高压先导轴流式天然气减压阀综合噪声级预测分析

一、前言

高压先导轴流式天然气减压阀作为燃气输送的关键设备，在工业生产及生活中占有重要地位。由于燃气需要从高压降低到所需的压力，在流经阀门后产生大压降，不可避免地产生空气动力噪声。这些噪声不仅会损害听觉，而且还会对阀门甚至是管道系统造成巨大的破坏。因而政府或一些企业制定了标准，限制最大噪声级，以符合人们日常生产、生活的需要。为了判断天然气先导式减压阀产生的噪声级，需要根据标准进行预测计算[1]。

二、结构与工作原理

天然气减压阀为先导轴流式减压阀，可将来流较高的天然气压力降低到某一特定值，以供后续用户使用。轴流式减压阀具有体积小，流量大，流阻小等优点结构如图1所示。其工作原理为：由导阀弹簧设定阀后压力，将阀前压力通过引压管引入先导阀中，使其作用在导阀膜片上与导阀弹簧平衡，控制导阀的开启与关闭，进而控制导阀压力引出管（通向主阀的负载腔）的输出压力（即主阀控制腔压力），此控制压力与阀后压力、主阀弹簧相平衡，控制主阀高压筒的开关。当阀后压力降低，主阀高压筒左移，使流通面积增大以满足用户需求，同时控制腔压力降低，导阀开度增大，以向主阀控制腔内补充压力。当阀后压力升高时，主阀高压筒右移，控制腔压力升高，迫使导阀趋向关闭，控制腔中压力通过阻尼孔向阀后泄压，直至系统达到平衡。

图1 减压阀结构图

1.进气接体 2.导阀弹簧 3.导阀 4.引压管 5.主阀弹簧6.出气接体 7.O形圈 8.膜片

三、综合噪声级预测分析

1.减压阀内流体流动状态的判断

流体流动的不同状态所产生的噪声是各种声速现象或气体分子与激波相互作用的结果。阀门噪声可以分为三种：机械噪声、流体动力噪声和空气动力噪声[2]。本文主要研究减压阀产生的空气动力噪声。

在不同流速下，所产生的主要噪声源不同，在低速下主要是漩涡的破裂所导致的偶极子噪声，流速再高一些为雷诺应力所产生的四极子噪声，当流体以超声速流动时，剪切紊流和激波噪声占主导地位。流动分为5种状态：状态1流体以亚声速流动，气体被部分再压缩，此类噪声主要由偶极子声源产生；状态2噪声主要由激波相互作用和紊流阻塞流共同产生；状态3不存在等熵再压缩，流体为超声速流动，剪切紊流占主导地位；状态4由于马赫面的形成，分子间碰撞减少，激波成为主要噪声源；状态5时声效系数为常数，即使压差进一步降低，噪声也不会增加。

2.综合噪声级计算

根据IEC 60534-8-3-2009 《工业过程控制阀 第8-3部分：噪声的考虑 控制阀的气动噪声预测法》对规定区域内（阀体下游1m和管壁外侧1m处）的噪声进行预测计算。判断减压阀内流体流动状态，确定其噪声的大致范围和频谱分布，对正确选择设计数据、优化天然气先导式减压阀内部结构，降低流体的高压降和气流紊流程度，从而减少噪声的产生是至关重要的。

内部声压级的计算：

式中

Lpi——内部声压级，单位为dB；

Wa——声功率，单位为W；

ρ——出口流体密度，单位为kg/m3；

c ——下游声速；

Di——下游管道直径，单位为m；

Lg——下游管道速度噪声修正值，单位为dB。

由于出口流速较大，必须综合考虑阀内件及渐扩管。某一频率的渐扩管内部噪声级：

式中 LpiR(fi) ——渐扩管内部声压级，单位为dB；

LpiR——渐扩管出流噪声级，单位为dB；

fi ——渐扩管噪声峰值频率；

fpR——渐扩管噪声频率。

由阀内件及渐扩管在管内产生的某频率综合噪声级：

式中 Lpi(fi) ——各频率下内部声压级，单位为dB；LpiR(fi) ——各频率下渐扩管出流噪声级，单位为dB。

管壁外1m处A计权的综合噪声级：

式中 LpAeS,1m(fi)——各频率下内部声压级，单位为dB。

由计算可知，高压先导轴流式天然气减压阀在使用工况管壁外1m处A计权综合噪声级为97.842 dB。

四、结果分析

通过相同方法对进出口压力比为0.5、0.575、0.65及0.749的四种工况综合噪声进行计算，得到的噪声分别为92.101dB、89.112dB、84.297dB和82.038dB。对以上五种不同压力比下的噪声进行数据拟合，得到的曲线如图2所示。从图中根据不同压力比而计算出来的噪声曲线可以看出，压力比越大，压差比越小噪声越低。在压力比为0.57附近时，噪声达到90dB，随着压力比的降低，噪声逐渐升高，且增加比率越来越快。

图2 不同压力比下的噪声级拟合曲线

通过预估噪声计算可知，高压先导轴流式天然气减压阀所产生的噪声问题不可忽视，当压差较大时，阀后渐扩管的噪声也需考虑。因此需要通过优化内部结构、合理分配压差或加入消声内件等措施抑制噪声的产生，改善天然气先导式减压阀使用性能，达到对门站所产生噪声进行控制的目的。当使用工况的减压阀噪声大于90dB时，超过了标准GBJ87-1985《工业企业场区噪声控制设计规范》的限制，需要采取加入其他附件如多级降压内件、小孔消声器或加入吸声材料等抑制噪声的措施，达到安全生产的目的[2]。

五、结语

综合噪声级是天然气减压阀的重要性能指标。经过噪声预测，对于超过标准要求的噪声范围工况提出了改进措施，方便开展降低使用工况减压阀噪声的研究与设计，为相关设计和选型提供了指导。和实例计算，提出了提高风机能量效率和效率的途径。