火電廠自然通風冷卻塔噪聲治理研究

馬琪順，鄢曉忠，林日成，何 旭，吳愛軍，陳紹龍

（1.長沙理工大學 能源與動力工程學院,長沙 410114；2.國電湖南寶慶煤電有限公司,湖南 邵陽 422000）

火電廠的雙曲線自然通風冷卻塔在運行時所產(chǎn)生的噪聲是火電機組高噪聲聲源之一[1]，此噪聲具有噪聲頻率范圍較寬、噪聲持久、傳播空間廣等特點，嚴重影響了廠界周圍居民的正常生活。在雙曲線自然通風冷卻塔噪聲治理中，主要采取的是隔聲和消聲的方法，倪季良[2]研究了一種新開發(fā)的落水降噪裝置，結果表明該裝置能有效地降低冷卻塔噪聲；曾春花[1]認為聲屏障高度高于進風口高度1.2 倍，能使聲屏障取得更好的降噪效果。在雙曲線自然通風冷卻塔噪聲預測的研究中，熊宏亮[3]針對不同布置形式的聲屏障，使用Sound PLAN 軟件分別進行預測分析，提出了最優(yōu)方案；呂璇等[4]運用Cadna/A軟件得出了冷卻塔在聲屏障實施前后周圍的聲壓云圖，并根據(jù)軟件模擬確定了聲屏障的最佳設置位置和高度；謝德嫦等[5]借助聲學預測軟件，研究了冷卻塔在使用消聲器前后周圍環(huán)境噪聲的變化。

以上研究大多數(shù)都是針對使用聲屏障、消聲器或者落水降噪裝置的降噪方案，然而對于落水降噪裝置聯(lián)合聲屏障降噪方案的研究比較少。而且單一的降噪措施雖然對降低冷卻塔噪聲有一定的效果，但對于聲環(huán)境要求較高的敏感點的降噪效果有限。因此本文以湖南某電廠2×660 MW火電機組配備的兩座設計淋水面積為10 000 m2的雙曲線自然通風冷卻塔為研究對象，基于其噪聲產(chǎn)生機理，及廠界和居民區(qū)敏感區(qū)域的降噪要求，研究并實施了一種落水降噪裝置和聲屏障組合的降噪技術，借助Cadna/A軟件研究了實施降噪措施前后周圍聲場環(huán)境的聲壓值分布，并將預測值和現(xiàn)場實測值進行了對比，結果表明預測值和實測值相差不大。

1 冷卻塔及其噪聲現(xiàn)狀

湖南某發(fā)電廠2×660 MW發(fā)電機組配備兩座設計淋水面積為10 000 m2的自然通風逆流濕式冷卻塔。冷卻塔呈雙曲線型，冷卻塔內填料為玻璃鋼擋水板和聚氯乙烯淋水填料。其循環(huán)水量為7.2×104m3/h，淋水密度為7.3 m3/h·m2，淋水落差為12 m，冷卻塔設計參數(shù)如表1所示。

表1 冷卻塔設計參數(shù)

兩座冷卻塔距離居民區(qū)140 m 左右。冷卻塔下部的晝間噪聲約為84 dB(A)～86 dB(A)，在距離冷卻塔140 m 的居民聚集區(qū)的晝間噪聲約為65 dB(A)。表2為《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》。

表2 工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準

根據(jù)環(huán)保要求，廠界附近噪聲值應達到表2中的第III類標準，即晝間≤65 dB（A），夜間≤55 dB（A）；距離冷卻塔140 m 的居民區(qū)噪聲值應達到表2中的第II類標準，即晝間≤60 dB（A），夜間≤50 dB（A）[6]。由于自然通風冷卻塔的運行狀況不會隨著晝夜間的交替而發(fā)生變化，因此廠界噪聲值以第III類標準中的夜間55 dB（A）為標準，居民區(qū)噪聲值以第II類標準中的夜間50 dB（A）為標準?？梢妼嶋H噪聲值均大于國家標準，對附近居民造成較大環(huán)境噪聲污染。

2 冷卻塔噪聲測量

冷卻塔噪聲主要有：循環(huán)水泵噪聲、塔體噪聲、水流噪聲和落水噪聲等，其它噪聲相比落水噪聲而言對環(huán)境的影響不大，所以落水噪聲才是自然通風逆流濕式冷卻塔的主要噪聲[7]，在機組運行過程中分別進行了冷卻塔周圍的敏感點噪聲值和冷卻塔落水噪聲源強度測量。測量采用經(jīng)校準的AWA6270+噪聲頻譜分析儀，每間隔0.1 s 便會記錄一個瞬時的A聲級，測量1 min 的等效A 聲級。測試期間，機組運行穩(wěn)定；氣象條件為無雨雪、無雷電天氣；所有被測設備均在正常運行狀態(tài)，測試時避免突發(fā)性噪聲的影響。

在進行自然通風冷卻塔的敏感點噪聲測量時，測點1～4布置在靠近自然通風冷卻塔東廠界附近，分別距離1#冷卻塔90 m、100 m、120 m、130 m，測點5 則布置于距離1#冷卻塔140 m 的居民敏感區(qū)，實測點的布置高度均為距離地面1.5 m 的高度，測點位置如圖1所示。

圖1 噪聲測點位置示意圖

落水噪聲的噪聲源為冷卻塔集水池的圓形水面，該噪聲主要是由于填料層下方的水滴在重力的作用下，其重力勢能轉變?yōu)閯幽?，撞擊到自然通風冷卻塔底部集水池所產(chǎn)生，并通過進風口向四周輻射[8]。在測量落水噪聲時，噪聲源聲強測點位于進風口底部外1 m，高度為1.5 m。分別測量工程譜測量常用的8 個頻帶中心頻率為63 Hz、125 Hz、250 Hz、500 Hz、1 kHz、2 kHz、4 kHz、8 kHz 的噪聲值，實測數(shù)據(jù)見表3。

表3 自然通風冷卻塔落水噪聲頻譜

3 計算模型及方法

Cadna/A 軟件是德國Datakusitc 公司開發(fā)的一款用于計算、顯示、評估及預測噪聲傳播的軟件，其計算原理基于ISO9613－2:1996《戶外聲傳播的衰減的計算方法》[9]。我國發(fā)布的GB/T17247.2－1998等效于ISO9613－2:1996標準，所以Cadna/A軟件的計算方法和我國噪聲傳播的計算方法是一致的[10]。本軟件被廣泛應用于工廠、公路、鐵路或者整個城市地區(qū)的噪聲預測與研究。

本研究的對象為兩座雙曲線自然通風冷卻塔、冷卻塔周圍的建筑物以及距離冷卻塔140 米的居民房。

自然通風冷卻塔的落水噪聲通過底部的進風口向周圍環(huán)境傳播，所以將冷卻塔的整個進風口簡化成聲源邊緣。利用軟件中自帶的Cylinder代替實際的自然通風冷卻塔，用工業(yè)噪聲中的豎直聲源面來模擬高度為10.8 m 的冷卻塔進風口，在軟件中的聲源輸入欄中選擇Spectrum，利用表3中的數(shù)據(jù)作為單位面積聲功率，由此模擬計算得到距離冷卻塔1 m，離地面1.5 m處的聲壓值為85.3 dB（A）。

考慮到建筑物及其高度在聲學模擬中會對聲音的傳播起到一定的阻擋作用，同時房屋的表面對聲波具有一定的反射作用，而且建筑物之間的反射會造成噪聲值偏大。因此按照建筑物和冷卻塔的結構合理的設置其高度和反射損失對噪聲的模擬很重要。該模型中由于只存在冷卻塔和建筑物，便可在該軟件中根據(jù)建造建筑物的材料來相應地設置其反射損失，具體設置如表4所示。由于冷卻塔周圍地勢有變化，非平坦地形決定了該點的地形高度對聲波有一定“阻擋”作用，根據(jù)現(xiàn)場實地觀察，地勢局部有一定的坡度，因此設置等高線的高度為2 m。采用上述數(shù)據(jù)，計算區(qū)域大小為1 000 m×500 m，按1 m×1 m大小劃分網(wǎng)格。計算中的預測點的位置與實測點的位置相同，即可通過軟件模擬計算每一個預測點的聲壓值以及離地1.5 m 高所在平面的聲壓級地圖。

表4 建筑物高度、結構和反射損失

4 計算結果及分析

按照上述模型及計算方法，計算得到冷卻塔噪聲的衰減規(guī)律，如圖2所示。預測點1～5 聲壓值如表5所示。

圖2 冷卻塔周邊區(qū)域聲地圖（治理前）

表5 預測點聲壓值/dB(A)

可見，冷卻塔的落水噪聲隨著距離的增加而衰減的特征遵循半球面波在傳播過程中隨能量分布擴大而減少的規(guī)律。面聲源聲波的減弱不會按照通常的普通聲源那樣隨距離增加而快速衰減，它具有自己的一套衰減規(guī)律[11]。面聲源聲波在傳播過程中會隨距離的增加，首先會按照“面聲源（聲壓級幾乎沒有變化）”的規(guī)律進行衰減，其次再會按照“線聲源（距離每增加一倍聲能會衰減3 dB）”的規(guī)律進行衰減，到最后才會按照“點聲源（距離每增加一倍聲能會衰減6 dB）”的規(guī)律進行衰減。即得到廠界附近預測點1～4 的聲壓值為66.4 dB（A）～69.2 dB（A），居民聚集敏感區(qū)預測點5 的聲壓值也已經(jīng)達到了65.6 dB（A），兩者分別超過了《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》的III類標準和II類標準，最大超標量已經(jīng)達到了15.6 dB（A）。

5 降噪措施及效果

5.1 冷卻塔降噪措施

噪聲的防治可以從“傳播途徑”、“噪聲源”和“噪聲接受點”三個方面入手，針對自然通風冷卻塔廠界及居民區(qū)敏感點噪聲超標問題，采用單一的降噪措施難以達到環(huán)境標準要求，因此提出了降噪網(wǎng)聯(lián)合聲屏障的噪聲治理方案，降噪網(wǎng)降噪技術直接降低塔內噪聲源強，聲屏障降噪技術則是在噪聲的傳播途徑上降低聲源的直達聲。

聲屏障降噪技術是采用直立式聲屏障方法，兩段聲屏障高度為5 m，總長度為140 m，距離冷卻塔進風口3 m，其布置方式如圖3所示。

圖3 自然通風冷卻塔聲屏障示意圖

該直立式聲屏障由鋼結構框架、密封件、屏蔽板、固定件、基礎組成，鋼結構框架采取噴塑處理，增加了其防腐性；密封件由橡膠制成，可避免噪聲從空隙漏出；屏蔽板由吸聲孔板、吸聲材料和隔聲背板組成，吸聲材料為加密玻璃吸聲棉，吸聲系數(shù)可達到0.95 以上，吸聲孔板和隔聲背板均選用鋁材，該材料本身就具有良好的防腐蝕性。其結構示意圖如圖4所示。

圖4 聲屏障結構示意圖

塔內冷卻水呈水滴狀從12 m 高的填料層下部落下，在其入水前，通過一種中間介質撞擊水滴來減小其等效直徑和終端速度，從而減小噪聲。降噪網(wǎng)降噪技術就是設計安裝一種特質的網(wǎng)狀結構，讓水滴落入集水池前通過撞擊降噪網(wǎng)的網(wǎng)面，將部分熱能和動量轉移到網(wǎng)面上，使降噪網(wǎng)產(chǎn)生減幅振動，以此來減少水滴的能量和動量，從而使速度降低。水滴在撞擊網(wǎng)線所受到的切應力使其分裂成直徑更小的水滴。由此，水滴的直徑和速度變小，滴入水面時產(chǎn)生的噪聲也變小。將該降噪方法應用于1#冷卻塔，在冷卻塔底部集水池最高水位上方適當位置布置2 層特制的降噪網(wǎng)，上下兩層降噪網(wǎng)面積共約23 000 m2，其垂直間距70 cm。每層阻水網(wǎng)網(wǎng)格間布置低密度聚乙烯繩作為降噪網(wǎng)支撐，其中間支撐在鋼絲繩上，其兩端固定在外圍支撐上，使整個降噪網(wǎng)形成一個整體。降噪網(wǎng)安裝布置如圖5所示，優(yōu)化結構圖如圖6所示。

圖5 降噪網(wǎng)安裝布置示意圖

圖6 降噪網(wǎng)優(yōu)化結果圖

5.2 治理效果

基于實際的降噪改造情況：1#冷卻塔采取的是降噪網(wǎng)與聲屏障聯(lián)合降噪技術，其落水噪聲的頻譜發(fā)生變化，即聲源強度發(fā)生變化。2#冷卻塔僅采取了聲屏障的方法，所以其落水噪聲頻譜不變。由此，實測得到1#冷卻塔聲屏障后方的聲壓值為56.9 dB（A），2#冷卻塔聲屏障后方聲壓值為67.7 dB（A）。

按Cadna/A 軟件計算模型及方法進行相應設置，并計算出冷卻塔周邊區(qū)域聲地圖如圖7所示。預測點1～5的聲壓值如表6所示。

圖7 冷卻塔周邊區(qū)域聲地圖（治理后）

表6 治理后預測點聲壓值

同時，可計算得到垂直地面的豎直面上的聲壓級分布，如圖8所示為居民區(qū)房屋的立面聲壓圖。

圖8 居民聚集區(qū)房屋立面圖

可以看出，通過聯(lián)合降噪治理后，降噪效果良好，廠界及居民區(qū)的聲環(huán)境得到明顯的改善，最大降噪量達到了16.2 dB（A）。預測點1～4 的聲壓值均已經(jīng)達到III類標準，即夜間≤55 dB（A），預測點5的聲壓級也達到II類標準，即夜間≤50 dB（A）。

為了判斷模擬計算結果的準確性，在冷卻塔實施降噪治理改造完成后，對上述預測點的聲壓級進行測量，現(xiàn)場實測的點與模擬計算的預測點位置相同，模擬計算值與現(xiàn)場實測值對比如表7所示，降噪改造效果如圖9所示。

表7 觀測點的模擬值與實測值比較

圖9 預測值準確性分析圖

可見，冷卻塔實施聯(lián)合降噪治理效果良好，使用Cadna/A軟件模擬計算結果和現(xiàn)場測量的真實值兩者相差小于2 dB（A），預測的精確度已經(jīng)高于97%以上。

6 結語

（1）火電廠自然通風逆流濕式冷卻塔的噪聲主要來源于落水噪聲，落水高度越高、水滴直徑越大，其噪聲越大。

（2）Cadna/A軟件模擬計算及實測結果表明，其模擬精確度較高，精確度已經(jīng)高于97%以上，完全可借助該軟件進行冷卻塔噪聲的影響研究。

（3）對于火電廠冷卻塔，采用聲屏障和降噪網(wǎng)聯(lián)合降噪方案，具有很好的降噪效果，廠界和居民區(qū)敏感點的聲壓級均已達到環(huán)境要求的標準。