噪声控制在调相机外冷系统中的研究与应用

张 璜

（国核电力规划设计研究院有限公司 北京 100095）

引言

近年来，随着特高压电网以及新型电力系统建设的蓬勃发展，电网运行特性发生很大变化，存在直流输电送端电网薄弱、受端电网无功不足的问题，影响电网安全稳定运行。作为一种动态无功功率补偿装置，调相机相当于电网系统的“稳压器”，可自动快速调节无功功率，发挥着改善电网功率因素、维持电网电压水平、提高电力系统稳定性的作用[1]。

调相机本体在运转过程中会释放大量热量，这些热量首先传递给调相机自带的冷却器（内冷系统），然后通过相连的冷却系统（外冷系统）排至大气环境中，因此外冷系统对保障调相机设备正常运行具有非常重要的作用[2]。目前调相机基本是在原有变电站或换流站内进行扩建，其占地面积小且紧邻厂界，而外冷系统为露天布置，噪声源强高且数量多，对厂界噪声影响较大，因此外冷系统属于调相机工程噪声治理的重点和难点。

以北京地区某调相机项目为例，重点分析其外冷系统的工作原理和声源特性，并结合周边环境特征，研究和探讨调相机外冷系统的噪声控制方案。

1 项目概况

本项目是在北京城区现有某220kV 变电站内建设2 台300Mvar 调相机（户内），位于变电站的西南角。主要建（构）筑物包括调相机厂房、冷却塔、变压器、辅助车间（水处理车间和综合水泵房）和办公楼。

本项目厂界为现有变电站围墙处，其东北厂界外有个别居民点。根据本项目的环评要求，厂界噪声、环境敏感点噪声分别执行《工业企业厂界环境噪声排放标准》（GB12348-2008）中1 类标准限值和《声环境质量标准》（GB3096-2008）中1 类标准限值，即昼间55dB(A)，夜间45dB(A)。

2 调相机外冷系统概述

2.1 外冷系统工艺流程

根据本项目的技术特征和当地气候条件，外冷系统选用干湿联合冷却系统，该系统由空气冷却器和闭式冷却塔组成，兼具空冷和水冷的优点，适用于缺水、高温差的环境条件[2]。

干湿联合冷却系统工作原理为在调相机水路内被加热升温的冷却水进入室外空气冷却器和闭式冷却塔的换热盘管，其中空气冷却器通过风机直接对换热盘管表面进行空气冷却，闭式冷却塔喷淋水泵从室外地下水池抽水均匀喷洒到冷却塔的换热盘管表面，喷淋水吸热后蒸发成水蒸汽通过风机排至大气。在此过程中，换热盘管内的冷却水被冷却，冷却后的冷却水再通过循环水泵送到调相机本体换热器，这样循环反复。

2.2 外冷系统配置

根据设备厂家资料，本项目调相机的外冷系统由9 组共108 台空气冷却器和2 组共8 台闭式冷却塔组成，包括风机、散热器（管束）、水泵、空冷平台、水池等建(构)筑物。系统总占地面积约33m×10m，空气冷却器平台高度为5.4m，闭式冷却塔高度为4.8m。本项目风机设备参数见表1。

表1 外冷设备风机参数

3 外冷系统噪声源分析

3.1 噪声源组成

空气冷却器主要由风机、换热管道及空冷平台构成 ；闭式冷却塔主要由风机、收水器、喷淋管、换热盘管、水泵、塔体构成。其中，风机产生的空气动力性噪声主要包含旋转噪声和涡流噪声。

旋转噪声的声功率大小正比于气流速度的平方大小，其基频表达见式（1）。

式中f—旋转噪声的基频，Hz；n—叶轮转数，r/min；z—叶片数。

涡流噪声的声功率大小则正比于气流速度的六次方大小，其基频表达见式（2）。

式中fi—涡流 噪 声的基频，Hz；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。

涡流噪声包含2 部分，分别为排风口噪声和进风口噪声，其中排风口噪声通过顶部风机上部、往外传播，而进风口噪声通过下部、向四周传播。另外，电机及传动部件运转时发出的机械噪声主要为摩擦噪声；风机、电机的振动通过钢结构传递到周围薄板结构，即结构振动辐射的结构噪声。

3.2 噪声特性分析

干湿联合冷却系统集合了空气冷却器和闭式冷却塔的声源特征，声源特性参考了已运行电厂的噪声实测数据。

3.2.1 空气冷却器

图1 为某燃机电厂空气冷却器现场实测频谱曲线[3]，测点为进风口斜下方45°、1.5m 高度位置，可以看出进风口处噪声值约为74～77dB(A)，空气冷却器声能量分布在中低频区域且范围较宽，高频部分声能量随频率的升高而明显减弱，此噪声呈典型的中低频特性，表现出传播距离远、自然衰减缓慢的特点。

图1 某空气冷却器噪声频谱图

3.2.2 闭式冷却塔

图2 为某电厂闭式冷却塔现场实测频谱曲线，可以看出闭式冷却塔排风口处噪声较大，高速运行时近场声压级在80dB（A）左右，进风口噪声相对较小，约在76dB（A）左右，设备频谱呈现中低频特性。

图2 某闭式冷却塔噪声频谱图

综上可知，干湿联合冷却系统的噪声特性整体表现出中低频的特点。

4 噪声控制重点及难点

噪声控制的重点及难点主要体现在4 个方面，即①噪声控制目标严苛，位于声环境功能区划一类区，夜间噪声值须控制在45dB（A）以下；②项目占地面积小，周边空间有限，距离厂界较近；③噪声控制措施须与外冷系统的工艺要求相协调，不能影响其冷却效果；④在满足环保要求的基础上尽量降低成本，提高经济性能。

5 噪声控制设计

为了满足环保要求，并提高经济性能，结合本项目特征，外冷系统在制定噪控方案时重点考虑了总平面布置的优化，以及从声源、传播途径2 个方面采取技术防治措施。

5.1 总平面布置优化

图3 为项目总平面布置优化图，本项目在十分有限的用地范围内将外冷系统远离厂界布置，并充分利用四周建筑物的遮挡作用，将外冷系统布置在现有变电站的中心位置，在一定程度上缓解了后续工程技术措施的压力，降低了噪声控制方案的造价。

图3 项目总平面布置优化图

5.2 声源控制

在声源上，通过选用低噪声设备、改良工艺设计、改进设备结构、优化运行方案等一系列措施降低声源，主要措施包括5 个方面，即①选用低噪声型风机，如选用小风量、低风压风机，风机电机采用变频控制；②空气冷却器采用引风结构形式（负压），降低冷却器下部噪声往外传播；③闭式冷却塔改善配水和集水系统，降低淋水噪声；④水泵与管道之间的连接采用波纹补偿器的软连接形式，降低水泵的振动和噪声；⑤根据实时运行负荷调节风机运行台数和频率，尽量减少风机运行数量，降低风机噪声。

通过采取以上措施后，外冷系统所有风机按100%的额定转速运行时，在距离设备边缘外1m、地面上1.5m 处噪声水平不高于75dB（A）。

5.3 传播途径控制

在传播途径上，通常采用的噪声控制措施包含隔声、吸声、消声等。第1 种方案是在外冷系统四周设置吸隔声屏障（半露天），第2 种方案则是设置通风隔声房（封闭型）。由于本项目外冷系统周边空间有限，设置声屏障不能满足外冷系统的距离要求，且声屏障存在绕射效应，即使近场能够达标，远场也可能超标；而设置隔声房不仅可以解决距离问题，也不存在绕射效应。因此，本项目最终采用了通风隔声房的方案。

5.3.1 声学性能设计

根据外冷系统声源源强（频谱特性）、噪声控制目标，设计合理的降噪量，同时注意控制上限失效频率和气流再生噪声的影响。针对本项目外冷系统中低频噪声特性，设计了复合消声吸声隔声房，主要包括进气消声器、排气消声器、吸隔声板（围护结构）、隔声门等设施。

5.3.1.1 消声量

通过数据库初筛获得文献749篇，其中英文文献425篇，中文文献324篇。其他途径未补充相关文献。利用NoteExpress软件剔除重复文献后获得文献298篇；阅读题目与摘要，排除文献221篇；进一步阅读全文，排除不符合纳入标准的文献、无法获取全文的文献及重复发表的文献，最终获得10篇[12-21]文献。文献筛选流程及结果见图1。纳入研究基本特征见表1。

消声器的消声量需根据设计降噪量并结合工程经验进行修正，其经验计算见式（3）。

5.3.1.2 上限失效频率

当声波频率高到一定程度，波长很短，声波以窄声速的形式通过直管消声器时，很少或者根本不与消声器壁面的吸声材料接触，此时的频率为消声器的“上限失效频率”，其经验计算见式（4）。

5.3.1.3 气流再生噪声

气流再生噪声是气流以一定的速度通过消声器时，由于气流在消声器内产生的湍流噪声以及气流激发消声器的结构部件所产生的噪声，气流再生噪声的大小取决于消声器的结构形式和气流的速度，其经验计算见式（5）。

根据上述设计思路，通风隔声房具体设计参数为隔声房进风口安装阻性、片式消声器，消声量≥20dB（A）或25dB（A）；隔声房顶部排风口安装阻性、矩阵式消声器，消声量≥25dB（A）；隔声房墙面安装吸隔声板，隔声量≥30dB（A），吸声系数≥0.9；安装隔声门和照明系统，满足检修和巡检需求。外冷系统隔声房具体布置情况见图4。

图4 外冷系统隔声房布置图

消声器的设计不仅要满足声学性能要求，同时还应对外冷系统的正常运行不会造成影响。因此，需要对上述方案作进一步优化。

5.3.2.1 通风量保证措施

根据多个外冷系统（空气冷却器、闭式冷却塔等）的进风流场（CFD）模拟结果表明，外冷系统由于增加消声器而使整个系统的进风阻力增大，造成有效进风量存在不足。通常可通过增大电机功率、提高风机压头或改善流场以减少涡流造成的阻力损失，确保有效风量，从而满足设计的冷却效果。因此，在方案设计之初，要求设备厂家在选择风机和电机时考虑风机的全压，至少预留50Pa 余压用于克服安装消声器增加的阻力[5]。同时，在进行消声器详细设计时，通过优化工艺设计确保较低的压力损失，主要措施包括3 点，即①在保证声学性能前提下，适当增加消声器的净通风面积，如增加通流比，控制消声器内风速在合理范围内（10m/s）[4]，既不引起较高的阻力损失，也不会产生较高的二次气流噪声；②在保证声学性能前提下，通过控制吸声结构表面粗糙度，降低消声器气流通道长度，迎流方向结构符合最小阻损特性，从而达到减少气流阻力的作用；③选用表面光滑、摩擦阻力系数较低的护面材料，最大程度地降低摩擦阻力损失，并对消声器结构在过渡及连接处平滑处理，使流场速度梯度更加平缓，避免形成涡流和紊流，降低局部阻力损失。

5.3.2.2 阻力损失计算

阻力损失主要为沿程阻力损失（消声器管壁内表面与气体摩擦产生的压力损失）和局部阻力损失（消声器内收缩、扩张等截面突变处导致气流流动情况改变所产生的压力损失）。

（1）沿程阻力损失

消声片内壁与气流摩擦产生的压力损失计算见式（6）。

（2）局部阻力损失

消声器的局部阻力损失计算见式（7）。

将本项目的风机参数、消声器工艺参数代入上述公式计算，得出冷却系统增加消声器的总阻力损失约为20Pa，小于允许值50Pa，因此增加消声器后不会对其冷却效果产生影响，也不会导致风机电机过载。

6 噪声控制设计

为了满足环保要求，并提高经济性能，结合本项目特征，外冷系统在制定噪控方案时重点考虑了总平面布置的优化，以及从声源、传播途径方面采取技术防治措施。根据外冷系统噪声源特性、周围建筑物情况以及噪声控制目标值，采用声学专业软件SoundPLAN 开展模拟计算，图5 为外冷系统在未采取噪控措施时的噪声分布图（不考虑厂区内其他声源），可以看出外冷系统主要对北厂界、西北厂界以及东南厂界影响较大，上述厂界噪声均有不同程度超出了GB12348-2008中1 类标准的夜间限值，其中噪声贡献最大值约为60dB（A），位于北厂界，夜间超标量达15dB（A）。最近居民点（距离东北厂界10m 处）噪声贡献值为51.4dB（A），超出GB3096-2008 中1 类标准的夜间限值6.4dB（A）。图6 为外冷系统在采取噪控措施后的噪声分布图，可以看出采取了高效复合通风隔声房（进排风消声器+吸隔声板）后，各厂界噪声和敏感点噪声均能满足国标限值要求（考虑厂内其他声源的叠加影响，此处考虑了3～5dB（A）的裕量），达到了本项目噪声控制目标。图7 为外冷系统隔声房的效果图。

结论

外冷系统对于保障调相机设备正常运行具有非常重要的作用，但其噪声源强高、数量多，露天布置，并且噪声频谱呈现中低频特性，同时受扩建场地的限制，属于调相机工程噪声治理的重点和难点。以噪声要求高的北京地区某调相机工程为例，立足满足环保要求并提高经济性能的角度，从总平面布置、声源和传播途径3 个方面综合考虑了噪声控制方案，同时重点开展对外冷系统降噪设备声学性能和空气动力性能设计，通过优化消声器工艺设计，可确保足够的消声量、较低的阻力损失，达到了既满足外冷系统的工艺要求，又符合环保标准的设计目标。本研究成果立足于实际工程，并应用于实际工程，可以为调相机外冷系统的噪声控制提供有益参考。

图5 外冷系统的噪声分布图（措施前）

图6 外冷系统的噪声分布图（措施后）

图7 外冷系统的隔声房效果图