張波，梁子曉，尹愛軍

（1.中國石油西南油氣田分公司 重慶氣礦工藝研究所，重慶 401147；2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 機(jī)械傳動國家重點實驗室，重慶 400044）

壓縮機(jī)是天然氣壓縮站內(nèi)必備的重要生產(chǎn)設(shè)備，在實際生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，但其在運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的強(qiáng)烈噪聲惡化了工作條件和生活壞境[1]。天然氣壓縮站內(nèi)的壓縮機(jī)產(chǎn)生的噪音主要為低頻噪音，其具有穿透力強(qiáng)、衰減緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)等特點，因此對于低頻噪聲的控制極為困難。人體內(nèi)器官的固有頻率本就處在低頻和超低頻范圍內(nèi)，極易與低頻噪音產(chǎn)生共振，進(jìn)而人將會產(chǎn)生煩惱、感覺不適、心率過速、高血壓等癥狀，不僅導(dǎo)致人們的工作和生活質(zhì)量下降，而且容易引發(fā)安全事故[2]。

中石油川渝地區(qū)某增壓站壓縮機(jī)在正常運行時產(chǎn)生的噪聲值最高可達(dá) 100 dB(A)，從而導(dǎo)致壓縮站廠界區(qū)等效噪聲排放值高達(dá)66 dB(A)，超過了國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。站內(nèi)的噪音主要為頻率在 500 Hz以下的低頻噪音，控制難度較高。其總體特性如下：站內(nèi)噪聲源不唯一，并且極為分散；聲壓級頻帶寬，中低頻段能量居多，遠(yuǎn)距離傳播能量強(qiáng)；噪聲值大，各頻段噪聲均在80 dB(A)以上，其中集中在1000 Hz以下的中低頻噪聲最多，0～500 Hz噪聲最為嚴(yán)重，均在100 dB(A)左右，直線傳播距離可達(dá)百米以外；多臺機(jī)組同時運行還會造成噪聲疊加，且會產(chǎn)生相互的噪聲反射，增大噪聲遠(yuǎn)傳量。

天然氣增壓站噪聲不外乎空氣動力噪聲、振動噪聲和機(jī)械噪聲（撞擊、摩擦）三種[3-4]。增壓站噪聲源主要包括進(jìn)氣噪聲、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和機(jī)體輻射噪聲、排氣、管道和儲氣罐噪聲、排氣放空和閥門噪聲等幾部分。文中通過分析增壓站噪聲和振動特性[5-6]，識別低頻噪聲源，并以此為依據(jù)提出降噪改進(jìn)設(shè)計方案。

1 振動噪聲測試

1.1 測試對象

增壓站壓縮機(jī)組為往復(fù)式壓縮機(jī)，型號為ZTY265，其主要參數(shù)見表1。

1.2 測試參數(shù)

根據(jù)壓縮機(jī)特點合理設(shè)計測點位置。噪聲監(jiān)測：包括進(jìn)氣管、排氣管、壓縮缸、動力缸、冷卻器、廠房外附近噪聲等6個方面。根據(jù)工作現(xiàn)場的實際環(huán)境和噪聲測試要求對測點進(jìn)行布置。

表1 ZTY265壓縮機(jī)參數(shù)

為了有效地測試振動信號，測點布置應(yīng)該包括機(jī)組各個能夠反映振動特征的重要位置，包括進(jìn)氣管、排氣管、壓縮缸、動力缸、冷卻器、廠房外墻體振動等6個方面。另外，根據(jù)現(xiàn)場測試當(dāng)中發(fā)現(xiàn)的問題及時更改測點位置，保證測試結(jié)果滿足數(shù)據(jù)分析要求。測點布置見圖1。

2 信號分析

2.1 噪聲信號分析

頻域分析可以準(zhǔn)確分析信號的特征，因此，主要在頻域?qū)ζ浞底V進(jìn)行分析，獲取其特征頻率，分析噪聲的產(chǎn)生原因。由表2可知，測點1和3位置，即冷卻器和壓縮缸附近聲壓級較高，最高聲壓級可分別高達(dá)129.2 dB和127.7 dB。因此低頻噪音源極有可能來自于冷卻器和壓縮缸。

表2 噪聲聲壓級及其位置

圖2為測點4，5的1/3倍頻程分析結(jié)果。噪聲功率級在25 Hz和63 Hz中心頻率處達(dá)到最高，且都高于 80 dB。100 Hz以上的中高頻噪聲聲壓級均在80 dB以下。

根據(jù)往復(fù)式壓縮機(jī)的工作特性，氣缸進(jìn)氣閥間歇性開閉，空氣周期性地被吸入氣缸，與空壓機(jī)部件的撞擊以及間歇運動產(chǎn)生渦流。開啟排氣閥后，位于氣缸內(nèi)的空氣突然高速噴出，排氣管道內(nèi)氣閥附近的氣體受到氣流沖擊，產(chǎn)生壓力劇變，形成壓力波。因此，壓力脈動氣流的基頻噪聲與其各次諧波噪聲及渦流噪聲是在進(jìn)排氣過程中激發(fā)的，該噪聲是一種典型的低頻噪聲。由頻譜分析可知，噪聲能量主要集中在500 Hz以下的低頻組分。由圖3的進(jìn)排氣測點4，5的噪聲功率譜不難發(fā)現(xiàn)，噪聲主要低頻成分為11.30 Hz，17.14 Hz。

進(jìn)排氣低頻噪聲的強(qiáng)度不僅受壓縮機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速等因素影響[7-8]，并且隨壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的改變而改變。進(jìn)排氣噪聲特征頻率為：

式中：n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；i為諧波次數(shù)，i=1,2,3,…。根據(jù)增壓站的工況參數(shù)，ZTY系列壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速為 340～400 r/min，因此，圖 3中的低頻成分11.30，17.14 Hz，分別是壓縮機(jī)進(jìn)排氣頻率的2倍頻和3倍頻。

圖4和圖5為室外測點6的分析結(jié)果。噪聲強(qiáng)度較室內(nèi)噪聲略有降低，低頻噪聲主要集中在 11.23，17.13 Hz頻率處。其中17.13 Hz處的25 Hz中心頻率處次聲聲壓級接近80 dB。低頻噪聲波長較長，由于衍射效應(yīng)，很容易繞過墻體向外輻射。因此，降噪房外噪聲的低頻特性依然顯著，聲壓級較高。

2.2 振動信號分析

壓縮機(jī)本身是產(chǎn)生所有振動和噪聲的根源，隨著壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)壓縮氣體做功，它不僅產(chǎn)生機(jī)體的機(jī)械振動，還會產(chǎn)生壓縮氣體的沖擊振動。因此文中采集了壓縮機(jī)機(jī)組的振動信號，分析壓縮機(jī)機(jī)組的振動特性[9-10]，并將振動信號和噪聲信號相比較，更清楚地判斷壓縮氣機(jī)組的噪聲源。由表3可知，測點2即燃?xì)鈾C(jī)組動力缸振動最為劇烈，峰值加速度可超過40 m/s2。測點 3壓縮缸次之，峰值加速度主要集中在 13 m/s2附近。相比而言，測點4和5進(jìn)排氣管振動較為輕微，加速度低于6 m/s2。表明機(jī)組振源主要集中在動力缸附近。

表3 振動加速度最大值及其位置

由圖6可知，測點2動力缸振動能量主要集中在高頻區(qū)（8000 Hz），這主要是由于燃燒室的氣體燃燒所造成。測點3壓縮缸振動能量集中在中高頻區(qū)（160 Hz，500 Hz）。其他結(jié)構(gòu)振動能量主要集中在50 Hz以上的頻率帶。進(jìn)（排）氣管振動能量主要集中在11.30，22.48，37.33 Hz等低頻帶，為壓縮機(jī)工作頻率的第2，3次諧波，不是主要振動源。

3 噪聲識別

由上述分析可知，燃?xì)鈾C(jī)組中，動力缸振動最為劇烈，峰值振動加速度可達(dá) 40 m/s2，振動能量主要集中于8000 Hz附近的高頻區(qū)域。噪聲產(chǎn)生的主要部位集中于冷卻器和壓縮缸的進(jìn)排氣管，且以11，17 Hz的低頻噪聲為主，聲壓級較高，分別為129.2，127.7 dB。通過燃?xì)鈾C(jī)組的工況參數(shù)可知，低頻噪聲的產(chǎn)生與機(jī)組工作時吸排氣動作密切相關(guān)。因此，初步判斷燃機(jī)機(jī)組產(chǎn)生的低頻噪聲污染主要是由于機(jī)組周期性吸排氣時，管道和機(jī)組壁投射出的空氣動力性噪聲所造成的。機(jī)組振源的劇烈振動不是產(chǎn)生低頻噪聲污染的主要原因。

進(jìn)一步利用相干函數(shù)分析法[11-13]分析振動與低頻噪聲的相干關(guān)系。圖7為測點2振動與噪聲的相干分析結(jié)果。由圖7可知，相干系數(shù)基本上都在0.5以下，可判定低頻噪聲主要不是由振動引起。

4 降噪措施

通過以上測試及分析可知，壓縮機(jī)組在進(jìn)排氣工作的過程中，可產(chǎn)生高達(dá)70 dB（A）的全頻帶噪聲，并且包含聲壓級高達(dá) 100 dB的次聲，尤其以頻率11 Hz和17 Hz為主。壓縮機(jī)次聲傳播主要有兩個方面：一方面通過機(jī)體外表面以及與機(jī)體外表面相連的剛性零件的振動向外傳播；另一方面通過排煙消聲器的表面振動及其出口向外輻射。因此在對次頻噪聲進(jìn)行噪聲控制[14-15]時，應(yīng)考慮對整體壓縮器機(jī)組和廠房兩部分的噪聲控制。

為降低機(jī)械振動通過基礎(chǔ)向外傳播，可以考慮在壓縮機(jī)基礎(chǔ)鋪設(shè)減振裝置。同時為減少空壓機(jī)的進(jìn)排氣低頻噪音，可采取安裝抗性消聲器的方法。為降低次聲的繞射，可采取以下措施：合理設(shè)計排煙消聲圍護(hù)結(jié)構(gòu)的高度；考慮廠房頂棚采用多孔材料吸聲結(jié)構(gòu)（頂棚吸聲結(jié)構(gòu)和懸掛空間吸聲體），用以降低空壓機(jī)房向室外環(huán)境輻射的噪聲；將單層墻體換成雙層隔聲墻，以衰減噪聲傳播。為減小噪聲混響疊加對室內(nèi)聲環(huán)境的影響，可在頂棚內(nèi)壁面加裝微穿孔空腔共振吸聲板。

5 結(jié)語

針對壓縮站低頻噪聲污染嚴(yán)重的問題，通過對壓縮機(jī)組噪聲、振動等方面的數(shù)據(jù)分析，準(zhǔn)確判斷壓縮機(jī)噪聲源的位置和噪聲的特征頻率，由此得出低頻噪聲污染主要是由于機(jī)組周期性吸排氣時，管道和機(jī)組壁投射出的空氣動力性噪聲所造成，而不是機(jī)組的振動所引起的。在此基礎(chǔ)上提出壓縮機(jī)組的噪聲控制設(shè)計方案，為壓縮站的低頻降噪提供相應(yīng)的借鑒指導(dǎo)。

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