车载式燃气轮机发电机组降噪的数字设计方法

罗莹莹

［城林科技（上海）有限公司，上海 200120］

0 引言

本文主要论述燃气轮机发电机组降噪的降噪设计。对于燃气轮机发电机组降噪，降噪设计主要分为降噪设计和隔声设计。主要矛盾是降噪量大与机组的体积、重量及流动阻力极限之间的矛盾。由于燃气轮机发电机组中降噪的重量以及体积限制，在其他地方具有良好隔音和消声效果的许多声学元件不能在该机组中使用。因此，选择何种降噪形式是燃气轮机发电机组降噪面临的一个重要技术问题。

近年来，随着燃气轮机发电机组降噪产品标准的不断收紧，国外燃气轮机发电机组降噪的噪声水平有了很大提高。根据《工业企业噪声控制设计规范》（GBJ 87—85），大多公司设计开发的燃气轮机发电机组降噪，根据有关规定，在距箱体1m 处，测到噪声值在85dB（A）以下[1]。

1 降噪设计

本文从隔声和降噪两个方面对燃气轮机机组的降噪设计进行了探讨，完成了燃气轮机机组的整体降噪设计方案。设计时，首先对机组的声谱进行测试分析，确定机组关键降噪部件的降噪和隔声设计指标。这为机组降噪设计提供了有力的技术前提。根据燃气轮机的设计及应用特点，制定切实可行的总体降噪设计方案，确保机组具有体积不大、重量不重、噪声指标低的设计特点。通过对机组安装车间用户环境噪声需求的调查分析，结合工厂实际情况，制定了工厂“二次降噪”设计方案。

在分析阻力和阻力复合消声装置的工作原理和降噪特性的基础上，结合机组的比重、尺寸和流阻要求，在机组的不同位置选择不同型号的消声元件作为单元的消音器元件，利用二维和三维设计理论对每个消声器元件进行检查和设计，并根据不同的消声器要求优化其结构参数。

1.1 机组总体降嗓方案设计

（1）在燃气轮机发电机组的降噪设计中，主要矛盾是消声量大与隔声量大的矛盾以及机组体积、重量和流阻的限制。许多在其他场合具有良好隔声和消声效果的声学元件，由于重量和体积的限制所以对于发电机组的降噪没有作用。燃气轮机发电机组降噪设计是在成熟理论指导下基于试验的应用课题，其理论涉及噪声控制的多个分支。

（2）对于车载集装箱装置，隔音和消声装置通常占装置总重量的一半左右。当机组总重量受到一定限制后，机组的设计人员会根据实际的状况来操作，当然前提是机组的外界条件尺寸和重量被限制时才可以有选择地采用体积小、重量轻的隔声降噪部件结构。燃气涡轮机单元中使用的消声装置通常主要是阻性消声装置。用于环境温度燃气轮机、发电机和发电机组降噪的主要机电辅助设备均设置在封闭的容器体内[2]，既满足了一体化设计的要求，使燃气轮机发电机组降噪可以通过隔音箱把主要的噪声源封闭，又能经过隔音箱将噪音衰减后传出箱外，有利于发电机组降噪噪声的综合治理。

（3）在设计隔声箱时，首先要解决车厢通风形式的问题，由于必须要让车厢内的所有机件常规运行，必须要通风以及冷却这些所有电子元器件，例如燃气轮机还有发电机，这样的设备必须要在合适的温度下顺利的工作。一些小功率的燃气轮机发电机组进行降噪，首先我们要把冷却形式改变，改变成“透舱冷却”。让舱外的排风管和在外面的排风管良好链接，这样可以减少进风口的数量以及出风口的数量。出风口数量的降低决定了消声部件的结构设计，但增加了机组排风机的负荷，同时由于燃气轮机部分的噪声影响，提高了发电机端箱的隔音性能水平，因此在排端设计了整体隔仓式的消声装置。

1.2 燃机机组消声器

燃气轮机机组主要有两种消声装置，分别是进气消声装置和排气消声装置。设计机组的消声装置时主要考虑以下4 个方面：①消声性能。②空气动力性能。③机械性能。④制造成本燃气轮机机组各系统考虑不同因素，采用不同类型的消声装置[3]。下文重点讨论了这两种消声装置的选择。

1.2.1 进气消声装置的选择

进气消声选用了管状消声装置，由于进气消声装置在整个系统的消声装置中占的比重最大，需要消除30dB（A）机组的噪声，此处的消声装置的容积要求不能太大，因此选用了相同容积条件下具有较大消声量的管状消声装置作为进气消声装置的外形尺寸：0.95m（长）×0.662m（宽）×1.868m（高）。位于机组操作仓两侧，进气过滤器后方，有效控制机组进风口噪声[4]。详见表1。

当加载到3%rad(38.19 mm)循环时，在位移较大时，角钢微微被掀起。当加载到4%rad(50.92 mm)循环期间，接近位移极值时，角钢被拉起但角钢和梁翼缘为见明显变形。

表1 进气消音器消音频谱

进气消声系统是一种先进的阻性消声系统。它具有体积不大、重量不重、消声频谱不窄、消声量不小、流动阻力损失不大等特点。这内部结构主要是吹塑成型的多孔塑料管，塑料管外围覆盖有吸音材料，由钢板机构成了外部框架。

1.2.2 排气消声装置的选择

该装置的气流阻力包括排气消音器的百页窗和过滤器。由于排气系统的重量要求和成本要求，我们选择了平行板的消声装置作为排气消声装置。排气消声器的截面尺寸为1578mm、547mm、800mm，消声量不小于10dB（A），流动阻力损失不大于18mmH[5]。

2 燃气发电机组降噪控制系统设计要点

燃气冷热电联供分布式能源系统的核心设备包括燃气发电机组降噪、吸收式冷（热）水发电机组降噪、余热锅炉降噪。辅助设备包括各种泵、阀门、冷却塔、冷却风扇、配电柜等。控制系统决定了这些设备是否可以高效、节能、经济地运行。

燃气冷热电联供分布式能源项目控制系统一般分为4 个功能模块：显示模块、计算控制模块、报警保护模块和数据记录模块。

（1）显示模块：任何单个设备都可以根据预设的工作条件自动运行。同时，所有运行参数均可通过数据专线上传至上位计算机。绘制整个系统中所有设备的轮廓是燃气冷热电分布式能源项目控制系统，通过屏幕直观显示所有设备的运行状态和运行参数。

（2）计算控制模块：主要通过传感器计算系统的运行情况。并根据项目要求设计所需目标状态。将所述系统的运行状态与所述目标状态进行比较，然后发出调节指令。为了保证功能的稳定性和准确性，建议在控制系统中采用双闭环控制。

（3）报警保护模块：主要功能是在系统遇到危险状态时进行报警，在严重状态时自动关闭某些设备或停止整个系统，保护系统免受较大的破坏。系统自动停机的危险情况有：水温高、油压低、超速、敲缸、煤气泄漏等。

（4）数据记录模块：记录系统运行的数据和参数以及历史报警记录。通过记录数据分析系统的支持状态，制定维护和维修计划。

2.1 技术介绍

燃气轮发电机组降噪在发电过程中往往会产生较大的噪声，主要来自机械噪声、磁场噪声和空气噪声。燃气涡轮发电机在进排气时会产生很大的噪音。现有燃气轮发电机组降噪的噪声控制主要采用隔声降噪。隔声处理主要利用机组本体的隔声罩，消声处理主要对进排气机构进行系统的隔声处理，以保证燃气轮机的正常运行。然而，传统的燃气轮发电机噪声控制装置往往过分重视噪声控制，对保证燃气轮发电机主机的性能，如降低燃气轮发电机组的降噪功率等而忽略不计。机壳和通风机构的布置导致内部温度急剧升高，导致燃气轮发电机组降噪异常停止，甚至发生火灾。

这种燃气轮发电机组降噪的降噪装置的特点是具备配置在燃气轮发电机主体的外侧的外壳罩和配置在外壳罩的外侧且与内侧接触的换气机构。外壳盖包括带隔音门和孔的墙板，墙板包括顶墙板和侧壁板；进气机构包括燃油阀组进气机构和气室进气机构；燃气机构包括与燃油阀组舱室连接的燃油阀组舱室进气机构和与燃气发动机舱室连接的发动机舱进气机构和发动机舱排气机构。

2.2 中国首套5MW 级别车载燃气轮机发电机组降噪成功实现现场应用

杰瑞自主研发制造的中国首台5MW 级车载燃气轮机发电机组已成功应用于客户现场降噪[6]。发电机组降噪的应用表明，杰瑞电驱压裂成套解决方案又增添了一件“新武器”，将为低成本、高效率、智能化的井场作业提供稳定可靠的动力支持。

作为能源电力系统的核心，燃气轮机被叫做装备制造业的“王冠上的珍珠”，是装备制造业中最高端的科技产品。燃气轮机发电机组降噪的主要作用是驱动发电机正常发电。他的特点就是启停快、小范围占地面积、高速的效率、较低的污染等优点。

此次成功应用的燃气轮机发电机组采用西门子SGT-A05 改进型燃机作为主电源，这是继2018 年底杰瑞与西门子签署小型燃机交钥匙供应商战略合作协议后，双方在燃机产品上的又一次深度合作。

在标准运行条件下，机组额定输出功率可达5.5MW。根据之前的严格测试，对于突然的负荷变化，机组“一切尽在掌握”。它可以很容易地应付50%的突然负荷增加或满负荷突然放电。其中每一个部件的指标远远的比国家标准更合适[7]。可以说，该单位是油气田“全方位发电小专家”。此外，它还有5 个核心优势。

灵活运输：发电机组降噪整体采用车载形式，方便设备运输。

高效组装：该装置的组装及准备工作仅需3h 即可完成，有效缩短了井场交接时间。

功率密度高：同等功率占地面积约为常规往复式内燃机的1/2，相当于5 台1MW 的常规内燃机[8]。

性能可靠：整机维护频率低，有效帮助用户节省维护成本，全年应用放心。

静音运行：采用隔音舱和进排气降噪处理。距离大于1m 处的噪声低于85dB（A）。与传统的90～100dB 内燃机组相比，它创造了更舒适的工作环境。

自2018 年底以来，杰里的R&D 团队已经开始了燃气轮机发电机组降噪的R&D 和设计工作。两年多来，新产品的实现过程经历了层层严格的测试。产品的出现和油井现场应用的成功。未来，杰瑞将加大在R&D的投资和创新，为油气行业提供更多一站式解决方案，帮助每一位用户创造最大价值，共同为中国的能源勘探和能源消费结构转型提供助力和保障[9]。

3 结语

本文所述的车载燃气轮发电机组降噪是针对移动通信备用应急电源开发的轻型燃气轮发电机组的降噪模式。采用单元化一体化设计；采用良好的降噪措施：配套成熟的先进技术部门，启动、运行、停止均选用国际一流的先进产品。整个过程由计算机自动控制，使机组具有更先进、使用可靠、维修方便、启动快、噪音低、运行自动化程度高、发电质量好等特点。适用于各种环境条件；最重要的是，它的低噪声受到了所有用户的青睐，是整个发电行业非常关注的研究课题。相信随着科技的进步，在不久的将来，降噪的问题会通过更先进的方法来解决。