城市电厂大型机力通风冷却塔的噪声控制

康立刚

(北京绿创声学工程股份有限公司，北京 102200)

城市电厂大型机力通风冷却塔的噪声控制

康立刚

(北京绿创声学工程股份有限公司，北京 102200)

针对城市电厂大型机力通风冷却塔的噪声污染，以北京太阳宫燃气热电冷联供工程中应用的机力通风冷却塔噪声控制为例，通过分析研究冷却塔各声源不同的频谱特性和传播特性，并根据厂界噪声控制目标计算声源的超标量和设计降噪量，采取隔声、消声和吸声等综合集成的噪声控制技术，设计开发了大型机力通风冷却塔降噪消声装置，取得了理想效果，使厂界噪声达到I类标准，为低噪声机力通风冷却塔的声学设计提供了工程实践参考。

城市电厂;机力通风冷却塔;消声装置;低阻力

随着城市建设的快速发展，电厂为满足施工周期和制冷效果的要求，同时协调电厂设备与城市景观建筑的一致性，其主要的冷却系统—冷却塔大多选择为机力通风冷却塔。但是，大型机力通风冷却塔噪声对企业厂界和周围敏感点环境噪声影响很大，由于许多因素的制约，其噪声治理是该类企业环保达标的一个难点。

北京太阳宫燃气热电冷联供工程项目地址位于北京市东北三、四环之间的太阳宫乡，为2008年北京奥运项目的配套工程，工程建设一套780MW级“二拖一”燃气蒸气联合循环机组。机组配置有9座18×18×24（m）的机力通风冷却塔。该工程是在城市中心区域建设并要求达到Ⅰ类环境噪声标准的电厂，作为电厂降噪设计最重要声源之一的机力通风冷却塔的噪声控制成功与否直接关系到太阳宫热电冷联供工程整体噪声达标和工程验收。

1 厂区布置及环境现状

根据太阳宫电厂平面布置设计，9座机力通风冷却塔布置在厂区东侧偏南的位置，厂界外为高压线走廊。为尽可能减少冷却塔噪声对厂界的影响，特将机力通风冷却塔设计为单侧进风，其面对厂界的非进风侧距东厂界16m，面向厂内的进风侧距东厂界34m。

1.1 噪声排放标准及现状

冷却塔采取降噪措施并考虑厂内其它声源的影响后，法定厂界达到《工业企业厂界噪声标准》（GB12348-90）中的 I 类标准，即昼间低于55dB(A)，夜间低于45dB(A)。

工程实施前进行环境影响评价时，对工程厂界背景噪声进行了监测，监测结果见表1。监测结果表明，昼间厂界噪声值介于45.7～55.1dB(A)之间，夜间厂界噪声值介于45.5～52.3dB(A)之间，按照《工业企业厂界噪声标准》（GB 12348-90）的Ⅰ类标准评价，昼间东厂界有1点超标，超标值为0.1dB(A)，其余各点的噪声值均能满足标准限值要求；夜间厂界噪声全部超过Ⅰ类标准限值，超标值在0.5～7.3dB(A)之间，最大超标值出现在东北厂界。

表1 北京太阳宫燃气热电冷联供工程厂界噪声现状监测结果

以上监测结果表明，噪声有超标现象。据调查，项目厂址地区为城市未建成区，属于城中村，人员往来较多，而且拟建厂区周围有交通流量较大的道路。东北侧、西侧厂界噪声超标的主要原因是受紧贴厂界的太阳宫西路和太阳宫北路的车辆的影响；东南侧厂界噪声则主要受社会活动噪声的影响，街边上各种商铺密集，人员、车辆往来频繁，噪声影响比较大。

1.2 冷却塔的主要性能参数

噪声控制设计采用的基础数据由常州科慧公司（冷却塔风机生产厂家）和国电华北电力设计院工程有限公司（设计单位）提供，冷却塔的主要性能参数见表2。

2 噪声源分析

机力通风冷却塔根据噪声产生的机理将声源分成如下几部分：

2.1 轴流风机产生的空气动力性噪声

这部分噪声主要由旋转噪声和涡流噪声组成。

旋转噪声的基频表达式为：

f ─旋转噪声的基频；

n ─叶轮转数；

z ─叶片数。

涡流噪声的基频表达式为：

fi─涡流噪声的基频；

表2 冷却塔主要性能参数

K ─ 斯脱路哈数；

V ─ 气体与叶片的相对速度（m/s）；

D ─ 气体入射方向的物体厚度（m）。

此部分噪声分为进风噪声和排风噪声两部分，其中排风噪声通过顶部风口直接向外传播，进风噪声则透过填料层向下传播，并最终通过冷却塔进风口向外传播。

2.2 淋水噪声

淋水噪声是由下落的水流冲击水面产生，噪声通过冷却塔下部的进风口传出。整个过程是高处的冷却水在重力的作用下将势能转化为动能，当下落到与集水池中的水撞击时，其中一部分动能便转化为声能进行传播。声能的大小与淋水密度、水的降落高度成正比，也与塔内的通风速度有关。

2.3 电机及传动部件产生的机械噪声

旋转机械在转动系统不平衡引起的偏心力周期作用下产生振动和噪声。当转动系统转速达到其临界转速时，系统自身便产生极大振动，并将振动力传递到与其相连的其他机械部分，激起强烈的机械振动和噪声。周期性作用力的频率高到一定程度，且受力零部件表面积又足够大时，则受迫振动噪声突出。

2.4 风机引起塔体墙壁振动产生的二次噪声

动力设备激发固体件振动，振动以弹性波的形式在基础、地板和墙壁中传播，并在传播过程中向外辐射噪声。风机的旋转引起冷却塔顶部平台及导流筒振动产生二次噪声，该类型噪声可通过隔振技术来控制。

上述噪声成分中主要以轴流风机产生的空气动力性噪声为主，其次为淋水声。由于冷却塔风机安装在冷却塔的排风口，因而冷却塔的排风口噪声要比进风口噪声高8dB(A)。

根据冷却塔厂家提供的数据，机力通风冷却塔的进风口和排风口的噪声为91.5B(A)和83.5dB(A)，频谱特性见图1。

图1 冷却塔进风口（1m处）和排风口45度外1m处噪声频谱

图1表明：冷却塔进风口处噪声主要为淋水噪声，频谱特性以中高频为主；排风口处噪声主要为电机噪声和风机噪声，频谱特性中低频突出。但由于风机噪声部分透过冷却塔填料后也通过进风口反向传播，因此进风口噪声中低频部分同样突出。

3 噪声控制设计

3.1 总体原则

为了确保项目达标，首先考虑成熟可靠并经过实践验证的技术，根据项目的特点有针对性地创新应用，项目技术创新应用需要通过声学试验的验证。方案设计采用的是传统的消声、隔声、吸声等降噪技术，其中以消声为主。

（1）消声

机力通风冷却塔最主要的声源是风机的空气动力性噪声和进风口的淋水噪声，这两个最主要的声源对外围降噪设施有一个共同的要求就是通风良好，采用传统的消声治理，结合本项目特点并进行创新研发是最合理的降噪处理方法。

（2）隔声

进风口采用有效的消声治理后，消声装置本身的隔声量必须要进行良好的匹配，否则消声装置消声效果再好，由于隔声效果不好，整个降噪措施的整体效果仍将很不理想。

由于冷却塔离厂界距离太近，因而降噪量要求很高。消声装置设计必须考虑降噪量满足工程达标的要求，即消声装置的降噪量在进风口处不低于30dB(A)，在排风口处不低于33dB(A)。

机力冷却塔虽然采用机械通风方式，由于风机是轴流式的，其本身压头很小，对外围消声装置的阻力损失十分敏感，如果因采取消声装置后阻力损失增加，将会影响到冷却塔的冷却效果，最终影响机组的效率，本消声装置设计阻力损失限值仅为50Pa。

3.2 机力冷却塔降噪措施的设计

结合上述难点和冷却塔不同声源的频谱特性，需对消声装置总体考虑，分专业达标设计。

（1）消声装置的声学设计

消声装置必须针对冷却塔的噪声频谱特点进行设计，要求每个倍频带均具有合理的降噪量，同时合理控制高频截止频率。

根据前面对声源的分析可知，冷却塔的进、排风口噪声在整个频带范围内都有较高的声级，因此要取得很好的降噪量，必须采用具有较宽消声频率范围的复合式消声装置。消声装置综合消声量采用的计算式为：

式中：φ（α0）—与材料吸声系数α0有关的消声系数；a —消声单元的截面宽度（m）；b—消声单元的截面高度（m）；l—消声装置的有效长度（m）。

消声器的“上限失效频率”的经验计算公式为：

c —声速（m/s）；D —通道截面直径（m）。

通过对其它电厂机力通风冷却塔噪声的实测，结合本项目冷却塔厂家提供的噪声数据，并对其频谱特性进行分析，在进风口采用阻性消声装置，排风口采用阻性和抗性复合式消声装置，以确保排风口在低频和中高频均具有合理的降噪量。

（2）消声装置中的气流再生噪声控制设计

当消声装置内有气流通过时，除了影响消声装置的声衰减规律之外，更重要的是由于在消声装置内产生的气流再生噪声而影响消声装置的实际消声效果。气流再生噪声对消声装置性能的影响情况主要取决于消声装置末端的声压级与气流再生噪声值的相对大小。气流再生噪声的大小决定着消声装置的最后消声效果，当消声量受到气流再生噪声的明显影响时，消声装置后端的声级只能体现到比气流再生噪声低10dB(A)的值，即使再增加消声装置长度，也不能起到增加消声量的作用。

最后确定消声装置的声学结构参数为：进风消声装置消声片长2.7m，排风消声装置消声片长3m，排风消声片采用阻抗复合式消声片。

采取上述消声装置降噪措施后，经计算：ΔL进风=31.4dB(A)，ΔL排风=34.8dB(A)。基本满足消声装置降噪量要求。冷却塔进、排风消声装置布置示意见图2。

图2 冷却塔进排风消声装置布置示意

（3）消声装置的空气动力性能设计

消声装置的压力损失包括消声装置内通道壁面与气流摩擦产生的压力损失（简称摩擦阻力）和消声装置内通道弯折、截面等局部变化导致气流流动情况的改变所产生的压力损失（简称局部阻力）两个方面。

消声装置摩擦阻力损失可用式⑤计算：

消声装置的局部阻力损失可用式⑥计算：

式（5）和（6）中：ΔP摩—摩擦阻力（Pa）；ΔP局—局部阻力（Pa）；ξ摩—摩擦阻力系数；ξ局—局部阻力系数；l—装置有效长度（m）；ν—风速（m/s）；ρ—空气密度（kg/m3）；g —重力加速度（m/s2）。

de — 消声装置等效直径（mm）；a、b为矩形边长。

为最大限度地减少消声装置产生的阻力损失，采用以下技术措施：

根据式⑤和⑥，局部阻力损失和摩擦阻力损失均与风速的平方成正比，要控制通风阻力，必须先控制好风速。综合各因素，将进风消声装置的整体高度提高至10m，以增加进风消声装置的进风面积，可将进风消声装置中的风速降至9.0m/s，排风消声装置内的气流速度降至6.5m/s。

在已有的空间条件下，尽量加大消声装置和进风口之间的距离，并在消声装置和进风口之间设置光滑渐变的过渡导流段，导流段的扩张角要合理，防止产生涡流，最大程度减少消声装置与塔体进风口之间的收缩和扩张带来的局部阻力损失，在整体结构设计上尽量避免装置内气流通道截面的突变，以取得更低局部阻力的效果。同样在冷却塔的排风筒和消声装置之间设置扩张收压段，使排风筒的气流逐渐降速，动压转换为静压，减少出塔气流的局部阻力损失。

在选材上采用表面光滑的金属薄板作为消声装置的护面层，控制好穿孔率和穿孔工艺，避免了表面毛刺的出现，从而最大限度地降低装置的摩擦阻力。

经过计算确定消声装置的空气动力性结构参数为：进风消声装置高度12m，消声装置和进风口之间设置5m长的扩压收缩段；排风消声装置平面尺寸为18×18m，消声装置和排风风筒之间设置长7m的整流段。

采取上述降低通风阻力的措施后，经计算：ΔP摩=18.9Pa，ΔP局= 27.2Pa。

消声装置新增的阻力损失基本控制在50Pa的要求之内。

（4）消声装置的防腐性能设计

机力冷却塔的排风空气相对湿度大，这对消声装置（尤其是排风消声装置）的防腐性提出了很高的要求，主要可从以下几方面改善消声装置的防腐性能：1）排风消声装置的外壳和主副支撑结构（立柱、主副梁等）大部分采用现场浇注钢筋混凝土；2）进风消声装置的主支撑结构、隔声顶盖全部采用现浇钢筋混凝土，消声片的定位支撑结构采用钢结构，钢结构表面采用喷砂和热浸锌处理；3）消声片的护面材料采用铝孔板，排风消声片吸声材料的外护面采用无碱憎水玻璃布，抗潮湿能力强；消声装置的进、排风导流装置采用抗腐蚀能力强、表面光滑的玻璃钢结构。

4 控制效果与结论

项目实施过程中和竣工后，对降噪装置进行了噪声实测，结果表明治理效果基本达到了设计目标。在机力通风冷却塔进风消声装置内测得噪声值为89.3dB(A)，消声装置外对应位置测得噪声值为58.1dB(A)，进风消声装置降噪量为31.2dB(A)；机力通风塔排风口消声装置内测得噪声值为88.1dB(A)，消声装置外对应位置测得噪声值为59.3dB(A)，排风消声装置降噪量为28.8dB(A)，基本符合声学设计要求。北京市环境监测中心站对工程进行了验收测试，测点位置与背景监测点位置相对应，测试结果见表3。

通过对太阳宫电厂厂界的监测表明：该项目工作时间为昼夜24小时连续工作，厂界昼间噪声在46.5～53.9dB(A)之间；夜间噪声在42.1～44.8dB(A)之间。厂界噪声值均满足《工业企业厂界噪声标准》（GB12348-90）中的Ⅰ类昼间为55dB(A)，夜间为45dB(A)的标准限值，并通过了环保验收。

表3 北京太阳宫燃气热电冷联供工程厂界噪声现状监测结果

建设单位于2009年4月进行了回访，使用方反映机力通风冷却塔增加设计低阻力进、排风消声装置后，对机组的冷却效果基本没有影响。这项技术的成功实施，对城区内电厂机力通风冷却塔的噪声控制，开辟了一条切实可行之路，对削减机力通风冷却塔对周边环境的噪声污染，改善城市声环境，建设和谐宜居城市，具有重要现实意义和推广示范效应。

Noise Control Design for Large Mechanical Ventilation Cooling Towers in City Power Plants

KANG Li-gang
(Beijing Greentec Acoustics Engineering Holdings Co., Ltd, Beijing 102200, China)

Based on the noise pollution of large mechanical ventilation cooling tower in city power plants and by taking the noise control of mechanical ventilation cooling towers applied to the combined gas cooling heat and power project in Beijing Taiyanggong for an example; and by analysis on different spectral characteristics and transmission characteristics of various sound sources of cooling towers, the noise control technology integrating sound insulation, silencing and sound absorption are adopted and the noise elimination setting for large mechanical ventilation cooling towers is developed and satisfactory results are obtained, noise meets the criteria of classⅠ. It gives a reference to engineering practice in the acoustic design of low-noise machine ventilation cooling towers.

city power plant; mechanical ventilation cooling tower; silencer device; low resistance

TB53

A

1006-5377（2011）07-0051-05