化工生产冷却塔噪声治理及案例分析

党鹏刚，张 英，刘 毅

(1 陕西煤业化工技术研究院，陕西 西安 710100；2 陕西省环境科学研究院，陕西 西安 710043；3 陕西渭河煤化工集团有限责任公司，陕西 渭南 715100)

近年来，随着人们环保意识的增强，噪声投诉等问题逐渐成为制约工业装置长周期稳定运行的新问题。冷却塔是工业上用于冷却循环水使其降低温度的构筑物，常见于化工、电力、水泥等需要控制装置运行水温的行业，化工生产冷却塔在运行过程中因为电机、风机及水流运动会产生大量噪声，对周围环境带来较大影响[1]。工业设计规范中，一般将安全性高、污染特性小的水处理、冷却塔、原料堆场、产品库房等布置在靠近厂界位置[2]，防止和减少主生产工序的有害气体、烟、雾、粉尘、震动、噪声对周围环境的影响[3-5]对冷却塔一类不能影响通风的化工装置来说，普通的封闭隔音消音技术难以适用。目前，在我国工企业与居民毗邻的情况仍十分普遍，企业周边噪声超标问题非常普遍，通过运用以多通道片式消音器和其他消音隔音手段的综合运用，结合渭化集团冷却塔噪声治理案例，提出既能解决噪声影响又不影响装置通风的降噪方案，对治理冷却塔消音技术对保障工业生产长期稳定运行，确保噪声达标排放具有重要意义。

1 化工生产冷却塔的结构

化工生产冷却塔一般采用多组大型塔式组合的形式，由塔体、电动机、风机、水轮机、风筒、淋水器、进风口、下塔体(集水池)、以及管路、循环水泵、阀门等组成[6]，冷却塔结构见图1、图2。冷却塔在工业生产中主要是利用水和空气的接触，通过蒸发作用来散去制冷设备中产生的废热。其工作原理是外界环境的空气通过塔顶上部风机抽动后，冷空气自下部的进风口进入冷却塔内，与塔内下落的热水流进行交换，产生蒸发现象，并通过顶部风筒将水中的热量带走，从而达到降温的目的。

图1 冷却塔主体全貌Fig.1 Overall view of the cooling tower

图2 冷却塔结构示意图Fig.2 Schematic diagram of cooling tower structure

2 噪声源分析

根据冷却塔的结构特点及工作原理，其噪声源主要有以下几个方面：淋水噪声、风机噪声、电机/水轮机噪声及管道系统噪声。

2.1 淋水噪声

冷却水从落水装置下落时与塔底蓄水池水面撞击产生淋水噪声，其频谱本身呈现中、高频特性，噪声级与落水高度、单位时间内的水流量有关[7-8]。冷却塔进风口面积很大，淋水噪声呈面声源向外辐射，在近场区域，淋水噪声占主要地位，同时，因为进风口需要有大风量空气进入塔内进行对流交换，故冷却塔下部封闭降噪方案不可行[9]。噪声具体产生部位见图2。

2.2 风机噪声

风机噪声也是冷却塔主要的噪声源，它是一种空气动力噪声，包括湍流噪声和旋转噪声。当气流通过叶片表面时，会在其背部脱体，在尾部由于气流的粘滞形成一系列涡流，从而产生湍流噪声，它具有连续频谱特性。旋转噪声是由叶片旋转时形成压力脉产的，它与叶片数、转速、气体流量等有关，它的频谱呈低、中频特性，由于低频噪声传播衰减慢，所以风机噪声对厂界及远场区域均有很大影响[10-11]。噪声具体产生部位见图2。

2.3 电机和水轮机噪声

电机噪声由电磁噪声和机械噪声组成，水轮机噪声主要是旋转齿轮啮合时产生的机械噪声，这些噪声比淋水噪声和风机噪声要低，如果电机装在风筒的外部，则需要进行降噪处理。噪声具体产生部位见图2。

2.4 管道系统噪声(包含循环水泵、管路、阀门等)

管道系统噪声主要由循环水泵运行的机械噪声、阀门内流体的冲击噪声、管道内流体的冲击噪声和振动噪声。噪声具体产生部位见图3。

图3 冷却塔气流流动及噪声辐射方向Fig.3 Airflow flow and noise radiation direction of cooling tower

3 冷却塔噪声治理

本项目位于渭化集团厂区北侧，冷却塔毗邻厂界北侧，东西延伸210 m，距离厂界北侧围墙约500 m的为居民区，噪声投诉对企业形成长期困扰。厂区和居民区位置图如图4。

图4 工厂与居民区位置图Fig.4 Location map of factories and residential areas

2015年在冷却塔的顶部安装了隔吸声屏障，虽然有一定降噪效果，但仍难达标，表1为治理前后监测情况，监测点位沿围墙外210 m厂界均匀布点监测。

表1 冷却塔上部风机出口采取隔音措施前后厂界噪声监测情况

3.1 治理方案分析

冷却塔上部噪声主要为风机噪声，经过治理各点位噪声降幅约在10分贝左右。但冷却塔下部的淋水噪声、管道噪声等是影响厂界噪声的主要声源。冷却塔下部进气口组合噪声的传播方式，可认为是以长条矩形的平面波形式辐射，且以宽频的特性向远处传播，传播越远低频特性越强。此外，除底部的风机系统噪声和淋水噪声外，管道噪声也不能忽视，虽辐射面小，但噪声级高。风机系统噪声对远处影响较大，淋水和管道噪声对厂界噪声影响较大。

3.2 冷却塔噪声综合治理方案

经对凉水塔运行要求和噪声治理要求的综合考虑，对凉水塔顶部排风噪声以隔声挡声为主，使其反射到敏感源的另一侧；将风机改为中空玻璃纤维材质，通过减轻重量，减少震动降低噪声；在淋水方面通过优化填料结构，改善布水方式，增加换热效率，减小落水噪声；下部进风部位综合隔音和进风要求，总体的隔吸声结构采用三种隔声结构相结合：底部砖混墙体结构，起到隔声及基础作用，用来支撑上部结构；多通道片式消音器，采用风道式隔吸声板结构，既起隔声吸声作用又能满足通风；上部隔声窗结构，满足隔声及采光作用；顶部采用隔音板，隔音挡音。形成整体通风的隔音间，如图5所示。

图5 综合方案示意图Fig.5 Schematic diagram of the scheme

3.2.1 多通道片式消音器

增设进排气消声器将影响通风效果，因此在消声器的选择上除了消声量的要求外，通风阻力要小。一般采用消声围裙(消声空腔)，进风通过消声百叶窗进入，使得淋水声通过进风口向外辐射时有较大的衰减。消声器的消声量与消声器的结构形式、空气通道横断面的形状与面积、气流速度、消声器长度，以及吸声材料的种类、密度、厚度、护面板材料等因素有关，消声器一般有直管式、片式、蜂窝式、折板式和声流式等，根据实际情况进行特殊设计[6,11]。

本项目中设计的消声风道是一种阻性消声器，是在气流通道的内壁加衬一层吸声材料或吸声结构(本项目填充材料选用玻璃吸声棉)，形成一个吸声通道结构，既能满足通风要求，又能达到消声降噪的作用。声波在吸声通道中传播，因摩擦将声能转化为热能而散发掉，使沿通道传播的噪声随距离而衰减，从而达到消声目的，对高频噪声有良好的消声效果。

图6 多通道片式消声器示意图Fig.6 Schematic diagram of multi-channel chip muffler

本方案中的消声器结构均为阻性消声，其消声量的计算方法采用公式(1)[12]：

(1)

式中：L为气流通道周长(m)；S为气流通道截面积(m2)；l为管道长度(m)；φα0公式中修改为消声系数，与材料的吸声系数α0有关，其换算关系如公式(2)[12]：

(2)

表2 超细玻璃棉吸声系数Table 2 Sound absorption coefficient of ultrafine glass wool

由此计算得出各频率消声量：

表3 不同倍频程中心频率消声量Table 3 Sound attenuation of center frequency of differentoctave

3.3 治理前后厂界噪声测量情况

综合治理措施实施后，按照治理前的监测点位和检测时段(晚22:00-23:00)进行复测，厂界噪声测点分布及噪声级如图7，治理后，厂界噪声排放满足《工业企业厂界环境噪声排放标准》3类功能区夜间55 dB(A)限值要求[9]。

图7 冷却塔单侧噪声测点及声级分布Fig.7 Measurement point and sound level distribution on one side of cooling tower

治理前后噪声值及消音量见表4。

表4 噪声治理完成后监测效果对比(夜间) Table 4 Comparison of cooling tower results after noise treatment(night) [dB(A)]

4 结 论

本文通过对冷却塔运行噪声产生及治理原理分析，对因冷却塔运行造成的厂界噪声超标问题提出了可行的技术方案，并通过案例实施证实了方案的可行性，敏感点位最大降噪18.4 dB(A),平均降噪16.67 dB(A)，使企业厂界环境噪声达标排放。但噪声问题是一个综合问题，特别是生产设备和工艺复杂的大型企业，厂内生产设备机械噪声、放空噪声、管道噪声等交错产生，持续噪声、间歇噪声等产生随机性强。要彻底解决工业厂内及厂界周围噪声问题，建议必须坚持从大到小，持续治理，不断解决显著噪声对环境的影响。此外，加强隔音消音设备运行维护，保证生产设施稳定运行也是杜绝噪声产生的最有效途径。