燃煤電廠聲學(xué)模型搭建方法研究與應(yīng)用

劉大鵬，蘇宏兵,，蔣從雙，王熙偉

（1.上海新華凈環(huán)保工程有限公司，上海 200438；2.北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054；3.清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084）

1 引言

近年來，工業(yè)企業(yè)引起的噪聲污染問題已引起民眾及環(huán)保部門的關(guān)注，工業(yè)企業(yè)噪聲控制的方法措施多種多樣。工業(yè)企業(yè)引起的噪聲污染問題與其他噪聲污染問題的不同之處在于工礦企業(yè)的噪聲源數(shù)量及種類繁多，聲源空間位置復(fù)雜，環(huán)境影響因素多變。因而對(duì)工礦企業(yè)的聲場(chǎng)分析、聲波的傳播規(guī)律分析、聲源貢獻(xiàn)量的計(jì)算、聲源控制目標(biāo)值的確定以及對(duì)合理選擇噪聲綜合治理方案帶來較大的困難。對(duì)于大型工業(yè)項(xiàng)目，無法依靠簡單的手工模擬計(jì)算進(jìn)行精準(zhǔn)的噪聲源分析，需要采取計(jì)算機(jī)聲學(xué)模擬軟件進(jìn)行輔助計(jì)算與設(shè)計(jì)。

現(xiàn)代電廠主要包括燃煤電廠、燃?xì)怆姀S、垃圾焚燒電廠、風(fēng)電廠和核電廠。前兩者因與居民區(qū)較近，對(duì)周邊居民的影響較大，其主要的噪聲源包括主廠房、鍋爐、一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、變壓器、冷卻塔、輸送線及各類泵等。本文以兩個(gè)大型燃煤電廠為例，介紹其聲學(xué)模型的搭建方法及成果。這兩個(gè)電廠的內(nèi)部建筑及周邊敏感建筑、地形地貌都很復(fù)雜，噪聲源分布和噪聲傳播途徑也極為復(fù)雜，因而聲學(xué)建模及分析存在一定的難度。

1.1 項(xiàng)目實(shí)例一

某燃煤電廠的廠區(qū)狹長，南北寬約260m，東西長約1070m，海拔高度約1500m，四周為相對(duì)高差200m以下的山地，是典型的坑口電站（見圖1）。該燃煤電廠原有5×200MW超高壓燃煤發(fā)電機(jī)組，后改為2×600MW發(fā)電機(jī)組。

圖1 某燃煤電廠實(shí)景

1.2 項(xiàng)目實(shí)例二

貴州省某燃煤電廠位于盤江礦區(qū)北部（見圖2），設(shè)有3臺(tái)20萬kW超高壓機(jī)組，總裝機(jī)容量600MW。是“西電東送”的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。

圖2 貴州某燃煤電廠實(shí)景

2 聲源識(shí)別

燃煤電廠的主要噪聲源包括主廠房（汽機(jī)房、除氧間和煤倉間）、鍋爐、一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、自然通風(fēng)冷卻塔、機(jī)力通風(fēng)冷卻塔、變壓器、空壓機(jī)房、脫硫吸收塔、碎煤機(jī)室、各類泵房、轉(zhuǎn)運(yùn)站與皮帶輸送廊、灰?guī)旌兔簬斓取?/p>

燃煤電廠的噪聲源設(shè)備繁多，聲源情況較復(fù)雜，噪聲源分為以下幾個(gè)主要區(qū)域：1）主廠房區(qū)域，包括汽機(jī)房和除氧煤倉間；2）鍋爐區(qū)域，鍋爐區(qū)域聲源、一次風(fēng)機(jī)及其管道、送風(fēng)機(jī)及其管道、引風(fēng)機(jī)及其管道等；3）冷卻塔區(qū)域，自然通風(fēng)冷卻塔、機(jī)力通風(fēng)冷卻塔；4）煤輸送區(qū)域，轉(zhuǎn)運(yùn)站、輸送棧道及碎煤機(jī)室，灰?guī)斐龎m風(fēng)機(jī)排氣口；5）其他區(qū)域，變壓器，空壓站、各類泵站、石灰石破碎站等。

使用聲學(xué)軟件計(jì)算噪聲衰減時(shí)，需將聲源聲功率級(jí)頻譜作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中，聲源聲功率級(jí)頻譜主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫及類比計(jì)算得出?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法依據(jù)《聲學(xué) 聲壓法測(cè)定噪聲源聲功率級(jí)反射面上方采用包絡(luò)測(cè)量表面的簡易法》（GB/T 3768—1996）、《聲學(xué) 聲壓法測(cè)定噪聲源聲功率級(jí) 使用標(biāo)準(zhǔn)聲源簡易法》（GB/T 16538—1996）的要求，根據(jù)測(cè)得的聲壓級(jí)計(jì)算聲功率級(jí)。

2.1 廠房噪聲源

各類工業(yè)企業(yè)中有許多高噪聲設(shè)備放置在廠房內(nèi)，聲波的傳播總是受到墻壁的多次來回反射與吸收形成復(fù)雜的聲場(chǎng)。廠房內(nèi)的噪聲通過廠房結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)（如門、窗、縫隙）傳播到環(huán)境中去。因此利用軟件分析時(shí)，可將這些薄弱環(huán)節(jié)看作向外輻射噪聲的聲源而不必考慮廠房內(nèi)具體是什么設(shè)備。當(dāng)把廠房的門、窗、孔洞作為聲源，其聲功率級(jí)可由式①得出：

式中：

S—包絡(luò)面的面積，m2；

LwA—聲源的A計(jì)權(quán)聲功率級(jí)，dB（A）。

2.2 廠房外噪聲源

廠房外聲源的聲功率級(jí)主要通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試確定，根據(jù)不同聲源應(yīng)用不同的測(cè)量方法。各類動(dòng)力設(shè)備，機(jī)械設(shè)備，管道及風(fēng)機(jī)進(jìn)、排氣口的聲功率級(jí)根據(jù)《聲學(xué)聲壓法測(cè)定噪聲源聲功率級(jí)反射面上方采用包絡(luò)測(cè)量表面的簡易法》（GB/T 3768—2017/ISO 3746:2010）測(cè)量和計(jì)算，計(jì)算公式同式①[1]。

小型設(shè)備包絡(luò)面示意見圖3；小型設(shè)備半球包絡(luò)面示意見圖4。

圖3 小型設(shè)備包絡(luò)面示意圖

圖4 小型設(shè)備半球包絡(luò)面示意圖

3 計(jì)算機(jī)模型搭建

目前，常用的噪聲預(yù)測(cè)軟件有丹麥Bruel&Kjaer公司的Lima、德國Datakustik公司的Cadna/A以及德國Braunstein+Berndt GmbH公司的SoundPLAN等，其平臺(tái)架構(gòu)、操作界面各有千秋。本文采用SoundPLAN軟件。

3.1 SoundPLAN軟件介紹

SoundPLAN軟件采用聲線追蹤法和鏡像虛聲源法進(jìn)行計(jì)算。SoundPLAN軟件中室外聲場(chǎng)的模擬是基于ISO 9613—1:1993《聲學(xué)戶外聲傳播衰減第l部分：大氣聲吸收的計(jì)算方法》和ISO 9613.2《聲學(xué)戶外聲傳播衰減第2部分：一般計(jì)算方法》來完成的。

3.2 準(zhǔn)確建立模型

地形的起伏變化與室外聲場(chǎng)計(jì)算有較大的關(guān)系，建模時(shí)需先將真實(shí)的地形特征輸入模型中；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及現(xiàn)有資料將建筑物及各類屏障在空間定位，準(zhǔn)確輸入建筑物的幾何參數(shù)、氣象條件、地面衰減、建筑物外表面及聲屏障的反射系數(shù)等計(jì)算噪聲衰減時(shí)所需的必要因素，確定環(huán)境敏感點(diǎn)的位置及高度，設(shè)定聲場(chǎng)計(jì)算的范圍及高度，建立工業(yè)污染源實(shí)際的三維幾何模型。

在這兩個(gè)項(xiàng)目中建立了復(fù)雜的地形模型與精確地建筑物、聲源模型，以最大限度地提高模型的準(zhǔn)確性。項(xiàng)目一的地形與建筑物模型見圖5；項(xiàng)目二的地形與建筑物模型見圖6。

圖5 項(xiàng)目一的地形與建筑物模型

圖6 項(xiàng)目二的地形與建筑物模型

3.3 聲源的識(shí)別、量化及建立

SoundPLAN軟件中聲源的類型有4種，分別是點(diǎn)聲源、線聲源、面聲源及聲源建筑。露天布置的尺寸較小的聲源一般可考慮成點(diǎn)聲源，例如主廠房屋頂排風(fēng)機(jī)、廠房軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口、灰?guī)斐龎m風(fēng)機(jī)、脫硫塔攪拌泵、水處理區(qū)循環(huán)水泵、羅茨風(fēng)機(jī)、機(jī)力通風(fēng)冷卻塔電機(jī)等；煤輸送廊及輸送管道等尺寸較長的聲源應(yīng)建為線聲源；對(duì)于面積較大且位置較高的聲源一般建成面聲源，例如冷卻塔的進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口等；聲源建筑是可以很方便地在建筑外立面及頂面建立點(diǎn)、線、面聲源的特殊建筑，最適用于模擬建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的門、窗、孔洞等的漏聲，如主廠房，各類泵房等；與大型風(fēng)機(jī)（送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)）相連接的巨大風(fēng)管也需建成聲源建筑[2]。

聲源的輸入對(duì)于預(yù)測(cè)結(jié)果有著至關(guān)重要的作用。所以無論是在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試還是僅靠工藝流程圖和設(shè)備參數(shù)表分析，都要仔細(xì)辨別，判斷聲源的各發(fā)生部位及類型，將復(fù)雜聲源拆分或簡化成多個(gè)聲源分別進(jìn)行測(cè)試和聲功率的估算。

在這兩個(gè)項(xiàng)目中，通過對(duì)各類聲源進(jìn)行分解，最終將全廠的噪聲源細(xì)化為上千個(gè)聲源模型，主要聲源建模過程如下：

（1）主廠房區(qū)域

主廠房聲學(xué)模型見圖7。

圖7 主廠房聲學(xué)模型

主廠房整體是一個(gè)巨大的聲源建筑，但由于各廠房（汽機(jī)房、除氧間及煤倉間）外形不同，可將主廠房分解為幾個(gè)聲源建筑：1）將主廠房各方向的墻體都建為面聲源，由于廠房各層、各方向的墻體構(gòu)造不一樣，輻射出來的聲音強(qiáng)度也不一樣，因此模型根據(jù)不同層高、不同方向的墻體的差異而設(shè)置成不同的面聲源，分別賦予不同的聲源強(qiáng)度；2）由于廠房距離敏感點(diǎn)的位置很近，側(cè)墻上的門、窗、進(jìn)風(fēng)口必須按照面聲源考慮，其聲源強(qiáng)度分別按照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行推算。

（2）鍋爐區(qū)域

鍋爐區(qū)域聲學(xué)模型見圖8。

圖8 鍋爐區(qū)域聲學(xué)模型

鍋爐本體的噪聲較小，但其是一個(gè)巨大的屏障，建模時(shí)可將其建為一個(gè)懸浮體，但為其工作的吹灰裝置的噪聲非常強(qiáng)烈，需作為點(diǎn)聲源建立；一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)機(jī)殼及電機(jī)由于體積大，不能按點(diǎn)聲源考慮，需建成聲源建筑，每一面均向外輻射噪聲；一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)的管道的幾何尺寸較大，如建成線聲源其計(jì)算結(jié)果不能代表真實(shí)情況，也需按聲源建筑建立；其他一些體積較小的風(fēng)機(jī)及其排氣口由于距離敏感點(diǎn)位置較遠(yuǎn)，則可以按照點(diǎn)聲源考慮。

（3）冷卻塔區(qū)域

自然通風(fēng)冷卻塔模型見圖9。

圖9 自然通風(fēng)冷卻塔模型

首先搭建自然通風(fēng)冷卻塔的建筑模型，然后將淋水位置建立一圈聲源建筑，把建筑的側(cè)面當(dāng)作面源并輸入通過測(cè)試計(jì)算得出的聲功率級(jí)；機(jī)力通風(fēng)冷卻塔由冷卻塔的本體及排風(fēng)機(jī)組成，建模時(shí)可將冷卻塔本體及每個(gè)排風(fēng)機(jī)當(dāng)作個(gè)體，組合成機(jī)力通風(fēng)冷卻塔。為方便進(jìn)行噪聲分析和后期制定噪聲控制方案，需將冷卻塔聲源劃分為數(shù)十個(gè)小面源進(jìn)行處理和分析。

3.4 全廠模型搭建結(jié)果

燃煤電廠三維聲源模型見圖10。

圖10 燃煤電廠三維聲源模型

燃煤電廠局部（放大）聲學(xué)模型見圖11。

圖11 燃煤電廠局部（放大）聲學(xué)模型

4 噪聲預(yù)測(cè)

4.1 軟件計(jì)算原理

計(jì)算的每一張?jiān)肼暤貓D都是由單個(gè)點(diǎn)的計(jì)算所組成，對(duì)于單個(gè)接收點(diǎn)來說，計(jì)算過程是非常重要的。所有源強(qiáng)在計(jì)算中都是獨(dú)立的，所有源強(qiáng)的貢獻(xiàn)值采用以②疊加得出單個(gè)接收點(diǎn)的結(jié)果：

每一個(gè)聲源貢獻(xiàn)值：

式中：

Li—接收點(diǎn)的聲壓級(jí)，dB（A）；

LW—聲源聲功率，dB（A）；

C1-C2-……Cn—不同傳播方向的系數(shù)[3]。

4.2 敏感點(diǎn)實(shí)測(cè)噪聲

測(cè)試人員夜間在廠界不同的點(diǎn)位進(jìn)行了上百組的廠界噪聲測(cè)量，測(cè)量的同時(shí)判斷每個(gè)敏感點(diǎn)噪聲的主要來源并進(jìn)行記錄，以便在后續(xù)研究中進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)于測(cè)試時(shí)間內(nèi)波動(dòng)較大的測(cè)試數(shù)據(jù)，復(fù)測(cè)一次，取兩次測(cè)試結(jié)果的平均值。

4.3 噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果

使用軟件分析每個(gè)聲源對(duì)敏感點(diǎn)的貢獻(xiàn)值，分析結(jié)果中已包含了建筑物、設(shè)備的屏障作用和反射作用，氣象條件，地形、地勢(shì)和地面的影響。

4.4 預(yù)測(cè)結(jié)果與分析

（1）項(xiàng)目一的預(yù)測(cè)結(jié)果及分析

項(xiàng)目一的全廠總平面圖與噪聲測(cè)點(diǎn)分布圖見圖12；相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與軟件模擬預(yù)測(cè)值見表1；兩者的對(duì)比曲線見圖13；全廠的噪聲分布見圖14。

表1 項(xiàng)目一預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值誤差 單位：dB（A）

圖12 項(xiàng)目一的噪聲實(shí)測(cè)點(diǎn)分布圖

圖13 項(xiàng)目一的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比曲線圖

圖14 項(xiàng)目一的全廠噪聲分布圖

根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的平均絕對(duì)誤差約為2.0dB（A），兩者能很好地吻合，說明模型建立的準(zhǔn)確可靠，能真實(shí)準(zhǔn)確地反映出電廠噪聲分布的實(shí)際情況，可為進(jìn)一步的噪聲分析和制定降噪措施提供堅(jiān)實(shí)的依據(jù)。

（2）項(xiàng)目二的預(yù)測(cè)結(jié)果及分析

項(xiàng)目二在建模時(shí)將噪聲源細(xì)分為1467個(gè)，使用軟件分析了每個(gè)聲源對(duì)敏感點(diǎn)的貢獻(xiàn)值，分析結(jié)果已包含了建筑物、設(shè)備的屏障作用和反射作用，氣象條件，地形、地勢(shì)和地面的影響。

項(xiàng)目二的全廠總平面圖與噪聲測(cè)點(diǎn)分布見圖15；相應(yīng)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與軟件模擬預(yù)測(cè)值見表2；兩者對(duì)比曲線見圖16；全廠的噪聲分布見圖17。

表2 項(xiàng)目二預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值誤差 單位：dB（A）

圖15 項(xiàng)目二的噪聲實(shí)測(cè)點(diǎn)分布圖

圖16 項(xiàng)目二的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比曲線圖

圖17 項(xiàng)目二的全廠噪聲分布圖

項(xiàng)目二由于測(cè)試條件的限制，只能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量部分廠界的噪聲數(shù)值，從預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比來看，差值＜3.0dB（A），兩者能很好地吻合，說明模型建立的準(zhǔn)確可靠，能真實(shí)準(zhǔn)確反映出燃煤電廠噪聲分布的實(shí)際情況，可為下一步的噪聲分析和制定降噪措施提供依據(jù)。

5 結(jié)論

通過對(duì)2個(gè)大型燃煤電廠的工程實(shí)例論述以及正確使用聲學(xué)預(yù)測(cè)軟件，可以最大程度地模擬環(huán)境中的各種影響聲波衰減的因素，將實(shí)際聲環(huán)境轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算效率也提高了聲學(xué)模擬計(jì)算的速度，提高了工作效率，為大型工業(yè)噪聲的治理方案提供輔助設(shè)計(jì)。