燃機電廠噪聲模擬時SoundPLAN聲源模型的簡化

徐敏杰

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京100095)

燃機電廠噪聲模擬時SoundPLAN聲源模型的簡化

徐敏杰

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京100095)

燃機電廠一般靠近用電負(fù)荷或城鎮(zhèn)建設(shè)，為了有效地控制噪聲，在燃機電廠項目的設(shè)計、環(huán)評等階段對其噪聲影響進(jìn)行合理的模擬從而提出相應(yīng)的降噪方案是非常必要的。結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)，對燃機電廠的敏感目標(biāo)和主要噪聲的聲源特性進(jìn)行了總結(jié)。通過對比聲源類型、中心頻率的設(shè)置對模擬結(jié)果產(chǎn)生的影響，探討了在應(yīng)用SoundPLAN軟件對燃機電廠的噪聲模擬時如何簡化設(shè)置聲源模型的問題，為今后的噪聲模擬評估工作提供參考。

SoundPLAN;燃機電廠;噪聲;模擬

0 引言

當(dāng)前燃?xì)廨啓C發(fā)電在世界范圍內(nèi)快速發(fā)展，其不僅在電力結(jié)構(gòu)中的承擔(dān)著重要角色，而且在新增發(fā)電容量中亦占具了較重份額。與傳統(tǒng)燃煤電廠相比，燃機電廠輔助生產(chǎn)系統(tǒng)簡單、廠區(qū)面積小、供電效率高，此外在節(jié)水、環(huán)保、負(fù)荷調(diào)峰及機組啟停速度等方面亦都具有諸多優(yōu)點。

一般情況下，燃機電廠都建在用電負(fù)荷或人口集中城鎮(zhèn)附近的非工業(yè)區(qū)域，而這些區(qū)域卻對環(huán)境保護、污染排放等有著比較高的要求。雖然燃機電廠的生產(chǎn)設(shè)備少，占地面積小，但其平面布置緊湊，電廠內(nèi)的部分設(shè)備和廠房緊靠廠界，導(dǎo)致廠界噪聲值較大，這使得噪聲污染成為了評估燃機電廠對環(huán)境影響的一個不可回避的問題。因此，噪聲控制在燃機電廠的環(huán)保設(shè)計、環(huán)評階段都需引起高度重視。目前世界上最有影響的噪聲軟件有德國開發(fā)的Cadna/A和SoundPLAN噪聲控制軟件。其中，SoundPLAN軟件，內(nèi)置多種模擬評估的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提供多種子模塊、數(shù)據(jù)庫、工具箱，可以模擬聲波傳播途徑中的聲源、聲屏障、反射物、衰減作用等，使得噪聲建模計算高效省時，使得噪聲建模計算高效省時。SoundPLAN對噪聲模擬的目標(biāo)實物和目標(biāo)項目的尺寸沒有限制，且其對室外噪聲的模擬方法和我國標(biāo)準(zhǔn)中聲波傳播計算的方法一致，在國內(nèi)噪聲模擬領(lǐng)域具有領(lǐng)先的優(yōu)越性。

為了有效的控制噪聲，在燃機電廠項目的設(shè)計、環(huán)評等階段對其噪聲影響進(jìn)行合理的模擬預(yù)測從而提出相應(yīng)的降噪方案是非常必要的。結(jié)合工程項目的具體情況，在保證可行性和合理性的前提下，本文探討運用SoundPLAN軟件對燃機電廠噪聲模擬時簡化聲源模型的方法，以期為今后的噪聲模擬評估工作提供一定的技術(shù)依據(jù)。

1 噪聲標(biāo)準(zhǔn)、敏感目標(biāo)及主要噪聲源

1.1 環(huán)境噪聲評價標(biāo)準(zhǔn)及敏感目標(biāo)

燃機電廠噪聲控制目標(biāo)的主要依據(jù)為《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 12348－2008)，其中列出了工業(yè)企業(yè)廠界噪聲排放限值。燃機電廠一般靠近用電負(fù)荷或城鎮(zhèn)建設(shè)，原則上執(zhí)行Ⅱ類或者Ⅲ類聲功能區(qū)要求，具體執(zhí)行的聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)必須以當(dāng)?shù)丨h(huán)境保護行政主管部門的批文為準(zhǔn)。

一般情況下，電廠邊界向外200m評價范圍內(nèi)的居民住宅均應(yīng)被納入敏感目標(biāo)的范疇，若計算得到的項目聲源貢獻(xiàn)值到廠界外200m處仍不能滿足相應(yīng)功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)值，則應(yīng)將評價范圍擴大到滿足標(biāo)準(zhǔn)值的距離。因此，本文主要討論50、55、60dB(A)等值線的位置范圍，模型中接收器及預(yù)測面高度均設(shè)置為1.2m。

1.2 燃機電廠內(nèi)主要噪聲源及其特性

燃機電廠按照噪聲源的布置［1］可劃分為主廠房區(qū)、余熱鍋爐區(qū)、冷卻區(qū)(機力通風(fēng)冷卻塔、空冷平臺等)、調(diào)壓站區(qū)、變壓器區(qū)及其他輔機廠房區(qū)。燃機電廠主要噪聲源特性見表1。

表1 燃機電廠主要噪聲源的噪聲值及特性

2 噪聲模擬中聲源模型的設(shè)置

2.1 聲源參數(shù)的轉(zhuǎn)化和錄入

聲源的參數(shù)設(shè)置涉及聲源幾何參數(shù)、聲源源強參數(shù)等。其中聲源幾何參數(shù)包括聲源的位置坐標(biāo)和聲源高度等，源強參數(shù)主要包括中心頻率下的設(shè)備總聲功率級和倍頻頻譜。部分研究報告討論了源強參數(shù)采用中心頻率下的聲功率級或頻譜數(shù)據(jù)對SoundPLAN軟件的模擬計算結(jié)果的影響［2－3］。

為簡化模型，本文所建模型的聲源參數(shù)以中心頻率下的聲功率級為主。此外，根據(jù)經(jīng)驗值相應(yīng)地修正中心頻率下聲源的聲功率級數(shù)據(jù)，可以減少未考慮地面效應(yīng)帶來的誤差。

一般設(shè)備的聲壓級用普通的聲級計即可測到，且廠家給出的設(shè)備聲源多數(shù)為設(shè)備1m外或者幾m外的聲壓級;而SoundPLAN軟件使用聲功率級來表示聲源能量的大小，因此輸入SoundPLAN軟件時應(yīng)進(jìn)行聲壓級到聲功率級的轉(zhuǎn)化計算。

在聲環(huán)境影響評價中，聲源中心到接收點之間的距離超過聲源最大幾何尺寸的2倍時，可將該聲源近似為點聲源［4］。但需注意的是，對于廠區(qū)總平面布置緊湊的項目，廠界與主要聲源的距離較近，定義聲源的聲功率及選擇聲源類型時應(yīng)盡可能準(zhǔn)確，不能一律簡化為點聲源。

2.2 聲源類型的選擇

燃機電廠中，根據(jù)設(shè)備或廠房的大小及布置方式、位置，可分別以點、線或面源建模。

聲功率是反應(yīng)單位時間內(nèi)聲源向外輻射能量的物理量，對應(yīng)于設(shè)備總功率中的，以聲波形式向外界輻射出的一小部分功率。因此我們可以認(rèn)為，對于穩(wěn)定運行狀態(tài)下的某設(shè)備，其聲功率總是一定的。

SoundPLAN軟件對聲源能量的大小設(shè)置有兩種選擇:一是聲源的總聲功率級;二是聲源單位面積上的平均聲功率級。由于面聲源可以看做由無數(shù)點聲源連續(xù)分布組合而成，其總的聲功率級可按內(nèi)部點生源的能量疊加法求出。

以9臺空冷風(fēng)機以3×3模式布置的空冷平臺為例，平臺作為整體的聲源的總聲功率級應(yīng)與9臺空冷風(fēng)機總聲功率級之和一致，故本文選擇聲源的總聲功率級進(jìn)行噪聲模擬計算。模擬的空冷平臺高20m，單臺風(fēng)機總聲功率級為95dB(A)，3×3模式布置的空冷平臺總邊長為33m。

模型a:每臺風(fēng)機都作為距離地面20m的點聲源，每個風(fēng)機點聲源聲功率級95dB(A)。

模型b:每臺風(fēng)機所在的單元格作為距離地面20m，邊長11m×11m的面聲源，每個單元格聲源聲功率級95dB(A)。

模型c:整個空冷平臺作為距離地面20m，邊長33m×33m的面聲源，通過計算可知，整個空冷平臺聲源聲功率級104.5dB(A)。

在表2列出的結(jié)果中，以模型b作為參照模型，模型a和模型c與其的相對誤差在0.3%～1.3%之間，均小于工程的允許誤差5%。對于同一聲源，只要其總聲功率級不變，無論其被定義為點源還是面源模型，計算結(jié)果可視為相等。此外，對比3個模型的各噪聲等值曲線圖后發(fā)現(xiàn)，忽略聲源近場區(qū)域噪聲的差異，3個模型等值曲線圖中小于70dB(A)的等值線均可視為相同，這表明在SoundPLAN中，無論將同一聲源設(shè)置成何種聲源類型，只要其總聲功率一定，則該聲源對環(huán)境的影響程度都是相同的。

表2 不同聲源類型時計算所得各噪聲等值曲線距聲源中心(空冷平臺中心)的距離

在實際燃機項目的總平面布置中，聲源附近總是存在實體障礙物，如圍墻、防火墻、建筑物等，會起到聲屏障的作用。聲波繞過聲屏障的頂端或側(cè)邊到達(dá)接收點的過程中，由于傳播的路徑比無聲屏障時直達(dá)的路徑要長，因此聲波能量的衰減量因聲屏障而變大，聲屏障后方接受點的聲壓級數(shù)值變小。

此處假設(shè)在上述空冷平臺附近存在一個高度為6m的空冷配電室建筑物，對上述模型a至模型c再次進(jìn)行模擬，所得的噪聲等值線圖差異亦很小，且隨著聲源幾何尺寸的增大，空冷配電室背側(cè)繞射衰減區(qū)域的同一等值線范圍略微增大。由于模型a和模型b均為非單一聲源模型，且模型c處聲源面積相對于障礙物面積較大，故應(yīng)單獨分析單位聲源的類型設(shè)置對障礙物背側(cè)繞射衰減區(qū)域噪聲值的影響。

圖1 模型a、b空冷配電室對空冷平臺噪聲等值線的影響

如圖1所示，在空冷配電室北墻中垂線(位于背側(cè)繞射衰減區(qū))上，距離北墻1、3、5、10、15m處分別設(shè)置接收器，計算模型a中1號單位點聲源和模型b中1號單位面聲源對這5個接收器的噪聲貢獻(xiàn)值，結(jié)果如表3所示。

表3 模型a中1號單位點聲源和模型b中1號單位面聲源的噪聲貢獻(xiàn)值dB(A)

從表3可知，隨著所設(shè)聲源的幾何尺寸的增大，總聲功率相等的點聲源和面聲源對障礙物外繞射衰減區(qū)域相同位置的噪聲貢獻(xiàn)值也隨之變大。這是因為面聲源與點聲源相比表面積更大，與障礙物的相對距離更近，故聲波繞射至障礙物后方的路徑比點聲源的更短，聲波由于障礙物產(chǎn)生的能量衰減量也更小。因此，可以確定在燃機電廠噪聲預(yù)測中，還是應(yīng)當(dāng)根據(jù)聲源設(shè)備或聲源建筑物的實際形態(tài)進(jìn)行聲源類型的設(shè)置，體積龐大的聲源應(yīng)當(dāng)作為面聲源(或體聲源)設(shè)置。

2.3 聲源中心頻率的選擇

聲波在空氣中傳播時，由于大氣對聲波有吸收和散射的作用，使聲波的能量在傳播方向上逐漸減弱。聲波的傳播導(dǎo)致空氣中分子轉(zhuǎn)動和振動的能量變化，部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能?？諝庵胁煌肿拥墓逃蓄l率不同，因此空氣分子引起的轉(zhuǎn)動、振動衰減同傳播中的聲波頻率高低有關(guān)。

此處討論機力通風(fēng)冷卻塔的噪聲模擬，冷卻塔一般距離廠界較近，因而降噪要求高。冷卻塔進(jìn)風(fēng)口主要為中高頻的淋水噪聲及透過填料層后反向傳播的中低頻風(fēng)機噪聲;排風(fēng)口主要為中低頻的電機噪聲和風(fēng)機噪聲［6］。

已知建模所用2臺通風(fēng)冷卻塔的地上0～4m垂直面為淋水進(jìn)風(fēng)口部分，風(fēng)機排風(fēng)口為地上8m處水平面。因此將單臺機力通風(fēng)冷卻塔的進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口分別設(shè)置為兩個體聲源中的垂直面聲源和水平面聲源，以討論不同聲源頻率對計算結(jié)果的影響。模型保守設(shè)置冷卻塔的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的面聲源平均聲功率級均為75dB(A)。

模型a:冷卻塔進(jìn)風(fēng)口垂直面噪聲頻率500Hz;排風(fēng)口風(fēng)機水平面噪聲頻率500Hz。

模型b:冷卻塔進(jìn)風(fēng)口垂直面噪聲頻率500Hz，排風(fēng)口風(fēng)機水平面噪聲頻率250Hz。

模型c:冷卻塔進(jìn)風(fēng)口垂直面噪聲頻率1000Hz，排風(fēng)口風(fēng)機水平面噪聲頻率500Hz。

圖2 冷卻塔模型設(shè)置不同頻率所得噪聲等值線距聲源中心的距離變化

3個模型的噪聲等值線到聲源中心的距離如圖2所示。噪聲等值線代表聲壓級的數(shù)值越小，其距聲源中心距離的差異就越趨于明顯;且對于3個模型中大于50dB(A)的噪聲等值線，其到聲源中心的距離差別很小。相對于統(tǒng)一設(shè)置中心頻率500Hz的模型a，設(shè)置中低頻噪聲的模型b等值線的范圍擴大，設(shè)置中高頻的模型c的等值線的范圍縮小，這是因為對于不同頻率的聲波，由大氣引起的衰減量不同。在傳播過程中，大氣對中高頻噪聲的衰減量大，但對中低頻噪聲的衰減量較小。

由于不同頻率設(shè)置所得的大于等于50dB(A)的噪聲等值線距離差別較小，因此在使用SoundPLAN軟件對燃機電廠進(jìn)行噪聲模擬時，可以統(tǒng)一采用中心頻率500Hz的聲功率級以簡化模型進(jìn)行噪聲模擬。

2.4 廠房噪聲的模擬

對于燃機電廠的燃機房、汽機房、鍋爐房、空壓機房及各類水泵房，由于其室內(nèi)設(shè)備聲源種類多，布置位置各異，因此應(yīng)用SoundPLAN軟件進(jìn)行噪聲模擬時，應(yīng)將其簡化為體聲源的廠房考慮。由于體聲源的任一面都被視為一個面聲源，因此在模擬之前應(yīng)對廠房室內(nèi)室外的聲功率級進(jìn)行簡化計算處理。對于室內(nèi)平均噪聲，根據(jù)《工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計規(guī)范》(GB J87－1985)，工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)限值為90dB(A)［7］。根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則－聲環(huán)境》(HJ 2.4－2009)，將聲源所在的室內(nèi)聲場近似為擴散聲場，則室外的倍頻帶聲壓級可按公式近似求出:

式中:TL為隔墻(或窗戶)倍頻帶的隔聲量，dB (A);Lp1和Lp2分別為靠近開口處(或窗戶)室內(nèi)、室外某倍頻帶的聲壓級，dB(A)。

一般燃機電廠的墻體或隔聲門窗的理論隔聲量均大于等于35dB，主廠房的屋面隔聲性能可滿足隔聲要求，但門、窗的隔聲性能為薄弱點，噪聲會透過墻體、門、窗及孔洞縫隙傳至室外，造成噪聲超標(biāo)。因此在利用SoundPLAN軟件建模中，定位門窗位置、確認(rèn)隔聲量等成為準(zhǔn)確模擬的必要條件。

3 結(jié)語

根據(jù)國家現(xiàn)行環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)，燃機電廠邊界向外200m評價范圍內(nèi)的居民住宅均應(yīng)被納入敏感目標(biāo)的范疇，且50、55、60dB(A)噪聲等值線確定的范圍也應(yīng)重點關(guān)注。噪聲預(yù)測高度設(shè)置在1.2m處，廠界外1m為測定廠界噪聲的標(biāo)準(zhǔn)位置。

運用SoundPLAN軟件對燃機電廠進(jìn)行噪聲模擬時，應(yīng)合理選取源強參數(shù)，可類比采用相似工程的相關(guān)參數(shù)，但必要時應(yīng)對源強參數(shù)根據(jù)模型進(jìn)行折算或修正。在建立聲學(xué)模型的過程中，應(yīng)充分考慮到建筑物、圍墻、屏障等障礙物的屏蔽作用，及大氣、地面、綠化帶等對聲波的衰減作用，合理確定聲源的模型參數(shù)并盡量符合實際情況。

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Simplification of noise source model when using SoundPLAN in noise simulation for gas turbine electric power plant

Since the gas turbine electric power plant is generally established near the electrical load centers or the cities and towns，with the purpose of noise control，it is necessary to carry out a reasonable noise simulation and then propose the corresponding noise reduction plan on the design and the EIA phase.Combined with the related national standards，it summarizes the noise－sensitive objects and the main noise source characteristics.In order to study the effect on noise simulation results due to the different noise source type selections and main frequency settings，the noise contours are calculated under various situations by SoundPLAN.As for the main frequency of the noise source，little effect is produced.it could provide references for noise simulation and assessment in the future.

SoundPLAN;gas turbine electric power plant;noise;simulation

X593

B

1674－8069(2015)01－053－04

2014-09-23;

:2014-11-17

徐敏杰(1987-)，女，浙江杭州人，碩士，助理工程師，從事電力行業(yè)環(huán)保設(shè)計及環(huán)境影響評價工作。E－mail:xuminjie@ snpdri.com