特高壓換流站噪聲控制設(shè)計(jì)研究

魯 偉，高 湛，張 華，關(guān)林坤

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

0 引言

1997年3月，《中華人民共和國(guó)環(huán)境噪聲污染防治法》正式施行，這對(duì)工程設(shè)計(jì)和建設(shè)等方面提出了更為嚴(yán)格的要求。2008年10月，GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》和GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》正式施行，為換流站和變電站的廠界噪聲排放限值和聲環(huán)境評(píng)價(jià)提出了具體要求[1-2]。

在我國(guó)建成投運(yùn)的±500 kV換流站工程中，各種電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲會(huì)導(dǎo)致廠界及站區(qū)周圍環(huán)境噪聲水平增高，有的工程因噪聲超標(biāo)對(duì)站區(qū)附近居民造成了干擾。然而，這種噪聲超標(biāo)后再進(jìn)行治理的工程，限制條件較多、治理難度較大、治理費(fèi)用較高。

相比于±500 kV換流站工程，±800 kV特高壓換流站工程設(shè)備的電壓等級(jí)更高、額定電流更大、幾何高度更高，導(dǎo)致設(shè)備本體噪聲更大、傳播范圍更廣、噪聲影響更顯著。因此，在特高壓換流站工程建設(shè)初期開(kāi)展噪聲分析和控制研究工作顯得尤為重要,該工作有利于降低噪聲治理的難度、減小投資、獲得最佳的治理效果，做到經(jīng)濟(jì)建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)環(huán)境高水平保護(hù)的和諧統(tǒng)一。

1 特高壓換流站噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)

特高壓換流站進(jìn)行噪聲分析和控制方案設(shè)計(jì)前，需要先明確相應(yīng)的噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于已獲得環(huán)評(píng)批復(fù)文件的工程，應(yīng)按批復(fù)的噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。對(duì)于尚未獲得環(huán)評(píng)批復(fù)文件的新建工程，噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)可參考環(huán)評(píng)報(bào)告的建議。對(duì)于尚未獲得環(huán)評(píng)批復(fù)文件的擴(kuò)建工程，可參考前期工程環(huán)評(píng)批復(fù)文件或本期擴(kuò)建工程環(huán)評(píng)報(bào)告的建議執(zhí)行。

若無(wú)環(huán)評(píng)報(bào)告，廠界噪聲可暫執(zhí)行GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》2類標(biāo)準(zhǔn)(白天60dB(A)，晚上50dB(A))；站外聲環(huán)境噪聲可暫執(zhí)行GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》2類標(biāo)準(zhǔn)(白天60dB(A)，晚上50dB(A))；站外敏感點(diǎn)噪聲執(zhí)行1類標(biāo)準(zhǔn)(白天55dB(A),晚上45dB(A))。待收到環(huán)評(píng)報(bào)告或環(huán)評(píng)批復(fù)文件后，再按相關(guān)噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2 特高壓換流站噪聲控制設(shè)計(jì)流程

目前，國(guó)內(nèi)常運(yùn)用噪聲計(jì)算軟件SoundPLAN和Cadna針對(duì)特高壓換流站進(jìn)行噪聲控制設(shè)計(jì)，其主要流程為：

a.明確換流站噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)；b.建立噪聲計(jì)算模型；c.噪聲計(jì)算及廠界和敏感點(diǎn)處噪聲評(píng)價(jià)；d.噪聲控制方案設(shè)計(jì)；e.更新噪聲計(jì)算模型；f.噪聲計(jì)算及廠界和敏感點(diǎn)處噪聲評(píng)價(jià)，重復(fù)上述步驟d～f，直至滿足噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)。

由此可見(jiàn)，噪聲計(jì)算和控制方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是噪聲計(jì)算模型的建立。

2.1 地形模型的建立

在建立地形模型時(shí)，需要根據(jù)站址區(qū)域環(huán)境特征(是否有敏感點(diǎn))和環(huán)評(píng)報(bào)告確定噪聲評(píng)價(jià)范圍(一般以建設(shè)項(xiàng)目邊界向外200 m為評(píng)價(jià)范圍)[3]，從而確定地形模型的范圍。

對(duì)于位于地形平坦地區(qū)的工程，可將地形模型簡(jiǎn)化為平面，以提高計(jì)算效率、節(jié)約機(jī)時(shí)。對(duì)于位于地形起伏較大地區(qū)的工程，應(yīng)將根據(jù)勘測(cè)資料導(dǎo)入軟件建立地形模型。

2.2 幾何模型的建立

特高壓換流站的布置通常有閥廳背靠背布置和閥廳一字形布置兩種形式。在進(jìn)行總平面布置時(shí)，從噪聲控制的角度，優(yōu)化布置站內(nèi)主要噪聲源，從源頭上抑制噪聲向廠界和站外傳播，以降低噪聲控制的難度和成本[4]。

1)閥廳背靠背布置的特高壓換流站將24臺(tái)換流變壓器分成4組，每2組面對(duì)面，全部布置在閥廳之間，詳見(jiàn)圖1。閥廳背靠背布置將閥廳作為天然聲屏障，形成范圍較大的聲影區(qū)，抑制了換流變?cè)肼曄蛘就饷舾悬c(diǎn)和交流濾波器場(chǎng)方向的傳播，阻止了換流變和交流濾波器場(chǎng)設(shè)備噪聲相互疊加[5]，有效地減小了站內(nèi)噪聲對(duì)廠界和站區(qū)周圍環(huán)境的影響，降低了噪聲控制的難度；

圖1 閥廳背靠背布置

2)閥廳一字形布置的特高壓換流站將24臺(tái)換流變壓器分成4組，一字形布置，詳見(jiàn)圖2。閥廳一字形布置將閥廳作為天然聲屏障，形成范圍較大的聲影區(qū)，抑制了換流變?cè)肼曄蛑绷鲌?chǎng)及該側(cè)站外方向的傳播；

圖2 閥廳一字形布置

3)交流濾波器場(chǎng)集中布置并遠(yuǎn)離站前區(qū)，交流濾波器場(chǎng)噪聲經(jīng)過(guò)更遠(yuǎn)距離的衰減后，減小了對(duì)站前區(qū)的影響[6]。便于集中采用降噪措施，降低費(fèi)用；

4)500 kV GIS配電裝置室布置在換流站一側(cè)，作為天然聲屏障，有效地抑制噪聲向該側(cè)廠界的傳播，使該側(cè)廠界和附近敏感點(diǎn)噪聲更容易達(dá)標(biāo)。

2.3 圍墻模型的建立

設(shè)置和加高圍墻、設(shè)置圍墻上聲屏障是特高壓換流站常用的噪聲控制方案。圍墻的布置對(duì)上述措施的噪聲控制效果有著較大影響。

通常而言，特高壓換流站圍墻由總圖專業(yè)根據(jù)總平面布置確定，為減少用地、節(jié)約投資、滿足電力工程項(xiàng)目建設(shè)用地指標(biāo)要求，一般將邊坡布置在圍墻外側(cè)、圍墻靠近站內(nèi)布置。然而，位于地形起伏較大地區(qū)的工程，常常存在較高的挖方邊坡，此時(shí)若仍將挖方邊坡布置在圍墻外側(cè)(此時(shí)圍墻布置在挖方邊坡坡腳)，挖方邊坡坡頂以外區(qū)域的環(huán)境噪聲有時(shí)難以達(dá)標(biāo)。此時(shí)，宜將圍墻布置在挖方邊坡坡頂，該方案可擴(kuò)大相同高度圍墻和聲屏障的聲影區(qū)范圍、提高降噪效果。

通常而言，墻體反射損失系數(shù)為0.27、吸聲系數(shù)為0.02；隔聲屏障反射損失系數(shù)為4.0，吸聲系數(shù)為0.7。

2.4 聲源模型的建立

特高壓換流站主要噪聲源有換流變壓器及其冷卻風(fēng)扇、平波電抗器、橋臂電抗器、交流濾波電抗器和電容器、直流濾波電抗器和電容器、閉式冷卻塔、空冷器、調(diào)相機(jī)變壓器等[7-8]。

在可研和初步設(shè)計(jì)階段，相關(guān)設(shè)備并未招標(biāo)，此時(shí)聲源模型的建立可根據(jù)DL/T 5526—2017《換流站噪聲控制設(shè)計(jì)規(guī)程》[9]和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)預(yù)估設(shè)備噪聲水平作為計(jì)算輸入。需要注意的是，工藝專業(yè)在編寫(xiě)技術(shù)規(guī)范書(shū)時(shí)，設(shè)備的噪聲水平要求不宜高于噪聲計(jì)算的輸入，否則應(yīng)按技術(shù)規(guī)范書(shū)的要求重新復(fù)核噪聲控制方案。

對(duì)于含遠(yuǎn)期設(shè)備設(shè)備的工程，設(shè)計(jì)本期降噪措施時(shí)，宜考慮遠(yuǎn)期設(shè)備的影響，本期建設(shè)時(shí)，對(duì)于總高度不高的圍墻或聲屏障可一次性建成，對(duì)于總高度較高的區(qū)域，在本期噪聲達(dá)標(biāo)的前提下建設(shè)框架圍墻并預(yù)留遠(yuǎn)期加設(shè)聲屏障的條件。

3 ±1 100 kV古泉換流站噪聲計(jì)算

±1 100 kV古泉換流站是國(guó)家電網(wǎng)公司構(gòu)建“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”、建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的創(chuàng)新引領(lǐng)工程的重要組成部分，是目前世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大、送電距離最遠(yuǎn)、技術(shù)水平最高的特高壓直流輸電工程。

根據(jù)國(guó)家環(huán)保部關(guān)于±1 100 kV古泉換流站的環(huán)評(píng)批復(fù)文件[10]，±1 100 kV古泉換流站廠界噪聲應(yīng)符合GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》2類標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)確保換流站周圍居民區(qū)噪聲符合GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》相應(yīng)功能區(qū)要求。由于換流站設(shè)備晝間和夜間發(fā)出的噪聲聲級(jí)相同，因此換流站廠界環(huán)境噪聲限值白天、晚上均按50dB(A)控制?！? 100 kV古泉換流站總平面布置及周圍敏感點(diǎn)分布詳見(jiàn)圖3。

圖3 站總平面布置及周圍敏感點(diǎn)分布圖

3.1 設(shè)備噪聲源及主要建筑物高度

設(shè)備噪聲源及主要建筑物高度詳見(jiàn)表1和表2。

表1 設(shè)備噪聲源聲功率級(jí)及高度

表2 主要建筑物高度

3.2 不采取降噪措施時(shí)的噪聲計(jì)算

用噪聲預(yù)測(cè)軟件SoundPLAN對(duì)±1 100 kV古泉換流站進(jìn)行噪聲計(jì)算，首先計(jì)算不采取任何降噪措施時(shí)的噪聲分布，詳見(jiàn)圖4。

圖4 未采取降噪措施時(shí)噪聲分布圖

由圖4可知，廠界噪聲最大為66～68dB(A)，超過(guò)GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》2類夜間50dB(A)的限值標(biāo)準(zhǔn)；廠界外噪聲超過(guò)GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》2類夜間50dB(A)的限值標(biāo)準(zhǔn)；交流濾波器場(chǎng)附近的噪聲基本在70～72dB(A)左右，直流場(chǎng)附近噪聲在64～66dB(A)左右；而最嚴(yán)重的換流變壓器附近區(qū)域的噪聲超過(guò)了80dB(A)，綜合樓附近噪聲最大達(dá)到70～72dB(A)。如不采取降噪措施，其噪聲對(duì)站內(nèi)運(yùn)行人員和周圍環(huán)境影響都較大。

3.3 僅設(shè)置BOX-IN時(shí)的噪聲計(jì)算

由于±1 100 kV古泉換流站處于2類環(huán)境地區(qū)，且噪聲敏感點(diǎn)離廠界較近，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)±800 kV及以上換流變需采取設(shè)置BOX-IN(隔聲量20dB(A))的方式，即采用可拆卸式和帶有通風(fēng)散熱消聲器的隔音室把換流變壓器本體封閉起來(lái)，冷卻風(fēng)扇放在隔音室外面，可有效控制換流變?cè)肼暤膫鞑ァ?/p>

由圖5可知，±1 100 kV古泉換流站換流變壓器采取BOX-IN后，500 kV交流濾波組北側(cè)和東側(cè)附近部分廠界噪聲為54～56dB(A)，1 000 kV交流濾波組北側(cè)及站址東側(cè)附近部分廠界噪聲為56～58dB(A),均超過(guò)了《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》2類夜間50dB(A)的限值標(biāo)準(zhǔn)。因此僅對(duì)換流變采取BOX-IN降噪措施還不能滿足±1 100 kV古泉換流站噪聲達(dá)標(biāo)的要求。

圖5 僅設(shè)置BOX-IN時(shí)噪聲分布圖

3.4 設(shè)置BOX-IN和隔聲屏障時(shí)的噪聲計(jì)算

為了使廠界和周圍環(huán)境噪聲達(dá)標(biāo)，并盡量減小站內(nèi)噪聲，在換流變?cè)O(shè)置BOX-IN的同時(shí)，還需要從控制傳播途徑上采取進(jìn)一步的降噪措施。在廠界超標(biāo)的區(qū)域加高圍墻和聲屏障，降噪措施詳見(jiàn)圖6。采取該降噪措施后的噪聲分布見(jiàn)圖7。

圖6 降噪措施示意圖

圖7 采取降噪措施后的噪聲分布圖

由圖7可知，±1 100 kV古泉換流站采取上述降噪措施后，廠界和周圍環(huán)境噪聲噪聲低于50dB(A)，滿足《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》和《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》2類夜間50dB(A)限值的要求。

4 ±1 100 kV古泉換流站噪聲計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比

4.1 噪聲實(shí)測(cè)工況

2019年10月，對(duì)±1 100 kV古泉換流站廠界噪聲進(jìn)行實(shí)測(cè)，噪聲接收點(diǎn)布置詳見(jiàn)圖8。測(cè)試當(dāng)天的運(yùn)行工況為：雙極四換流器大地回線方式運(yùn)行，輸送功率 4 000 MW。1 000 kV 交流系統(tǒng)：所有開(kāi)關(guān)運(yùn)行、兩條交流出線運(yùn)行；1 000 kV 交 流 濾 波 器 ：T614、T615、T621、T626交流濾波器運(yùn)行；其余交流濾波器熱備用；500 kV交流系統(tǒng)：所有開(kāi)關(guān)運(yùn)行、六條交流出線運(yùn)行；500 kV交流濾波器：5632、5633、5651、5652交流濾波器運(yùn)行；其余交流濾波器熱備用。24臺(tái)換流變壓器全部投運(yùn)，其BOX-IN的頂板和端板未安裝。

圖8 ±1 100 kV古泉換流站噪聲接收點(diǎn)布置圖

4.2 噪聲計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比

根據(jù)實(shí)測(cè)時(shí)的工況，建立相應(yīng)的噪聲計(jì)算模型，模型中僅包含實(shí)際投運(yùn)的主要設(shè)備(24臺(tái)換流變壓器、BOX-IN的頂板和端板未安裝、8組交流濾波器)，其余未投運(yùn)的交流濾波器組和設(shè)備不予考慮。

表3中的對(duì)比結(jié)果表明，站區(qū)大部分接收點(diǎn)處噪聲計(jì)算值大于實(shí)測(cè)值，部分接收點(diǎn)處噪聲計(jì)算值小于實(shí)測(cè)值，其可能的原因：計(jì)算軟件的誤差；計(jì)算與實(shí)測(cè)兩種情況下接收點(diǎn)的定位存在一定的誤差；實(shí)測(cè)包含一定的背景噪聲和其他因素的干擾等。

表3 噪聲接收點(diǎn)處聲壓級(jí)dB(A)

綜合對(duì)比結(jié)果，噪聲計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的噪聲分布和傳播趨勢(shì)基本一致。在一段區(qū)域內(nèi)，最大噪聲計(jì)算值不小于實(shí)測(cè)值，因此，針對(duì)特高壓換流站進(jìn)行噪聲計(jì)算和噪聲控制方案設(shè)計(jì)時(shí)，宜根據(jù)噪聲區(qū)域分布情況，在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)：即在區(qū)域內(nèi)以噪聲計(jì)算的峰值不超過(guò)噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)作為噪聲控制方案的設(shè)計(jì)依據(jù)。

5 結(jié)論

1)本文結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了特高壓換流站噪聲分析流程。

按照本文總結(jié)的噪聲分析流程，以±1 100 kV古泉換流站為工程背景，通過(guò)SoundPLAN軟件進(jìn)行噪聲計(jì)算，并結(jié)合廠界噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

噪聲計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的噪聲分布和傳播趨勢(shì)基本一致。在一段區(qū)域內(nèi)，最大噪聲計(jì)算值不小于實(shí)測(cè)值，根據(jù)噪聲計(jì)算結(jié)果進(jìn)行噪聲控制方案設(shè)計(jì)時(shí)，宜根據(jù)噪聲區(qū)域分布情況，在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。