高压排气放空噪声及消声设计

SA FE T Y ENV IRONM EN T&HEAL TH安全、环境和健康

摘要分析了石化企业中常见的排气放空噪声的原理及其影响因素,探讨了排气放空消声器的设计方法及技术要点。在一些厂中实施了本消声技术,均取得了优异的降噪效果。

关键词喷注噪声节流降压小孔喷注消声器

高压排气放空噪声在石化厂中经常出现。许多设备或容器工作压力很高,根据生产工艺的要求,有时要将蒸汽、压缩空气或各种工艺气体放空处理。当高压气体从排口高速排放时,伴随发出极强的噪声。不但危害岗位作业人员,还对厂区环境以至厂外环境造成噪声污染。如某石化公司的噪声调查表明[1],80%以上的生产装置存在排气放空噪声源,仅芳烃联合装置就有排气放空口144个。因此,设计高效的排气放空消声设备、消除噪声危害,是石化生产安全环保工作中的重要内容。

1高压排气放空噪声

高压排气放空噪声不同于一般风机类设备排气口的噪声。风机的噪声源在其内部,是叶轮和空气相互作用产生的旋转噪声和涡流噪声,再通过排气口(及进气口)向外传播出来。而放空设备内部并没有噪声源,噪声源就在排气管口上,或更确切地说在排口截面之外。是由于高速喷出的气流冲击和剪切周围静止空气、引起剧烈的气体扰动而产生的。这种噪声称为喷注噪声。

喷注噪声随气室压力及射流速度的增加而增大。在亚声速喷注下,Li g hthill得出了喷注噪声声功率与射流速度的八次方成正比,即八次方定律[2]。当气室压力超过临界压力(P/P o>1.893,P、P o分别为气室压力和环境大气压)时,喷注速度达到局部声速,此时称之为阻塞喷注,喷注速度不再随压力增高而增大,但噪声仍要继续升高。石化企业的排气放空绝大多数属于阻塞喷注。我国著名科学家马大猷教授从Li g hthill定律出发,通过大量实验研究,得出了阻塞喷注下排气放空噪声A声级的关系式[3],除了气体本身的属性外,喷注噪声的大小取决于喷注压力和喷口直径两个因素:喷注压力越高噪声级就越高,喷口直径越大噪声的A声级越高,但绝不是简单的线性关系,而是一个很复杂的表达式。此表达式是我们消声设计的基础。

在石化企业中,实施排气放空的设备压力常高达数MPa或数十MPa。根据阻塞喷注的压力关系,放空噪声必定很高。实测的几处排气放空噪声声级如表1所列。

无疑,如此高的排气放空噪声危害很大,必须采取消声措施。

2排气放空消声器的设计

国外进口设备有的带有放空口消声器,其主要形式是扩散及阻性复合消声器,不但体积大消耗钢材多,而且内部衬有吸声材料,长时间使用由于吸声材料被吹坏等原因而消声效果下降[4]。可以肯定地说,国外的消声技术并不先进。我们研制的一系列排气放空消声器,无论是消声效果还是使用寿命都优于国外的水平。

排气放空消声器有多种形式,应用较多的是节流降压和小孔喷注两种,而这二者的复合形式则具有更好的消声效果。

2.1节流降压型消声器

节流降压的消声原理是通过多级节流孔板串联,把排空的一次压降分散成若干小的压降。由于排空噪声的声功率与压降的高次方成比例,所以把压力突变改为压力惭变排空能显著降低噪声。

设计方法是根据排气流量的大小,适当设计节流降压级数及各级通流面积,使压力逐级降低。各级间的压强比通常取相等的数值,即q=P2/P1=P3/P2=…= P n/P n-1,q是小于1的数值。

节流装置的通流面积,根据气态方程、连续性方程和临界流速公式,推导并换算为工程上常用的单位,得出第一级通流面积为:

式中G、V1、P1分别为排放空气体的重量流量、节流前气体的比容及压力,μ为修正系数。

得出第一级节流板通流面积后,逐级除以q,便得到以后各级的通流面积,再由面积确定孔径和孔心距,

高压排气放空噪声及消声设计

潘敦银王勇赵炯王建伟

(中国石化青岛安全工程研究院,青岛266071)(中国石化齐鲁石油化工公司,山东淄博255408)

安全技术与管理

表1石化企业实测排气放空噪声级

厂类设备测点距离/m噪声级/dB(A)

大化肥厂热电厂化工厂炼油厂氧气厂乙烯快锅蒸汽管

汽轮机放空口

工艺气体压缩机

FCC装置

污氮放空口

空分装置

2

1

1

5

1

1

135

117

110

136

125

119

(cm2)

S1=CμG V1 P1

18安全、环境和健康2002年3月第2卷第3期

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第2卷第3期安全、环境和健康2002年3月

最后安排好孔的分布。

2.2小孔喷注型消声器

喷注噪声的峰值频率是与喷口直径成反比的。如果喷口直径变小,辐射噪声将移向更高的频率。当孔径小到一定值(mm 级),噪声将移到人耳不敏感的接近超声的频率范围去。根据这一原理将一个大的喷口改用许多小孔来代替,在得到相同排气量的前提下,达到降低可闻声的目的。因此,改为小孔喷注并不减少噪声的总能量,只是减少了可听声的能量。与人耳听觉相吻合的A 声级也随之降低。

小孔喷注口的孔径一般为1～3mm ,太小了易于堵塞且由于排量关系孔数将非常之多,加工不便。设计小孔喷注消声器,孔心距有着举足轻得的影响。如果小孔间距较小,气流经过小孔形成多个小喷注后,还会再汇合形成大的喷注而辐射混合喷注噪声,使得消声量降低。一般小孔的间距不应小于5倍孔径。喷注前的驻点压力越高,孔心距就需越大。

2.3节流降压与小孔喷注复合消声器

计算和实用都表明,单独采用节流降压或小孔喷注消声器,其消声量不会超过30dB (A )。这在许多场所仍不能满足要求。如果将这两种结构结合在一起,能获得更大消声量,实践中应用最多的也就是节流降压和小孔喷注复合消声器。

复合消声器的设计是在内部进行多级节流降压,最外层采取小孔喷流。这外层既作为最后一级节流降压层,又具有小孔移频消声功能。只要配合得当,可取得40dB (A )以上的消声效果。

节流降压层可设计一级或多级。如设备喷注压力很高,应设置多级。经多级节流降压后进入小孔喷注层前的驻压,一般应控制在0.3～0.6MPa 。若使再低必定要增多级数、增大体积;若太高则很难保证消声量。气源压力不高时,一层节流降压加一层小孔喷注即可。两者之间配合技巧很重要,如果适当增加小孔喷注层的通流面积,以尽量减小喷注层前的驻压,则一级节流加小孔喷注也能起到多级节流降压加小孔喷注的作用。3设计应用实例

近几年,我们在十几个厂、二百余处排气放空口设计安装了各种形式的放空消声器,都取得了显著的消声效果。以下简述几个实例。

3.130万t 合成氨装置放空消声器

大化集团公司年产30万t 合成氨装置原进口设备中带了一批排气放空消声器,经过20余年的运行,有的破损需更新,还有的进行技术改造需新装放空消声器。我们对此设计制做了氧化尾气放空、18t 蒸汽放空和空压机放空等多台排气放空消声器。现以18t 蒸汽放

空为例介绍其设计和应用情况。

蒸汽放空压力为3.5MPa ,排放量18t/h 。对此,我们设计了两级节流降压加一层小孔喷注复合消声器。节流板通流面积分别为S 1=29.2cm 2,S 2=53cm 2,外层通流面积也就是小孔喷注的总面积为160cm 2,钻Φ2mm 小孔5100个。因为排放介质为蒸汽,为防止锈蚀消声器采用0Cr18N i9T i 不锈钢材料,消声器外径400mm ,有效长度1.2m 。消声器安装使用后降噪显著,消声量达41dB (A )。3.2氧气厂污氮放空消声器

青钢集团氧气厂是专门生产氧气的厂,与石化系统中的氧气厂具有相同的生产线,此处的放空称污氮放放,排放的气体实际上主要是空气。有一系列容积为26m 3的气罐,每隔3分钟就放空一次,放空要在2～3秒种内把气罐内的气排完。由于频繁地放空且噪声超过100dB (A ),对周围环境造成强烈污染。此前该厂曾治理过排空噪声,由于治理者不懂排气放空消声技术,安装了通常的阻性消声器,结果根本不消声。需重新设计消声器。

对此,我们仍采用节流降压与小孔喷注复合消声器。这里的排放压力较低,只有0.5MPa ,故只设一级节流层。但排放量要求大,必须在2～3秒时间内把罐内气体排完。计算得到S 1=770cm 2,而小孔喷注面积为

1610cm 2

,钻Φ3小孔22780个。消声器为碳钢材质,消声器外径1200mm ,有效长度3.6m 。该消声器的消声量为36dB (A ),使用后达到了环境降噪的要求。4参考文献

1石化噪声防治中心编.石化噪声防治文集,19992

M.J.Li g hthill ,Proc.R o y .S oc.1954(A ),1∶2223马大猷,等.Pressure De p endence of Jet N oise ,N oise C ontrol En g ineerin g ,

(N ov.Dec.),1981,2∶104

4潘敦银,等.大中型化肥厂噪声治理评价.化工劳动保护,1996,2∶3Hi g h -p ressure J et Noise and Desi g n f or

Silencin g o f Noise

PAN Dun y in ,W ANG Y on g ,

(S afet y En g ineerin g Institute ,SINOPEC ,Q in g dao 266071)

ZHAO Jion g ,W ANGJianw ei

(Q ilu Petroleum Chem ical C om p an y ,SINOPEC ,Z ibo 255048)

Abstract :T his p a p er anal y zed the causes and influence fac 2

tors of the j et noise em er g ed from p etroleum and chem ical p lants ,and investi g ated desi g n m ethods and m ain techni q ue cruces of exhaust mufflers.Ex cellent noise reduction effects are g ained in som e p lants utilized the muffler.K e y words :j et noise ;reducin g p ressure b y re g ulatin g flow;m icro p ore j et ;muffler

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