燃煤電廠聲學模型搭建方法研究與應用

劉大鵬，蘇宏兵,，蔣從雙，王熙偉

（1.上海新華凈環保工程有限公司，上海 200438；2.北京市勞動保護科學研究所，北京 100054；3.清華大學建筑學院，北京 100084）

1 引言

近年來，工業企業引起的噪聲污染問題已引起民眾及環保部門的關注，工業企業噪聲控制的方法措施多種多樣。工業企業引起的噪聲污染問題與其他噪聲污染問題的不同之處在于工礦企業的噪聲源數量及種類繁多，聲源空間位置復雜，環境影響因素多變。因而對工礦企業的聲場分析、聲波的傳播規律分析、聲源貢獻量的計算、聲源控制目標值的確定以及對合理選擇噪聲綜合治理方案帶來較大的困難。對于大型工業項目，無法依靠簡單的手工模擬計算進行精準的噪聲源分析，需要采取計算機聲學模擬軟件進行輔助計算與設計。

現代電廠主要包括燃煤電廠、燃氣電廠、垃圾焚燒電廠、風電廠和核電廠。前兩者因與居民區較近，對周邊居民的影響較大，其主要的噪聲源包括主廠房、鍋爐、一次風機、送風機、引風機、變壓器、冷卻塔、輸送線及各類泵等。本文以兩個大型燃煤電廠為例，介紹其聲學模型的搭建方法及成果。這兩個電廠的內部建筑及周邊敏感建筑、地形地貌都很復雜，噪聲源分布和噪聲傳播途徑也極為復雜，因而聲學建模及分析存在一定的難度。

1.1 項目實例一

某燃煤電廠的廠區狹長，南北寬約260m，東西長約1070m，海拔高度約1500m，四周為相對高差200m以下的山地，是典型的坑口電站（見圖1）。該燃煤電廠原有5×200MW超高壓燃煤發電機組，后改為2×600MW發電機組。

圖1 某燃煤電廠實景

1.2 項目實例二

貴州省某燃煤電廠位于盤江礦區北部（見圖2），設有3臺20萬kW超高壓機組，總裝機容量600MW。是“西電東送”的重點建設項目。

圖2 貴州某燃煤電廠實景

2 聲源識別

燃煤電廠的主要噪聲源包括主廠房（汽機房、除氧間和煤倉間）、鍋爐、一次風機、送風機、引風機、自然通風冷卻塔、機力通風冷卻塔、變壓器、空壓機房、脫硫吸收塔、碎煤機室、各類泵房、轉運站與皮帶輸送廊、灰庫和煤庫等。

燃煤電廠的噪聲源設備繁多，聲源情況較復雜，噪聲源分為以下幾個主要區域：1）主廠房區域，包括汽機房和除氧煤倉間；2）鍋爐區域，鍋爐區域聲源、一次風機及其管道、送風機及其管道、引風機及其管道等；3）冷卻塔區域，自然通風冷卻塔、機力通風冷卻塔；4）煤輸送區域，轉運站、輸送棧道及碎煤機室，灰庫除塵風機排氣口；5）其他區域，變壓器，空壓站、各類泵站、石灰石破碎站等。

使用聲學軟件計算噪聲衰減時，需將聲源聲功率級頻譜作為基礎數據導入到軟件中，聲源聲功率級頻譜主要是根據現場測試、經驗數據庫及類比計算得出。現場測量方法依據《聲學 聲壓法測定噪聲源聲功率級反射面上方采用包絡測量表面的簡易法》（GB/T 3768—1996）、《聲學 聲壓法測定噪聲源聲功率級 使用標準聲源簡易法》（GB/T 16538—1996）的要求，根據測得的聲壓級計算聲功率級。

2.1 廠房噪聲源

各類工業企業中有許多高噪聲設備放置在廠房內，聲波的傳播總是受到墻壁的多次來回反射與吸收形成復雜的聲場。廠房內的噪聲通過廠房結構的薄弱環節（如門、窗、縫隙）傳播到環境中去。因此利用軟件分析時，可將這些薄弱環節看作向外輻射噪聲的聲源而不必考慮廠房內具體是什么設備。當把廠房的門、窗、孔洞作為聲源，其聲功率級可由式①得出：

式中：

S—包絡面的面積，m2；

LwA—聲源的A計權聲功率級，dB（A）。

2.2 廠房外噪聲源

廠房外聲源的聲功率級主要通過現場測試確定，根據不同聲源應用不同的測量方法。各類動力設備，機械設備，管道及風機進、排氣口的聲功率級根據《聲學聲壓法測定噪聲源聲功率級反射面上方采用包絡測量表面的簡易法》（GB/T 3768—2017/ISO 3746:2010）測量和計算，計算公式同式①[1]。

小型設備包絡面示意見圖3；小型設備半球包絡面示意見圖4。

圖3 小型設備包絡面示意圖

圖4 小型設備半球包絡面示意圖

3 計算機模型搭建

目前，常用的噪聲預測軟件有丹麥Bruel&Kjaer公司的Lima、德國Datakustik公司的Cadna/A以及德國Braunstein+Berndt GmbH公司的SoundPLAN等，其平臺架構、操作界面各有千秋。本文采用SoundPLAN軟件。

3.1 SoundPLAN軟件介紹

SoundPLAN軟件采用聲線追蹤法和鏡像虛聲源法進行計算。SoundPLAN軟件中室外聲場的模擬是基于ISO 9613—1:1993《聲學戶外聲傳播衰減第l部分：大氣聲吸收的計算方法》和ISO 9613.2《聲學戶外聲傳播衰減第2部分：一般計算方法》來完成的。

3.2 準確建立模型

地形的起伏變化與室外聲場計算有較大的關系，建模時需先將真實的地形特征輸入模型中；根據現場測試及現有資料將建筑物及各類屏障在空間定位，準確輸入建筑物的幾何參數、氣象條件、地面衰減、建筑物外表面及聲屏障的反射系數等計算噪聲衰減時所需的必要因素，確定環境敏感點的位置及高度，設定聲場計算的范圍及高度，建立工業污染源實際的三維幾何模型。

在這兩個項目中建立了復雜的地形模型與精確地建筑物、聲源模型，以最大限度地提高模型的準確性。項目一的地形與建筑物模型見圖5；項目二的地形與建筑物模型見圖6。

圖5 項目一的地形與建筑物模型

圖6 項目二的地形與建筑物模型

3.3 聲源的識別、量化及建立

SoundPLAN軟件中聲源的類型有4種，分別是點聲源、線聲源、面聲源及聲源建筑。露天布置的尺寸較小的聲源一般可考慮成點聲源，例如主廠房屋頂排風機、廠房軸流風機出風口、灰庫除塵風機、脫硫塔攪拌泵、水處理區循環水泵、羅茨風機、機力通風冷卻塔電機等；煤輸送廊及輸送管道等尺寸較長的聲源應建為線聲源；對于面積較大且位置較高的聲源一般建成面聲源，例如冷卻塔的進風口和排風口等；聲源建筑是可以很方便地在建筑外立面及頂面建立點、線、面聲源的特殊建筑，最適用于模擬建筑圍護結構的門、窗、孔洞等的漏聲，如主廠房，各類泵房等；與大型風機（送風機、引風機）相連接的巨大風管也需建成聲源建筑[2]。

聲源的輸入對于預測結果有著至關重要的作用。所以無論是在現場測試還是僅靠工藝流程圖和設備參數表分析，都要仔細辨別，判斷聲源的各發生部位及類型，將復雜聲源拆分或簡化成多個聲源分別進行測試和聲功率的估算。

在這兩個項目中，通過對各類聲源進行分解，最終將全廠的噪聲源細化為上千個聲源模型，主要聲源建模過程如下：

（1）主廠房區域

主廠房聲學模型見圖7。

圖7 主廠房聲學模型

主廠房整體是一個巨大的聲源建筑，但由于各廠房（汽機房、除氧間及煤倉間）外形不同，可將主廠房分解為幾個聲源建筑：1）將主廠房各方向的墻體都建為面聲源，由于廠房各層、各方向的墻體構造不一樣，輻射出來的聲音強度也不一樣，因此模型根據不同層高、不同方向的墻體的差異而設置成不同的面聲源，分別賦予不同的聲源強度；2）由于廠房距離敏感點的位置很近，側墻上的門、窗、進風口必須按照面聲源考慮，其聲源強度分別按照實測數據進行推算。

（2）鍋爐區域

鍋爐區域聲學模型見圖8。

圖8 鍋爐區域聲學模型

鍋爐本體的噪聲較小，但其是一個巨大的屏障，建模時可將其建為一個懸浮體，但為其工作的吹灰裝置的噪聲非常強烈，需作為點聲源建立；一次風機、送風機和引風機機殼及電機由于體積大，不能按點聲源考慮，需建成聲源建筑，每一面均向外輻射噪聲；一次風機、送風機及引風機的管道的幾何尺寸較大，如建成線聲源其計算結果不能代表真實情況，也需按聲源建筑建立；其他一些體積較小的風機及其排氣口由于距離敏感點位置較遠，則可以按照點聲源考慮。

（3）冷卻塔區域

自然通風冷卻塔模型見圖9。

圖9 自然通風冷卻塔模型

首先搭建自然通風冷卻塔的建筑模型，然后將淋水位置建立一圈聲源建筑，把建筑的側面當作面源并輸入通過測試計算得出的聲功率級；機力通風冷卻塔由冷卻塔的本體及排風機組成，建模時可將冷卻塔本體及每個排風機當作個體，組合成機力通風冷卻塔。為方便進行噪聲分析和后期制定噪聲控制方案，需將冷卻塔聲源劃分為數十個小面源進行處理和分析。

3.4 全廠模型搭建結果

燃煤電廠三維聲源模型見圖10。

圖10 燃煤電廠三維聲源模型

燃煤電廠局部（放大）聲學模型見圖11。

圖11 燃煤電廠局部（放大）聲學模型

4 噪聲預測

4.1 軟件計算原理

計算的每一張噪聲地圖都是由單個點的計算所組成，對于單個接收點來說，計算過程是非常重要的。所有源強在計算中都是獨立的，所有源強的貢獻值采用以②疊加得出單個接收點的結果：

每一個聲源貢獻值：

式中：

Li—接收點的聲壓級，dB（A）；

LW—聲源聲功率，dB（A）；

C1-C2-……Cn—不同傳播方向的系數[3]。

4.2 敏感點實測噪聲

測試人員夜間在廠界不同的點位進行了上百組的廠界噪聲測量，測量的同時判斷每個敏感點噪聲的主要來源并進行記錄，以便在后續研究中進行對比分析。對于測試時間內波動較大的測試數據，復測一次，取兩次測試結果的平均值。

4.3 噪聲預測結果

使用軟件分析每個聲源對敏感點的貢獻值，分析結果中已包含了建筑物、設備的屏障作用和反射作用，氣象條件，地形、地勢和地面的影響。

4.4 預測結果與分析

（1）項目一的預測結果及分析

項目一的全廠總平面圖與噪聲測點分布圖見圖12；相應測點的實測值與軟件模擬預測值見表1；兩者的對比曲線見圖13；全廠的噪聲分布見圖14。

表1 項目一預測值與實測值誤差 單位：dB（A）

圖12 項目一的噪聲實測點分布圖

圖13 項目一的實測值與預測值對比曲線圖

圖14 項目一的全廠噪聲分布圖

根據數據對比分析，預測值與實測值的平均絕對誤差約為2.0dB（A），兩者能很好地吻合，說明模型建立的準確可靠，能真實準確地反映出電廠噪聲分布的實際情況，可為進一步的噪聲分析和制定降噪措施提供堅實的依據。

（2）項目二的預測結果及分析

項目二在建模時將噪聲源細分為1467個，使用軟件分析了每個聲源對敏感點的貢獻值，分析結果已包含了建筑物、設備的屏障作用和反射作用，氣象條件，地形、地勢和地面的影響。

項目二的全廠總平面圖與噪聲測點分布見圖15；相應測點實測值與軟件模擬預測值見表2；兩者對比曲線見圖16；全廠的噪聲分布見圖17。

表2 項目二預測值與實測值誤差 單位：dB（A）

圖15 項目二的噪聲實測點分布圖

圖16 項目二的實測值與預測值對比曲線圖

圖17 項目二的全廠噪聲分布圖

項目二由于測試條件的限制，只能現場測量部分廠界的噪聲數值，從預測值與實測值的對比來看，差值＜3.0dB（A），兩者能很好地吻合，說明模型建立的準確可靠，能真實準確反映出燃煤電廠噪聲分布的實際情況，可為下一步的噪聲分析和制定降噪措施提供依據。

5 結論

通過對2個大型燃煤電廠的工程實例論述以及正確使用聲學預測軟件，可以最大程度地模擬環境中的各種影響聲波衰減的因素，將實際聲環境轉化成數學模型進行計算。同時，計算機的高速計算效率也提高了聲學模擬計算的速度，提高了工作效率，為大型工業噪聲的治理方案提供輔助設計。