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柴油发电机机组噪声如何控制?

2020-08-30

      柴油发电机组噪声往往成为周围环境噪声的主要污染源。当前社会对环保要求越来越高,如何有效地控制其噪声污染是一项有难度,同时又具有很大推广价值的工作,这也是我们环保的主要工作,应得到更多的重视。为了做好这项工作,首先要对柴油发电机组噪声的构成进行了解和分析。


    一、柴油发电机组噪声原因分析:


  柴油机噪声是一个由多种声源构成的复杂声源,按照噪声辐射方式,柴油机噪声可以分为空气动力噪声和表面辐射噪声。按照产生的机理,柴油机表面辐射噪声又可以分为燃烧噪声和机械噪声。其中空气动力噪声为主要噪声源。


 (一)、 空气动力噪声:


  空气动力噪声是由于气体的非稳定过程,即由气体的扰动以及气体与物体的相互作用而产生的。直接向大气辐射的空气动力噪声包括:进气噪声、排气噪声、冷却风扇噪声。


  1、进气噪声:


  进气噪声是柴油机的主要空气动力噪声之一,它是由进气门的周期性开启与闭合而产生的压力起伏变化而形成的。当进气门开启时,在进气管中产生一个压力脉冲,而随着活塞的继续运动,它受到阻尼;当进气门关闭时,同样产生一个有一定持续时间的压力脉冲。于是产生了周期性的进气噪声。其噪声频率成分主要集中在200 Hz以下的低频范围。与此同时,当气流以高速流经进气门流通截面时,产生湍流脱体,导致高频噪声的产生,由于进气门通流截面是不断变化的,因此湍流噪声具有一定的频率范围,主要集中在1 000 Hz以上的高频范围。进气管空气柱的固有频率与周期性进气噪声的主要频率相一致时,空气柱的共振噪声在进气噪声中也会较为突出。


  对于采用涡轮增压的发动机,由于涡轮增压器的转速一般较高,因此其进气噪声明显高于非涡轮增压的发动机。涡轮增压器的噪声是由于叶片周期性地切割空气产生的旋转噪声和高速气流形成的湍流噪声而形成的,是一种连续性的高频噪声,主要分布在500~10 000 Hz的频率范围。目前我公司大部分采用涡轮增压的发动机。


  进气噪声与发动机的进气方式、进气门结构、缸径、凸轮型线等设计因素有关。对于同一台发动机来说,受转速的影响最大,转速提高一倍可导致进气噪声增加10~l5dB(A)。


    2、排气噪声:


  排气噪声是发动机噪声中最主要的声源,其噪声一般要比发动机整机噪声高出10~15dB(A)。发动机排气属高温(800~l000℃)、高压(3~4个大气压)气体。排气过程一般分为两个阶段,即自由排气阶段和强制排气阶段。发动机废气从排气门高速冲出,沿着排气歧管进入消声器,最后从尾管排入大气,在这一过程中产生了宽频带的排气噪声。


  排气噪声包含了复杂的噪声成分:以单位时间内排气次数为基频的排气噪声、管道内气柱共振噪声、排气歧管处的气流吹气噪声、废气喷注和冲击噪声、汽缸的亥姆霍兹共振噪声、卡门涡流噪声及排气系统内部的湍流噪声等。


  影响发动机排气噪声的主要因素有:汽缸压力、排气门直径、发动机排量及排气门开启特性等。对同一台发动机来说,发动机转速和负荷是影响其排气噪声的最主要因素。


  3、冷却风扇噪声:


  风扇噪声由旋转噪声和湍流噪声构成。旋转噪声是由于风扇的叶片周期性地切割空气,引起空气的压力脉动产生的,以叶片通过频率为基频,并伴有高次谐波。湍流噪声是由于风扇运动导致的周围空气发生湍流脱体,使空气发生扰动,形成气体的压缩与稀疏过程而形成的,是一个宽频带噪声。


  冷却风扇噪声受转速的影响最大,转速提高一倍可导致其声级增加10~15dB(A)。在低速时风扇噪声要比发动机噪声低很多,而在高速时,往往会成为主要的噪声源。目前我公司使用的柴油发动机转速多为1 500转/分钟,属于高转速油机。


  (二)、 表面辐射噪声:


  燃烧噪声和机械噪声很难严格区分,通常将由于气缸内燃烧所形成的压力振动通过缸盖、活塞-连杆-曲轴-机体向外辐射的噪声称之为燃烧噪声。将活塞对缸套的撞击,正时齿轮、配气机构、喷油系统等运动件之间的机械撞击振动而产生的噪声叫作机械噪声。一般直喷式柴油机燃烧噪声要高于机械噪声,而非直喷式柴油机的机械噪声则高于燃烧噪声,但是低速运转时燃烧噪声都高于机械噪声。


     二、 解决噪声的控制措施:


   (一)、空气动力噪声控制:


  1、 进气噪声控制:


  一般发动机均装有空气滤清器,进气噪声即可有较大衰减,成为次要声源。而当其它声源得到进一步控制后,进气噪声有可能成为主要声源,这时需考虑采用性能良好的进气消声器,通常进气消声器要和空气滤清器结合,进行一体化设计,既能满足进气和滤清方面的要求,又可使进气噪声得到有效的控制。


  2、 排气噪声控制:


   控制排气噪声最有效的方法是加装排气消声器,实际情况往往是降噪效果不很理想。分析原因主要是消声器结构设计不甚合理以及加工工艺存在问题,后一个问题可以通过提高工艺水平加以改善;前一个问题则涉及消声器的设计思路。通常消声器设计主要凭经验,一些设计计算程序是在一些理想假设条件下进行的,而在这些假设中实际影响最大的是忽略气流的存在,而且是高压、高温、高速脉动气流的存在。此种状态的气流将会影响消声器内部的声场分布、声速、声的传播规律等,特别是气流速度影响更大。气流影响消声器性能的主要原因是发动机排气的高速脉动气流再生噪声,其次是这种气流会冲击消声器的管路、壳体、隔板等声学元件,进而激发振动辐射噪声。当消声器结构参数选择不当,或结构不合理,或加工工艺存在问题时,都会导致消声器消声性能的下降,同时气流速度过高也会加大消声器的压力损失也会造成消声性能下降。



  (二)、发动机表面辐射噪声的控制:


  发动机表面辐射噪声(燃烧噪声和机械噪声)的控制要受到发动机性能方面的种种限制,从技术角度讲难度很大,且降噪量有限。实践表明,在结构上采取措施可以一定幅度地降低发动机的表面辐射噪声,从而降低整机噪声。控制的基本措施是增加结构刚度和阻尼,使得在同样的激振力作用下减少结构表面响应。与此同时,减少辐射噪声的表面面积,也是控制辐射噪声的有效措施。


    (三)、 综合控制噪声思路的实际应用:


  通常一台500 kW进口机组,机房内的噪声可达105~108 dB(A)。在不经过治理的情况下,机房外环境噪声为70~80 dB(A)或更高,相同功率参数的国产机组噪声则更大些。目前我国在考核环境噪声是否达标时采用《城市区域环境噪声标准》或《工业企业厂界噪声标准》,在标准中对应不同区域有不同的噪声限值。一般在城区多为一类区,限值标准昼间为55 dB(A),夜间为45 dB(A);在郊区多为二类区域,相应的限值标准昼间为60 dB(A),夜间50 dB(A)。从对比数据可以看出,需要的降噪幅度很大,对应的控制技术难度也很大


  在实际工作中,由于我公司所选用的都是配置好的发动机整机,机组本身采取控制措施难度很大,而且不现实。考虑到油机运转过程中一般主要是其噪声污染周围环境,因此,如何有效地控制机房内油机噪声对外辐射是一个非常现实而且必须解决的问题。选择的方案应能作到既要有效地降低环境噪声,又要组织好机房内的空气流动,满足发电机组运行需要的空气流量,以保障机组的正常工作。单纯降低噪音的外泄而牺牲油机房内的空气流量会造成油机表面冷却不均匀,减少油机的发电容量,影响正常使用。经过多年来与环保部门的合作,对油机房进行消噪声处理,积累了一些治理经验,主要是必须根据具体的机房项目来确定相应的控制方案,这其中应考虑机房所在区域的环境标准,机房围护结构形式及油机机型、功率、冷却风量等因素。综合控制的核心是等隔声概念,即用一封闭的围护结构将机组与外界隔离开来,减少声源对外的声辐射。所谓等隔声概念就是整个围护结构的各个部分(如土建结构部分和门、窗等部分)的隔声量应相当。为机房与外界相通而预留的通道(如冷却风扇出口、发动机排气出口、机房通风换气口等)必须设计成消声通道,其插入损失也应与围护结构的隔声量相当,只有这样做才可保证机房外的环境噪声达标。  我们仍以一台500 kW进口机组为例,油机房室内墙面设计为贴吸音板,同时用吸音板吊顶,经过这样的吸声处理后既增加了围护结构的隔声量,又可降低油机房内的混响声,一般可有3~5dB(A)的效果。对于发动机噪声中的高频噪音,因其波长短,采用阻挡的方式即可达到目的。由于发动机噪声中低频成分更为丰富,单纯阻挡不能达到满意效果,因此消声通道应选用阻抗复合结构,借助抗性结构的消声特性来控制低频噪声的传播。经过有效控制的机房噪声都可在保证机组正常运转情况下满足相应的环保标准要求,达到昼间为55 dB(A),夜间45 dB(A)。这一点在我们以前的工作中己得到证实。


  现由于电话局油机房没有统一的标准,在土建施工阶段因土建设计单位对通信电源设备的性能了解得不透彻,造成油机房布局和进、排风口安排不合理,在后期对油机房进行消噪音处理时难度加大和投资量增多。例如我们以前治理过的某个油机房其进风口外为防火通道,不能占用,进风消音器只能安装在油机房内,而油机房内部空间设计又过小,就造成进风消音器距发电机组过近,维护人员操作起来很不方便。为减少上述问题的出现和节约消噪音处理时的投资,通过总结以往的工作经验,建议今后油机房建设最好采用以下方案:尽量减少油机房门和窗户的数量,避免油机噪声的泄漏;尽量加大油机房进风口距油机基础的距离,延长消音距离,最好建设进风小室;在油机排风口外增加扩张室并尽量延长油机房扩张室的排风距离。


  若能采用以上方案可以使油机房布局更规范、更合理,后期消噪音控制更加简便,使施工模式化,便于管理工作,在投资更少的情况下,达到环保要求。


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