风机布置对海洋平台噪声的影响研究

， ， ， ，

(海洋石油工程股份有限公司设计公司， 天津 300451)

0 引言

近年来，随着人们对船舶与海洋平台噪声控制的日益重视，国际海事组织(IMO)对船舶与海洋平台噪声限制均作出了严格规定：在船舶噪声控制领域，IMO于2012年12月通过了船舶噪声的新要求(MSC.337条款)[1]，对船舶舱室噪声提出了更为严格的控制指标；在海洋平台噪声控制领域，国际海事组织针对不同平台提出了相应的噪声控制标准，以保障人员的安全。因此，开展船舶与海洋平台结构振动噪声分析，对于保障船舶与海洋工程结构安全性具有重要意义。孟凡名等[2]以实船舱室噪声测试数据为训练样本，将灰色理论与支持向量机相结合，研究了基于灰色支持向量机的大型集装箱船上层建筑舱室的噪声预测方法；刘晓明等[3]介绍了封闭声腔结构区域内流固耦合声学有限元数值分析理论、方法和计算流程, 并将该方法应用于船舶舱室噪声数值预报；杨德庆等[4]针对FPSO高频舱室噪声预报，详细给出了FPSO中高频预报的流程及船舶舱室噪声预报模型的简化方法。

风机、主机作为海洋平台结构的主要噪声源，其布置及设计将会对海洋平台结构的噪声产生较大影响，特别是用于主机房内的进排气风机，由于其噪声水平高、声学防护措施易受周围环境影响，主机房内的进排气风机布置通常会对海洋平台噪声环境产生较大影响。基于此，通过对某海洋平台主机房进排气风机布置对平台噪声的影响进行研究，分析进排气风机布置对平台典型区域噪声的影响规律，从平台噪声最优角度，给出风机的最佳布置方式。

1 统计能量法

统计能量法(SEA)在结构中高频声振环境预报方面具有独特的优势，特别是进入20世纪80年代以后, SEA开始在理论和工程应用上有了新的进展，如非保守耦合、强耦合、激励相关性、试验SEA以及有限元和SEA相结合[5-7]等,大幅提高了SEA计算精度。

统计能量分析的基本原理[8]是将复杂结构划分成若干子系统，当某个或者某些子系统受到激励载荷振动时，子系统间将通过边界进行能量交换；这样对每个子系统都能列出一个能量平衡方程，并最终得到一个高阶线性方程组，求解此方程组可得到各子系统的能量，进而由子系统能量得到各个子系统的振动参数，如位移、速度、加速度等。

对于SEA模型中的某子系统i而言，其在带宽Δω内的平均损耗功率Pid为：

Pid=ωηiEi

(1)

式中：ω为分析带宽δω内的中心频率；ηi结构损耗因子；Ei子系统的模态振动能量。

保守耦合系统中从子系统i传递到子系统j的单向功率流pij可表示为：

pij=ωηijEi

(2)

式中：ηij为从子系统i到子系统j的耦合损耗因子。

(3)

式中：Pi,in为外界对子系统i的输入功率；Pij为子系统i流向子系统j的功率。

(4)

当系统进行稳态强迫振动时，第i个子系统输入功率除消耗在该子系统阻尼上外，应全部传输到相邻子系统上去，因此，式(4)中的最后一项表示为：

(5)

式(5)表示为矩阵形式：

或

ω[L]{E}={Pin}

(6)

式中：{E}T={E1,E2,…,EN}为能量转置矩阵；{Pin}T={P1,in,P2,in,…,PN,in}为输入功率矩阵；[L]为系统损耗因子矩阵。

求解式(6)可得到每个子系统的振动能量，再根据子系统的振动能量分析就可以得到该子系统结构的振动均方速度，其表达式为：

(7)

式中：Ei为子系统结构的模态振动能量；Mi为子系统质量。

子系统的振动速度级为

(8)

式中：v0=1×10-9m/s。

对于声场子系统，其声压均方值为

(9)

声压级为

(10)

式中：P0=2×10-5N/m2，为水介质中的参考声压。

2 海洋平台噪声预报模型的建立

2.1 海洋平台结构模型简介

图1 海洋平台上层甲板结构布置示意图

图1为某海洋平台的上层甲板结构布置示意图，其布置了两个主机房，主机房紧挨作业区、公共区及生活区布置，主机房内布置原油主机、空压机、发电机组辅助系统等高噪声源设备，主机房顶部对称设有进气风机及排气风机。主机房布置设计时，主要考虑了进气风机主机房内布置及进气风机主机房外布置两种方案对于主机房内、海洋平台生活区、海洋平台公共区噪声的影响等有关平台设计安全性分析。

2.2 平台噪声SEA预报模型的建立

选取主机房、主机房周围公共区及生活区为研究对象，建立海洋平台噪声预报的SEA模型(如图2所示)。海洋平台甲板、主机房、生活区结构由板壳子系统离散，主机房生活区内部舱室及公共区空气由声腔子系统离散；为保障平台噪声分析的有效性，模型对各子系统的尺寸进行控制，使各子系统在分析频带的模态数均≥4；平台SEA预报模型子系统共计1 165个。

图2 海洋平台上层甲板结构噪声预报SEA模型

2.3 载荷及工况设置

考虑到主机房噪声源除进排气风机外，还包含原油主机、滑油分油机、滑油泵和空压机等多种振动噪声源设备，为准确评价风机布置对平台噪声的影响，除考虑风机的振动载荷及空气噪声载荷外，还应考虑原油主机、滑油分油机、滑油泵和空压机等振动及空气噪声载荷的影响，平台结构典型激励载荷如图3所示。

图3 海洋平台上层甲板结构激励载荷

考虑到本次分析涉及进气风机主机房内布置与主机房外布置两种方式，为此，计算中通过保持原油主机、滑油分机、漏油泵、空压机等设备振动及空气噪声激励载荷不变，而将进气风机振动及空气噪声激励载荷施加于进气风管主机房内外处，开展了进气风机主机房内外布置时的噪声分析，模拟计算工况详见表1。

表1 模拟计算工况表

3 风机布置对平台噪声的影响

3.1 进气风机主机房外布置时平台的噪声特性分析

图4表示进气风机主机房外布置时平台噪声分布情况。从图4这几幅图中可以看出，主机房噪声最大，进气风管及排气风管处噪声次之，平台生活区噪声最小；主机房周围公共区噪声也相对较大，距离主机房较远的公共区域噪声相对较小。同时，距离甲板及主机房越近，平台噪声越高，距离甲板越远，其噪声水平越低。造成上述现象的主要原因是平台噪声源主要集中于主机房区域所致，由于原油主机等高振动及噪声源设备布置于主机房内部，进气风机虽布置于主机房外，但其空气噪声激励载荷相对原油供油机等载荷相对较小，从而使得主机房噪声显著增大，主机房周围噪声次之，生活区最小。

图4 进气风机主机房外布置时平台噪声分布

3.2 进气风机主机房内布置时的平台噪声特性分析

图5表示进气风机主机房内布置时平台噪声分布情况。从图5可以看出：相比于进气风机在主机房外布置，当进气风机在主机房内布置时，主机房噪声分布规律与风机主机房外布置时变化不大，其噪声分布规律为主机房噪声最大，进气风管机排气风管处噪声次之，平台生活区噪声最小，主机房周围公共区噪声也相对较大。然而，公共区及生活区噪声分布规律与风机主机房外布置时显著增大，正对主机房生活区噪声较远离主机房生活区噪声也显著偏大。

图5 进气风机主机房内布置时平台噪声分布

图6表示为进气风机布置在主机房内外时海洋平台典型区域噪声对比情况。将风机布置主机房内外时平台典型区域噪声分布进行对比后发现：风机布置对平台典型区域的噪声影响各不相同。对于主机房而言，风机主机房内布置将使主机房的噪声变化不大，且其影响主要集中于中低频段；对于公共区及生活区而言，风机主机房内布置时可降低平台公共区及生活区的噪声水平，其影响主要集中在中高频段。造成上述现象的主要原因是，进气风机主机房内布置时，主机房内原油主机是平台公共区及生活区的主要噪声源，进气风机对公共区及平台生活区的影响相对较小；而当进气风机主机房外布置时，由于主机房舱壁的隔声效果，使得原油主机等噪声源对公共区及生活区噪声的影响较小，进气风机则成为平台噪声的最主要噪声源，因此进气风机主机房内外布置对公共区及生活区的影响相对较小。

图6 进气风机布置在主机房内外时海洋平台典型区域噪声对比

表2给出了进气风机主机房内外布置时平台典型区域噪声分布及进气风机主机房内布置的降噪效果，可以看出，主机房内布置时主机房噪声变化不大，平台公共区及生活的降噪效果却十分显著，进气风机主机房内布置时，会使主机房噪声提供约0.6 dBA，但却可使公共区噪声下降约7.9 dBA，使平台生活区噪声下降约4.2 dBA～6.3 dBA。因此，从降低平台噪声、保护人员安全性角度而言，宜将进气风机布置于主机房内。

不论进气风机主机房内布置还是主机房外布置，主机房的噪声水平均在120 dBA左右，主机房周围公共区噪声也在77 dBA～85 dBA之间，生活区噪声在51.9 dBA～70.3 dBA，其绝对量值均较大。因此，从人员安全角度考虑，除需将进气风机主机房内布置外，还需对主机房采取必要的声学防护、个体声学防护手段及严格的管理手段等措施。

表2 进气风机主机房内外布置平台典型区域噪声及降噪效果

4 结论

基于统计能量法(SEA)开展了风机布置对海洋平台噪声的影响研究，分析了进气风机布置于主机房内外时海洋平台典型区域的噪声分布。在此基础上，以平台噪声最优为目标，开展了风机布置的优化设计，给出了风机的优化布置。通过上述分析可以得到如下主要结论：

(1) 进气风机主机房内外布置时平台噪声分布规律大致相同，主机房噪声最大，主机房周围公共区噪声也相对较大，平台生活区噪声最小，距离主机房越近，平台噪声越高，距离主机房越远，其噪声水平越低。

(2) 风机内外布置主机房的噪声影响较小，而对于公共区及生活区的影响较大。进气风机主机房内布置时，会使主机房噪声提供约0.6 dB，但却可使公共区噪声下降约7.9 dB，使平台生活区噪声下降约4.2 dB～6.3 dB。因此，从降低平台噪声、保护人员安全性角度而言，宜将进气风机布置于主机房内。

(3) 不论进气风机主机房内布置还是主机房外布置，主机房噪声水平均在120 dBA左右，主机房周围公共区噪声也在77 dBA～85 dBA之间，生活区噪声在51.9 dBA～70.3 dBA，其绝对量值均较大。因此，从人员安全角度而言，除需将进气风机主机房内布置外，还需对主机房采取必要的声学防护、个体声学防护手段及严格的管理手段等措施。

[1] International Maritime Organisation. Adoption of the Code on Noise Levels on Board Ships Resolution MSC[S].337(91) ,adopted on 30 November 2012:20-84.

[2] 孟凡名，姚熊亮等. 基于灰色支持向量机的大型集装箱船上层建筑舱室的噪声预测[J]. 中国舰船研究. 2008,3(3)：30-33.

[3] 刘晓明,王晓宇,陈慈慧. 流固耦合船舶舱室中低频噪声数值分析[J]. 船舶力学. 2008,12(5):812-818.

[4] 杨德庆, 戴浪涛. 浮式生产储油船振动噪声混合数值预报[J]. 海洋工程. 2006, 24(1):1-8.

[5] FAHY F J. Statistical energy analysis: a critical overview [M]. Philosophical Transactions of the Royal Society. 1994:17-43.

[6] LAIM L, SOON A. Prediction of transientvibration envelopes using statistical energy analysis techniques [J]. Ournal of Vibration and Acoustics. 1990,112: 127-137.

[7] NEFSKE D J, SUNG S H. Power flow FEA of dynamicsystems: basic theory and application to beams [J]. Journal of Vibration, Acoustics, Stress and Reliability in Design. 1989 (3): 94-100.

[8] 姚德源, 王其政. 统计能量分析原理及其应用[M]. 北京:北京理工大学出版社. 1995:72-165.