鐘振茂,趙迎九

(華電重工股份有限公司，北京 100077)

燃氣電廠立式余熱鍋爐低頻噪聲控制

鐘振茂,趙迎九

(華電重工股份有限公司，北京 100077)

某燃氣電廠的立式余熱鍋爐噪聲很大，低頻突出，且由于布局較緊湊，常規(guī)的整體隔聲圍護措施無法實施。為此，針對該類型鍋爐的低頻噪聲進行研究，表明其低頻噪聲主要來自于高溫?zé)煔饬鹘?jīng)換熱管陣時產(chǎn)生的渦流脫落噪聲，根據(jù)分析結(jié)果，研發(fā)了燃氣電廠立式余熱鍋爐低頻噪聲源頭治理成套裝置，放置在鍋爐內(nèi)部，消除低頻噪聲。產(chǎn)品在實際中進行了應(yīng)用，結(jié)果表明，該裝置能夠降低鍋爐低頻噪聲，明顯改善周邊聲環(huán)境。

聲學(xué)；立式余熱鍋爐；低頻噪聲；渦旋脫落；成套裝置

某燃氣電廠有4臺燃氣輪機機組，配套有四臺立式余熱鍋爐，廠區(qū)周邊正在建設(shè)大型居民社區(qū)。我公司在為該廠設(shè)計全廠噪聲治理方案時，發(fā)現(xiàn)該廠的余熱鍋爐的體量大，噪聲高，尤其是低頻噪聲十分突出，相距很遠也能明顯聽到鍋爐的聲音。由于低頻噪聲的波長長，隨距離的衰減慢，對廠區(qū)和周邊環(huán)境影響很大，必須進行降噪改造。如果采用常規(guī)的整體圍護的降噪措施，勢必要對鍋爐結(jié)構(gòu)進行加固，尤其是基礎(chǔ)部分。但是該鍋爐周邊布局比較緊湊，緊鄰主廠房、燃機和變壓器等設(shè)備，且鍋爐地下綜合管線很多，結(jié)構(gòu)加固的難度非常大，幾乎不可能實現(xiàn)。為此，我們對這種立式余熱鍋爐的低頻噪聲的產(chǎn)生機理進行研究，尋求低頻噪聲的來源，準(zhǔn)備從噪聲源頭控制低頻噪聲。

本文首先介紹了立式余熱鍋爐的噪聲測試情況及模擬分析結(jié)果，揭示了立式余熱鍋爐低頻噪聲的主要來源，隨后針對鍋爐低頻噪聲的產(chǎn)生機理，研發(fā)了從鍋爐內(nèi)部直接降低低頻噪聲的裝置，并進行了性能測試和實際工程應(yīng)用。

1 立式余熱鍋爐噪聲的測試分析

1.1 立式余熱鍋爐簡介

余熱鍋爐是利用工業(yè)企業(yè)爐窯及其它余熱熱源設(shè)備產(chǎn)生的余熱而生產(chǎn)蒸汽或熱水的一種供熱設(shè)備，燃氣電廠的立式余熱鍋爐可充分利用燃機燃燒排放的高溫?zé)煔膺M行換熱，提高發(fā)電效率。根據(jù)鍋爐受熱面的布置方式，余熱鍋爐可分為立式和臥式兩種，立式余熱鍋爐的換熱管陣在鍋爐內(nèi)自下而上水平放置，溫度達500多度的高溫?zé)煔庾运綗煹纻魅脲仩t，向上經(jīng)過各層水平鰭片換熱管陣進行換熱，最后由煙囪排出。

圖1 立式余熱鍋爐爐內(nèi)示意圖

1.2 鍋爐噪聲測試數(shù)據(jù)

為了準(zhǔn)確了解該余熱鍋爐本體的噪聲情況，采用多通道數(shù)據(jù)采集儀對噪聲數(shù)據(jù)進行了測試和分析。

圖2 某廠余熱鍋爐外景

得到的測試數(shù)據(jù)如下：

從數(shù)據(jù)上可以看出，余熱鍋爐噪聲中80 Hz的1/3倍頻程段數(shù)據(jù)有明顯峰值，而敏感點處的噪聲中也是80 Hz的1/3倍頻程數(shù)據(jù)最為突出，這也說明余熱鍋爐的噪聲對廠外敏感點影響最大，證實了之前的推測。

圖3 余熱鍋爐爐壁外噪聲

圖4 煙囪出口及煙囪壁噪聲

圖5 對應(yīng)廠界外200 m處敏感點測試噪聲

1.3 鍋爐內(nèi)部聲場分析

為了摸清楚余熱鍋爐噪聲中低頻成分的確切來源，我們對高溫高速煙氣流經(jīng)余熱鍋爐內(nèi)的高壓過熱器和除氧蒸發(fā)器等換熱管陣時的流場、溫度場和聲場進行了模擬分析，詳見文獻[1]所述。

通過模擬分析，發(fā)現(xiàn)煙氣在流經(jīng)換熱管陣的不同管層時確實存在明顯的渦旋脫落現(xiàn)象，煙氣流經(jīng)底層的管子時形成了規(guī)律的尾渦，左右交替脫落；順著煙氣流向，越靠后的管子其渦旋脫落越復(fù)雜。

進一步研究，得到了高壓過熱器的鰭片管陣的渦旋脫落噪聲特征頻段73.6 Hz～76.1 Hz，與現(xiàn)場測得的噪聲頻譜特征頻段高度吻合。

表1 煙氣熱力學(xué)參數(shù)

圖6 高壓過熱器管陣模型的截面渦量分布

1.4 鍋爐低頻噪聲來源分析

鍋爐內(nèi)部煙氣流經(jīng)換熱管陣時產(chǎn)生的渦旋脫落噪聲頻率與測量得到的鍋爐噪聲中的低頻成分很吻合，另一個可能的來源是燃機排煙口傳遞過來的噪聲。為了進一步分析鍋爐低頻噪聲的來源，根據(jù)設(shè)備廠家提供的燃機排煙噪聲聲功率，結(jié)合鍋爐內(nèi)通道傳聲損失，可以估算出燃機排煙噪聲傳遞至鍋爐各部位時的聲級。

通過實測的爐墻外輻射噪聲聲級，再加上爐墻的隔聲量，可以獲得對應(yīng)位置爐內(nèi)噪聲的間接測量聲級。

從下圖可以看出，低頻倍頻程帶上，鍋爐內(nèi)部噪聲間接測量聲級明顯高出燃機排煙噪聲在鍋爐的聲級。

圖7 鍋爐本體各層段噪聲間接測量結(jié)果與燃機排煙噪聲在鍋爐本體內(nèi)部的比較

這表明鍋爐噪聲中的低頻成分應(yīng)主要來自于鍋爐內(nèi)部的換熱管陣渦旋脫落噪聲，而中高頻成分則來自于燃機排煙噪聲。

進一步的分析可以發(fā)現(xiàn)，鍋爐換熱管陣之間空腔的簡正頻率與渦流脫落噪聲頻率相接近，從而有可能產(chǎn)生駐波。

2 立式余熱鍋爐噪聲控制

2.1 設(shè)計原理

立式余熱鍋爐的噪聲中低頻成分十分突出，而低頻噪聲波長長，隨距離衰減慢，是噪聲控制中的難點，常規(guī)的消聲措施很難取得效果。

鍋爐噪聲的低頻成分來自于高速流動的煙氣流經(jīng)各個換熱管陣時產(chǎn)生的渦流脫落噪聲，最好的控制方法是在設(shè)計換熱管陣時采取措施消除渦流脫落，而針對在役鍋爐，大規(guī)模的更換新的換熱管陣是不現(xiàn)實的。為此，考慮消除該低頻噪聲在空腔內(nèi)的共振，并進行一定的消聲，來實現(xiàn)降低低頻噪聲的目的，具體是在換熱管陣之間的空腔位置放置專門設(shè)計的低頻吸聲結(jié)構(gòu)。

鑒于爐內(nèi)煙氣屬于高溫、含雜質(zhì)的氣體，常見的多孔吸聲材料難以抵抗高溫且容易堵塞，故考慮使用（微）穿孔板吸聲體結(jié)構(gòu)。

（微）穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)體是由穿以大量小孔的薄板，再加板后的空腔組成。它是共振吸聲體，可以看作具有聲阻和聲抗的聲學(xué)元件，其構(gòu)造和等效電路如圖8所示。

圖8 (微)穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)及其等效電路

圖中R、M分別為（微）穿孔板的聲阻和聲質(zhì)量，ZD為板后空腔的聲容，微穿孔板的聲阻抗率是R+jωM，板后空腔的聲阻抗率是ZS空腔，聲源是入射聲波，根據(jù)Thevenin定律，等效聲源是開路（流為零，即在固體表面前）的聲壓和內(nèi)阻抗，即2P，ρ0c0。

根據(jù)等效電路可求出吸聲系數(shù)α，即線路中消耗的能量與入射的能量（或最大能量）之比，在正入射時，吸聲系數(shù)等于

根據(jù)上述理論可知設(shè)計關(guān)鍵在于根據(jù)噪聲特性匹配并計算穿孔板的聲阻抗率和空腔的聲阻抗率。

表2 燃機排煙噪聲（倍頻程）與渦旋脫落噪聲貢獻量/(%)

穿孔板吸聲體的吸聲系數(shù)具體可表示為

由上可知，通過合理設(shè)計板厚t，孔徑d，穿孔率σ，空腔深度D，可在一定氣體工況下，求得r，m，進而計算出該結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)曲線。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到最終設(shè)備須放置在鍋爐內(nèi)部，設(shè)備不宜過大，避免影響煙氣流動，且荷載不宜過大，不能影響鍋爐的安全運行。

根據(jù)前面提到的吸聲系數(shù)公式，針對該余熱鍋爐噪聲中的低頻成分頻率為80 Hz，進行了多種參數(shù)的比選，在滿足吸聲要求的同時，還要綜合考慮設(shè)備的正常運行不受影響。

從仿真分析結(jié)果看，設(shè)計的降噪結(jié)構(gòu)在80 Hz的中心頻率處都有超過0.9的吸聲系數(shù)，1/2最大吸聲系數(shù)均達到兩個1/3倍頻程，滿足低頻吸聲的設(shè)計要求，如表3所示。

根據(jù)設(shè)計的設(shè)備參數(shù)加工了多個厚度約500 mm的樣品，在400×400 mm的土建駐波管內(nèi)進行了測試，測試結(jié)果如表4。

表3 不同管層穿孔板吸聲屏障吸聲效果

表4 測試樣品各頻率對應(yīng)的吸聲系數(shù)

測試結(jié)果表明設(shè)計的低頻吸聲結(jié)構(gòu)十分有效，因此考慮在鍋爐內(nèi)部各個不同換熱管陣之間的空腔內(nèi)對角放置不銹鋼材質(zhì)的吸聲結(jié)構(gòu)，破壞低頻噪聲在空腔內(nèi)形成駐波。

2.3 工程應(yīng)用

對該廠的一臺余熱鍋爐進行了降噪改造實驗，改造完成后進行了噪聲測試。測試結(jié)果表明，余熱鍋爐本體外噪聲降低了5分貝左右，煙囪出口處噪聲由原來的94.5 dB(A)降低至77 dB(A)，63 Hz倍頻程處噪聲降低了18 dB(A)，同時鍋爐的性能沒有受到影響。

按照這種方法對余熱鍋爐進行降噪改造，與傳統(tǒng)的余熱鍋爐整體隔聲圍護做法相比較，不但降噪效果好，而且使得像這類在役余熱鍋爐的降噪改造成為可能。這種方法的降噪成本較以往大為降低，同時施工方便，周期短，減少了電廠長期停產(chǎn)造成的經(jīng)濟損失。

圖9 鍋爐煙囪出口治理前后噪聲比較

3 結(jié)語

本文介紹了對某燃氣電廠的立式余熱鍋爐噪聲的測試和分析情況，證實了余熱鍋爐低頻噪聲對周邊敏感點影響很大，是主要噪聲源；立式余熱鍋爐噪聲中的低頻成分來自于高速煙氣流經(jīng)換熱管陣時產(chǎn)生的渦旋脫落噪聲，而中高頻成分則來自燃機排煙噪聲。

針對廠內(nèi)余熱鍋爐無法采取整體隔聲圍護的現(xiàn)狀，研發(fā)了新型的余熱鍋爐低頻噪聲源頭治理成套裝置，并進行了實驗和工程應(yīng)用。

工程應(yīng)用結(jié)果表明，該裝置的降噪效果顯著，達到了預(yù)期的目的，且降噪成本大為降低。

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Low Frequency Noise Control of Vertical HRSG in a Gas Power Plant

ZHONG Zhen-mao,ZHAO Ying-jiu
(Huadian Heavy Industries Co.Ltd.,Beijing 100077,China)

Low-frequency noise of the vertical heat recovery steam generator(HRSG)of a gas power plant is found to be very large.Because of the compact layout in the plant area,the conventional whole sound insulation enclosure measures cannot be implemented.Therefore,the low-frequency noise of this type vertical HRSG is investigated.It is found that the low frequency noise mainly come from the vortex shedding when the hot smoke flows through the heat-exchange array. According to the results of analysis,a noise source control device for the vertical HRSG of the gas power plant is researched and developed and assembled inside the HRSG.As a result,the low-frequency noise of the HRSG is significantly reduced and the surrounding acoustic environment is greatly improved.

acoustics;vertical HRSG;low frequency noise;vortex shedding;a series of devices

TK229.92；TB533.1

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.03.043

1006-1355(2017)03-0211-05

2016-12-02

鐘振茂（1976－），男，山東省棲霞市人，研究方向為噪聲控制。E-mail:hongzm@chec.edu.cn