電廠直接空冷系統(tǒng)噪聲污染及控制研究與實(shí)踐

馮建華

（華能太原東山燃機(jī)熱電有限責(zé)任公司，太原 030002）

空冷平臺是我國北方發(fā)電廠經(jīng)常用的一種節(jié)水空氣冷凝器機(jī)組，是國家及電力部門推薦的大型冷卻設(shè)備。直接空冷設(shè)備大大降低了電廠用水量，相對于水冷系統(tǒng)可節(jié)水75%以上，非常適合于“富煤缺水”的地區(qū)。

我國西北、華北的產(chǎn)煤大省都屬于干旱或半干旱地區(qū)，非常適合于使用直接空冷的冷卻裝置。

空冷平臺通常由數(shù)十臺大直徑的風(fēng)機(jī)組成，其體量非常巨大，而且空冷平臺風(fēng)機(jī)群位于約40 m高空中，風(fēng)機(jī)群產(chǎn)生的噪聲呈高空立體分布，對廠區(qū)和周邊環(huán)境會(huì)產(chǎn)生非常大的影響。

本文介紹了空冷平臺噪聲污染的相關(guān)研究，并以華能太原東山燃?xì)怆姀S空冷平臺為例，介紹空冷平臺的降噪設(shè)計(jì)研究及其實(shí)踐成果。

1 空冷平臺噪聲源特點(diǎn)

為了更好了解空冷平臺噪聲源特點(diǎn)，對山西臨汾熱電廠2×300 MW熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的空冷平臺進(jìn)行噪聲實(shí)測。該電廠空冷平臺共60臺風(fēng)機(jī)，采用12×5排列，單臺風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量為553 m3/s，靜壓為84.6 Pa，風(fēng)機(jī)直徑為9.75 m，轉(zhuǎn)速為75 r/min，電機(jī)功率為132 kw，單臺風(fēng)機(jī)單元尺寸為12.1 m×11.3 m?？绽淦脚_全景如圖1所示。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，空冷平臺單臺風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處噪聲值為74 dB(A)～77 dB(A)，測距為進(jìn)風(fēng)口斜下方45°1.5 m，噪聲頻譜如圖2所示，噪聲聲壓級隨頻率的增加而降低，具有較明顯的低頻特征。

同時(shí)測試了空冷平臺整體噪聲衰減特性，測試時(shí)共30臺風(fēng)機(jī)（6×5布置）同時(shí)開啟，測點(diǎn)從空冷平臺邊緣中心0 m處開始布置，一直到距離空冷平臺250 m處，噪聲衰減曲線見圖3所示。

圖1 臨汾電廠空冷平臺照片

圖2 空冷平臺風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口噪聲頻譜曲線

圖3 空冷平臺噪聲衰減曲線

根據(jù)測試可發(fā)現(xiàn)，由于空冷平臺體型巨大，因此噪聲隨著距離的衰減非常緩慢。

2 空冷平臺的降噪難點(diǎn)

空冷平臺通常都是由數(shù)十臺空冷風(fēng)機(jī)組成，其聲源長寬的尺度均超過百米，聲源面積超過上萬平方米，屬于非常罕見的巨大聲源。且由于空冷平臺通常都位于40多米的高空之中，聲源向外傳播幾乎不受任何遮擋，影響范圍很大。聲源體型巨大、安裝位置高，對消聲器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求，增加了消聲設(shè)計(jì)的難度。

空冷平臺由眾多大風(fēng)量、低壓頭的軸流風(fēng)機(jī)組成，平臺自身流場復(fù)雜而敏感，降噪設(shè)計(jì)不僅要考慮消聲裝置對單臺風(fēng)機(jī)的影響，還要顧及整個(gè)平臺多臺風(fēng)機(jī)之間的風(fēng)量分配和平衡問題。

空冷平臺降噪設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮空氣動(dòng)力性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、聲學(xué)性能等多種因素。

3 華能太原東山燃?xì)怆姀S空冷平臺概況

華能太原東山燃?xì)怆姀S859 MW大型空冷平臺位于主廠房南側(cè)，距南廠界約17 m，距東側(cè)敏感點(diǎn)居民住宅約為90 m。南側(cè)廠界執(zhí)行《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》4a類聲功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)；北廠界、西廠界和東廠界執(zhí)行《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》2類區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，東廠界的敏感點(diǎn)居民住宅處執(zhí)行《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》2類區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。

空冷平臺長97.4 m，寬47.8 m，頂柱高度為34 m，共有32臺風(fēng)機(jī)，4（垂直于A列方向）×8（平行于A列方向）布置。單臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為544 m3/s，單臺風(fēng)機(jī)電機(jī)額定功率為160 kW，聲功率級≤91 dB(A)，風(fēng)機(jī)直徑約9 m，風(fēng)機(jī)單元尺寸為12.0 m×11.6 m。

根據(jù)專業(yè)聲學(xué)計(jì)算，為達(dá)到廠界噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)，空冷平臺需采取整體降噪措施，整體降噪量≥12dB(A)；為保證通風(fēng)冷卻效率，要求降噪措施的附加阻力損失≤12 Pa。

4 空冷平臺降噪方案

4.1 空冷平臺下設(shè)置消聲器

在空冷平臺下方設(shè)置的陣列式消聲器由12 700個(gè)消聲單元組成，消聲單元外形尺寸為230 mm×230 mm×2 500 mm，間距為200 mm～280 mm，按陣列的方式布置，通過合理設(shè)置消聲單元的截面尺寸、長度、數(shù)量和間距來滿足消聲和氣流阻力損失兩方面的要求[1]。

陣列式消聲器是在傳統(tǒng)片式消聲器基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新型消聲器[2–3]，在原理上兩者都屬于典型的阻性消聲器，兩種消聲器的截面構(gòu)造見圖4所示。

圖4 片式消聲器（左）與陣列式消聲器（右）截面對比圖

陣列式消聲器相比傳統(tǒng)阻性片式消聲器的優(yōu)勢在于氣流可以在水平橫向及垂直縱向4個(gè)方向流動(dòng)，能夠更好地與軸流風(fēng)機(jī)的螺旋狀氣流走向達(dá)成“自適應(yīng)”地匹配，能更好地順應(yīng)風(fēng)機(jī)群復(fù)雜多變的氣流組織走向，因而在風(fēng)冷平臺的特定對象條件下比傳統(tǒng)的片式消聲器具有更小的阻力損失，對應(yīng)的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)日常運(yùn)行的能耗損失也就更小。

陣列式消聲器技術(shù)已入選了《國家先進(jìn)污染防治示范技術(shù)名錄》和《國家鼓勵(lì)發(fā)展的環(huán)境保護(hù)技術(shù)名錄》。圖5為典型陣列式消聲器照片。

圖5 典型陣列式消聲器照片

4.2 降噪措施中的空氣動(dòng)力性能優(yōu)化

空冷平臺不同風(fēng)機(jī)之間進(jìn)風(fēng)的平衡性是一個(gè)很重要的問題，設(shè)計(jì)應(yīng)盡量保證各風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量基本一致。相對而言，位于空冷平臺四周的風(fēng)機(jī)容易進(jìn)風(fēng)，位于中間的風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)條件比較差，空冷平臺1/4模型流場模擬流線如圖6所示。

圖6 空冷平臺1/4模型流場模擬流線圖

因此，考慮到進(jìn)風(fēng)平衡性，同時(shí)也考慮到位于中間的風(fēng)機(jī)距離廠界更遠(yuǎn)，噪聲距離衰減也更大，因此設(shè)計(jì)對進(jìn)風(fēng)陣列式消聲器進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化：四周的風(fēng)機(jī)對應(yīng)的陣列式消聲器消聲量設(shè)計(jì)為12 dB（A），中部風(fēng)機(jī)的消聲器設(shè)計(jì)消聲量為9 dB（A），中部陣列式消聲器的阻力損失小于四周的陣列式消聲器，以有利于中間風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)，讓空冷平臺整體進(jìn)風(fēng)更均勻。陣列式消聲器的布置見圖7。

設(shè)計(jì)中對安裝陣列式消聲器后的空冷平臺流場采用ANSYS流體模塊Fluent進(jìn)行了CFD模擬計(jì)算分析，其流線見圖8。

切面溫度分布圖見圖9[4]。根據(jù)模擬結(jié)果，陣列式消聲器對空冷平臺整體的流場、壓力場、溫度場等影響不明顯，但對消聲器附近以及風(fēng)機(jī)下方的流場有較明顯的影響，氣流通過消聲器陣列被整理成從下往上的流動(dòng)，流線分布較整齊，減少了風(fēng)機(jī)側(cè)方向進(jìn)風(fēng)氣流。

圖8 設(shè)置消聲器后空冷平臺流場模擬流線圖

圖9 設(shè)置消聲器后空冷平臺切面溫度圖

空冷平臺本身受環(huán)境風(fēng)影響較為明顯，增加消聲器陣列相當(dāng)于在風(fēng)機(jī)下端增加了導(dǎo)流整流裝置，對風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口流場進(jìn)行合理調(diào)整，部分弱化了環(huán)境風(fēng)引起的局部渦流效應(yīng)；由于對氣流的阻擋作用，消聲器仍對整個(gè)平臺的壓力和流量造成了一定損失，但損失程度非常小。根據(jù)仿真計(jì)算，增加自整流裝置后，空冷平臺流量約降低5%。

4.3 空冷平臺下方增加風(fēng)導(dǎo)流消聲結(jié)構(gòu)

為了盡量增加進(jìn)風(fēng)面積，除了在空冷平臺底部安裝進(jìn)風(fēng)陣列式消聲器之外，在四周側(cè)面設(shè)置擋風(fēng)墻和消聲百葉，盡量改善空冷平臺的進(jìn)風(fēng)條件?？绽淦脚_西側(cè)由于面向廠區(qū)內(nèi)部，因此不采取措施，敞開通風(fēng)[1]。

空冷平臺的擋風(fēng)墻與消聲百葉見圖10。

5 空冷平臺的降噪效果

圖10 空冷平臺擋風(fēng)墻與消聲百葉效果圖

根據(jù)空冷平臺噪聲源特性、安裝位置、距廠界敏感目標(biāo)的距離等，采用SOUND PLAN聲學(xué)模擬軟件計(jì)算，繪制如圖11所示的空冷平臺對全廠產(chǎn)生的噪聲污染分布圖。由圖11可以看出，空冷平臺產(chǎn)生的噪聲污染主要對東南側(cè)敏感點(diǎn)影響較大，未采取噪聲治理措施前，東廠界處和最近居民住宅處噪聲級最高達(dá)到65 dB（A）。

圖11 采取措施前空冷平臺噪聲分布圖

圖12為采取措施后空冷平臺的噪聲分布圖。根據(jù)計(jì)算采取降噪措施后，東廠界和東南側(cè)敏感點(diǎn)居民住宅處的噪聲級由65 dB（A）降到50 dB（A），滿足設(shè)計(jì)預(yù)期的降噪要求。

6 節(jié)能效果

節(jié)能效益的評價(jià)方法采用對比法，即將常規(guī)阻性片式消聲器與陣列式消聲器進(jìn)行對比。根據(jù)計(jì)算，常規(guī)阻性片式消聲器阻力比陣列式消聲器高13 Pa。

圖12 采取措施后空冷平臺噪聲分布圖

空冷設(shè)備利用小時(shí)約為4 000小時(shí)/年，根據(jù)風(fēng)機(jī)電機(jī)功率進(jìn)行計(jì)算，則全年可節(jié)省的電量為2 033 778 kW·h，即采用陣列式消聲器比傳統(tǒng)的阻性片式消聲器一年可節(jié)省電量為203萬kW·h。

圖13為竣工后空冷平臺陣列式消聲器照片。

圖13 竣工后空冷平臺陣列式消聲器照片

7 結(jié)語

本項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)由山西省電力勘測設(shè)計(jì)院完成，整體降噪設(shè)計(jì)及供貨由上海新華凈環(huán)保工程有限公司負(fù)責(zé)，由中國能建天津電力建設(shè)公司施工。2015年竣工且竣工后進(jìn)行了環(huán)保驗(yàn)收測試，測試結(jié)果表明空冷平臺陣列式消聲器完全達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，降噪效果顯著。

由于空冷平臺體積巨大，流場復(fù)雜，現(xiàn)場無法進(jìn)行阻力損失實(shí)測，無法進(jìn)行直接評估。但截止目前，電廠已經(jīng)正式投入商業(yè)運(yùn)行近3年，空冷平臺整體性能良好，冷卻效率未受降噪措施的影響，實(shí)踐證明降噪措施的空氣動(dòng)力性能良好，對空冷平臺性能未產(chǎn)生顯著影響。

由于空冷平臺陣列式消聲器體現(xiàn)出的優(yōu)異性能，本項(xiàng)目的空冷平臺陣列式消聲器降噪技術(shù)獲得2015年度電力建設(shè)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng)，全廠項(xiàng)目榮獲2016－2017年度國家優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng)。

連續(xù)多年的運(yùn)行證明了陣列式消聲器在大型空冷平臺上的應(yīng)用是成功的，其在聲學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)方面的設(shè)計(jì)是合理的，可在同類項(xiàng)目中推廣使用。

陣列式消聲器較好地解決了常規(guī)阻性消聲器在有效通流面積、消聲量、壓力損失3個(gè)參量相互影響的問題，同時(shí)也解決了該超大型消聲器運(yùn)輸、吊裝、維修的難題，并且給風(fēng)機(jī)檢修帶來了便利，具有良好的綜合性能和推廣應(yīng)用前景。