新型复合式小孔消音器在高压燃气管道放散降噪的应用研究

城市经济的快速发展对环境文明的要求越来越高，随着燃煤锅炉不断被燃气锅炉的取代，我们对燃气的需求也越来越大[1]。尤其是近年来天津市“煤改气”工程已如火如茶的展开，预计到2015年，将完成中心城区和滨海新区燃煤供热锅炉改燃或并网改造，到2020年，中心城区、滨海新区和环城四区将建成基本无燃煤区。燃气管道需要进行长距离输送，以中/低压为主的城市燃气输配方式已不能满足需求。随着城市规划的燃气管道管径越来越大、压力级制越来越高，高压燃气管网得以迅速发展[2]。在高压燃气管道安装后,需要进行试压实验以确保高压燃气管道的安全[3]。而试压结束后放散过程中产生的刺耳噪音，将会给周围的环境带来严重的噪声污染问题。因此必须采取措施对其进行消音减噪。其中，小孔消音器以体积小、重量轻、加工安装简单、消声量大等优点成为较为理想的消音装置。

本文提出了一种新型复合式小孔消音器，它是根据节流降压与小孔消音的原理相结合设计而成的。通过逐级扩容降压后，消声器出口管道的气流的压力和流速将会大幅度降低，从而达到消音的效果。文中对比了安装该消音设备前、后高压燃气管道放散试验的管段噪声值，得出了新型复合式小孔消音器能满足实际工程降噪要求的结论，可将其应用于高压燃气管道的放散降噪。

1 高压燃气管道噪声产生原因及其控制措施

根据《城镇燃气设计规范》（GB50028—2006）压力分级[4]：高压A为 2.5MPa＜P≤4.0MPa，高压 B为 1.6MPa＜P≤2.5MPa。高压燃气管道输送天然气时，输送温度为-19℃至60℃。

1.1 分析管道噪声产生的原因

管道噪音属于空气动力性噪声，它是由于空气流动或物体在空气中运动而引起空气涡流、冲击，或者压力突变导致空气扰动而形成的。高压燃气管道放散过程产生噪音的原因是：在管道出口端气体压力急剧下降、气体体积迅速膨胀，通过出口时，气体冲击管道、阀门等有形物体，致使气体微型气团相互挤压、碰撞、摩擦，并形成局部强烈的湍流和涡旋甚至对有形物体形成气蚀，从而形成噪音；同时，气体在冲出管口段形成高速气流的激烈振荡也将形成强噪音。

1.2 控制噪声的措施

分析噪声产生的原因是为找出合适的控制噪声的途径，不同噪声产生的原因，噪声控制的途径不同。对声源的控制有两条途径：一是改进结构，以降低声源的噪声发射功率，包括提高其中部件的加工精度和装配质量、采用合理的操作方法等；二是利用声的吸收、反射、干涉等特性，以控制声源的噪声辐射，包括采用吸声、隔声、减振、隔振等技术及安装消音器的措施等。从声源上降低气流噪声可由几方面着手，包括降低流速，减少管道内和管道口产生扰动气流的障碍物，适当增加导流片，减小气流出口处的速度梯度，改进管道连接处的密封性等。燃气管道在放散过程中所产生的降噪属于控制声源的噪声辐射，同时考虑到燃气管道放散特性，通常在工程中采用加装消声器的降噪措施。

1.3 消音设备的选型

对于消声装置的选择：首先，对于高压燃气管道，消音设备的材质及连接消音设备的连接螺栓均须要耐压；其次，在管道内不可避免的存有一些杂物，放散试验时，杂物在气压气流的作用下随着高压空气一起喷出，这将直接影响消音设备的正常运行，因此消音设备须具备能够滤掉这些杂物的防尘网；第三，具备降噪功能。

在以上的基础上，本文提出采取安装新型复合式小孔消音器的方法来控制噪声，它是根据节流降压与小孔消音原理相结合而设计。这种新型复合式小孔消音器的使用能有效降低噪声的产生和传播，且不影响气流的通过。小的孔径能提高吸声系数，低的孔隙率能增加吸声频带的宽度，孔板深度能改变共振吸声峰的位置。此外，还做了如下改进：（1）选择焊接性能好并对小孔局部集中应力不敏感的塑性金属作为制作材料；焊接采用电弧焊，与放散口的连接采用法兰形式以抗高压；（2）在设备中加了一层滤网，截住放散试验时产生的杂物，防止消音器小孔的堵塞。

2 新型复合式消音器的设计原理

新型复合式小孔消音器是由排气管、连接螺套、消声筒和筒芯等组成。它结合了抗、喷、阻三种不同消音原理，并采用逐级扩容降压的原理降低噪音，如图1所示。

图1 新型复合式消音器示意图

当压力高而流速快的气流通过消音器时，利用节流降压作用降低小孔喷注前的驻压，预先消耗部分声能，再与小孔降噪通过适当结构复合而成，以达到较高的消声量。在消声器连接管道进口截面处安装节流孔板，孔板截面面积由排气量流量的大小确定，当高压气体通过多级串联的节流孔后，其压力及流速均降至临界值，不会产生激波噪声，可达到降噪的初步效果；气流经过节流板后以相同的流量通过小孔喷口向周围环境排放，排放的喷口直径愈小（一般选为1～3mm），喷注的噪声频率愈高，利用这一声学特性可将人耳听觉最敏感的250～5000Hz附近的一个噪音“鸵峰”，移至可听声之外，进而达到消声目的。需要指出的是，在节流降压后消声器喷注层的驻压将大大降低，因此其在强度设计所需要的壁厚也将降低，这降低其钻孔的难度。

3 工程应用

作为天津市燃气供应的枢纽工程，宝静大二期工程和津沽燃气输气管网工程均使用了该新型复合式消音装置，该消声设备采用了四层扩容降压结构，外加阻声罩。管道设计压力均为4.0MPa，气密性试验压力为4.6MPa。该消音设备的技术特性如表1所示。

表1 新型复合式小孔消音器技术参数表

图2 安装新型复合式消音器前后噪声对比值

为验证该消音器是否符合环保要求，于2012年10月选择管道穿越段的一部分进行了放散试验，对其噪声值进行了测试。图2给出了安装消音器前后噪声值分布规律以及降噪量的变化：原管道排气放散噪声值分布在110～126dB（A），安装该消音设备后在同样的排气量下，噪声降至60～65dB（A），满足了环境噪声小于80dB（A）的环保要求；经计算降噪量达致45～60 dB（A），如图2。

4 结语

本文分析了高压燃气管道噪声产生的原因，研究了新型复合式小孔消音器在高压燃气管道放散降噪的应用，并对实际工程进行了测试。结果表明：安装使用该新型复合式小孔消音器后取得了明显的降噪效果，原燃气管道排气未安装该消音器时，噪声值最高达126dB（A），安装后在同样的排气量下，噪声值降至 60～65dB（A），降噪量达致 45～60dB（A），满足了环保降噪要求。