300英尺钻井平台生活区域空调通风系统降噪分析及解决方案

张盛鞠

(上海振华重工(集团)股份有限公司， 上海 200125)

0 引 言

全球范围内对石油需求量的与日俱增推动了海洋钻井平台需求量的增加。由于海洋钻井平台在海上工作的时间较长，为平台上的工作人员提供舒适居住环境的需求日益迫切。随着人们安全环保意识的日益提升，平台内部各项基础设施持续得到不同程度的优化。然而，在空调系统的设计和安装方面一直存在一系列问题，尤其是噪声污染问题，现已成为空调通风系统最主要的问题，致使工作人员无法得到安静的居住环境。

为此，对海洋钻井平台空调通风系统进行减振降噪设计和优化十分必要，相应的优化举措已在国内相关船舶和平台上得到应用并获得了良好效果。目前存在的问题是，尚未针对生产设计阶段提出更高要求。

1 平台生活区域空调通风系统噪声分析

空调通风系统中产生的噪声主要是空调通风系统运行过程中风机工作产生的噪声，以及空调通风系统在送风过程中根据风管的结构形式和气流在通过管道内部产生的次生噪声。

1.1 空调通风系统设备噪声分析

下面以某300英尺钻井平台生活区域的空调通风系统为例，对其产生的噪声进行分析。该空调通风系统主要由空调单元(Air Conditioning Unit,AHU)、送风管路、调风门、消声器、送风箱和布风器组成。现阶段空调通风系统的噪声主要是设备在工作运行过程中产生的。由于AHU是一个单元设备，包含离心风机、电机、热水加热器和电极式温度加湿器，因此在其运转时风机会产生噪声，同时设备自身振动也会产生噪声。

1.2 空调通风系统送风管道噪声分析

送风管道是空调通风系统的重要组成部分,其内部产生的噪声往往通过设计优化、增加消声设备和增加管路绝缘来控制。送风管道的噪声主要来源于3个方面。图1为300英尺钻井平台螺旋风管节点图。

图1 300英尺钻井平台螺旋风管节点图

1) 空调系统送风时气流产生的噪声：目前平台采用的管道都是由镀锌钢板制作而成的，当送风管道内有流速大的空气流通过时就会产生噪声。空调通风系统主管路的流速在12～14 m/s，当气流经过管道、弯头、三通、异径接头、调风门和布风器时就会产生噪声,其强度随风速的提高而增加，其声功率级与管道风速的5～6次方成正比，即风速提高1倍，噪声增加15～18 dB(A)。因此,目前海上平台风管系统内推荐风速为6～8 m/s，此时的气流噪声与较大声源相叠加之后可忽略。

2) 管道连接支管的噪声:由于1根空调送风管道要为多个居住舱室和工作舱室送风，1根送风管道上会有多个支管、调风门、异径接头和布风器，需连接很多支管，当将支管连接到主管道上之后，支管就会产生高、低噪声，并将这些噪声传回至主管道，致使整个管道的噪声更加严重。

3) 船体结构与管道的噪声:当空调通风系统管道穿墙船体舱壁时，因管道要焊接在船体舱壁上，送风过程中管道本身有噪声和振动，并通过管壁和船体舱壁将噪声传递到船体结构上。

2 平台生活区域空调通风系统噪声控制及解决方案

当前平台生活区域空调通风系统的减振降噪设计、制作和安装工艺大都在改进，通过改进设计及制作安装工艺可起到减振降噪的作用。

2.1 空调通风系统设备的选用

2.1.1 降低离心风机自身噪声的方法

风机噪声的大小取决于风机的结构形式、流量、全压和转速等因素。风机的总噪声功率的计算公式为

L

=

L

+10lg(

QH

)-20

(1)

式(1)中:

L

为风机的比声功率级，dB;

Q

为风机的风量，m;

H

为风机全压，Pa。

由式(1)可知，降低风机自身噪声的方法是改变风机的风量和压力，但风量与压力是没有比例关系的，因此若要降低风机的噪声，只能改变风机的结构，在选取风机时选取低噪声的离心风机，在相同风量和风压下，机翼型叶片的离心风机噪声小，前向板型叶片的离心风机噪声大。

2.1.2 控制风机直接暴露室外生产的噪声

对于直接暴露在室外工作的大功率风机，在空间允许的条件下增加消声箱体，将箱体做成一个能方便风机检修的风机消声设备，在箱体内用岩棉和消声面做内衬，在有条件的区域增加一个风机室，在风机室内部做一些消声处理，例如增加舱壁岩棉的厚度，在门窗上用隔声门窗等。

2.1.3 风机的振动控制

在设计中可为风机设计减振块，而不是直接与船体基座相连接。首先，在最初设计通风系统时就将噪声设计要求提供给风机制造单位，由制造单位据此完成减振块设计制作。现场安装时增加弹簧垫圈和橡胶垫圈，使风机振动通过减振块传递到船体结构上，从而更有效地降低振动。

2.1.4 风机与送风管道的噪声控制

当送风机与空调送风管道连接时，风机送回口的尺寸要通过一个异径接头变换成设计的送风管道的尺寸。由于送风口的风压很大，若选用钢制风管硬连接，相当于风机吹出来的高压风直接吹在了钢管上，会大大地增加空调通风系统管路的噪声，同时风量在与钢管接触时会有很大的损失，风长时间吹在钢制管路上使平台上的工作人员产生不适感，因此风机与风管管道之间的异径接头采用帆布这样的软连接，以大幅减少风机与空调送风管道的接触，从而降低风机与空调通风系统管路连接产生的噪声。

2.2 空调通风系统内送风管道的噪声控制及解决办法

控制空调系统管道内的噪声的根本措施是控制管道内风的流速,这样的理念应从空调通风系统设计之初开始统筹考虑。

2.2.1 通风系统管道布置降低噪声

管道设计应尽可能地使管道内的风速均匀，生活区域空调通风系统送风主管路会采用螺旋风管，因为螺旋风管本身是圆形，这样做不仅能减少风在管道内流动的损失，而且在送风过程中能避免使用直角弯头，所有的弯头、三通管接头、异径接头和调节风门都是圆弧形的，在对噪声进行控制过程中，生产设计起到了很大的作用。空调通风系统管道根据生产设计图纸安装，在实际生产设计中存在供电系统、生活用水系统、污水系统和暖通系统，如何将这些系统合理地布置到平台上是生产设计所有做的工作，通风管道并不能达到一个理想的状态，在与其他系统交叉时，往往需要一些折弯，但为了控制噪声，并尽量在设计过程中减少弯头的使用，合理地对空调通风系统管路进行布置也是控制管道噪声很好的方式。

2.2.2 通过设计降低噪声

1) 直管道噪声。直管道的气流噪声声功率级的计算公式为

L

=

L

+50lg

v

+10lg

F

(2)

式(2)中：

L

为直管比声功率级，一般取10 dB;

v

为气流速度，m/s；

F

为直管道的断面积，m。

2) 弯管管道噪声。弯管道的气流噪声声功率级的计算公式为

L

′=

L

′+10lg

f

+30lg

d

+50lg

v

′

(3)

式(3)中：

L

′为弯管道比声功率级，dB；

f

为倍频带低限频率，HZ；

d

为风管直径或当量直径，m；

v

′为弯管内流速，m/s。

在设计空调通风系统时，在HVAC(Heating,Ventilation and Air Conditioning)基本设计和详细设计阶段就要充分考虑300英尺钻井平台生活区域有多少房间，哪些房间需配备暖通系统，是居住舱室还是工作舱室，医务室和驾驶室的送风量与居住舱室的送风量都是不一样的，对噪声的要求也不一样。此外，还需考虑整个平台上的居住人数，各房间对风量的需求，以及对噪声有严格要求的舱室。有些舱室对噪声的要求很高，比如医务室，其本身是供生病人员休息和养病的场所，需具有安静舒适的环境，因此在设计过程要考虑到对这些特殊的房间进行降噪，做到在不影响送风效果和各房间使用功效的前提下合理地将AHU的风量分配到几个主管路上。同时，在设计空调通风系统时还要考虑风量的平衡，在每根主管路的起始点都安装调风门，1根主管路要给多个房间送风，在给每个房间送风时，风量都会减少，为保证管道末端有足够的风量，在送风过程中，送风主管道会逐渐变细，这就要求在不同管径之间变化时需有异径接头，对异径接头的选用都有很高的要求，必须是同心异径接头，好处是当管径发生变化时，整个接头非常平滑，对风速的作用是缓慢减弱，且在异径接头处都要增加调风门，作用是有效减少2个不同管径管道的风量，以保证空调送风系统主管道风的流速。用圆形三通将主管道与支管道相连接，每个支管都要装一个调风门，以保证风管内风的流速，这样能减少风直接送到布风器产生的撞击噪声。

此外，在生产设计时根据详细设计图纸的要求进行。降噪对生产设计的要求也很高，因为平台上有电力系统、生活用水系统、污水系统、空调通风系统和通风系统，为保证能将这些系统更好地放在平台上，就要通过生产设计来完成。在与电力系统和水系统交叉时，对空调通风系统管道做一段折弯，以保证管道能走通。为降低噪声，一般不会用90°弯头，更多的是采用30°和45°弯头借高低差，这样能使风速平稳地通过管道。在整个生产设计过程中也将对特殊房间的降噪作为设计的根本，在特殊房间的管路上，会在螺旋风管外包一层消声棉，以保证特殊房间的噪声控制，在AHU的回风口做一个静压箱，箱体外面是钢板，里面是消声棉和玻璃纤维，在加上一层铝箔用钢网压在上面，这样就对回风口达到了降低噪声的功效。在生产设计过程中，会将所有房间连接布风器与支管连接的地方用300～350 mm软管连接，在房间的布风器上用15 mm厚的消声棉把所有布风器包起来，以降低风通过布风器产生的噪声。对空调通风系统管道的吊架进行处理，避免通风管道与吊架直接接触，每个支架单边都会有2 mm的间隙在吊架和风管中用橡胶垫圈隔离开。通过空调通风系统的基本设计、详细设计和生产设计，对管道内的风量和通过管道的流速进行有效控制，合适地布置空调通风系统的管路，减少三通、弯头和异径接头的使用，达到降低噪声的效果。

2.2.3 通过消声设备及材料降低噪声

对于消声设备和材料的选用，在空调通风系统主管路起始段增加消声设备，在空调通风系统送风主管路起始段增加管道消声器。管道声音器的选择也很关键，对于不同的噪声所选用的消声材料不同。风通过管路各个弯头、三通、异径接头和调风门时都会产生噪声，为降低管路内噪声，一般通过改变绝缘厚度，在空调通风系统中采用预绝热螺旋风管来实现。为在送风过程中防止能量在管道内溜走时损失，会在制作预绝热螺旋风管过程中包一层绝缘，这层绝缘常规是单边包12.5 mm厚度的隔热防噪材料。在采购过程中要求制作厂家将材料的厚度由12.5 mm增加到15.0 mm，通过改变消声材料的厚度及材质，更有效地控制管道内噪声。

2.2.4 布风器材料更新换代以降低噪声

在传统的钻井平台空调送风系统设计中，布风器的箱体通常是用镀锌板制成的，因其抗腐蚀性能不佳，使用寿命较短。频繁地对布风器的箱体材料进行更换，无异于重新对安装上去的镀锌板与整体的送风系统进行磨合，这会提升诱发噪声的概率。因此，寻找镀锌板替代材料，使布风器的使用寿命得到延长，也是进行减振降噪的有效措施。研究发现，铝锌板相比镀锌板具有更强的抗腐蚀性能，改用铝锌板制作布风器的箱体，或许能在一定程度上延长布风器的使用寿命。布风器的更换次数减少，空调通风系统诱发噪声的概率就会大大下降。未来，平台空调通风系统设计中或许会使用其他新型能源材料制作平台空调通风系统。这就意味着平台空调通风系统的设计和制作要切合时代的发展潮流与动向，只有如此才能使平台空调通风系统的设计保持先进性。因此，新能源材料的使用也是对船舶空调送风系统进行减振降噪的有效措施之一。

3 结 语

本文通过对某300英尺钻井平台生活区域空调通风系统的噪声进行分析，总结了空调通风系统噪声的主要来源；在海上平台空调通风系统的详细设计和生产设计阶段，结合送风管道的综合布置，详细分析了噪声的来源。通过在空调通风系统详细设计和生产设计阶段对送风管道进行合理布置，并根据每个房间的使用功效对其空调通风系统进行合理设计，探讨了降噪的解决方案。实际应用结果表明，采用新方案后，该300英尺钻井平台生活区域空调通风系统的噪声降低了10%，得到了用户的一致好评。