火电厂自然通风冷却塔噪声治理研究

火电厂自然通风冷却塔噪声治理研究

汪天飞

中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司, 贵州省贵阳市 550081

摘要：某热电厂项目安装了两座双曲线自然通风冷却塔，由于项目厂址与附近居民区距离较近，冷却塔运行时产生噪音对周围居民的生活有很大影响。为解决这一问题，基于Cadna/A噪声预测与评价软件，研究了自然通风冷却塔实施噪声网和声屏障联合降噪措施前后的声场分布。通过预测值与现场实测值的比较，验证了Cadna/A软件对该类冷却塔噪声计算的准确性。结果表明，利用Cadna/A软件分析研究火电厂自然通风冷却塔噪声是合适的，且对于火电厂自然通风冷却塔，采用声屏障和降噪网相结合的处理方式具有良好的降噪效果。

关键词: Cadna/A软件；双曲线自然通风冷却塔；噪声控制；模拟器研究，降噪措施

火电厂双曲线自然通风冷却塔运行时产生的噪声是火电机组的高噪声源之一[1]。这种噪声具有噪声频率范围广、噪声持续时间长、传播空间广的特点，严重影响厂界周围居民的正常生活。双曲线自然通风冷却塔的噪声控制主要采用隔声和消声的方法。倪季良[2]研究了一种新研制的落水降噪装置，结果表明这种装置能有效地降低冷却塔的噪声。曾春花[1]认为声屏障的高度比进风口高1.2倍时，可以使声屏障达到更好的降噪效果。在双曲线自然通风冷却塔噪声预测的研究中，熊宏亮[3]利用SoundPLAN软件对不同布置形式的声屏障进行了预测分析，提出了最优方案；吕璇等人[4]利用Cadna/A软件获得了实施声屏障前后冷却塔周围的声压云图，并根据软件模拟确定了声屏障的最佳设置位置和高度；谢德嫦等人[5]借助声学预测软件研究了冷却塔使用消声器前后环境噪声的变化。

上述大多数研究都是针对使用声屏障、消声器或淹没式降噪装置的降噪方案，而溺水降噪装置与声屏障结合的研究很少。而且单一的降噪措施虽然对降低冷却塔的噪声有一定的效果，但对声环境要求高的敏感点的降噪效果有限。为此，以某电厂2×660MW火电机组的2座双曲线自然通风冷却塔为研究对象，根据其噪声产生机理及厂界敏感区域和居民区的降噪要求，研究并实施了跌水降噪装置和声屏障相结合的降噪技术。借助Cadna/A软件，研究了降噪措施前后周围声场的声压分布，并将预测值与现场实测值进行了比较。结果表明，预测值与实测值一致。

1冷却塔及其噪声状况

某电厂2×660MW发电机组设两座自然通风逆流湿式冷却塔，设计喷水面积10000m2。冷却塔为双曲线型，冷却塔内的填料为玻璃钢挡水板和聚氯乙烯水淋填料，循环水量为7.2×104m3/h，淋水密度为7.3m 3/h·m2，淋水落差为12m两座冷却塔距离居民区约140米。冷却塔下部昼间噪声约为84db (a) ~ 86db (a)，距离冷却塔140m的居民区昼间噪声约为65dB(A)。

根据环保要求，厂界附近的噪声值应满足三级标准，即白天≤65dB(A)，夜间≤55db(A)；距离冷却塔140m的居住区噪声值应满足二级标准，即白天≤60dB(A)，夜间≤50dB(A)[6]。由于自然通风冷却塔的运行工况不会随着昼夜的交替而改变，因此厂界噪声值夜间为55dB(A ),执行三类标准；居住区噪声值夜间为50dB(A ),执行二类标准。可见，该火电厂项目冷却塔运行时产生的实际噪声值均高于国家标准，对附近居民造成了极大的环境噪声污染。

2冷却塔的噪声机理和特性

自然通风冷却塔的噪声源主要是水滴撞击水面时产生的持续下落噪声，即水滴撞击水池、淋框板、梁、柱等各种表面产生的撞击噪声。冷却塔上主要有三个声扩散面:上出风口、下进风口和塔体本身，其中下开口(进风口)是落水噪声最重要的扩散面，其过程是高处的冷却水在重力作用下将势能转化为动能，当水落到集水池中与水面碰撞时，一部分动能转化为声能进行传递。同时水滴撞击集水盆水面产生的气泡体积脉动也会辐射出尖锐的噪音，淋浴噪声的声强随着淋浴体积、淋浴密度、水滴质量和水力高度的增大而增大，并且与塔内风速有关。由于向上的气流降低了水滴的下落速度，噪声频谱以中高频为特征，且随着集水坑水深的增加向低频移动。

冷却塔的噪声除喷水噪声外，还包括布水噪声和空气对流噪声，喷嘴向填料喷水和空气对流进入塔内时会产生噪音，但比喷水产生的噪音小得多。另外，因为水温影响水的表面张力，水温也影响噪音，一般来说，水温每升高10℃，声压级就降低1dB。循环水泵产生的噪声可以通过循环水管路传到塔内，然后向四周辐射，一般明显小于喷水噪声，其噪声频谱为低频噪声。

3常用的噪声控制设施

针对冷却塔的进排气噪声，常用的噪声控制设施主要有消声器和声屏障。

3.1消声器

消声器是一种既能有效衰减噪声又能保证气流正常通过的设备。如果消声器只能满足消声要求，而不能满足设备的工艺要求，那么消声器的设计就失败了。

工程中最常用的消声器类型是阻性消声器，其性能稳定，设计计算可靠，综合性价比高。片式消声器的消声导叶沿气流方向的长度为1 ~ 3m，每片的厚度为100mm、150mm和200mm。冷却塔的板式消声器实质上是在冷却塔周围一定距离放置的消音导叶[6-7]。

阵列消声器是在片式消声器的基础上发展起来的一种新型消声器。原则上，两者都是典型的阻性消声器。阵列消声器由消声柱和固定框架结构组成。该柱由进口导流端、中间吸声段和出口导流端组成[8-9]。消音装置的尺寸通常为200×200毫米至300×300毫米，消音装置的两端设有弧形挡板，消声单元由铝合金穿孔板和离心玻璃棉组成。阻性消声器的消声量与消声器的湿周P成正比，与消声器截面的相同流通面积S成反比。在任何尺寸条件下，要保持相同的流通比，阵列结构消声器的单位厚度总是大于芯片结构消声器的单位厚度，通道宽度总是小于芯片结构消声器的通道宽度。因此，如果采用阵列结构，消声器的频率范围比片式结构更宽，低频更低，高频更高。只要流通比不大于75%，其吸声周长总是大于芯片结构的吸声周长，所以在任何频率下，它的消声量都比片式结构大，价格也比片式消声器略高。

3.2声屏障

声屏障的作用是阻挡直达声的传播，隔离传播的声音，使衍射声得到充分衰减，当声波撞击声屏障的壁面时，会在声屏障边缘引起衍射，在屏障后面形成“声阴影区”。

工程上常用的声屏障是玻璃纤维棉金属结构，由镀锌钢板+玻璃棉板(用玻璃纤维布包裹)+鱼鳞铝合金孔板组成[10-11]。

4冷却塔的噪声测量

冷却塔的噪声主要有:循环水泵噪声、塔噪声、水流噪声、落水噪声等。与落水噪声相比，其他噪声对环境的影响很小，因此落水噪声是自然通风逆流湿式冷却塔的主要噪声[7]。在该火电厂机组运行过程中，分别测量了冷却塔周围敏感点的噪声值和冷却塔落水噪声源的强度，使用经过校准的AWA6270+噪声频谱分析仪，每隔0.1s记录一次瞬时A声级，测量1分钟的等效A声级。测试过程中，机组运行稳定；气象条件为无雨、无雪、无雷电；所有被测设备运行正常，测试时应避免突发噪声的影响。

测量自然通风冷却塔敏感点噪声时，测点1 ~ 4布置在自然通风冷却塔东厂界附近，分别距1#冷却塔90m、100m、120m和130m，测点5布置在距1#冷却塔140m的居民敏感区，测点均在地面以上1.5m处。

落水的噪声源是冷却塔集水坑的圆形水面。这种噪声主要是由于填料层下水滴的重力势能转化为动能，冲击自然通风冷却塔底部的集水坑，通过进风口向四周辐射[8]。测量落水噪声时，噪声源的声强测点在进气口底部外1m处，高度为1.5m，分别以63Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz、8kHz为中心频率，测量工程频谱测量中常用的八个频段的噪声值。

5计算模型和方法

CAD/A软件是德国Datakusitc公司开发的用于计算、显示、评价和预测噪声传播的软件，其计算原理是基于ISO 9613-2: 1996“室外声音传播衰减计算方法”[9]，我国颁布的GB/T 17247.2-1998与ISO 9613-2: 1996标准等效，因此Cadna/A软件的计算方法与我国噪声传播的计算方法一致[10]。该软件广泛应用于工厂、公路、铁路或整个城市地区的噪声预测和研究。

本课题研究的对象是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米的居民住宅。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，因此将冷却塔的整个进风口简化为声源的边缘。在软件中用圆柱体代替实际的自然通风冷却塔，用工业噪声中的垂直声源面模拟10.8m高的冷却塔进风口，在软件中的声源输入栏选择频谱，模拟计算在距离冷却塔1米，距离地面1.5米处的声压值为85.3dB(A)。

考虑到声学仿真中建筑物及其高度会阻碍声音传播，且建筑物表面会对声波有一定程度的反射，建筑物之间的反射会造成噪声值过大。因此，根据建筑物和冷却塔的结构合理设置它们的高度和反射损失对于噪声模拟是非常重要的。因为这个模型中只有冷却塔和建筑，所以反射损耗可以根据这个软件中的建筑材料进行相应的设置；由于冷却塔周围地形的变化，不均匀的地形决定了该点的地形高度对声波有一定的“阻隔”作用；根据现场观察，地形局部有一定坡度，因此等高线高度设为2m。利用以上数据，计算区域为1000m×500m，网格按1m×1m划分，预测点的计算位置与测量点的位置相同，即通过软件模拟可以计算出每个预测点的声压值和离地1.5m平面的声压级图。

6计算结果及分析

根据上述模型和计算方法，计算分析得出冷却塔噪声的衰减规律。

冷却塔坠落噪声随距离增大而减小的特性，遵循半球面波在传播过程中能量分布扩大而减小的规律。声源的声表面波衰减并不像普通声源的距离衰减那么快，它有自己的一套衰减规律[11]。表面声波在传播过程中会按照“表面声源(声压级几乎不变)”的规律衰减，然后是“线声源(声能每双距离衰减3dB)”最后是“点声源(声能每双距离衰减6dB)”。也就是说，厂界附近的预测点1 ~ 4的声压值为66.4 dB (a) ~ 69.2 dB (a)，居民聚集的敏感区的预测点5的声压值也达到了65.6dB(A)，均分别超过了《工业企业厂界环境噪声排放标准》中的三级和二级标准，最大超标量达到了15.6dB(A)。

7降噪措施及效果

7.1冷却塔的降噪措施

噪声的防治可以从“传播路径”、“噪声源”、“噪声接收点”三个方面入手。针对居民区自然通风冷却塔厂界和敏感点噪声超标问题，采用单一降噪措施难以满足环境标准要求。为此，提出了降噪网络结合声屏障的噪声控制方案。降噪网降噪技术直接降低了噪声源在塔内的强度，而声屏障技术是噪声源在传播路径上的直接发声。

声屏障降噪技术采用垂直声屏障法，两个声屏障高5m，总长140m，距离冷却塔进风口3m。垂直声屏障由钢结构框架、密封件、屏蔽板、夹具和基础组成，钢结构框架经过喷塑处理，增加了其耐腐蚀性。密封采用橡胶材质，可以防止噪音从缝隙中漏出；防护罩由吸声孔板、吸声材料和隔音背板组成。吸声材料为加密玻璃吸音棉，吸声系数可达0.95以上。吸声孔板和隔音背板均采用铝制材料，具有良好的耐腐蚀性。

塔内的冷却水从12米高的填料层下部滴落。在进入水中之前，中间介质撞击水滴以减小其等效直径和终端速度，从而降低噪音。网的降噪技术是设计并安装一种特殊的网结构，使水滴在落入集水盆之前撞击到降噪网的网面，将部分热能和动量传递到网面，使降噪网产生减幅振动，从而降低水滴的能量和动量，从而降低速度。水滴撞击网时受到的剪切应力使它们分裂成直径更小的水滴，这样一来，水滴的直径和速度变小，落入水面时产生的噪音也变小。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以上适当位置布置两层特殊降噪网，上下两层降噪网的面积约为23000m2，垂直间距为70cm，在每层阻水网的网格之间设置低密度聚乙烯绳作为降噪网的支撑，中间支撑在钢丝绳上，两端固定在外围支撑上，使整个降噪网形成一个整体。

7.2治理效果

1#冷却塔基于实际降噪改造，采用降噪网和声屏障联合降噪技术，落水噪声频谱发生变化，即声源强度发生变化。2#冷却塔仅采用声屏障方式，故其落水噪声频谱保持不变。因此，1#冷却塔声屏障后的实测声压为56.9dB(A)，2#冷却塔为67.7dB(A)。根据Cadna/A软件计算模型和方法进行相应设置，计算出冷却塔周边区域的声学图。同时计算出垂直地面垂直面上的声压级分布。

根据计算结果分析得出，联合降噪处理后，降噪效果良好，厂界和居民区声环境明显改善，最大降噪量达到16.2dB(A)。预测点1 ~ 4的声压值均达到三级标准，即夜间≤55dB(A ),预测点5的声压级也达到二级标准，即夜间≤50dB(A)。

为了判断模拟结果的准确性，在冷却塔降噪改造完成后，对上述预测点的声压级进行了测量。现场实测点与模拟计算的预测点相同。

可以看出，冷却塔联合降噪处理效果良好，利用Cadna/A软件模拟计算结果与现场实测值之差小于2dB(A)，预测精度已经高于97%。

8结论

(1)火电厂自然通风逆流湿式冷却塔的噪声主要来自落水噪声。落水高度越高，水滴直径越大，噪音越大。

(2) Cadna/A软件的模拟计算和实测结果表明，其模拟精度高于97%，可用于研究冷却塔噪声的影响。

（3）热电厂冷却塔采用声屏障和降噪网联合降噪方案，降噪效果良好，厂界和居民区敏感点声压级均达到环境要求。

参考文献：

[1]曾春花.设有机力通风冷却塔火力发电厂噪声控制浅析[J].江西电力职业技术学院学报，2013，26(2)：33-35.

[2]倪季良.冷却塔落水降噪装置的试验研究[J].工业用水与废水，2002(5)：39-41.

[3]熊宏亮.电厂冷却塔噪声控制及环境影响研究[D].济南：山东大学，2012.

[4]吕璇，陈选文，施霞.基于Cadna/A软件的冷却塔声屏障设计[J].上海船舶运输科学研究所学报，2015，38(3)：6-10.

[5]谢德嫦，安强，漆宏，等.SoundPLAN在某火电厂噪声环境影响预测评价中的应用探讨[J].环境影响评价，2015，37(4)：86-89.

[6]俞敏捷.消声装置和声屏障在冷却塔降噪治理中的组合应用[J].电力科学与工程，2014，30(3)：17-20.

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