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机房设计与设备安装 |
柴发机房的环保消音工程改造案例 |
摘要：柴油机噪音对于自身的危害巨大，巨大的噪音和振动会影响柴油机的使用寿命，缩短控制系统及其他电子元件的使用寿命，影响其正常的工作。例如深圳某政府单位自建一个柴油发电机组的柴发机房，内设一台水冷式、额定功率为120kw的康明斯系列柴油发电机组，机房面积约25m2，高约5m。由于机房在总体布局和单体设计时都未考虑发电机组的噪声控制问题，因此，当柴油发电机组运行时，离发电机组1m处测得的噪声为113dB（A），严重污染周围环境。在距机房北侧约10m处的居民区的噪声高达90dB(A)，致使该机房的噪声治理成了急待解决的环保问题。
一、国外噪声控制技术介绍
对于燃烧噪声的研究，首先人们关注燃烧噪声产生的机理，燃烧噪声的识别，还有瞬态工况与稳态工况燃烧噪声不同的机理分析。近年来，随着计算机技术的发展，一些新的技术和方法开始应用与燃烧噪声的识别、分析与测试，使得对于燃烧噪声的研究技术有了长足的进步。目前，对应于燃烧噪声的研究主要集中在对降低燃烧噪声的措施，以及燃烧噪声、排放和燃油经济性相结合的研究，取得了较好的成果。
燃烧噪声是直喷式柴油机噪声的主要噪声源之一，其在整机辐射噪声中占有重要的地位。控制柴油机燃烧噪声对柴油机整机辐射噪声有着非常重要的现实意义。以往对于柴油机燃烧噪声的研究主要是关于燃烧噪声的表征、机械噪声与燃烧噪声的分离、燃烧噪声和活塞拍击声的分离以及瞬态工况燃烧噪声的机理研究。对于燃烧噪声的控制大都是对稳态工况燃烧噪声。因此本文在对稳态工况燃烧噪声影响机理和控制研究的基础上，开展了瞬态工况燃烧噪声控制策略的探讨，提出了一些控制瞬态工况燃烧噪声的方法；对于目前遇到的柴油机怠速噪声较大的现实问题，本文分析了柴油机怠速工况噪声特点，开展控制柴油发电机怠速工况燃烧噪声研究。取得的主要结果和结论：
1、首先对燃烧噪声产生的机理和特性进行研究，得出凡是能减少滞燃期内可燃混合气的数量的措施，都能降低燃烧噪声：压力升高率和缸内压力高频振荡是决定燃烧噪声大小的两个主要直接因素，因此压力升高率和缸内压力高频振荡可用来表征燃烧噪声的大小。
2、增压能使大部分稳态工况燃烧噪声降第10dB以上。负荷一定时，随着转速的增加，增压使得燃烧噪声的降噪量先增加后降低，这是因为高转速时，燃烧噪声所占整机辐射噪声的比例减少；而在转速一定时，增压引起的燃烧噪声的降噪量随负荷的上升而增加，在某些转速工况的高负荷工况又略有降低，但仍高于低负荷。总体来说，增压引起的燃烧噪声降噪量在中速中高负荷工况较大。增压引起的燃烧室壁面温度的差异与压力升高率变化趋势一致，使得缸内压力级的中高频段幅值降低，增压引起燃烧室壁面温度的变化是影响燃烧噪声的因素之一。
3、稳态工况，保证功率损失在6％以内，在中低负荷，可引入较大的EGR量，能够引起1～2．5dB的燃烧噪声降噪量，而在高负荷受到功率损失的限制，不能引入太大的EGR量，EGR对燃烧噪声的影响量较小。相同负荷，EGR对燃烧噪声的影响随转速的变化不大，只因为高转速柴油机燃烧噪声减小，应减低EGR的引入量。
4、从压力升高率和缸内压力高频振荡的角度分析，EGR对燃烧噪声影响的机理，通过对比分析不同EGR率下压力升高率和缸内压力高频振荡，得出EGR正是通过改变压力升高率和缸内压力高频振荡影响燃烧噪声，随着EGR率的增加，高频段压力幅值降低，只是在某些工况有所增加，但压力升高率最大值降低，最终使得燃烧噪声降低。
5、预喷射的引入，使得中低转速、中低负荷工况燃烧噪声降噪量较多，而对高转速高负荷燃烧噪声的降低效果不大。负荷一定的情况下，随着转速的增加，最优预喷量减小，主预喷间隔呈增大趋势。当转速一定时，随着负荷的增加，最优预喷量变化不大，只在满负荷时减少，主预喷间隔在中低转速随负荷的增加而减小，而在高转速不变。
6、通过对不同预喷射参数下压力升高率，缸内压力级曲线，辐射噪声频谱研究分析，得出较小的预喷量不能引起足够的活化能和燃烧室气体温度和压力的增高，未发生充分的焰前反应而燃烧，对燃烧噪声的控制效果不大；预喷射量过大，预喷射燃油先期燃烧放热，燃烧压力快速增加，压力升高率增加，高频压力震荡加剧，燃烧噪声增大，而适中的预喷量，先期燃烧放热使得缸内气体温度和压力升高，减小主喷滞燃期，降低燃烧速率，压力升高率降低，燃烧噪声水平最低。主预喷间隔过大过小都不能很好的引燃主喷，合适的主预喷间隔应是稍小于预喷燃油的滞燃期，合适的主预喷间隔好的使预喷起到减小主喷滞燃期的效果，压力升高率降低，缸内压力高频振荡减弱·，燃烧噪声较低。
7、冷机状态燃烧室壁面温度较热机状态燃烧室壁面温度低，所以引入相同预喷射量的预喷射，冷机状态下的压力升高率最大值大于热机状态的压力升高率最大值，即相同预喷射量的预喷射对冷机燃烧噪声控制效果不如对热机状态燃烧噪声控制效果大。较大的预喷量可以缩小冷机对控制燃烧噪声的不利影响，且随着负荷的增加，燃烧室壁面温度增加，预喷射控制冷机和暖机状态燃烧噪声差异减小。
8、预喷射能有效降低瞬态工况燃烧噪声，相对于稳态工况，瞬态工况下应取较大的预喷量和主预喷间隔，这样可以弥补瞬态工况燃烧室壁面温度较低对降低燃烧噪声的不利影响；瞬态工况过程中，引入适量的EGR，可以降低瞬态工况燃烧噪声；增压一定程度上能降低瞬态工况燃烧噪声，增压对恒转速增转矩瞬态工况燃烧噪声的控制效果要好于对恒转矩增转速的。增压引起不同的壁面温度的差异是引起对燃烧噪声不同控制效果的主要原因之一。
二、国内常见噪声治理措施
1、治理技术要求
机房内噪声要求降低10dB(A)左右，居民区环境噪声应降至55dB(A)以下。机房内的温升应控制在10~15℃，当室外气温为35℃时，机房内温度应≤45℃；当室外气温为20℃时，机房内温度应≤35℃。治理后发电机组的功率损耗应不大于10％。
柴油发电机运行时，向周围环境释放大量的热量，主要是∶
（1）气缸传递给洽却水的散热量QW;
（2）柴油机体向周围空气的散热量Qn;
（3）柴油机发电机向尾气的传热量Qr;
（4）发电机向周围空气的散热量Qf。
根据冷却方式 ，传递给洽却水的热量由外循环的水带走 ，传递给尾气的热量分两部份，一部份由排烟管引至高空进行排放（Qr1）由室内的排烟管道散发到周围空气里（Qr2）。
2、主要技术措施
① 机房隔声、吸声设计
为改善操作者的工作环境，机房南侧、西侧原有木门外新增加钢质隔声门，以减小机房噪声向外辐射。机房内噪声高达113dB（A)，机房内顶棚和四壁能安装吸声结构的地方作吸声处理，降低机房内噪声。
● 隔音门
机房大门均选用国标隔声门，材质采用钢板，内填优质吸声材料；材质采用钢板，内填优质吸声材料；隔声门厚度为100mm，其隔声量为35dB(A)。
● 天花吸声体
采用吸声天花专用龙骨，铺设超细玻璃棉，外包玻璃丝布，并用600×600×0.6mm铝扣穿孔板作护面板。
● 墙面吸声体
墙壁吸音体铺设为100MM厚的Owens棉，外壁用厚度用600×600×0.6mm,穿孔率>20﹪的穿孔天花板作为墙面吸声材料。
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墙面天花吸音设计图 |
② 进风消声设计
为了有效地控制机房西、北侧窗户向外辐射噪声，在两侧窗外设计安装了集进风采光隔声于一体的进风消声器。其上部为采光隔声窗罩，下部为L形阻性片式进风消声器，总有效进风面积为1.12m2，设计进风流速为左右。
发电机组采用强制进风，进风口安装配套消声弯头和消声器，其消声量为30dB(A)。
③ 排风消声设计
为控制机房内温升，在隔声采光窗西、北两侧墙下方设计安装了进风消声窗。在机房穿孔板吊顶部利用原有西墙高窗窗洞位置增设了两台SF-5-6型低噪声排风轴扇（每台风扇的排风量为7700m3/h），并在排风窗洞外增设相应的排风消声箱（有效排风面积为0.42m2，消声箱内排风速度为左右），以保证达到足够的消声和通风散热效果。另外，由于该柴油发电机的冷却形式为水冷式，冷却风扇位于柴油发电机组的前端，靠近机房北侧进风消声窗，为防止柴油发电机冷却风扇的排风影响机房通风降温，设计中采用了增设冷却风扇导风管，引导热风至穿孔板吊顶上部，再经排风扇排至室外，既有利于机房通风散热，也有助于降低机房内噪声。
④ 排气消声器设计
柴油发电机排气噪声以中低频声为主，声级高达100dB(A)以上，原设计2根排气管直通室外，噪声污染十分严重。结合现场条件，先设计安装了三级扩张室串联的抗性迷路式消声器。
正常情况下，要求二级消声器消声量大于35 dB（A），阻抗复合式消声器消声量为40 dB（A），采用阻抗复合式消声器可以满足要求，消声器吊装在发电机房的内。发电机排气管及二级消声器均涂有耐高温防腐漆, 一级消声器、二级消声器及机房内尾气管外包耐高温防腐岩棉保温。
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消音器支架安装 |
3、排除有害物质所需风量
当柴油发电机运行时，从柴油发电机体和排烟管等不严密部位向室内散发的有害物质∶一氧化碳、二氧化硫，丙烯醛等通过通风换气，将有害物质浓度降到允许浓度以下。目前大部份机房的排烟管都是架空敷设，所需排除有害物通风量值取 q=14～20m3/kw·h；当排烟管采用地沟敷设时，所需排除有害物的风量值取 g=27～34 m3/kw·h。
经综合治理后，经治理后噪音可达到昼间≤65dB，<工业企业厂界噪声标准>之Ⅱ类标准，尾气的排放林格曼黑度≤１，黑烟排放持续时间不得超过15分钟，相应的指标要达到国家环保标准。方案应包含配套设施所采用的隔音、降噪、废气处理等装修材料的材质、数量、单价、人工费、培训费等相关服务的总报价。如达不到上述要求，必须按照噪声治理标准处理并通过环保部门验收。
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