化工生產冷卻塔噪聲治理及案例分析

黨鵬剛，張 英，劉 毅

(1 陜西煤業化工技術研究院，陜西 西安 710100；2 陜西省環境科學研究院，陜西 西安 710043；3 陜西渭河煤化工集團有限責任公司，陜西 渭南 715100)

近年來，隨著人們環保意識的增強，噪聲投訴等問題逐漸成為制約工業裝置長周期穩定運行的新問題。冷卻塔是工業上用于冷卻循環水使其降低溫度的構筑物，常見于化工、電力、水泥等需要控制裝置運行水溫的行業，化工生產冷卻塔在運行過程中因為電機、風機及水流運動會產生大量噪聲，對周圍環境帶來較大影響[1]。工業設計規范中，一般將安全性高、污染特性小的水處理、冷卻塔、原料堆場、產品庫房等布置在靠近廠界位置[2]，防止和減少主生產工序的有害氣體、煙、霧、粉塵、震動、噪聲對周圍環境的影響[3-5]對冷卻塔一類不能影響通風的化工裝置來說，普通的封閉隔音消音技術難以適用。目前，在我國工企業與居民毗鄰的情況仍十分普遍，企業周邊噪聲超標問題非常普遍，通過運用以多通道片式消音器和其他消音隔音手段的綜合運用，結合渭化集團冷卻塔噪聲治理案例，提出既能解決噪聲影響又不影響裝置通風的降噪方案，對治理冷卻塔消音技術對保障工業生產長期穩定運行，確保噪聲達標排放具有重要意義。

1 化工生產冷卻塔的結構

化工生產冷卻塔一般采用多組大型塔式組合的形式，由塔體、電動機、風機、水輪機、風筒、淋水器、進風口、下塔體(集水池)、以及管路、循環水泵、閥門等組成[6]，冷卻塔結構見圖1、圖2。冷卻塔在工業生產中主要是利用水和空氣的接觸，通過蒸發作用來散去制冷設備中產生的廢熱。其工作原理是外界環境的空氣通過塔頂上部風機抽動后，冷空氣自下部的進風口進入冷卻塔內，與塔內下落的熱水流進行交換，產生蒸發現象，并通過頂部風筒將水中的熱量帶走，從而達到降溫的目的。

圖1 冷卻塔主體全貌Fig.1 Overall view of the cooling tower

圖2 冷卻塔結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of cooling tower structure

2 噪聲源分析

根據冷卻塔的結構特點及工作原理，其噪聲源主要有以下幾個方面：淋水噪聲、風機噪聲、電機/水輪機噪聲及管道系統噪聲。

2.1 淋水噪聲

冷卻水從落水裝置下落時與塔底蓄水池水面撞擊產生淋水噪聲，其頻譜本身呈現中、高頻特性，噪聲級與落水高度、單位時間內的水流量有關[7-8]。冷卻塔進風口面積很大，淋水噪聲呈面聲源向外輻射，在近場區域，淋水噪聲占主要地位，同時，因為進風口需要有大風量空氣進入塔內進行對流交換，故冷卻塔下部封閉降噪方案不可行[9]。噪聲具體產生部位見圖2。

2.2 風機噪聲

風機噪聲也是冷卻塔主要的噪聲源，它是一種空氣動力噪聲，包括湍流噪聲和旋轉噪聲。當氣流通過葉片表面時，會在其背部脫體，在尾部由于氣流的粘滯形成一系列渦流，從而產生湍流噪聲，它具有連續頻譜特性。旋轉噪聲是由葉片旋轉時形成壓力脈產的，它與葉片數、轉速、氣體流量等有關，它的頻譜呈低、中頻特性，由于低頻噪聲傳播衰減慢，所以風機噪聲對廠界及遠場區域均有很大影響[10-11]。噪聲具體產生部位見圖2。

2.3 電機和水輪機噪聲

電機噪聲由電磁噪聲和機械噪聲組成，水輪機噪聲主要是旋轉齒輪嚙合時產生的機械噪聲，這些噪聲比淋水噪聲和風機噪聲要低，如果電機裝在風筒的外部，則需要進行降噪處理。噪聲具體產生部位見圖2。

2.4 管道系統噪聲(包含循環水泵、管路、閥門等)

管道系統噪聲主要由循環水泵運行的機械噪聲、閥門內流體的沖擊噪聲、管道內流體的沖擊噪聲和振動噪聲。噪聲具體產生部位見圖3。

圖3 冷卻塔氣流流動及噪聲輻射方向Fig.3 Airflow flow and noise radiation direction of cooling tower

3 冷卻塔噪聲治理

本項目位于渭化集團廠區北側，冷卻塔毗鄰廠界北側，東西延伸210 m，距離廠界北側圍墻約500 m的為居民區，噪聲投訴對企業形成長期困擾。廠區和居民區位置圖如圖4。

圖4 工廠與居民區位置圖Fig.4 Location map of factories and residential areas

2015年在冷卻塔的頂部安裝了隔吸聲屏障，雖然有一定降噪效果，但仍難達標，表1為治理前后監測情況，監測點位沿圍墻外210 m廠界均勻布點監測。

表1 冷卻塔上部風機出口采取隔音措施前后廠界噪聲監測情況

3.1 治理方案分析

冷卻塔上部噪聲主要為風機噪聲，經過治理各點位噪聲降幅約在10分貝左右。但冷卻塔下部的淋水噪聲、管道噪聲等是影響廠界噪聲的主要聲源。冷卻塔下部進氣口組合噪聲的傳播方式，可認為是以長條矩形的平面波形式輻射，且以寬頻的特性向遠處傳播，傳播越遠低頻特性越強。此外，除底部的風機系統噪聲和淋水噪聲外，管道噪聲也不能忽視，雖輻射面小，但噪聲級高。風機系統噪聲對遠處影響較大，淋水和管道噪聲對廠界噪聲影響較大。

3.2 冷卻塔噪聲綜合治理方案

經對涼水塔運行要求和噪聲治理要求的綜合考慮，對涼水塔頂部排風噪聲以隔聲擋聲為主，使其反射到敏感源的另一側；將風機改為中空玻璃纖維材質，通過減輕重量，減少震動降低噪聲；在淋水方面通過優化填料結構，改善布水方式，增加換熱效率，減小落水噪聲；下部進風部位綜合隔音和進風要求，總體的隔吸聲結構采用三種隔聲結構相結合：底部磚混墻體結構，起到隔聲及基礎作用，用來支撐上部結構；多通道片式消音器，采用風道式隔吸聲板結構，既起隔聲吸聲作用又能滿足通風；上部隔聲窗結構，滿足隔聲及采光作用；頂部采用隔音板，隔音擋音。形成整體通風的隔音間，如圖5所示。

圖5 綜合方案示意圖Fig.5 Schematic diagram of the scheme

3.2.1 多通道片式消音器

增設進排氣消聲器將影響通風效果，因此在消聲器的選擇上除了消聲量的要求外，通風阻力要小。一般采用消聲圍裙(消聲空腔)，進風通過消聲百葉窗進入，使得淋水聲通過進風口向外輻射時有較大的衰減。消聲器的消聲量與消聲器的結構形式、空氣通道橫斷面的形狀與面積、氣流速度、消聲器長度，以及吸聲材料的種類、密度、厚度、護面板材料等因素有關，消聲器一般有直管式、片式、蜂窩式、折板式和聲流式等，根據實際情況進行特殊設計[6,11]。

本項目中設計的消聲風道是一種阻性消聲器，是在氣流通道的內壁加襯一層吸聲材料或吸聲結構(本項目填充材料選用玻璃吸聲棉)，形成一個吸聲通道結構，既能滿足通風要求，又能達到消聲降噪的作用。聲波在吸聲通道中傳播，因摩擦將聲能轉化為熱能而散發掉，使沿通道傳播的噪聲隨距離而衰減，從而達到消聲目的，對高頻噪聲有良好的消聲效果。

圖6 多通道片式消聲器示意圖Fig.6 Schematic diagram of multi-channel chip muffler

本方案中的消聲器結構均為阻性消聲，其消聲量的計算方法采用公式(1)[12]：

(1)

式中：L為氣流通道周長(m)；S為氣流通道截面積(m2)；l為管道長度(m)；φα0公式中修改為消聲系數，與材料的吸聲系數α0有關，其換算關系如公式(2)[12]：

(2)

表2 超細玻璃棉吸聲系數Table 2 Sound absorption coefficient of ultrafine glass wool

由此計算得出各頻率消聲量：

表3 不同倍頻程中心頻率消聲量Table 3 Sound attenuation of center frequency of differentoctave

3.3 治理前后廠界噪聲測量情況

綜合治理措施實施后，按照治理前的監測點位和檢測時段(晚22:00-23:00)進行復測，廠界噪聲測點分布及噪聲級如圖7，治理后，廠界噪聲排放滿足《工業企業廠界環境噪聲排放標準》3類功能區夜間55 dB(A)限值要求[9]。

圖7 冷卻塔單側噪聲測點及聲級分布Fig.7 Measurement point and sound level distribution on one side of cooling tower

治理前后噪聲值及消音量見表4。

表4 噪聲治理完成后監測效果對比(夜間) Table 4 Comparison of cooling tower results after noise treatment(night) [dB(A)]

4 結 論

本文通過對冷卻塔運行噪聲產生及治理原理分析，對因冷卻塔運行造成的廠界噪聲超標問題提出了可行的技術方案，并通過案例實施證實了方案的可行性，敏感點位最大降噪18.4 dB(A),平均降噪16.67 dB(A)，使企業廠界環境噪聲達標排放。但噪聲問題是一個綜合問題，特別是生產設備和工藝復雜的大型企業，廠內生產設備機械噪聲、放空噪聲、管道噪聲等交錯產生，持續噪聲、間歇噪聲等產生隨機性強。要徹底解決工業廠內及廠界周圍噪聲問題，建議必須堅持從大到小，持續治理，不斷解決顯著噪聲對環境的影響。此外，加強隔音消音設備運行維護，保證生產設施穩定運行也是杜絕噪聲產生的最有效途徑。