張 鵬 熊 軍 張聰鑫 鄒海山

(1.中國(guó)石油西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院；2.四川天宇石油環(huán)保安全技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司； 3.南京大學(xué))

0 引 言

高產(chǎn)采氣井具有氣量大、溫度高、壓差大、能量高等特點(diǎn)，在天然氣開(kāi)采過(guò)程中可產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲，主要可分為氣流噪聲、機(jī)械噪聲和電磁噪聲等，其中氣流噪聲在85～90 dB(A)，較機(jī)械噪聲和電磁噪聲高10～30 dB(A)，是工藝場(chǎng)站的主要噪聲源[1]。場(chǎng)站內(nèi)井口節(jié)流閥、分離器等設(shè)備兩端壓差較高，由此產(chǎn)生的氣流噪聲[2]顯著。此外，大小頭結(jié)構(gòu)(異徑管)、彎管等產(chǎn)生的湍流及渦流作用[3]，也是產(chǎn)生氣流噪聲的重要因素。在保證采氣場(chǎng)站穩(wěn)產(chǎn)開(kāi)發(fā)的同時(shí)，減小噪聲污染是當(dāng)前高產(chǎn)采氣場(chǎng)站亟需解決的重要問(wèn)題。

1 高產(chǎn)采氣場(chǎng)站聲源調(diào)查情況

采氣場(chǎng)站運(yùn)行過(guò)程中，一般將日產(chǎn)氣量大于50萬(wàn)m3的采氣井稱為高產(chǎn)采氣井。其一般工藝流程為：原料氣采出后，在井口區(qū)域進(jìn)行兩級(jí)節(jié)流，節(jié)流后原料氣進(jìn)入場(chǎng)站內(nèi)分離計(jì)量撬進(jìn)行分離計(jì)量。其中氣相經(jīng)過(guò)氣相管線上配套的計(jì)量?jī)x表實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量，液相則通過(guò)計(jì)次排放的方式進(jìn)行產(chǎn)液量計(jì)量。分離出的液相再次進(jìn)入原料氣管線，經(jīng)采氣管線氣液混輸至下游集氣站進(jìn)行分離[4]。

通過(guò)對(duì)四川境內(nèi)多處高產(chǎn)采氣井的一級(jí)節(jié)流閥、二級(jí)節(jié)流閥、二級(jí)節(jié)流后測(cè)溫測(cè)壓套、分離器等聲源進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)后，可明確高產(chǎn)采氣場(chǎng)站內(nèi)各聲源的聲壓級(jí)主要集中在70～90 dB(A)。根據(jù)GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》，位于農(nóng)村、郊區(qū)環(huán)境的采氣場(chǎng)站應(yīng)執(zhí)行2類標(biāo)準(zhǔn)，即晝間60 dB(A)，夜間50 dB(A)。若上述聲源離場(chǎng)站廠界距離較近，導(dǎo)致噪聲隨距離衰減的效果不顯著，則極可能導(dǎo)致廠界噪聲超標(biāo)。

2 流體力學(xué)數(shù)值仿真

為研究場(chǎng)站內(nèi)各工藝設(shè)備聲源的降噪方法及效果，本文利用流體力學(xué)軟件對(duì)川中地區(qū)某高產(chǎn)采氣場(chǎng)站的主要噪聲源進(jìn)行仿真模擬，分別針對(duì)彎管道角度、彎管道曲率半徑、Z型管耦合、大小頭結(jié)構(gòu)和分離器等多種模型進(jìn)行工藝降噪研究。

該采氣場(chǎng)站主要運(yùn)行參數(shù)如下。

2.1 工藝流程及產(chǎn)噪設(shè)備

原料氣經(jīng)井口節(jié)流后，進(jìn)入站內(nèi)分離器進(jìn)行氣液分離，并經(jīng)采氣管線氣液混輸至下游集氣站。主要產(chǎn)噪設(shè)備包括井口一級(jí)節(jié)流閥、二級(jí)節(jié)流閥、地面管匯和分離器等。

2.2 基本運(yùn)行參數(shù)

產(chǎn)氣規(guī)模為1.0×106m3/d，二級(jí)節(jié)流后壓力為7.0 MPa，分離器規(guī)格為8 200 mm×5 400 mm×3 574 mm。

2.3 原料氣組分

原料氣以甲烷為主，原料氣組分及各組分摩爾質(zhì)量見(jiàn)表1。

表1 原料氣組分及各組分摩爾質(zhì)量

3 工藝優(yōu)化及降噪效果分析

3.1 彎管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采氣場(chǎng)站內(nèi)，井口到分離計(jì)量撬一般設(shè)置有曲率半徑R=1.5D(管徑)的彎頭9～10個(gè)。彎管處流場(chǎng)復(fù)雜，氣流快速通過(guò)時(shí)會(huì)在管壁附近形成分離區(qū)、二次流，可造成流體總壓和能量損失、振蕩或脈動(dòng)，從而產(chǎn)生流動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲[5]。彎頭的角度、耦合以及曲率半徑等對(duì)于彎頭處的聲壓級(jí)大小均有影響。

3.1.1 彎管角度優(yōu)化

以單個(gè)彎管為研究對(duì)象，在彎管周圍1 m處分別設(shè)置8個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，見(jiàn)圖1，對(duì)比分析彎管角度為90°和135°時(shí)彎管聲壓級(jí)的變化。該仿真模型中，彎管入口管長(zhǎng)L1=5 m，出口管長(zhǎng)L2=5 m，管徑D=150 mm，出口壓力P=7 MPa，管道流量V=1.0×106Nm3/d。

圖1 90°和135°彎管建模及評(píng)價(jià)點(diǎn)設(shè)置示意

通過(guò)仿真模擬，不同角度彎管內(nèi)氣流速度云圖見(jiàn)圖2，評(píng)價(jià)點(diǎn)1和4處聲壓級(jí)線譜見(jiàn)圖3，各評(píng)價(jià)點(diǎn)聲壓級(jí)見(jiàn)表2。

從表2可知，彎管角度由90°變?yōu)?35°后，各評(píng)價(jià)點(diǎn)聲壓級(jí)減少20.2～26.9 dB(A)，平均下降23.6 dB(A)，降噪效果顯著。

圖2 t=0.6 s時(shí)不同角度彎管內(nèi)氣流速度云圖

圖3 不同角度彎管在評(píng)價(jià)點(diǎn)1和4處頻譜

彎管角度評(píng)價(jià)點(diǎn)聲壓級(jí)/dB(A)12345678平均聲壓級(jí)/dB(A)90°83.690.486.892.783.690.486.892.788.4135°63.465.864.165.863.465.864.165.864.8

3.1.2 Z型彎管彎頭間距優(yōu)化

場(chǎng)站內(nèi)多個(gè)彎管的存在可形成Z型管，Z型管中兩彎管之間的距離變化可能導(dǎo)致彎管間的耦合或解耦。通過(guò)增大Z型管彎頭之間的距離，分析彎頭之間的耦合程度及耦合效果，模型示意見(jiàn)圖4。兩個(gè)彎頭間距分別設(shè)置為3.6，5，10 m。

圖4 Z型管建模及評(píng)價(jià)點(diǎn)設(shè)置示意

通過(guò)仿真模擬，Z型管結(jié)構(gòu)下不同彎頭間距時(shí)彎管內(nèi)氣流速度云圖見(jiàn)圖5，評(píng)價(jià)點(diǎn)1和4處聲壓級(jí)線譜見(jiàn)圖6，各評(píng)價(jià)點(diǎn)聲壓級(jí)見(jiàn)表3。

圖5 t=0.6 s時(shí)90°Z型彎管內(nèi)氣流速度云圖

圖6 不同彎管間距90°Z型彎管在評(píng)價(jià)點(diǎn)1和4處頻譜

從表3可知，Z型管間距越近，耦合程度越大，聲壓級(jí)越高，反之越低。當(dāng)兩彎頭間距由3.6 m增加至10 m時(shí)，平均聲壓級(jí)下降2.9 dB(A)，對(duì)聲源降噪有一定效果，但不明顯。

3.1.3 彎管曲率半徑優(yōu)化

在采氣場(chǎng)站中，曲率半徑R=1.5D的彎管最為常見(jiàn)。氣流在彎頭處沖擊管壁，造成工藝管道強(qiáng)烈振動(dòng)，從而產(chǎn)生高強(qiáng)度的高頻振動(dòng)噪聲。噪聲主要發(fā)生在彎頭內(nèi)側(cè)，這也是壓強(qiáng)最大、流速最小處，容易產(chǎn)生渦流、空穴等現(xiàn)象[6]。為探討曲率半徑對(duì)彎管噪聲的影響，分析了曲率半徑為1.5D和5D彎管噪聲的產(chǎn)生情況，模型示意見(jiàn)圖7。

圖7 不同曲率半徑彎管建模及評(píng)價(jià)點(diǎn)設(shè)置示意

通過(guò)仿真模擬，不同曲率半徑彎管內(nèi)氣流速度云圖見(jiàn)圖8，評(píng)價(jià)點(diǎn)1和4處聲壓級(jí)線譜見(jiàn)圖9，各評(píng)價(jià)點(diǎn)聲壓級(jí)見(jiàn)表4。

圖8 t=0.6 s時(shí)不同曲率半徑彎管內(nèi)氣流速度云圖

從表4可知，當(dāng)彎管曲率半徑由1.5D增大到5D時(shí)，各評(píng)價(jià)點(diǎn)聲壓級(jí)下降26.7～33.1 dB(A)，彎管處平均聲壓級(jí)下降30.4 dB(A)，降噪效果較好。

圖9 不同曲率半徑彎管在評(píng)價(jià)點(diǎn)1和4處頻譜

90°彎管曲率半徑評(píng)價(jià)點(diǎn)聲壓級(jí)/dB(A)12345678平均聲壓級(jí)/dB(A)1.5 D83.690.486.892.783.690.486.892.788.45 D56.759.456.459.656.959.456.459.658.0

3.2 大小頭(異徑管)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

大小頭結(jié)構(gòu)(即異徑管)在采氣場(chǎng)站內(nèi)普遍存在，用于兩種不同管徑的管道之間的連接。氣流通過(guò)大小頭時(shí)流道發(fā)生突變，導(dǎo)致管道內(nèi)部的流體出現(xiàn)亂流、氣切、渦流、軸線方向速度分布不均勻等現(xiàn)象，并產(chǎn)生不穩(wěn)定的氣流噪聲。通過(guò)改變大小頭端面間距進(jìn)行數(shù)值仿真，各評(píng)價(jià)點(diǎn)距離大小頭管壁均為1 m，模型示意見(jiàn)圖10，L1=40 mm，L2=100 mm，D1=114 mm，D2=200 mm，P=7 MPa，Qm=1.0×106Nm3/d。

圖10 大小頭模型及評(píng)價(jià)點(diǎn)設(shè)置示意

通過(guò)仿真模擬，分別設(shè)置大小頭端面間距為0.15，0.3，0.6 m，大小頭兩個(gè)端面保持不變。不同大小頭間距下彎管內(nèi)氣流速度云圖見(jiàn)圖11，評(píng)價(jià)點(diǎn)1和3處聲壓級(jí)線譜見(jiàn)圖12，各評(píng)價(jià)點(diǎn)聲壓級(jí)見(jiàn)表5。

從表5可知，大小頭端面間距從0.15 m增加到0.6 m，評(píng)價(jià)點(diǎn)1和3聲壓級(jí)逐步降低，評(píng)價(jià)點(diǎn)2先升高后降低，平均聲壓級(jí)下降14.4 dB(A)，降噪效果較好。

圖11 t=0.6 s時(shí)不同大小頭間距下彎管內(nèi)氣流速度云圖

圖12 不同大小頭間距下評(píng)價(jià)點(diǎn)1和3處1/3倍頻程

大小頭端面間距/m評(píng)價(jià)點(diǎn)聲壓級(jí)/dB(A)123平均聲壓級(jí)/dB(A)0.1589.171.989.483.50.374.174.388.779.00.669.269.168.969.1

3.3 分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

分離器是原料氣氣液分離的重要裝置，普遍分布于各采氣場(chǎng)站。氣流從管道進(jìn)入分離器腔體時(shí)，流速突然降低，在入口產(chǎn)生噴氣噪聲，并在分離器腔體進(jìn)行放大、共鳴。而分離器腔體體積大，噪聲頻率較低，隨距離衰減慢，傳播距離遠(yuǎn)，治理較難。通過(guò)改變分離器進(jìn)、出口管徑大小，分析噪聲聲壓級(jí)的變化。分離器模型及24個(gè)噪聲評(píng)價(jià)點(diǎn)設(shè)置見(jiàn)圖13。

圖13 分離器模型及評(píng)價(jià)點(diǎn)設(shè)置示意

3.3.1 入口直徑200 mm，出口直徑變化

維持入口直徑D1=200 mm不變，出口直徑D2變化時(shí)各評(píng)價(jià)點(diǎn)聲壓級(jí)變化情況如表6所示。出口直徑增加可使分離器平均聲壓級(jí)降低，具有降噪效果，但是分離器周圍單個(gè)評(píng)價(jià)點(diǎn)噪聲可能升高也可能降低。

表6 出口管徑變化時(shí)各評(píng)價(jià)點(diǎn)聲壓級(jí)變化情況dB(A)

評(píng)價(jià)點(diǎn)直徑D2/mm200300400評(píng)價(jià)點(diǎn)直徑D2/mm200300400196.471.688.31482.170.266.1298.588.783.2151016887.53101.993.266.81696.568.764.74101.878.789.21778.791.383.45101.971.685.41896.289.382.169092.773.31994.88961.878372.181.62078.266.461.5899.875.681.22196.564.984.7999.771.581227691.358.71085.773.569.42397.290.793.11110070.484.92498.163.157.51283.794.167.6均值97.487.684.51395.189.488.4

3.3.2 出口直徑200 mm，入口直徑變化

維持出口直徑D2=200 mm不變，入口直徑D1變化時(shí)各評(píng)價(jià)點(diǎn)聲壓級(jí)變化情況如表7所示。入口直徑增加可使分離器平均噪聲稍有增加，但是分離器周圍單個(gè)評(píng)價(jià)點(diǎn)噪聲可能升高也可能降低，增大入口直徑并不利于噪聲值降低。

表7 入口管徑變化時(shí)各評(píng)價(jià)點(diǎn)聲壓級(jí)變化情況dB(A)

評(píng)價(jià)點(diǎn)直徑D1/mm200300400評(píng)價(jià)點(diǎn)直徑D1/mm200300400196.498.986.51482.183.386.8298.599.7105.415101104.382.33101.9100.3100.61696.5104.1107.64101.892.2106.51778.779.681.65101.984.3103.71896.2103.5109.369091.7107.41994.8108.18178384.485.52078.279.9107.1899.889.593.52196.5103.980.4999.783.885.12276107.5105.31085.7102.3912397.29979.11110082.8110.72498.175.678.71283.7107.688.7均值97.4101.5103.41395.181.698.4

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié) 論

天然氣采氣場(chǎng)站內(nèi)井口節(jié)流閥、大小頭結(jié)構(gòu)、分離器產(chǎn)生的氣流噪聲是導(dǎo)致場(chǎng)站廠界噪聲超標(biāo)的主要原因。在優(yōu)化站內(nèi)平面布局的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)減少?gòu)濐^個(gè)數(shù)、增大彎頭曲率半徑、增大相鄰彎管的距離、增大大小頭端面間距、增大分離器出口直徑等措施，使聲源噪聲降低。在本文模擬條件下，降噪量高達(dá)33.1 dB(A)。

4.2 建 議

1)彎管改進(jìn)

對(duì)于彎管而言，當(dāng)入口流量和出口壓力恒定時(shí)，增大彎管角度和彎管曲率半徑有較好的聲源降噪效果。通過(guò)仿真模擬，在本文3.1節(jié)工藝參數(shù)條件下，采用以下3種彎管降噪措施，可大幅降低由彎管引起的氣流噪聲。

(1)管道直徑D=150 mm時(shí)，彎管角度由90°增加至135°可使評(píng)價(jià)點(diǎn)平均聲壓級(jí)降低20.2～26.9 dB(A)。

(2)彎管曲率半徑由1.5D增加到5D時(shí)，可使評(píng)價(jià)點(diǎn)平均聲壓級(jí)降低26.7～33.1 dB(A)。

(3)對(duì)于有多個(gè)彎管的輸氣管道，減少?gòu)澒軅€(gè)數(shù)可以降低管道輻射噪聲；若必須采用多個(gè)彎管，則相鄰彎管的距離應(yīng)盡量拉長(zhǎng)，以減少?gòu)澒茉肼暤鸟詈稀?/p>

2)大小頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)

對(duì)于大小頭結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)入口流量和出口壓力恒定時(shí)，應(yīng)增大大小頭端面間距，以減小大小頭處不穩(wěn)定的氣流噪聲。通過(guò)仿真模擬，在本文3.2節(jié)工藝參數(shù)條件下，當(dāng)小頭直徑D1=114 mm、大頭直徑D2=200 mm，且大小頭端面間距從0.15 m增加到0.6 m時(shí)，大小頭處平均聲壓級(jí)下降14.4 dB(A)。

3)分離器改進(jìn)

對(duì)于分離器而言，當(dāng)入口流量和出口壓力恒定時(shí)，可增大出口直徑D2，以減小分離器噪聲。通過(guò)仿真模擬，在本文3.3節(jié)工藝參數(shù)條件下，當(dāng)出口直徑由200 mm增大至300，400 mm時(shí)，分離器處平均聲壓級(jí)可降低9.8～12.9 dB(A)。

4)其他建議

當(dāng)通過(guò)上述平面布局及工藝改進(jìn)仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)廠界噪聲達(dá)標(biāo)時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)合末端降噪措施對(duì)場(chǎng)站噪聲進(jìn)行綜合治理，如增設(shè)聲屏障、隔聲罩，鋪設(shè)吸聲、隔聲材料等降噪設(shè)備或介質(zhì)，或通過(guò)將采氣場(chǎng)站內(nèi)露空管道埋地、選擇隔聲材料包裹等方式進(jìn)行處理，促進(jìn)廠界噪聲達(dá)到晝間60 dB(A)，夜間50 dB(A)的標(biāo)準(zhǔn)限值。