天然氣場站調壓撬噪聲增大原因及降噪方法

上海天然氣管網有限公司 魏 星 顧竣文 楊秉奇

隨著天然氣行業的快速發展，調壓技術不斷成熟與完善。以調壓撬為代表的天然氣調壓系統，在天然氣分輸場站中的應用越來越廣泛。由于調壓撬產生的節流效應，導致天然氣產生紊流，并在匯管處進一步放大，使得噪聲增大。當噪聲超出一定限度時，會給調壓站周邊的居民正常生活帶來干擾，或面臨投訴。因此針對調壓撬噪聲產生原因及從調壓撬設計、制造、改造等多方面對噪聲進行控制，以達到降低噪聲的目的，研究意義重大。本文以某天然氣場站工藝改造前后調壓撬噪聲對比為例，對調壓撬噪聲增大的原因進行分析，并對降噪方法進行研究。

1 改造前后噪聲情況和工藝流程

1.1 改造前后噪聲增大狀況

某天然氣場站在役時間較長，運行狀況變差。該站設計壓力為6.0 MPa/1.6 MPa，壓差較大，調壓后管道容易發生霜凍和結冰現象。調壓器下游側管道、閥門及流量計若長期處于結冰、結霜狀態，就無法較好地對管道進行防腐漆涂裝作業。

2020年，上海天然氣管網有限公司考慮到遠期擴容及安全因素，對該站進行了改造，并對原有調壓器等設備進行了利舊，但是改造前后噪聲增大明顯。現場人員采用分貝儀進行實地測試，發現調壓撬調壓器下游匯管處噪聲值約為95 dB，廠界（指場站圍墻外1 m處）噪聲值約為75 dB，均高于改造前廠界噪聲60 dB。

1.2 改造后工藝流程及設備選型

該站改造后工藝流程如圖1所示。采取先計量后調壓的形式，此工藝設計在許多其他場站已多處應用，噪聲情況良好。

圖1 改造后工藝流程示意

調壓器、過濾器等關鍵設備均利用該站原來設備。每路過濾器設計通過能力為5×104m3/h。調壓器為兩用一備，每路調壓器設計通過能力均為 5×104m3/h。調壓器進口管道為DN200，設計壓力為3.0～6.0 MPa，計算最大流速約為14.3 m/s；調壓器出口管道為DN250，設計壓力為1.6 MPa，計算最大流速約為16.6 m/s。調壓器設計流速均在范圍以內，且進、出口流速均處于適宜水平，因此主要工藝設備選型合理，不是噪聲增大的主要原因。

2 噪聲增大原因分析

噪聲類型可分為機械振動噪聲、空氣動力學噪聲、管道噪聲。調壓撬包含過濾器、調壓器、匯管及連接管束。其中：過濾器主要為機械振動噪聲；管道主要為管道噪聲；調壓器由于存在節流效應，氣體在節流處形成湍流（也叫紊流），因此主要為空氣動力學噪聲和機械振動噪聲；匯管由于流體從進口管道流入匯管后，方向急劇改變，造成流體湍流，因此主要為空氣動力學噪聲和機械振動噪聲。

根據現場調研和儀器實測可知，過濾器、管道產生的噪聲比較小，噪聲源主要集中在調壓器和出口側匯管處。場站正常運行時，振動的各項參數均較小，所以機械振動噪聲占比較小，而空氣動力學噪聲為最主要噪聲類型。以下著重分析噪聲的最大來源。

2.1 調壓器噪聲分析

2.1.1 調壓器噪聲類型

調壓器噪聲主要包括以下幾種類型：

（1） 空氣動力學噪聲（氣動噪聲）。是天然氣通過調壓器減壓部位時，由于出口管徑變粗，天然氣壓力下降，所以使天然氣部分機械能轉換為動力學噪聲。這類噪聲產生的主要原因是天然氣流速急劇加速，沖刷調壓器的閥芯和在調壓器出口擴徑部分形成大量湍流旋渦。其在調壓器噪聲中占比很高。

（2） 機械振動噪聲。是固有頻率振動和機械部件振蕩性位移引起的流體壓力波而產生的噪聲。這類噪聲產生的主要原因與調壓器的設計、零部件材料、管材材料、設備加工工藝、裝備質量有關。實際運行過程中要防止天然氣產生的噪聲頻率與調壓器固有頻率相同而發生共振。

（3） 管道噪聲。是天然氣經過調壓器后形成大量湍流運動，出現了流體逆流運動趨勢，使部分流體在經過調壓器擴口段后仍不停、劇烈地做漩渦運動，與勢流、管壁以及漩渦自身之間的相互作用造成漩渦振動而產生激烈的噪聲。針對調壓器下游管道中漩渦產生的噪聲可從降低管道系統工作雷諾數方面出發，增大調壓器下游管道長度，吸收湍流脈動噪聲和沖擊管壁產生能量損失，實現降噪。

2.1.2 調壓器后管道噪聲增大原因分析

通過現場對調壓器的調研，發現現場并不存在共振現象，設備振動噪聲很小；而氣體節流產生的空氣動力學噪聲較大。經比較，該站改造前后氣體流量基本不變（大約3×104m3/h），天然氣氣質也不變，從流體雷諾數影響因素來考慮（雷諾數是用來表征流體流動情況的無量綱數，是判斷管道內流體是層流流動還是湍流流動的依據。雷諾數Re=ρvd/μ，其中ρ為密度、v為流體流速、d為管道當量直徑、μ為黏性系數），由于ρ、v及μ基本不變，因此由調壓器產生的動力學噪聲應該與改造前差不多。通過現場觀察，調壓器上游管道噪聲很小，經過調壓器后調壓器本身的噪聲也未發現太大變化，但是調壓后管道噪聲比改造前有所增加。由此可見，噪聲增大可能原因有：

（1） 調壓后管道與出口匯管連接，出口匯管處噪聲很大，傳導至連接管道，導致了調壓器下游管道噪聲增大。

（2） 氣體經過調壓器后，由于節流效應產生湍流，所以形成脈動噪聲。從改造前后分析來看，改造前調壓器至計量撬之間管段長度較長，即緩沖段較長，對于吸收湍流脈動噪聲非常有利；而改造后調壓器后管段長度很短，幾乎直接進入出口匯管，即緩沖段較短，對湍流脈動噪聲不利，致使噪聲升高。

2.2 出口匯管噪聲分析

2.2.1 匯管氣動噪聲研究現狀

匯管噪聲主要有匯管振動噪聲和匯管內氣動噪聲。根據現場調研情況表明，輸氣匯管正常運動時振動的各項參數均較小，可認為匯管噪聲主要為管內氣動噪聲。

國外學者 Lighthill、Curle、A.Powell、Ffomes Williams與Hawkings等針對管道的噪聲問題，進行了專門的研究。這些研究基本上為解決天然氣在匯管內動態流體源發生這一實際工程問題奠定了理論基礎。另外，對于匯管氣體流動聲場的數值模擬，由于其流動的復雜性，需要選取適合的聲場數值模擬方法，使用恰當的聲場控制方程，并考慮如何建立合適的模型，以尋求更加接近實際工況的結果。

國內學者鞠國翠等人開展的匯管氣動噪聲研究[1]主要通過流體力學、聲學、聲擬理論和氣體動力學建立匯管的有限元計算模型，并通過實驗確定計算模型的正確性，利用數值模擬手段研究匯管的流場分布規律，進而進行噪聲分析，得出匯管噪聲產生機理，最終從匯管工作參數、結構形式及包裹吸聲材料等方面提出優化改造的建議。匯管氣動噪聲研究結論包括：

（1） 匯管流動狀態對噪聲產生的變化規律為：隨著壓力的增大，聲壓級增大，噪聲越大，但增加的不明顯。隨著流速的增大，聲壓級增大，噪聲增大。為達到匯管降噪的目的，應當盡量降低流速在10m/s以下。

（2） 隨著進口管管徑與匯管管徑比的增大，聲壓級增大，在進口管管徑與匯管管徑比 1∶1.5到1∶2區間增長率最大。建議匯管管徑與進口管管徑之比盡量小于1.5。

（3） 隨著出口管管徑與匯管管徑比的增大，聲壓級增大。在出口管管徑與匯管管徑比 1∶1.5到1∶2區間增長率最大。建議匯管管徑與出口管管徑之比盡量小于1.5。

2.2.2 出口匯管噪聲增大原因分析

通過研究，對調壓撬出口匯管噪聲增大影響因素進行逐一對比分析：

（1） 流速。隨著流速的增大，聲壓級增大，噪聲也隨之增大。該站在改造前后用氣量基本不變，因此流速基本不變。按照3×104～4×104m3/h來計算，流速大約都在10 m/s左右。這是匯管產生噪聲的原因，但不是改造前后匯管噪聲增大的主要原因。

（2） 進口管與匯管管徑比。根據現場實測可知，該站出口匯管管徑為 DN500，進口管管徑為DN250，管徑比為1∶2，此時噪聲增長率最大，相應地產生了很大噪聲；與該站改造之前調壓器后匯管結構相比，原管徑比為250∶300（即1∶1.2），噪聲控制在較低的水平，因此改造后的匯管和進口管結構是噪聲增大的一個重要原因。

（3） 出口管與匯管管徑比。根據現場實測可知，該站出口匯管管徑為 DN500，出口管管徑為DN300，管徑比為1∶1.67，此時噪聲增長率最大，因此產生很大噪聲；相比該站之前調壓器后匯管結構，原管徑比為250∶300（即1∶1.2），噪聲控制在較低的水平，因此改造后的匯管和出口管結構是噪聲增大的一個重要原因。

2.3 調壓撬噪聲增大原因分析

綜上所述，雖然調壓撬噪聲來源于多個方面，但是將該站改造前后的情況進行對比，用氣量和流速基本不變，調壓器也使用的是原有設備，因此調壓器節流不是噪聲增大的主要原因。另外，設備振動形成的噪聲相對于氣動噪聲來說很小，也不是噪聲增大的主要原因。單純從改造前后對比來看，噪聲增大的原因最可能是：

（1） 調壓器出口管道較短，導致湍流吸收不利，進入匯管后噪聲進一步加大。

（2） 匯管及匯管進出口管道尺寸和布局不合理，是造成匯管氣動噪聲增大的最主要原因。具體就是匯管進口管和匯管管徑比不合理（1∶2）、匯管出口管和匯管管徑比也不合理（1∶1.67），這樣導致調壓器出口的湍流噪聲在匯管中進一步加劇，增大氣動噪聲。

3 降噪方法

3.1 主動降噪

主動降噪主要從設計方面進行改造，包括優化工作參數，優化進口管管徑、出口管管徑以及出口管間距等方式。針對該站的具體情況，可以采取如下主動降噪措施：

（1） 降低流速。流速是產生噪聲的主要因素，適當降低流速能降低噪聲，特別是在10 ～20 m/s階段。流速盡量在10 m/s以下，可顯著降低噪聲。

（2） 改變結構形式。加長調壓器后端直管段，可使氣體在調壓期間造成的紊流在直管段中逐漸趨于平穩，使氣流進入匯管時的擾動減小，相應降低匯管氣動噪聲；加大匯管出氣管管徑或降低匯管直徑，減小匯管與出口管直徑的比值，防止氣流發生太大突變，形成噪聲；加大匯管進氣管管徑或降低匯管直徑，降低高速氣流進入匯管引起的噴流，減小渦流擾動，從而降低噪聲。

3.2 被動降噪

如果設計方面存在改造困難，可以對匯管或調壓器后管段包裹吸聲材料，進行被動降噪。包裹吸聲材料對匯管降噪有顯著的效果，尤其高頻段降噪效果最明顯。不同吸聲材料的吸聲降噪效果不同，隨著吸聲材料流阻率的增加，降噪效果越好。結合該站實際情況，最終采用包裹吸聲材料（消音層采用隔音氈+離心玻璃棉，外保護層采用花紋鋁板）進行降噪，將噪聲降到可接受范圍。

4 結語

通過對某天然氣場站工藝改造后噪聲增大的原因進行分析，特別是對調壓撬本體以及調壓后匯管等各噪聲源進行了細致分析。結合各噪聲源噪聲產生機理、影響因素及實際狀況，通過對比得出噪聲增大的主要原因可能是調壓器出口管道較短，匯管與匯管進出口管道尺寸和布局不合理等。據此提出了降噪方法和建議，從主動降噪和被動降噪兩方面來考慮降噪措施及應用場景，最終采用包裹吸聲材料達到降低現場噪聲的目的。此做法對類似工程具有一定的借鑒意義。