張 鵬 熊 軍 張聰鑫 鄒海山

(1.中國石油西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術監(jiān)督研究院；2.四川天宇石油環(huán)保安全技術咨詢服務有限公司； 3.南京大學)

0 引 言

高產(chǎn)采氣井具有氣量大、溫度高、壓差大、能量高等特點，在天然氣開采過程中可產(chǎn)生強烈的噪聲，主要可分為氣流噪聲、機械噪聲和電磁噪聲等，其中氣流噪聲在85～90 dB(A)，較機械噪聲和電磁噪聲高10～30 dB(A)，是工藝場站的主要噪聲源[1]。場站內井口節(jié)流閥、分離器等設備兩端壓差較高，由此產(chǎn)生的氣流噪聲[2]顯著。此外，大小頭結構(異徑管)、彎管等產(chǎn)生的湍流及渦流作用[3]，也是產(chǎn)生氣流噪聲的重要因素。在保證采氣場站穩(wěn)產(chǎn)開發(fā)的同時，減小噪聲污染是當前高產(chǎn)采氣場站亟需解決的重要問題。

1 高產(chǎn)采氣場站聲源調查情況

采氣場站運行過程中，一般將日產(chǎn)氣量大于50萬m3的采氣井稱為高產(chǎn)采氣井。其一般工藝流程為：原料氣采出后，在井口區(qū)域進行兩級節(jié)流，節(jié)流后原料氣進入場站內分離計量撬進行分離計量。其中氣相經(jīng)過氣相管線上配套的計量儀表實現(xiàn)精確計量，液相則通過計次排放的方式進行產(chǎn)液量計量。分離出的液相再次進入原料氣管線，經(jīng)采氣管線氣液混輸至下游集氣站進行分離[4]。

通過對四川境內多處高產(chǎn)采氣井的一級節(jié)流閥、二級節(jié)流閥、二級節(jié)流后測溫測壓套、分離器等聲源進行實地監(jiān)測后，可明確高產(chǎn)采氣場站內各聲源的聲壓級主要集中在70～90 dB(A)。根據(jù)GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》，位于農(nóng)村、郊區(qū)環(huán)境的采氣場站應執(zhí)行2類標準，即晝間60 dB(A)，夜間50 dB(A)。若上述聲源離場站廠界距離較近，導致噪聲隨距離衰減的效果不顯著，則極可能導致廠界噪聲超標。

2 流體力學數(shù)值仿真

為研究場站內各工藝設備聲源的降噪方法及效果，本文利用流體力學軟件對川中地區(qū)某高產(chǎn)采氣場站的主要噪聲源進行仿真模擬，分別針對彎管道角度、彎管道曲率半徑、Z型管耦合、大小頭結構和分離器等多種模型進行工藝降噪研究。

該采氣場站主要運行參數(shù)如下。

2.1 工藝流程及產(chǎn)噪設備

原料氣經(jīng)井口節(jié)流后，進入站內分離器進行氣液分離，并經(jīng)采氣管線氣液混輸至下游集氣站。主要產(chǎn)噪設備包括井口一級節(jié)流閥、二級節(jié)流閥、地面管匯和分離器等。

2.2 基本運行參數(shù)

產(chǎn)氣規(guī)模為1.0×106m3/d，二級節(jié)流后壓力為7.0 MPa，分離器規(guī)格為8 200 mm×5 400 mm×3 574 mm。

2.3 原料氣組分

原料氣以甲烷為主，原料氣組分及各組分摩爾質量見表1。

表1 原料氣組分及各組分摩爾質量

3 工藝優(yōu)化及降噪效果分析

3.1 彎管道結構優(yōu)化

采氣場站內，井口到分離計量撬一般設置有曲率半徑R=1.5D(管徑)的彎頭9～10個。彎管處流場復雜，氣流快速通過時會在管壁附近形成分離區(qū)、二次流，可造成流體總壓和能量損失、振蕩或脈動，從而產(chǎn)生流動和結構噪聲[5]。彎頭的角度、耦合以及曲率半徑等對于彎頭處的聲壓級大小均有影響。

3.1.1 彎管角度優(yōu)化

以單個彎管為研究對象，在彎管周圍1 m處分別設置8個監(jiān)控點，見圖1，對比分析彎管角度為90°和135°時彎管聲壓級的變化。該仿真模型中，彎管入口管長L1=5 m，出口管長L2=5 m，管徑D=150 mm，出口壓力P=7 MPa，管道流量V=1.0×106Nm3/d。

圖1 90°和135°彎管建模及評價點設置示意

通過仿真模擬，不同角度彎管內氣流速度云圖見圖2，評價點1和4處聲壓級線譜見圖3，各評價點聲壓級見表2。

從表2可知，彎管角度由90°變?yōu)?35°后，各評價點聲壓級減少20.2～26.9 dB(A)，平均下降23.6 dB(A)，降噪效果顯著。

圖2 t=0.6 s時不同角度彎管內氣流速度云圖

圖3 不同角度彎管在評價點1和4處頻譜

彎管角度評價點聲壓級/dB(A)12345678平均聲壓級/dB(A)90°83.690.486.892.783.690.486.892.788.4135°63.465.864.165.863.465.864.165.864.8

3.1.2 Z型彎管彎頭間距優(yōu)化

場站內多個彎管的存在可形成Z型管，Z型管中兩彎管之間的距離變化可能導致彎管間的耦合或解耦。通過增大Z型管彎頭之間的距離，分析彎頭之間的耦合程度及耦合效果，模型示意見圖4。兩個彎頭間距分別設置為3.6，5，10 m。

圖4 Z型管建模及評價點設置示意

通過仿真模擬，Z型管結構下不同彎頭間距時彎管內氣流速度云圖見圖5，評價點1和4處聲壓級線譜見圖6，各評價點聲壓級見表3。

圖5 t=0.6 s時90°Z型彎管內氣流速度云圖

圖6 不同彎管間距90°Z型彎管在評價點1和4處頻譜

從表3可知，Z型管間距越近，耦合程度越大，聲壓級越高，反之越低。當兩彎頭間距由3.6 m增加至10 m時，平均聲壓級下降2.9 dB(A)，對聲源降噪有一定效果，但不明顯。

3.1.3 彎管曲率半徑優(yōu)化

在采氣場站中，曲率半徑R=1.5D的彎管最為常見。氣流在彎頭處沖擊管壁，造成工藝管道強烈振動，從而產(chǎn)生高強度的高頻振動噪聲。噪聲主要發(fā)生在彎頭內側，這也是壓強最大、流速最小處，容易產(chǎn)生渦流、空穴等現(xiàn)象[6]。為探討曲率半徑對彎管噪聲的影響，分析了曲率半徑為1.5D和5D彎管噪聲的產(chǎn)生情況，模型示意見圖7。

圖7 不同曲率半徑彎管建模及評價點設置示意

通過仿真模擬，不同曲率半徑彎管內氣流速度云圖見圖8，評價點1和4處聲壓級線譜見圖9，各評價點聲壓級見表4。

圖8 t=0.6 s時不同曲率半徑彎管內氣流速度云圖

從表4可知，當彎管曲率半徑由1.5D增大到5D時，各評價點聲壓級下降26.7～33.1 dB(A)，彎管處平均聲壓級下降30.4 dB(A)，降噪效果較好。

圖9 不同曲率半徑彎管在評價點1和4處頻譜

90°彎管曲率半徑評價點聲壓級/dB(A)12345678平均聲壓級/dB(A)1.5 D83.690.486.892.783.690.486.892.788.45 D56.759.456.459.656.959.456.459.658.0

3.2 大小頭(異徑管)結構優(yōu)化

大小頭結構(即異徑管)在采氣場站內普遍存在，用于兩種不同管徑的管道之間的連接。氣流通過大小頭時流道發(fā)生突變，導致管道內部的流體出現(xiàn)亂流、氣切、渦流、軸線方向速度分布不均勻等現(xiàn)象，并產(chǎn)生不穩(wěn)定的氣流噪聲。通過改變大小頭端面間距進行數(shù)值仿真，各評價點距離大小頭管壁均為1 m，模型示意見圖10，L1=40 mm，L2=100 mm，D1=114 mm，D2=200 mm，P=7 MPa，Qm=1.0×106Nm3/d。

圖10 大小頭模型及評價點設置示意

通過仿真模擬，分別設置大小頭端面間距為0.15，0.3，0.6 m，大小頭兩個端面保持不變。不同大小頭間距下彎管內氣流速度云圖見圖11，評價點1和3處聲壓級線譜見圖12，各評價點聲壓級見表5。

從表5可知，大小頭端面間距從0.15 m增加到0.6 m，評價點1和3聲壓級逐步降低，評價點2先升高后降低，平均聲壓級下降14.4 dB(A)，降噪效果較好。

圖11 t=0.6 s時不同大小頭間距下彎管內氣流速度云圖

圖12 不同大小頭間距下評價點1和3處1/3倍頻程

大小頭端面間距/m評價點聲壓級/dB(A)123平均聲壓級/dB(A)0.1589.171.989.483.50.374.174.388.779.00.669.269.168.969.1

3.3 分離器結構優(yōu)化

分離器是原料氣氣液分離的重要裝置，普遍分布于各采氣場站。氣流從管道進入分離器腔體時，流速突然降低，在入口產(chǎn)生噴氣噪聲，并在分離器腔體進行放大、共鳴。而分離器腔體體積大，噪聲頻率較低，隨距離衰減慢，傳播距離遠，治理較難。通過改變分離器進、出口管徑大小，分析噪聲聲壓級的變化。分離器模型及24個噪聲評價點設置見圖13。

圖13 分離器模型及評價點設置示意

3.3.1 入口直徑200 mm，出口直徑變化

維持入口直徑D1=200 mm不變，出口直徑D2變化時各評價點聲壓級變化情況如表6所示。出口直徑增加可使分離器平均聲壓級降低，具有降噪效果，但是分離器周圍單個評價點噪聲可能升高也可能降低。

表6 出口管徑變化時各評價點聲壓級變化情況dB(A)

評價點直徑D2/mm200300400評價點直徑D2/mm200300400196.471.688.31482.170.266.1298.588.783.2151016887.53101.993.266.81696.568.764.74101.878.789.21778.791.383.45101.971.685.41896.289.382.169092.773.31994.88961.878372.181.62078.266.461.5899.875.681.22196.564.984.7999.771.581227691.358.71085.773.569.42397.290.793.11110070.484.92498.163.157.51283.794.167.6均值97.487.684.51395.189.488.4

3.3.2 出口直徑200 mm，入口直徑變化

維持出口直徑D2=200 mm不變，入口直徑D1變化時各評價點聲壓級變化情況如表7所示。入口直徑增加可使分離器平均噪聲稍有增加，但是分離器周圍單個評價點噪聲可能升高也可能降低，增大入口直徑并不利于噪聲值降低。

表7 入口管徑變化時各評價點聲壓級變化情況dB(A)

評價點直徑D1/mm200300400評價點直徑D1/mm200300400196.498.986.51482.183.386.8298.599.7105.415101104.382.33101.9100.3100.61696.5104.1107.64101.892.2106.51778.779.681.65101.984.3103.71896.2103.5109.369091.7107.41994.8108.18178384.485.52078.279.9107.1899.889.593.52196.5103.980.4999.783.885.12276107.5105.31085.7102.3912397.29979.11110082.8110.72498.175.678.71283.7107.688.7均值97.4101.5103.41395.181.698.4

4 結論及建議

4.1 結 論

天然氣采氣場站內井口節(jié)流閥、大小頭結構、分離器產(chǎn)生的氣流噪聲是導致場站廠界噪聲超標的主要原因。在優(yōu)化站內平面布局的基礎上，可以通過減少彎頭個數(shù)、增大彎頭曲率半徑、增大相鄰彎管的距離、增大大小頭端面間距、增大分離器出口直徑等措施，使聲源噪聲降低。在本文模擬條件下，降噪量高達33.1 dB(A)。

4.2 建 議

1)彎管改進

對于彎管而言，當入口流量和出口壓力恒定時，增大彎管角度和彎管曲率半徑有較好的聲源降噪效果。通過仿真模擬，在本文3.1節(jié)工藝參數(shù)條件下，采用以下3種彎管降噪措施，可大幅降低由彎管引起的氣流噪聲。

(1)管道直徑D=150 mm時，彎管角度由90°增加至135°可使評價點平均聲壓級降低20.2～26.9 dB(A)。

(2)彎管曲率半徑由1.5D增加到5D時，可使評價點平均聲壓級降低26.7～33.1 dB(A)。

(3)對于有多個彎管的輸氣管道，減少彎管個數(shù)可以降低管道輻射噪聲；若必須采用多個彎管，則相鄰彎管的距離應盡量拉長，以減少彎管噪聲的耦合。

2)大小頭結構改進

對于大小頭結構而言，當入口流量和出口壓力恒定時，應增大大小頭端面間距，以減小大小頭處不穩(wěn)定的氣流噪聲。通過仿真模擬，在本文3.2節(jié)工藝參數(shù)條件下，當小頭直徑D1=114 mm、大頭直徑D2=200 mm，且大小頭端面間距從0.15 m增加到0.6 m時，大小頭處平均聲壓級下降14.4 dB(A)。

3)分離器改進

對于分離器而言，當入口流量和出口壓力恒定時，可增大出口直徑D2，以減小分離器噪聲。通過仿真模擬，在本文3.3節(jié)工藝參數(shù)條件下，當出口直徑由200 mm增大至300，400 mm時，分離器處平均聲壓級可降低9.8～12.9 dB(A)。

4)其他建議

當通過上述平面布局及工藝改進仍無法實現(xiàn)廠界噪聲達標時，應考慮結合末端降噪措施對場站噪聲進行綜合治理，如增設聲屏障、隔聲罩，鋪設吸聲、隔聲材料等降噪設備或介質，或通過將采氣場站內露空管道埋地、選擇隔聲材料包裹等方式進行處理，促進廠界噪聲達到晝間60 dB(A)，夜間50 dB(A)的標準限值。