火电厂自然通风冷却塔噪声治理研究

马琪顺，鄢晓忠，林日成，何 旭，吴爱军，陈绍龙

（1.长沙理工大学 能源与动力工程学院,长沙 410114；2.国电湖南宝庆煤电有限公司,湖南 邵阳 422000）

火电厂的双曲线自然通风冷却塔在运行时所产生的噪声是火电机组高噪声声源之一[1]，此噪声具有噪声频率范围较宽、噪声持久、传播空间广等特点，严重影响了厂界周围居民的正常生活。在双曲线自然通风冷却塔噪声治理中，主要采取的是隔声和消声的方法，倪季良[2]研究了一种新开发的落水降噪装置，结果表明该装置能有效地降低冷却塔噪声；曾春花[1]认为声屏障高度高于进风口高度1.2 倍，能使声屏障取得更好的降噪效果。在双曲线自然通风冷却塔噪声预测的研究中，熊宏亮[3]针对不同布置形式的声屏障，使用Sound PLAN 软件分别进行预测分析，提出了最优方案；吕璇等[4]运用Cadna/A软件得出了冷却塔在声屏障实施前后周围的声压云图，并根据软件模拟确定了声屏障的最佳设置位置和高度；谢德嫦等[5]借助声学预测软件，研究了冷却塔在使用消声器前后周围环境噪声的变化。

以上研究大多数都是针对使用声屏障、消声器或者落水降噪装置的降噪方案，然而对于落水降噪装置联合声屏障降噪方案的研究比较少。而且单一的降噪措施虽然对降低冷却塔噪声有一定的效果，但对于声环境要求较高的敏感点的降噪效果有限。因此本文以湖南某电厂2×660 MW火电机组配备的两座设计淋水面积为10 000 m2的双曲线自然通风冷却塔为研究对象，基于其噪声产生机理，及厂界和居民区敏感区域的降噪要求，研究并实施了一种落水降噪装置和声屏障组合的降噪技术，借助Cadna/A软件研究了实施降噪措施前后周围声场环境的声压值分布，并将预测值和现场实测值进行了对比，结果表明预测值和实测值相差不大。

1 冷却塔及其噪声现状

湖南某发电厂2×660 MW发电机组配备两座设计淋水面积为10 000 m2的自然通风逆流湿式冷却塔。冷却塔呈双曲线型，冷却塔内填料为玻璃钢挡水板和聚氯乙烯淋水填料。其循环水量为7.2×104m3/h，淋水密度为7.3 m3/h·m2，淋水落差为12 m，冷却塔设计参数如表1所示。

表1 冷却塔设计参数

两座冷却塔距离居民区140 m 左右。冷却塔下部的昼间噪声约为84 dB(A)～86 dB(A)，在距离冷却塔140 m 的居民聚集区的昼间噪声约为65 dB(A)。表2为《工业企业厂界环境噪声排放标准》。

表2 工业企业厂界环境噪声排放标准

根据环保要求，厂界附近噪声值应达到表2中的第III类标准，即昼间≤65 dB（A），夜间≤55 dB（A）；距离冷却塔140 m 的居民区噪声值应达到表2中的第II类标准，即昼间≤60 dB（A），夜间≤50 dB（A）[6]。由于自然通风冷却塔的运行状况不会随着昼夜间的交替而发生变化，因此厂界噪声值以第III类标准中的夜间55 dB（A）为标准，居民区噪声值以第II类标准中的夜间50 dB（A）为标准。可见实际噪声值均大于国家标准，对附近居民造成较大环境噪声污染。

2 冷却塔噪声测量

冷却塔噪声主要有：循环水泵噪声、塔体噪声、水流噪声和落水噪声等，其它噪声相比落水噪声而言对环境的影响不大，所以落水噪声才是自然通风逆流湿式冷却塔的主要噪声[7]，在机组运行过程中分别进行了冷却塔周围的敏感点噪声值和冷却塔落水噪声源强度测量。测量采用经校准的AWA6270+噪声频谱分析仪，每间隔0.1 s 便会记录一个瞬时的A声级，测量1 min 的等效A 声级。测试期间，机组运行稳定；气象条件为无雨雪、无雷电天气；所有被测设备均在正常运行状态，测试时避免突发性噪声的影响。

在进行自然通风冷却塔的敏感点噪声测量时，测点1～4布置在靠近自然通风冷却塔东厂界附近，分别距离1#冷却塔90 m、100 m、120 m、130 m，测点5 则布置于距离1#冷却塔140 m 的居民敏感区，实测点的布置高度均为距离地面1.5 m 的高度，测点位置如图1所示。

图1 噪声测点位置示意图

落水噪声的噪声源为冷却塔集水池的圆形水面，该噪声主要是由于填料层下方的水滴在重力的作用下，其重力势能转变为动能，撞击到自然通风冷却塔底部集水池所产生，并通过进风口向四周辐射[8]。在测量落水噪声时，噪声源声强测点位于进风口底部外1 m，高度为1.5 m。分别测量工程谱测量常用的8 个频带中心频率为63 Hz、125 Hz、250 Hz、500 Hz、1 kHz、2 kHz、4 kHz、8 kHz 的噪声值，实测数据见表3。

表3 自然通风冷却塔落水噪声频谱

3 计算模型及方法

Cadna/A 软件是德国Datakusitc 公司开发的一款用于计算、显示、评估及预测噪声传播的软件，其计算原理基于ISO9613－2:1996《户外声传播的衰减的计算方法》[9]。我国发布的GB/T17247.2－1998等效于ISO9613－2:1996标准，所以Cadna/A软件的计算方法和我国噪声传播的计算方法是一致的[10]。本软件被广泛应用于工厂、公路、铁路或者整个城市地区的噪声预测与研究。

本研究的对象为两座双曲线自然通风冷却塔、冷却塔周围的建筑物以及距离冷却塔140 米的居民房。

自然通风冷却塔的落水噪声通过底部的进风口向周围环境传播，所以将冷却塔的整个进风口简化成声源边缘。利用软件中自带的Cylinder代替实际的自然通风冷却塔，用工业噪声中的竖直声源面来模拟高度为10.8 m 的冷却塔进风口，在软件中的声源输入栏中选择Spectrum，利用表3中的数据作为单位面积声功率，由此模拟计算得到距离冷却塔1 m，离地面1.5 m处的声压值为85.3 dB（A）。

考虑到建筑物及其高度在声学模拟中会对声音的传播起到一定的阻挡作用，同时房屋的表面对声波具有一定的反射作用，而且建筑物之间的反射会造成噪声值偏大。因此按照建筑物和冷却塔的结构合理的设置其高度和反射损失对噪声的模拟很重要。该模型中由于只存在冷却塔和建筑物，便可在该软件中根据建造建筑物的材料来相应地设置其反射损失，具体设置如表4所示。由于冷却塔周围地势有变化，非平坦地形决定了该点的地形高度对声波有一定“阻挡”作用，根据现场实地观察，地势局部有一定的坡度，因此设置等高线的高度为2 m。采用上述数据，计算区域大小为1 000 m×500 m，按1 m×1 m大小划分网格。计算中的预测点的位置与实测点的位置相同，即可通过软件模拟计算每一个预测点的声压值以及离地1.5 m 高所在平面的声压级地图。

表4 建筑物高度、结构和反射损失

4 计算结果及分析

按照上述模型及计算方法，计算得到冷却塔噪声的衰减规律，如图2所示。预测点1～5 声压值如表5所示。

图2 冷却塔周边区域声地图（治理前）

表5 预测点声压值/dB(A)

可见，冷却塔的落水噪声随着距离的增加而衰减的特征遵循半球面波在传播过程中随能量分布扩大而减少的规律。面声源声波的减弱不会按照通常的普通声源那样随距离增加而快速衰减，它具有自己的一套衰减规律[11]。面声源声波在传播过程中会随距离的增加，首先会按照“面声源（声压级几乎没有变化）”的规律进行衰减，其次再会按照“线声源（距离每增加一倍声能会衰减3 dB）”的规律进行衰减，到最后才会按照“点声源（距离每增加一倍声能会衰减6 dB）”的规律进行衰减。即得到厂界附近预测点1～4 的声压值为66.4 dB（A）～69.2 dB（A），居民聚集敏感区预测点5 的声压值也已经达到了65.6 dB（A），两者分别超过了《工业企业厂界环境噪声排放标准》的III类标准和II类标准，最大超标量已经达到了15.6 dB（A）。

5 降噪措施及效果

5.1 冷却塔降噪措施

噪声的防治可以从“传播途径”、“噪声源”和“噪声接受点”三个方面入手，针对自然通风冷却塔厂界及居民区敏感点噪声超标问题，采用单一的降噪措施难以达到环境标准要求，因此提出了降噪网联合声屏障的噪声治理方案，降噪网降噪技术直接降低塔内噪声源强，声屏障降噪技术则是在噪声的传播途径上降低声源的直达声。

声屏障降噪技术是采用直立式声屏障方法，两段声屏障高度为5 m，总长度为140 m，距离冷却塔进风口3 m，其布置方式如图3所示。

图3 自然通风冷却塔声屏障示意图

该直立式声屏障由钢结构框架、密封件、屏蔽板、固定件、基础组成，钢结构框架采取喷塑处理，增加了其防腐性；密封件由橡胶制成，可避免噪声从空隙漏出；屏蔽板由吸声孔板、吸声材料和隔声背板组成，吸声材料为加密玻璃吸声棉，吸声系数可达到0.95 以上，吸声孔板和隔声背板均选用铝材，该材料本身就具有良好的防腐蚀性。其结构示意图如图4所示。

图4 声屏障结构示意图

塔内冷却水呈水滴状从12 m 高的填料层下部落下，在其入水前，通过一种中间介质撞击水滴来减小其等效直径和终端速度，从而减小噪声。降噪网降噪技术就是设计安装一种特质的网状结构，让水滴落入集水池前通过撞击降噪网的网面，将部分热能和动量转移到网面上，使降噪网产生减幅振动，以此来减少水滴的能量和动量，从而使速度降低。水滴在撞击网线所受到的切应力使其分裂成直径更小的水滴。由此，水滴的直径和速度变小，滴入水面时产生的噪声也变小。将该降噪方法应用于1#冷却塔，在冷却塔底部集水池最高水位上方适当位置布置2 层特制的降噪网，上下两层降噪网面积共约23 000 m2，其垂直间距70 cm。每层阻水网网格间布置低密度聚乙烯绳作为降噪网支撑，其中间支撑在钢丝绳上，其两端固定在外围支撑上，使整个降噪网形成一个整体。降噪网安装布置如图5所示，优化结构图如图6所示。

图5 降噪网安装布置示意图

图6 降噪网优化结果图

5.2 治理效果

基于实际的降噪改造情况：1#冷却塔采取的是降噪网与声屏障联合降噪技术，其落水噪声的频谱发生变化，即声源强度发生变化。2#冷却塔仅采取了声屏障的方法，所以其落水噪声频谱不变。由此，实测得到1#冷却塔声屏障后方的声压值为56.9 dB（A），2#冷却塔声屏障后方声压值为67.7 dB（A）。

按Cadna/A 软件计算模型及方法进行相应设置，并计算出冷却塔周边区域声地图如图7所示。预测点1～5的声压值如表6所示。

图7 冷却塔周边区域声地图（治理后）

表6 治理后预测点声压值

同时，可计算得到垂直地面的竖直面上的声压级分布，如图8所示为居民区房屋的立面声压图。

图8 居民聚集区房屋立面图

可以看出，通过联合降噪治理后，降噪效果良好，厂界及居民区的声环境得到明显的改善，最大降噪量达到了16.2 dB（A）。预测点1～4 的声压值均已经达到III类标准，即夜间≤55 dB（A），预测点5的声压级也达到II类标准，即夜间≤50 dB（A）。

为了判断模拟计算结果的准确性，在冷却塔实施降噪治理改造完成后，对上述预测点的声压级进行测量，现场实测的点与模拟计算的预测点位置相同，模拟计算值与现场实测值对比如表7所示，降噪改造效果如图9所示。

表7 观测点的模拟值与实测值比较

图9 预测值准确性分析图

可见，冷却塔实施联合降噪治理效果良好，使用Cadna/A软件模拟计算结果和现场测量的真实值两者相差小于2 dB（A），预测的精确度已经高于97%以上。

6 结语

（1）火电厂自然通风逆流湿式冷却塔的噪声主要来源于落水噪声，落水高度越高、水滴直径越大，其噪声越大。

（2）Cadna/A软件模拟计算及实测结果表明，其模拟精确度较高，精确度已经高于97%以上，完全可借助该软件进行冷却塔噪声的影响研究。

（3）对于火电厂冷却塔，采用声屏障和降噪网联合降噪方案，具有很好的降噪效果，厂界和居民区敏感点的声压级均已达到环境要求的标准。