流和激波進行降噪。

參考文獻

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（作者單位：青海油田管道輸油處）