大型自然通風冷卻塔淋水噪聲綜合治理技術研究

郝功濤，姜佳旭，胡妲，朱躍

(華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

火力發電廠汽輪發電機組凝汽器出水大多采用雙曲線自然通風冷卻塔的冷卻方式。冷卻塔正常運轉時產生的噪聲包括淋水噪聲、水泵噪聲、輸水管道和閥門振動噪聲等，其中淋水噪聲是最為顯著的噪聲源，是噪聲控制的關鍵所在[1]。

淋水噪聲主要產生于兩個方面：一是水滴直接沖擊到水面時輻射出的尖脈沖噪聲，其能量正比于水滴動能和水滴濺落速度的3次方，噪聲頻譜呈寬頻帶特性，并且隨水滴大小和濺落沖擊速度變化，峰值頻率一般在附近的一個較平緩區域內。二是水滴產生的氣泡體積脈動所輻射的噪聲，其頻譜在500～10 000 Hz之間有比較尖銳的高于沖擊聲的峰值。

在自然通風冷卻塔進風口外1.0 m處，噪聲級一般為80～85 dB(A)，機組容量越大，進風口高度越高，淋水噪聲強度越高。冷卻塔塔體為現澆鋼筋混凝土結構，隔聲量高，因此淋水噪聲呈面聲源特性，可視為僅通過冷卻塔進風口向外傳播，一般降噪設計中可將淋水噪聲視為面聲源處理[2]。

1 冷卻塔噪聲現狀

某電廠二期工程為2臺350 MW熱電聯產機組，在距離冷卻塔集水池1.0 m處實測噪聲為81 dB(A)，從冷卻塔淋水噪聲頻譜(如圖1所示)分析可以看出，冷卻塔淋水噪聲以中、高頻噪聲為主，主要集中在500～8 000 Hz之間。

二期工程采用雙曲線自然通風式冷卻塔，塔高114.7 m，冷卻面積5 500 m2，進風口高度為7.7 m，冷卻塔零米層直徑90.0 m，集水池水深2.0 m，其靠近南側廠界，冷卻塔距離南側廠界約100.0 m，廠界外敏感建筑物緊鄰南側廠界，距離廠界約25.0 m，冷卻塔淋水噪聲對廠界外噪聲敏感建筑物影響較為顯著。

電廠原有的冷卻塔聲屏障高度為8.2 m，原聲屏障依冷卻塔圓弧張角布置，總長度為320.0 m，隔聲板采用雙面鐵板中間夾巖棉結構，現場實測隔聲量為20 dB(A)，降噪效果較差。原聲屏障為直立形式，下部采用磚砌墻形式，上部為隔聲巖棉板結構，聲屏障立面結構如圖2所示。

隨著經濟社會發展及政府規劃調整，電廠原選址區域由工業園區逐漸轉變為居住、商業、工業混雜區，根據GB/T 15190—2014《聲環境功能區劃分技術規范》要求，該地區滿足2類聲環境功能區劃分條件。現場廠界環境噪聲監測結果顯示，目前南側廠界環境噪聲夜間平均值為58 dB(A)，無法滿足GB 12348—2008《工業企業廠界噪聲標準》(以下簡稱《噪聲標準》)2類標準的要求，夜間擾民現象較為突出[3-4]。

因此，本文在原有冷卻塔聲屏障基礎上，提出了不同的噪聲治理技術方案，使南側廠界環境噪聲滿足《噪聲標準》 2類標準的要求，即晝間不大于60 dB(A)，夜間不大于50 dB(A)。

圖2 原有冷卻塔聲屏障立面

2 噪聲綜合治理方案

在工程實際中，控制冷卻塔淋水噪聲的主要技術措施有聲屏障、消聲百葉和消聲墊3種[5]。在冷卻塔降噪治理方案設計過程中，充分考慮利舊、成本投資和降噪效果等實際因素，在保留原有冷卻塔聲屏障結構的基礎上進行降噪治理。

2.1 新增消聲墊(方案1)

在保留原有聲屏障結構不變的前提下，方案1擬在冷卻塔集水池內新增一層消聲墊。消聲墊為緩沖滲水降噪尼龍材料，主要由飄浮式支承架及消聲墊兩部分組成，其降噪原理是避免落水對水池的直接撞擊，降低淋水噪聲的影響。消聲墊落水消聲工藝屬于塔內治理工藝，設計消聲墊厚度為50 mm，尼龍材質，單塔鋪設面積為7 850 m2，降噪量能夠達到5～8 dB。

2.2 改進聲屏障(方案2)

電廠冷卻塔周圍已設置聲屏障，聲屏障采用的是雙面鐵板中間夾巖棉的結構，該結構有一定的隔聲效果，但未進行吸聲處理，使得屏障內反射的聲波形成混響效應，相互干涉，甚至可能加強冷卻塔聲源處的噪聲，而冷卻塔淋水所產生的噪聲呈高頻特性。為減弱混響效應及其所帶來的不利影響，從而進一步改善隔聲效果，設計在原有聲屏障內側增加一層吸聲結構。吸聲結構采用0.8 mm鋁穿孔板+100 mm 32 K超細玻璃棉(防水布包裹)+龍骨形式。

聲屏障繞射的聲衰減可用下式計算：

式中：ΔLd為聲屏障繞射聲衰減量，dB；N為菲涅爾數；λ為聲波波長，m；dA為聲源至聲屏障頂端的距離，m；dB為接收點至聲屏障頂端的距離，m；d為聲源至接收點的距離，m。單純從隔聲屏障的聲學效果講，聲屏障繞射損失完全取決于菲涅爾數N，即取決于聲源和受聲點之間的聲程差(dA+dB-d)，聲程差越大，則聲屏障的繞射損失越大，降噪效果越好。

因此，將原直線形聲屏障改進為倒L形，將冷卻塔原有聲屏障加高1.0 m，并在頂部做1.0 m長的內折設計，其水平部分與垂直部分夾角大于135°。加高方式為在現有聲屏障混凝土立柱頂端連接鋼立柱，隔聲板采用與原有板件相一致的結構，聲屏障改進設計具體結構如圖3所示。

圖3 冷卻塔聲屏障加高示意

聲屏障加高后，聲源距離屏障頂端距離增加，低頻段噪聲繞射距離則增加。聲屏障改進設計，增加聲波的繞射距離以擴大聲影區的方式，對距離冷卻塔聲源較近的廠界處有一定效果，經計算能夠增加聲屏障的插入損失約4 dB。因此，方案2主要改進原有聲屏障并在聲屏障內側進行吸聲降噪處理，整體可以獲得8 dB的降噪量。

2.3 新增消聲通道(方案3)

消聲百葉也是控制自然通風冷卻塔噪聲的有效措施，一般可以獲得10～15 dB(A)降噪量[6]。與聲屏障相比，其通風性能好，因此可更靠近冷卻塔設置，從而獲得更好的降噪效果。在保留原有聲屏障結構不變的前提下，方案3采用新增消聲通道的降噪措施。消聲百葉的降噪效果可仿照片式阻性消聲器的消聲量進行評價。消聲百葉圍繞冷卻塔進風口設置，為兼顧通風和降噪效果，消聲百葉與塔體距離為4.0 m，此時投資也較為節省。消聲量可用下式計算：

式中：ΔL為消聲量，dB；ψ(α0)為消聲系數；C為消聲器通道截面周長，m；S為消聲器通道截面面積，m2；l為消聲器的有效長度，m。

經計算，消聲片寬度為150.0 m，高度為8.0 m，沿氣流方向消聲片的有效長度為2.0 m。為兼顧通風性能并防止高頻失效，消聲片片間距設計為300 mm，消聲通道的消聲量為10.4 dB左右。

消聲通道將寬頻帶、高性能的吸聲材料結合到導風板結構中，相鄰2個導風板即形成1個消聲通道，可有效吸收塔內寬頻噪聲能量，減小噪聲的輻射。消聲通道主要由基礎框架、消聲片組件、隔聲頂板3部分組成，如圖4所示。

圖4 冷卻塔消聲通道立面

冷卻塔區域新增土建基礎主要用來支撐整個消聲裝置，因此新增基礎形式要求相對較低。由于現場實際地層最上層為雜填土，結構松散，力學性能差，如采用此層為持力層則需要開挖后全部換填，施工量較大，因此本次考慮將其全部清除，沿冷卻塔進風口圓周方向一定距離采用梁板式條形基礎形式，基礎持力層為①黏土，承載力特征值fak=120 kPa，基礎埋深2.0 m。

框架為鋼結構，主要用于支撐整個消聲片組和隔聲頂蓋。主要受力構件為立柱和橫梁，橫梁和立柱為熱扎HM200×150型鋼。立柱采用預埋在基礎內的地腳螺栓固定在基礎上，橫梁的一端用螺栓連接在立柱的頂端，另一端通過高強度化學錨栓固定在冷卻塔上。

消聲片組為整個消聲通道的核心部分，消聲片組由間隔300 mm的消聲片組成，消聲片有效高度為8.0 m，厚度設計為150 mm，兩面孔板為0.8 mm厚鋁板，中間填充32 K玻璃棉，為了防止消聲片表面大量積灰而影響消聲裝置的降噪效果，消聲片垂直安裝，并采用表面光潔的優質鋁板作為護面層。借助橫梁設置的隔聲頂板，既可防止淋水噪聲通過消聲片組的頂端繞射，起到輔助降噪作用，也可防止消聲片組淋雨。隔聲頂板采用0.8 mm厚彩鋼板+80 mm離心玻璃棉(防水布包裹)+0.8 mm厚鋁孔板形式。

由于消聲通道戶外布置，使用壽命受氣候條件及冷卻塔水汽影響嚴重，為保證冷卻塔消聲裝置的整體性能及較長使用壽命，對鋼結構和消聲片進行嚴格防腐處理。消聲片內吸聲材料使用無堿憎水玻璃絲布包裹，并在消聲片底部設計排水孔。

3 降噪技術方案對比分析

方案1采用新增消聲墊的塔內降噪措施，工程靜態總投資約為195萬元。但消聲墊降噪量有限，一般低于8 dB，而且存在對循環水產生影響的隱患。由于大型冷卻塔淋水落差大，水滴沖擊力強，消聲墊容易損壞，不僅維護更換費用高，而且材料碎渣處理麻煩。特別是在北方寒冷地區，一般消聲墊的耐候性差，冬季塔內結冰對消聲墊破壞嚴重，會對冷卻塔的安全、穩定運行造成影響，因此，冷卻塔噪聲治理方案優先考慮塔外治理。方案2采用改進聲屏障的降噪措施，將原有直線形聲屏障加高設計為倒L形，并對內側進行吸聲處理，工程靜態總投資約為235萬元，整體降噪效果能滿足南側廠界環境噪聲達到2類標準的要求。

方案3采用在冷卻塔周邊新建消聲通道的降噪措施，工程靜態總投資約為1 080萬元。冷卻塔消聲百葉具有較好的降噪效果，但在實際工程應用中，消聲百葉布置數量較為龐大，且材料貴，因此，消聲百葉造價比聲屏障高得多。由于消聲百葉露天使用，考慮消聲片的剛度、吸聲材料的飛散、耐候性、使用壽命、防腐等因素，消聲片外表面采用鋁板制作。方案3雖然能夠獲得良好的降噪效果，但一次性成本較高。

此外，冷卻塔內氣-水兩相間的傳熱傳質極易受到環境側風、空氣溫度及濕度的影響。方案3中新建消聲通道和原有聲屏障相結合的降噪措施，可能會造成對塔內外空氣動力場影響，流場的改變直接影響塔內氣水比分布，降低了氣-水兩相間的傳熱傳質強度，特別是填料區內的傳質傳熱強度，會對電站熱力系統的高效、節能運行產生不利影響。

4 結論

根據上述降噪治理方案的對比分析，綜合考慮降噪量和成本投資因素，推薦采用將原有直線形聲屏障加高設計，并對內側進行吸聲處理的技術方案(方案2)。該方案能夠使南側廠界環境噪聲達到《噪聲標準》2類標準的要求。

參考文獻：

[1]馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊[M].北京: 機械工業出版社,2002.

[2]楊杰.電廠廠界噪聲綜合治理方案設計[J].能源環境保護,2005(6):40-43.

[3]工業企業廠界環境噪聲排放標準：GB 12348—2008[S].

[4]徐德林.大型冷卻塔噪聲綜合控制技術[J].環境工程,2002,20(12):43-44.

[5]周兆駒.噪聲環境影響評價與噪聲控制實用技術[M].北京:機械工業出版社,2016.

[6]黃平,王震洲,呂玉恒,等.特大型雙曲線自然通風冷卻塔噪聲治理方案及效果[J].電力環境保護,2005,21(2):52-54.