大型自然通風(fēng)冷卻塔淋水噪聲綜合治理技術(shù)研究

郝功濤，姜佳旭，胡妲，朱躍

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

火力發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)組凝汽器出水大多采用雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔的冷卻方式。冷卻塔正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的噪聲包括淋水噪聲、水泵噪聲、輸水管道和閥門(mén)振動(dòng)噪聲等，其中淋水噪聲是最為顯著的噪聲源，是噪聲控制的關(guān)鍵所在[1]。

淋水噪聲主要產(chǎn)生于兩個(gè)方面：一是水滴直接沖擊到水面時(shí)輻射出的尖脈沖噪聲，其能量正比于水滴動(dòng)能和水滴濺落速度的3次方，噪聲頻譜呈寬頻帶特性，并且隨水滴大小和濺落沖擊速度變化，峰值頻率一般在附近的一個(gè)較平緩區(qū)域內(nèi)。二是水滴產(chǎn)生的氣泡體積脈動(dòng)所輻射的噪聲，其頻譜在500～10 000 Hz之間有比較尖銳的高于沖擊聲的峰值。

在自然通風(fēng)冷卻塔進(jìn)風(fēng)口外1.0 m處，噪聲級(jí)一般為80～85 dB(A)，機(jī)組容量越大，進(jìn)風(fēng)口高度越高，淋水噪聲強(qiáng)度越高。冷卻塔塔體為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，隔聲量高，因此淋水噪聲呈面聲源特性，可視為僅通過(guò)冷卻塔進(jìn)風(fēng)口向外傳播，一般降噪設(shè)計(jì)中可將淋水噪聲視為面聲源處理[2]。

1 冷卻塔噪聲現(xiàn)狀

某電廠二期工程為2臺(tái)350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，在距離冷卻塔集水池1.0 m處實(shí)測(cè)噪聲為81 dB(A)，從冷卻塔淋水噪聲頻譜(如圖1所示)分析可以看出，冷卻塔淋水噪聲以中、高頻噪聲為主，主要集中在500～8 000 Hz之間。

二期工程采用雙曲線自然通風(fēng)式冷卻塔，塔高114.7 m，冷卻面積5 500 m2，進(jìn)風(fēng)口高度為7.7 m，冷卻塔零米層直徑90.0 m，集水池水深2.0 m，其靠近南側(cè)廠界，冷卻塔距離南側(cè)廠界約100.0 m，廠界外敏感建筑物緊鄰南側(cè)廠界，距離廠界約25.0 m，冷卻塔淋水噪聲對(duì)廠界外噪聲敏感建筑物影響較為顯著。

電廠原有的冷卻塔聲屏障高度為8.2 m，原聲屏障依冷卻塔圓弧張角布置，總長(zhǎng)度為320.0 m，隔聲板采用雙面鐵板中間夾巖棉結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)隔聲量為20 dB(A)，降噪效果較差。原聲屏障為直立形式，下部采用磚砌墻形式，上部為隔聲巖棉板結(jié)構(gòu)，聲屏障立面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及政府規(guī)劃調(diào)整，電廠原選址區(qū)域由工業(yè)園區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫幼?、商業(yè)、工業(yè)混雜區(qū)，根據(jù)GB/T 15190—2014《聲環(huán)境功能區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》要求，該地區(qū)滿足2類聲環(huán)境功能區(qū)劃分條件。現(xiàn)場(chǎng)廠界環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，目前南側(cè)廠界環(huán)境噪聲夜間平均值為58 dB(A)，無(wú)法滿足GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱《噪聲標(biāo)準(zhǔn)》)2類標(biāo)準(zhǔn)的要求，夜間擾民現(xiàn)象較為突出[3-4]。

因此，本文在原有冷卻塔聲屏障基礎(chǔ)上，提出了不同的噪聲治理技術(shù)方案，使南側(cè)廠界環(huán)境噪聲滿足《噪聲標(biāo)準(zhǔn)》 2類標(biāo)準(zhǔn)的要求，即晝間不大于60 dB(A)，夜間不大于50 dB(A)。

圖2 原有冷卻塔聲屏障立面

2 噪聲綜合治理方案

在工程實(shí)際中，控制冷卻塔淋水噪聲的主要技術(shù)措施有聲屏障、消聲百葉和消聲墊3種[5]。在冷卻塔降噪治理方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮利舊、成本投資和降噪效果等實(shí)際因素，在保留原有冷卻塔聲屏障結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行降噪治理。

2.1 新增消聲墊(方案1)

在保留原有聲屏障結(jié)構(gòu)不變的前提下，方案1擬在冷卻塔集水池內(nèi)新增一層消聲墊。消聲墊為緩沖滲水降噪尼龍材料，主要由飄浮式支承架及消聲墊兩部分組成，其降噪原理是避免落水對(duì)水池的直接撞擊，降低淋水噪聲的影響。消聲墊落水消聲工藝屬于塔內(nèi)治理工藝，設(shè)計(jì)消聲墊厚度為50 mm，尼龍材質(zhì)，單塔鋪設(shè)面積為7 850 m2，降噪量能夠達(dá)到5～8 dB。

2.2 改進(jìn)聲屏障(方案2)

電廠冷卻塔周圍已設(shè)置聲屏障，聲屏障采用的是雙面鐵板中間夾巖棉的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有一定的隔聲效果，但未進(jìn)行吸聲處理，使得屏障內(nèi)反射的聲波形成混響效應(yīng)，相互干涉，甚至可能加強(qiáng)冷卻塔聲源處的噪聲，而冷卻塔淋水所產(chǎn)生的噪聲呈高頻特性。為減弱混響效應(yīng)及其所帶來(lái)的不利影響，從而進(jìn)一步改善隔聲效果，設(shè)計(jì)在原有聲屏障內(nèi)側(cè)增加一層吸聲結(jié)構(gòu)。吸聲結(jié)構(gòu)采用0.8 mm鋁穿孔板+100 mm 32 K超細(xì)玻璃棉(防水布包裹)+龍骨形式。

聲屏障繞射的聲衰減可用下式計(jì)算：

式中：ΔLd為聲屏障繞射聲衰減量，dB；N為菲涅爾數(shù)；λ為聲波波長(zhǎng)，m；dA為聲源至聲屏障頂端的距離，m；dB為接收點(diǎn)至聲屏障頂端的距離，m；d為聲源至接收點(diǎn)的距離，m。單純從隔聲屏障的聲學(xué)效果講，聲屏障繞射損失完全取決于菲涅爾數(shù)N，即取決于聲源和受聲點(diǎn)之間的聲程差(dA+dB-d)，聲程差越大，則聲屏障的繞射損失越大，降噪效果越好。

因此，將原直線形聲屏障改進(jìn)為倒L形，將冷卻塔原有聲屏障加高1.0 m，并在頂部做1.0 m長(zhǎng)的內(nèi)折設(shè)計(jì)，其水平部分與垂直部分夾角大于135°。加高方式為在現(xiàn)有聲屏障混凝土立柱頂端連接鋼立柱，隔聲板采用與原有板件相一致的結(jié)構(gòu)，聲屏障改進(jìn)設(shè)計(jì)具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 冷卻塔聲屏障加高示意

聲屏障加高后，聲源距離屏障頂端距離增加，低頻段噪聲繞射距離則增加。聲屏障改進(jìn)設(shè)計(jì)，增加聲波的繞射距離以擴(kuò)大聲影區(qū)的方式，對(duì)距離冷卻塔聲源較近的廠界處有一定效果，經(jīng)計(jì)算能夠增加聲屏障的插入損失約4 dB。因此，方案2主要改進(jìn)原有聲屏障并在聲屏障內(nèi)側(cè)進(jìn)行吸聲降噪處理，整體可以獲得8 dB的降噪量。

2.3 新增消聲通道(方案3)

消聲百葉也是控制自然通風(fēng)冷卻塔噪聲的有效措施，一般可以獲得10～15 dB(A)降噪量[6]。與聲屏障相比，其通風(fēng)性能好，因此可更靠近冷卻塔設(shè)置，從而獲得更好的降噪效果。在保留原有聲屏障結(jié)構(gòu)不變的前提下，方案3采用新增消聲通道的降噪措施。消聲百葉的降噪效果可仿照片式阻性消聲器的消聲量進(jìn)行評(píng)價(jià)。消聲百葉圍繞冷卻塔進(jìn)風(fēng)口設(shè)置，為兼顧通風(fēng)和降噪效果，消聲百葉與塔體距離為4.0 m，此時(shí)投資也較為節(jié)省。消聲量可用下式計(jì)算：

式中：ΔL為消聲量，dB；ψ(α0)為消聲系數(shù)；C為消聲器通道截面周長(zhǎng)，m；S為消聲器通道截面面積，m2；l為消聲器的有效長(zhǎng)度，m。

經(jīng)計(jì)算，消聲片寬度為150.0 m，高度為8.0 m，沿氣流方向消聲片的有效長(zhǎng)度為2.0 m。為兼顧通風(fēng)性能并防止高頻失效，消聲片片間距設(shè)計(jì)為300 mm，消聲通道的消聲量為10.4 dB左右。

消聲通道將寬頻帶、高性能的吸聲材料結(jié)合到導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)中，相鄰2個(gè)導(dǎo)風(fēng)板即形成1個(gè)消聲通道，可有效吸收塔內(nèi)寬頻噪聲能量，減小噪聲的輻射。消聲通道主要由基礎(chǔ)框架、消聲片組件、隔聲頂板3部分組成，如圖4所示。

圖4 冷卻塔消聲通道立面

冷卻塔區(qū)域新增土建基礎(chǔ)主要用來(lái)支撐整個(gè)消聲裝置，因此新增基礎(chǔ)形式要求相對(duì)較低。由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地層最上層為雜填土，結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)性能差，如采用此層為持力層則需要開(kāi)挖后全部換填，施工量較大，因此本次考慮將其全部清除，沿冷卻塔進(jìn)風(fēng)口圓周方向一定距離采用梁板式條形基礎(chǔ)形式，基礎(chǔ)持力層為①黏土，承載力特征值fak=120 kPa，基礎(chǔ)埋深2.0 m。

框架為鋼結(jié)構(gòu)，主要用于支撐整個(gè)消聲片組和隔聲頂蓋。主要受力構(gòu)件為立柱和橫梁，橫梁和立柱為熱扎HM200×150型鋼。立柱采用預(yù)埋在基礎(chǔ)內(nèi)的地腳螺栓固定在基礎(chǔ)上，橫梁的一端用螺栓連接在立柱的頂端，另一端通過(guò)高強(qiáng)度化學(xué)錨栓固定在冷卻塔上。

消聲片組為整個(gè)消聲通道的核心部分，消聲片組由間隔300 mm的消聲片組成，消聲片有效高度為8.0 m，厚度設(shè)計(jì)為150 mm，兩面孔板為0.8 mm厚鋁板，中間填充32 K玻璃棉，為了防止消聲片表面大量積灰而影響消聲裝置的降噪效果，消聲片垂直安裝，并采用表面光潔的優(yōu)質(zhì)鋁板作為護(hù)面層。借助橫梁設(shè)置的隔聲頂板，既可防止淋水噪聲通過(guò)消聲片組的頂端繞射，起到輔助降噪作用，也可防止消聲片組淋雨。隔聲頂板采用0.8 mm厚彩鋼板+80 mm離心玻璃棉(防水布包裹)+0.8 mm厚鋁孔板形式。

由于消聲通道戶外布置，使用壽命受氣候條件及冷卻塔水汽影響嚴(yán)重，為保證冷卻塔消聲裝置的整體性能及較長(zhǎng)使用壽命，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和消聲片進(jìn)行嚴(yán)格防腐處理。消聲片內(nèi)吸聲材料使用無(wú)堿憎水玻璃絲布包裹，并在消聲片底部設(shè)計(jì)排水孔。

3 降噪技術(shù)方案對(duì)比分析

方案1采用新增消聲墊的塔內(nèi)降噪措施，工程靜態(tài)總投資約為195萬(wàn)元。但消聲墊降噪量有限，一般低于8 dB，而且存在對(duì)循環(huán)水產(chǎn)生影響的隱患。由于大型冷卻塔淋水落差大，水滴沖擊力強(qiáng)，消聲墊容易損壞，不僅維護(hù)更換費(fèi)用高，而且材料碎渣處理麻煩。特別是在北方寒冷地區(qū)，一般消聲墊的耐候性差，冬季塔內(nèi)結(jié)冰對(duì)消聲墊破壞嚴(yán)重，會(huì)對(duì)冷卻塔的安全、穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，因此，冷卻塔噪聲治理方案優(yōu)先考慮塔外治理。方案2采用改進(jìn)聲屏障的降噪措施，將原有直線形聲屏障加高設(shè)計(jì)為倒L形，并對(duì)內(nèi)側(cè)進(jìn)行吸聲處理，工程靜態(tài)總投資約為235萬(wàn)元，整體降噪效果能滿足南側(cè)廠界環(huán)境噪聲達(dá)到2類標(biāo)準(zhǔn)的要求。

方案3采用在冷卻塔周邊新建消聲通道的降噪措施，工程靜態(tài)總投資約為1 080萬(wàn)元。冷卻塔消聲百葉具有較好的降噪效果，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，消聲百葉布置數(shù)量較為龐大，且材料貴，因此，消聲百葉造價(jià)比聲屏障高得多。由于消聲百葉露天使用，考慮消聲片的剛度、吸聲材料的飛散、耐候性、使用壽命、防腐等因素，消聲片外表面采用鋁板制作。方案3雖然能夠獲得良好的降噪效果，但一次性成本較高。

此外，冷卻塔內(nèi)氣-水兩相間的傳熱傳質(zhì)極易受到環(huán)境側(cè)風(fēng)、空氣溫度及濕度的影響。方案3中新建消聲通道和原有聲屏障相結(jié)合的降噪措施，可能會(huì)造成對(duì)塔內(nèi)外空氣動(dòng)力場(chǎng)影響，流場(chǎng)的改變直接影響塔內(nèi)氣水比分布，降低了氣-水兩相間的傳熱傳質(zhì)強(qiáng)度，特別是填料區(qū)內(nèi)的傳質(zhì)傳熱強(qiáng)度，會(huì)對(duì)電站熱力系統(tǒng)的高效、節(jié)能運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié)論

根據(jù)上述降噪治理方案的對(duì)比分析，綜合考慮降噪量和成本投資因素，推薦采用將原有直線形聲屏障加高設(shè)計(jì)，并對(duì)內(nèi)側(cè)進(jìn)行吸聲處理的技術(shù)方案(方案2)。該方案能夠使南側(cè)廠界環(huán)境噪聲達(dá)到《噪聲標(biāo)準(zhǔn)》2類標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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