某核電廠自然通風冷卻塔噪聲環境影響及防治措施探討

郝 睿，江 君，楊宗甄

（中國廣核集團蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州215004）

核電廠和火電廠的冷卻水循環通常采用一次循環和二次循環兩種方式。與冷卻水一次循環相比，二次循環主要是增加了冷卻塔（池）設施。目前國內在建和商運的沿海核電廠均采用冷卻水一次循環方式，而規劃中的內陸核電廠主要采用冷卻水二次循環方式[1]。隨著我國對生態環境的高度重視和海洋生態環保標準的日益嚴格，我國規劃中的部分沿海核電廠也在積極探索采用冷卻塔進行循環水冷卻的必要性。

冷卻塔在火電行業中已成功運行多年，是維持電廠正常運轉的重要設備。在火電廠的環境影響評價中，冷卻塔是備受關注的重點對象之一。而相對于火電廠的冷卻塔，核電廠熱能利用率較低，僅不到40 %，因此冷卻塔的規模要遠大于火電廠冷卻塔。部分學者研究了核電廠冷卻塔運行過程中的霧羽飄滴、蔭屏和鹽沉積等對周圍環境的不利影響[2]。從某些規劃帶自然通風冷卻塔的核電廠平面布置上看，考慮廠址面積、核島布置、地質條件、區域氣候、景觀影響因素后，冷卻塔多建于廠址邊界附近區域，相對于其他影響，冷卻塔噪聲污染和周邊公眾的投訴將成為冷卻塔環境影響的重要關注點。因此后續隨著冷卻水二次循環式核電廠的建設和運行，冷卻塔噪聲的環境影響和治理將越來越引起重視。

1 冷卻塔噪聲機理及特性

自然通風冷卻塔噪聲源主要是水滴下落時沖擊水面產生的連續性落水噪聲，即水滴在水池、淋水構架板、梁柱等各個表面上產生的沖擊噪聲。在冷卻塔上主要有3個聲音擴散面：上部排風口、下部進風口和塔體本身，其中，下開口（進風口）是落水噪聲最主要的擴散面。發生過程為高處的冷卻水在重力作用下將勢能轉化為動能，當下落到集水池與水面撞擊時，其中一部分動能便轉化為聲能進行傳播。同時，水滴撞擊集水池水面所產生氣泡的體積脈動，也會輻射比較尖銳的噪聲。淋水噪聲聲強隨著淋水量、淋水密度以及水滴質量、水力高度的增大而增大，并與塔內風速有關，因為向上的氣流使水滴的下落速度減小。噪聲頻譜表現為中高頻特性，并且隨著集水池水深的增加，向低頻方向移動。有學者通過試驗對冷卻塔淋水噪聲進行模擬并驗證了上述特性[3]。

除淋水噪聲外，冷卻塔噪聲還包括布水噪聲和空氣對流噪聲。噴嘴布水到填料上以及進入塔內的空氣對流都會產生噪聲，但較之淋水噪聲要小得多。另外水溫對噪聲也有影響，因為水溫影響水的表面張力，一般水池水溫每增加10°C，聲壓級減少1 dB。循環水泵產生的噪聲可以通過循環水管道傳到塔內，然后向四周輻射，一般比淋水噪聲明顯要小，其噪聲頻譜表現為低頻噪聲[4]。

2 冷卻塔噪聲衰減規律及預測模式適用性

冷卻塔落水噪聲隨距離的衰減特性符合半球面波在傳播過程中隨能量分布擴大而衰減的規律。聲源為內置的一片圓形水面，腔體內聲波通過進風口向外傳播，所以可將環形進風口作為面聲源。面源聲波的衰減并不立即按通常聲源隨距離快速衰減，而是有它自己的衰減規律。在由近及遠的過程中分別按照“面聲源”至“線聲源”最后至“點聲源”的模式衰減[5]，該情形可利用《環境影響評價技術導則-聲環境》（HJ2.4-2009）中的面源噪聲衰減推薦模式進行估算[6]：

當r≤a/π時，衰減值接近為0 dB，距離變化，聲壓級幾乎無變化；

當a/π＜r＜b/π 時，按線聲源考慮，L1-L2=10 lg（r2/r1），距離每增加一倍聲能衰減3 dB；

當r≥b/π 時，按點聲源考慮，L1-L2=20 lg（r2/r1），距離每增加一倍聲能衰減6 dB；

其中：r——預測點距離聲源（冷卻塔）的直線距離，m；

L1——起始點噪聲源強，dB；

L2——預測點噪聲源強，dB；

a——冷卻塔進風口高度，m；

b——冷卻塔淋水池直徑，m。

為驗證該預測模式的適用型，選擇了國內某沿海火電廠大型自然通風冷卻塔進行噪聲實測。監測時天氣良好，儀器采用AWA6228 多功能聲級計，校準證書在有效期內。監測時電廠有2臺冷卻塔正常運行，冷卻塔部分參數見下表1。

表1 某沿海火電廠海水冷卻塔塔型參數

監測點位選擇時考慮盡量減少電廠其他設施的噪聲干擾，在一臺冷卻塔東北側沿兩臺冷卻塔連線的延長線布設，點位間隔為5 m。現場布點見圖1，噪聲預測和實際監測結果見表2。

圖1 某沿海火電廠冷卻塔噪聲現場監測布點圖

經查閱該火電廠環評報告，海邊區域的噪聲背景值最大為52 dB（A），噪聲監測時風速小于5 m/s。本次噪聲預測時考慮了廠址背景噪聲和2臺冷卻塔的噪聲疊加。

表2 某沿海火電廠海水冷卻塔噪聲預測與實測結果對比

圖2給出了單臺冷卻塔噪聲預測值、2臺冷卻塔疊加背景預測值以及噪聲實際監測值的對比圖。

圖2 某沿海火電廠噪聲預測與實測結果對比圖

由圖可知，噪聲實測值隨距離的衰減規律與HJ2.4-2009 導則推薦模式預測值基本一致，但實測值略大，主要是由于現場監測噪聲不僅包括了冷卻塔噪聲，還包括電廠內其他設施的噪聲影響，而模式預測僅考慮了冷卻塔和背景噪聲的疊加影響，因此實測值略大是合理的。噪聲實測結果表明導則推薦模式對冷卻塔噪聲衰減模擬是適用的。

3 某核電廠大型自然通風冷卻塔噪聲環境影響預測

3.1 某核電廠基本概況

某核電廠址位于國內東部地區，規劃建設6 臺AP1000機組，廠坪初定標高為80 m。綜合考慮廠址位置、規劃容量、地形地貌和現行環保要求，該核電廠冷卻水擬采用二次循環方式即冷卻塔。

根據廠區面積和機組容量測算，擬采用一機一塔配置，共設置6 臺自然通風冷卻塔，塔體0 m 處直徑約180 m～200 m，塔高約160 m～180 m，進風口高度12 m～15 m，淋水面積約1.8萬m2～2.0萬m2，6臺冷卻塔呈“一”字形布置于廠區南側。廠區總平面布置見圖3。

圖3 設有自然通風冷卻塔的某核電廠總平布置圖

廠區擬征地范圍內目前有一村莊，人口494人，后期擬搬遷。此外最近的居民點為廠址北側1.6 km處的另一村莊，人口649人。

3.2 核電廠主要噪聲源

核電廠的噪聲源較多，主要來自核島廠房群和汽輪機廠房中高速運轉和有高速流體流動的設備。雖然核電廠噪聲源較多，但由于核電廠占地面積較大（通常150 hm2～250 hm2），核島及常規島廠房因安全因素主要位于廠區中部位置，距離廠界有一定距離，且高噪聲設備經過減振處理和廠房隔聲圍護，對廠界噪聲貢獻相對較小。冷卻塔由于體積大、熱量排放大等特點，大多置于廠區靠近邊界位置，因此冷卻塔為核電廠中對廠界噪聲貢獻較大的聲源。

3.3 冷卻塔噪聲源強及影響預測

依據核電廠初步設計資料，并類比其他自然通風冷卻塔噪聲源強，給出了該核電廠自然通風冷卻塔的預估噪聲源強，詳見表3。

采用HJ2.4-2009導則推薦模式對核電廠冷卻塔噪聲開展預測，噪聲預測等值線分布見圖4。

由圖可知，冷卻塔周圍廠界處噪聲已超過GB12348-2008 中3 類功能區限值要求（晝間65dB（A），夜間55 dB（A））。廠址征地范圍內的村莊搬遷后本項目最近的居民點位于廠址北側約1.6 km，距離冷卻塔約2 km，有人口649人，預測噪聲貢獻值＜55 dB（A）。除此之外區域內無其他學校、醫院、養老院、科研院所等敏感人群居住點，也未有相關敏感點規劃。

表3 某核電廠自然通風冷卻塔噪聲類比源強

圖4 某核電廠自然通風冷卻塔噪聲影響預測圖

4 冷卻塔噪聲控制措施

針對冷卻塔噪聲的發生機理、傳播方式，可將冷卻塔噪聲治理歸結為塔內、塔外治理兩種途徑。塔內以聲源的降噪治理為主，塔外以傳聲途徑上的聲波阻隔（隔聲）、聲波吸收（消聲）為主。

相對于塔內治理，目前塔外治理在國內外應用均較多。塔外治理主要有兩種形式，一種為在進風口周圍設置消聲器，一種是在冷卻塔周邊一定范圍設置聲屏障。冷卻塔消聲裝置一般設置在距冷卻塔進風口一定距離，根據受噪聲影響的區域大小，沿冷卻塔圓周方向設置。采取這種措施后無論在近場、廠界還是敏感點可達到10 dB(A)～20 dB(A)的降噪量，能獲得良好的降噪效果。聲屏障在很多領域的噪聲治理中均得到廣泛的應用[7]。為達到降噪要求,冷卻塔聲屏障要求高出進風口高度，聲屏障的隔聲量通常可達20 dB(A)以上。消聲+聲屏障組合應用的工程也有較多實例，且取得了較好的降噪效果[8-9]。

5 噪聲達標排放考核點設置探討

與火電廠、水泥廠、鋼鐵廠等企業環保要求不同，核電廠須設置一定范圍的非居住區邊界。《核動力廠環境輻射防護規定》（GB6249-2011）中5.6 款說明[10]，必須在核動力廠周圍設置非居住區，非居住區邊界的確定應考慮選址假想事故的放射性后果。不要求非居住區是圓形，可以根據廠址的地形、地貌、氣象、交通等具體條件確定，但非居住區邊界離反應堆的距離不得小于500 m。根據美國AP1000 設計控制文件，AP1000機組的非居住區邊界離反應堆的距離不得小于800 m。非居住區內嚴禁有常住居民，僅允許公路、鐵路、水路穿過。因此該區域內不得建設居住、辦公、學校、醫院等噪聲敏感點。

對于前述規劃的AP1000核電廠址，由于廠址面積較小，其反應堆半徑800 m范圍已超出廠址邊界，超出的區域內不得設置居民常住場所等敏感點，而現有的居民點也將全部搬遷。也就是說，核電廠運行后反應堆半徑800 m 范圍內沒有環境敏感點，噪聲不會出現擾民現象，因此將用地紅線作為廠界噪聲排放考核點就會過于嚴格，而將非居住區邊界作為噪聲排放考核點更貼近核電廠的實際情況。此外，核電廠冷卻塔尺寸大、噪聲源強高，采用隔聲屏和消聲器等措施治理的全部費用將以數百萬計，考慮到近年核電企業等實體經濟發展現狀，這將對核電企業項目開發和電價競爭上網產生較大的壓力。筆者建議在建設初期重點從冷卻塔設備、材料和設計上考慮聲源的降噪，暫不考慮冷卻塔聲屏障的設置，后續根據設定的非居住區邊界范圍、試運行期噪聲監測結果、最近敏感點距離等實際情況綜合考慮隔聲、消聲、吸聲等工程措施。

6 結語

大型自然通風冷卻塔在火電廠中應用較多，其噪聲影響預測和治理是該類項目環評審查的重點內容。選取國內某沿海火電廠大型自然通風冷卻塔進行噪聲實測，對HJ2.4-2009 導則推薦的冷卻塔噪聲預測模型進行了驗證，結果表明導則推薦模式對冷卻塔噪聲衰減模擬具有較好的的適用性。

大型自然通風冷卻塔在核電項目中還未有應用實例，但已有多個內陸和沿海核電項目規劃建設大型自然通風冷卻塔。選取某規劃AP1000核電項目，利用HJ2.4-2009導則推薦模式對該核電廠6座自然通風冷卻塔的噪聲影響進行預測，結果表明廠界處噪聲存在一定超標，須開展針對性的噪聲工程治理。冷卻塔噪聲治理是一項投資大的復雜工程，參考國內外冷卻塔噪聲治理研究現狀，總結了核電廠冷卻塔可采用的工程措施。同時，根據核電項目須設置非居住區邊界的專門環保法規要求，并結合近年能源等實體經濟發展現狀，提出廠界噪聲達標排放考核點從原有用地紅線放寬至非居住區邊界范圍，對于非居住區邊界未全部超出項目用地紅線的廠址，可將達標排放考核點放寬至非居住區邊界和廠區用地紅線的包絡線。項目建設初期重點考慮冷卻塔內部聲源降噪，后期根據確定的非居住區邊界范圍、敏感點分布和試運行期噪聲監測結果，綜合采取技術經濟合理的工程降噪措施，而不是完全以用地紅線處的廠界噪聲達標作為治理標準。這種方式既解決噪聲矛盾問題，又符合企業實際情況，降低了環保投資費用。