浅谈井场柴油机噪声污染控制

杨新顺蒋根华余利军郝丽军崔　凯郑盈俊

（1.南阳二机石油装备（集团）有限公司；2.中国石油技术开发公司）

浅谈井场柴油机噪声污染控制

杨新顺1蒋根华2余利军1郝丽军2崔凯2郑盈俊1

（1.南阳二机石油装备（集团）有限公司；2.中国石油技术开发公司）

对野外石油钻井用柴油机噪声特点进行研究，对柴油机排气噪声、机械噪声、风扇噪声等采取消声、吸声、隔声、减振等综合防治措施达到降噪的目的。同时，对隔声降噪房采取温度控制措施，有效避免恶性事故的发生。通过柴油机的噪声治理，可有效降低井场噪声污染，达到GB/T 50087—2013《工业企业噪声控制设计规范》中不超过85 dB（A）的排放要求。

柴油机；噪声；隔声；吸声；降噪

0　引 言

石油钻井作业产生噪声污染和危害。井场噪声远远超出了排放标准和环境容许水平，影响环境和职工的身心健康。以澳大利亚等国家的石油钻机为例：只有符合职业噪声接触极限8h噪声极限值为85 dB（A）的产品才允许进口。我国在职业噪声危害方面也颁布了GBZ 2.2—2007《工作场所有害因素职业接触限值物理因素》法规。

钻井作业的噪声源设备很多，对这些设备的噪声测量分析表明，占突出地位的是作为钻井动力的柴油机，其噪声高达110 dB（A）以上［1］，场界噪声80 dB（A）以上。其声级比其它噪声源设备高20 dB（A）以上。通过柴油机噪声综合治理，有效降低了井场噪声污染，达到工业企业噪声≤85 dB（A）的要求，有利于环境保护和职工身心健康。本文以CAT C15柴油机为例进行噪声污染控制研究。

1　柴油机降噪要求

柴油机属多发声源的复杂机器，随着机组结构形式和尺寸、运转工况的不同，各个发声源对总噪声的影响也不同。一般情况下，机组各类噪声按噪声级大小排列为：排气噪声、燃烧噪声或机械噪声、风扇噪声、进气噪声。

根据降噪要求，保证距离降噪房l m外的声压级在85 dB（A）以下。同时为了保证柴油机正常工作，必须在允许的温度范围内工作（≤55℃）。

2　解决方案

首先根据噪声源特性以及降噪量要求。采取有关技术措施，将各声源的噪声级尽量降低到大致相同水平，其中容易降低的噪声源可以多降一些［2］。另外，降噪还要结合其它技术要求综合考虑，如对柴油机输出功率的影响、降噪成本等诸多因素。下面按照噪声源大小进行噪声污染控制工程设计。

2.1排气噪声控制

降低柴油机排气噪声，首要的问题是设计合理的消声器，达到排出废气消声、净化目的。消声器是控制排气噪声切实有效的措施。

2.1.1消声器选型

由于消声器排出的废气是高温、高速，且排气噪声以中低频最为突出。因此，发动机排气消声器采用中低频消声效果好的抗性消声器。并且通过使用穿孔板、内插管、回流和穿孔管等多种组合消声结构改善高频消声效果。

2.1.2排气消声器设计

本方案拟选用组合型消声器，采用两腔设计，见图1。

消声器外观尺寸为Φ0.5×0.6 m，采用直径Φ5 mm的穿孔管，同时配合内插管，为了增加低频吸音性能，采用直径1 mm，穿孔率为5%的微穿孔板进行吸声处理。

①消声器扩张比M。消声量与扩张比M成正比。增大扩张比M有两种途径：一是缩小消声器入口或出口管的直径，二是增大消声器外壳的直径。缩小入口或出口管直径容易造成排气背压增高，功率损失增加，也会使排气流速增加，激发排气噪声，影响消声器的实际消声效果。同时，消声器的外形尺寸也不能过大。一般消声器的M值为9～16［3］。本方案设计的消声器扩张比M=14，比较合理。

图1　消声器结构示意

②消声器容积比的确定。消声器容积比Vr，即消声器容积V与气缸工作容积Vh之比，一般取值为5～10倍。

国内外的研究表明，消声器消声室的容积对消声效果影响很大，条件允许的情况下，尽量取大的容积比，有助于降低下限失效频率，增加消声效果。通常可根据下述经验公式计算：

式中：n为发动机转速，r/m，此处为2 000 r/m；τ为冲程数，此处τ=2；Z 为气缸数，此处Z=6；Q 为系数，一般取3～6。

本设计消声器的容积比为10，对应的Q=17。容积比较大，消声效果好。

③消声器纵横比。消声器的纵横比L/D取值为1.5～5。L/D越小，说明消声器越短粗，膨胀比越大，最大消声量也大，高频消声效果好，低频消声效果差；反之，消声器的L/D 越大，说明消声器越细长，高频消声效果差，低频消声效果好。本消声器的纵横比为1.2，可见，纵横比较小，比较合理。

综上所述，该消声器参数选择较合理，满足要求。

2.2柴油机机械噪声、风扇噪声的控制

2.2.1柴油机隔振处理

柴油机工作时，除排气噪声外，另一个是由机械振动产生的噪声，其振动噪声会通过周围接触的介质进行传递。故柴油机需进行隔振处理。

①在柴油机与底座之间加装减振器，可大大减少柴油机振动噪声传递到底座。

②柴油机与消声器之间采用柔性连接，可大大减少柴油机振动噪声传递到消声器。

2.2.2噪声控制方案

根据井场柴油机使用情况，降低柴油机机械噪声、风扇噪声的方法措施并不统一。目前较常见的设计方案有四种［4］：①隔声屏方法。即在井场四周围一圈隔声屏障。②每台柴油机独立设一个隔声罩（以下均称隔声降噪房）。③对多台柴油机设置整体隔声罩。④对整个机房（包括泥浆泵）设一个大隔声罩。

方案①、③、④在取得隔声效果的同时，拆装和搬家工作量太大。浅井1个月完工，中深井2～3个月完工，井场搬家的频繁程度不允许增加太多运输和拆卸工作量，否则影响进度。

噪声测量结果表明，井场其它设备均比柴油机噪声低10 dB（A）以上，其声级功率则要低15 d B（A）以上，故只对柴油机隔声降噪就可以取得较明显的降噪效果，这是切实可行的方案。

2.2.2.1隔声降噪设计

针对柴油机的机械噪声、风扇噪声等噪声控制，采用隔声降噪房进行吸声、隔声处理。房内采用微穿孔板与隔板组合使用达到吸声、隔声效果，其原理如下：

①吸声。微穿孔板与壁面间的空气层相当于一个“弹簧”，它阻止声压的变化。由于空气在穿孔附近来回振动存在摩擦阻尼，因此可以消耗声能。

②隔声。隔声量遵循质量定律原则，隔声材料的单位面密度越大，隔声量就越大，面密度与隔声量成正比关系。

由于柴油机工作时要散发大量热量，房内的温度比较高，在吸声材料的选择具有阻燃、耐热、吸声效果好、可塑性强的离心玻璃棉。

在降噪房内四周墙面及顶部结构采用微穿孔板、玻璃布、离心玻璃棉、瓦楞板组成的吸声隔声复合结构，其结构如图2所示。采用这种填充吸声材料的微穿孔吸声结构能达到更好宽频吸声性能，填充吸声材料前后吸声特性变化，如图3所示。

图2　墙体及顶棚结构

图3　填充吸声材料前后吸声特性变化

①护面材料采用表面喷塑的铝合金微穿孔板，板厚0.8 mm；孔径Φ=1 mm；孔距B=4 mm，穿孔率4.9%，结构吸声系数α=0.7。

②微穿孔板后加5 mm厚的玻璃纤维布，目的是进一步增加声阻，达到更好的吸声效果。

③内部填充吸声材料采用离心玻璃棉，厚50 mm，密度32 kg/m3，导热系数0.03W/（m2·K），最高使用温度450～550℃。其吸声系数见表1。

表1　离心玻璃棉吸声系数

④本方案外护板为2 mm厚的碳钢瓦楞板作为护面层，钢板能反射声波，其透射系数小，隔声作用好，在125～2 000 Hz频率范围内，其隔声量为10～31 dB（A）（指理想密封状态）。其隔声量如表2所示。

表2　钢板隔声量

选用Q235钢板作为吸声板块边框和面板，其隔声性能参数如下：

经吸声处理后，该隔声降噪房吸声系数为α2= 0.5，而处理前的平均吸声系数为α1=0.03。

2.2.2.2隔声降噪房通风设计

柴油机工作散发大量热量，为保证设备正常运作，隔声降噪房需进行必要的通风散热设计，散热风量按下式估算［5］：

式中：C为空气比热（一般取1.047 kJ/kg℃）；Y为空气密度（取1.01 kg/m3）；ΔT为进气和排气的温差，取20℃；G为燃油耗油量0.226 kg/（k W·h）；N为C15额定功率400 k W；K为常数，一般取0.25；漏损系数，取1.1。

钻孔轨迹安全评价是评价钻孔轨迹弯曲对钻探钻井正常施工的影响程度，应分为二个层次：弯曲段(局部)轨迹安全评价、全孔轨迹安全评价。弯曲段轨迹安全评价可采用最大允许狗腿严重度。弯曲狗腿严重度为钻孔轨迹轴线两个测点之间，其顶角与方位角的空间变化值与两测点长度的比值，表示钻孔弯曲程度或变化快慢程度，即钻孔轨迹曲率(°/30 m或°/100英尺)：

经过计算得出柴油机的散热用风量为12.6 m3/s，因此强制冷却风量为13.9 m3/s。

为保证柴油机的正常工作，隔声降噪房需具备散热通风能力。在隔声降噪房两端增加通风、吸声百叶窗，单个结构示意如图4所示。

图4　吸声通风百叶窗结构

该百叶窗外廓面积为2×2.4 m2，进风面积按50%计算，则有效进风面积为S=2.4 m2。则风速= V/S=13.9/2.4=5.8（m/s）；计算风速相当于4级风。根据经验要求，最强风速不应超过8 m/s。而本结构风速为5.8 m/s，满足散热要求。

2.2.2.3隔声门设计

隔声降噪房的隔声门采用与墙体相同的隔声降噪结构：采用微穿孔内护板，中间夹层吸声材料采用优质离心玻璃棉，外侧采用2 mm厚的瓦楞板作为外墙，处理后其平均吸声系数大于0.8，门和门框间用棉毡联接，并采用隔声条进行密封，以保证隔声效果。

2.2.3隔声降噪量

隔声降噪房的实际隔声量，与隔声间内壁材料的吸声系数和衬面材料的隔声量有关，可按下式计算［6］：

式中：TL为各倍频插入损失，dB（A）；TL0为隔声材料的固有隔声量，dB（A）；a为平均隔声量，d B（A）。

隔声房外面板采用2 mm钢板，各频段平均隔声量≥21 d B（A）。

通过采取吸声、隔声结构，以及更换为隔声门等多种措施后，可将室内平均吸声系数提高到0.5，则TL=33.2 dB（A）。

理论可达到33.2 dB（A）的降噪值。

经过隔声降噪处理后，在柴油机隔声房1 m外测量，平均声压级为81 dB（A），最高声压级不超过84 d B（A）。

3　隔声降噪房内温度的控制

柴油机工作时会产生大量的热，若不能有效散热，高温可能会造成机组故障，甚至导致喷油、火灾等危险事故发生。为了保证柴油机在降噪房内长时间正常工作，必须使柴油机工作在允许的温度范围内（≤55℃）。

为了保证柴油机正常运行，在排气歧管及涡轮、排气管等部分使用玻璃纤维绳缠绕的措施减少热表面辐射，减少房内的温升。

为避免可能产生的危险，在降噪房内顶部安装温度传感器（两处以上）对温度进行监控。当散热不好引起降噪房内温度过高，使某个测试点达到55℃时或设定的温度值，传感器便有信号输出，通过外部声光报警装置进行报警。工作人员可及时检查机组，避免恶性事故发生。

4　结束语

柴油机经过以上隔声降噪处理，满足GB/T 50087—2013《工业企业噪声控制设计规范》中关于生产场所噪声应≤85 dB（A）［6］的要求；并通过百叶窗设计保障柴油机安全运行。在隔声降噪的同时保障柴油机运行安全，有效提升了设备的环境适应能力。

［1］ 梁杰，陆晓军，孙巍，等.S493Q柴油机噪声源识别与噪声控制［J］.吉林业大学自然科学学报，2001，31（3）：57-60.

［2］ 马大猷.噪声与振动控制工程手册［M］.北京：机械工业出版，2002.

［3］ 王伟.柴油机排气消声器的设计与研究［D］.济南：山东大学2004.

［4］ 种法国.油气田钻井地面动力设备噪声污染控制研究［J］.石油工程建设，2010，36（3）：142-145.

［5］ 张杰.简述发动机冷却系统设计及散热量的计算［J］.装备制造技术，2004（2）：21-24.

［6］ GB/T 50087—2013工业企业噪声控制设计规范［S］.

（编辑 王蕊）

10.3969/j.issn.1005-3158.2015.06.014

1005-3158（2015）06-0050-03

2015-03-16）

杨新顺，2007年毕业于东北大学机械设计及理论专业，硕士，现在南阳二机石油装备（集团）有限公司从事石油机械设计及新产品研发工作。通信地址：河南省南阳市中州西路869号，473006