韓琴

摘要：針對(duì)輸氣管道站場(chǎng)噪聲過大的問題，以調(diào)壓閥的噪聲為研究對(duì)象，通過氣體動(dòng)力學(xué)原理分析噪聲產(chǎn)生過程；通過流體動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)模擬噪聲源的內(nèi)部流場(chǎng)；通過理論分析和流場(chǎng)模擬，得到調(diào)壓閥噪聲產(chǎn)生的機(jī)理為機(jī)械振動(dòng)噪聲和流體動(dòng)力學(xué)噪聲，其中前者為調(diào)壓閥的主要噪聲。獲得噪聲與壓力調(diào)節(jié)閥的開度之間的關(guān)系：在一定的開度范圍內(nèi)，壓力調(diào)節(jié)閥的開度越大，產(chǎn)生的噪音越大。本文的目的是探討壓力調(diào)節(jié)閥在輸氣管道中產(chǎn)生噪聲的機(jī)理，為其降噪技術(shù)的研究提供思路。

關(guān)鍵詞：油氣運(yùn)輸工程；調(diào)壓閥噪聲；降噪

引言：

在油氣管道運(yùn)輸過程中，當(dāng)氣體流過閥門位置時(shí)，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(chǎn)生更大的噪音。目前，中國石油輸氣干線管道已達(dá)30km，分輸站場(chǎng)約200個(gè)，大部分分輸站場(chǎng)在輸量較大時(shí)均存在一定程度的噪聲超標(biāo)問題。由于管道的直徑較大，長(zhǎng)距離輸氣管道的調(diào)壓閥尺寸也相對(duì)較大。噪音的原因是氣體流過閥門后壓力和速度發(fā)生顯著變化，與管后壁發(fā)生碰撞，產(chǎn)生更大的噪音。

1調(diào)壓閥氣動(dòng)理論

天然氣流經(jīng)調(diào)壓閥的節(jié)流過程是一種不可逆的氣體膨脹過程。當(dāng)調(diào)壓閥閥前的絕對(duì)壓力與調(diào)壓閥閥后的絕對(duì)壓力相等時(shí)，天然氣處于靜止?fàn)顟B(tài)；那么在開度恒定不變的情況下，如果絕對(duì)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(dòng)狀態(tài)；當(dāng)調(diào)壓閥閥前與閥后的絕對(duì)壓力比達(dá)到臨界壓力比時(shí)，流量達(dá)到最大值，即再降低也不會(huì)提高通過調(diào)壓閥的氣體流量。

2調(diào)壓閥噪聲產(chǎn)生機(jī)理

調(diào)壓閥的噪聲來源主要為機(jī)械振動(dòng)和流體力學(xué)兩大類。

2.1機(jī)械振動(dòng)噪聲

機(jī)械振動(dòng)噪聲是機(jī)械固有頻率振動(dòng)導(dǎo)致流體壓力波動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。其原因與各種因素有關(guān)，例如調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和裝配質(zhì)量。選擇高質(zhì)量的壓力調(diào)節(jié)閥并進(jìn)行仔細(xì)維護(hù)可以減少甚至避免產(chǎn)生這種噪音。

2.2流體力學(xué)噪聲

流體動(dòng)態(tài)噪聲是在流體通過調(diào)節(jié)器端口之后由湍流與調(diào)節(jié)器和管道內(nèi)表面的相互作用產(chǎn)生的噪聲。針對(duì)壓力調(diào)節(jié)閥的噪聲問題，采用流體流動(dòng)技術(shù)模擬調(diào)壓閥部分的內(nèi)部流場(chǎng)，得到流速和壓力分布規(guī)律。當(dāng)天然氣通過壓力調(diào)節(jié)器中的減壓和出口膨脹點(diǎn)時(shí)，由于流速和壓力的變化而產(chǎn)生渦流和湍流。由于其自身的運(yùn)動(dòng)特性和沖擊，渦流和湍流將流體的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成聲能。在壓力調(diào)節(jié)閥孔處，氣流的流速達(dá)到聲速，甚至在某些結(jié)構(gòu)中，超過了聲速。但在調(diào)壓閥下游，當(dāng)流速從超聲速降為亞音速時(shí)，在速度突然降低的同時(shí)，氣流壓力反而突然升高，產(chǎn)生與氣流方向不同的激波。激波是由運(yùn)動(dòng)流體物理狀態(tài)（速度、壓力及溫度等）的突然變化所產(chǎn)生的，是超聲速流動(dòng)特有的現(xiàn)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(zhuǎn)換為熱能，另一部分轉(zhuǎn)換為高頻聲能，即調(diào)壓器噪聲的主要來源。流體動(dòng)力學(xué)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(diào)節(jié)閥的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，改變其流場(chǎng)，減小壓力波動(dòng)，降低渦流，湍流和沖擊的產(chǎn)生概率，減少流體動(dòng)力噪聲。

3調(diào)壓閥開度對(duì)噪聲的影響

對(duì)調(diào)壓閥在不同開度下的噪聲進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量數(shù)據(jù)均為平均值，誤差為±2 dB。根據(jù)調(diào)壓閥氣動(dòng)理論，在測(cè)試工況下，rc<0.546調(diào)壓閥流量主要取決于閥口開度。在不同開度下，調(diào)壓閥具有不同的流通能力系數(shù)。當(dāng)天然氣通過管道壓力調(diào)節(jié)閥門時(shí)，由于閥門開度較小，天然氣被閥門前壁阻塞，導(dǎo)致大部分氣流速度降低，流體的動(dòng)能為轉(zhuǎn)化成壓力能量，導(dǎo)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(zhuǎn)換動(dòng)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(dòng)能相互轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致強(qiáng)烈的分流和旋轉(zhuǎn)流，增加渦流擾動(dòng)。產(chǎn)生的渦流最終將在管道內(nèi)表面上產(chǎn)生壓力脈動(dòng)。

對(duì)于流場(chǎng)壓力變化，當(dāng)天然氣通過管道段遇到閥口時(shí)，由于閥口的堵塞，氣體首先被壓縮，其動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力能量，在閥口的前部產(chǎn)生局部高壓區(qū)。當(dāng)流體介質(zhì)通過閥口時(shí)，壓力能量部分轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，使閥腔內(nèi)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(chǎn)生局部低壓區(qū)，并且在局部低壓區(qū)和局部高壓區(qū)之間產(chǎn)生大的壓力差，促進(jìn)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(fù)進(jìn)行渦流運(yùn)動(dòng)。氣體和閥門的相互作用引起壓力脈動(dòng)和輻射流體噪聲。比較三種不同開啟條件下的流場(chǎng)，可以看出隨著閥門開度的增加，閥門對(duì)流體介質(zhì)的阻塞越來越小，閥門后部流場(chǎng)產(chǎn)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(dòng)噪聲輻射功率增大，閥前壓力下降、閥后壓力反而上升。實(shí)際上，站控系統(tǒng)為保護(hù)下游管道不超過其設(shè)計(jì)壓力，會(huì)設(shè)定程序保護(hù)。假設(shè)不受下游管道壓力限制影響，將閥門開度繼續(xù)加大，閥前壓力會(huì)繼續(xù)下降、閥后壓力繼續(xù)上升，在達(dá)到某一開度時(shí)會(huì)出現(xiàn)re=0.546，流速仍為聲速，但流量達(dá)到最大值，噪聲也將達(dá)到最大值；繼續(xù)加大閥門開度，此時(shí)雖然閥門流通能力系數(shù)繼續(xù)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(dāng)閥口開度達(dá)到100%時(shí)，流量繼續(xù)減小，直到壓力平衡后等于下游用戶的用氣量，此時(shí)調(diào)壓閥沒有節(jié)流作用，僅有氣流與閥體及管壁的低頻摩擦聲。

4、結(jié)語：

利用氣體動(dòng)力力學(xué)原理對(duì)輸氣管道站場(chǎng)調(diào)壓閥噪聲產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行模擬分析，可以確定流體力學(xué)噪聲為調(diào)壓閥噪聲的主要部分；噪聲值的大小與調(diào)壓閥開度有關(guān)，在一定的開度范圍內(nèi)，噪聲值隨著開度的增大而增大。針對(duì)調(diào)壓閥噪聲主要為流體動(dòng)力學(xué)噪聲的特點(diǎn)，通過改善調(diào)壓閥后內(nèi)部氣體流向和流速，降低產(chǎn)生噪聲的渦流、湍流和激波進(jìn)行降噪。

參考文獻(xiàn)

[1]田瑛，單蕾，孫春良，等.國外天然氣管道建設(shè)歷程及對(duì)我國的啟示 [J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2010，21（5）：6.

[2]趙良省.噪聲與振動(dòng)控制技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè) 出版社，2004：15—78.

[3]杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ) [M ].2版.南京：南京大學(xué)出版社，2001：2～39.

（作者單位：青海油田管道輸油處）