噪聲控制在調相機外冷系統中的研究與應用

張 璜

（國核電力規劃設計研究院有限公司 北京 100095）

引言

近年來，隨著特高壓電網以及新型電力系統建設的蓬勃發展，電網運行特性發生很大變化，存在直流輸電送端電網薄弱、受端電網無功不足的問題，影響電網安全穩定運行。作為一種動態無功功率補償裝置，調相機相當于電網系統的“穩壓器”，可自動快速調節無功功率，發揮著改善電網功率因素、維持電網電壓水平、提高電力系統穩定性的作用[1]。

調相機本體在運轉過程中會釋放大量熱量，這些熱量首先傳遞給調相機自帶的冷卻器（內冷系統），然后通過相連的冷卻系統（外冷系統）排至大氣環境中，因此外冷系統對保障調相機設備正常運行具有非常重要的作用[2]。目前調相機基本是在原有變電站或換流站內進行擴建，其占地面積小且緊鄰廠界，而外冷系統為露天布置，噪聲源強高且數量多，對廠界噪聲影響較大，因此外冷系統屬于調相機工程噪聲治理的重點和難點。

以北京地區某調相機項目為例，重點分析其外冷系統的工作原理和聲源特性，并結合周邊環境特征，研究和探討調相機外冷系統的噪聲控制方案。

1 項目概況

本項目是在北京城區現有某220kV 變電站內建設2 臺300Mvar 調相機（戶內），位于變電站的西南角。主要建（構）筑物包括調相機廠房、冷卻塔、變壓器、輔助車間（水處理車間和綜合水泵房）和辦公樓。

本項目廠界為現有變電站圍墻處，其東北廠界外有個別居民點。根據本項目的環評要求，廠界噪聲、環境敏感點噪聲分別執行《工業企業廠界環境噪聲排放標準》（GB12348-2008）中1 類標準限值和《聲環境質量標準》（GB3096-2008）中1 類標準限值，即晝間55dB(A)，夜間45dB(A)。

2 調相機外冷系統概述

2.1 外冷系統工藝流程

根據本項目的技術特征和當地氣候條件，外冷系統選用干濕聯合冷卻系統，該系統由空氣冷卻器和閉式冷卻塔組成，兼具空冷和水冷的優點，適用于缺水、高溫差的環境條件[2]。

干濕聯合冷卻系統工作原理為在調相機水路內被加熱升溫的冷卻水進入室外空氣冷卻器和閉式冷卻塔的換熱盤管，其中空氣冷卻器通過風機直接對換熱盤管表面進行空氣冷卻，閉式冷卻塔噴淋水泵從室外地下水池抽水均勻噴灑到冷卻塔的換熱盤管表面，噴淋水吸熱后蒸發成水蒸汽通過風機排至大氣。在此過程中，換熱盤管內的冷卻水被冷卻，冷卻后的冷卻水再通過循環水泵送到調相機本體換熱器，這樣循環反復。

2.2 外冷系統配置

根據設備廠家資料，本項目調相機的外冷系統由9 組共108 臺空氣冷卻器和2 組共8 臺閉式冷卻塔組成，包括風機、散熱器（管束）、水泵、空冷平臺、水池等建(構)筑物。系統總占地面積約33m×10m，空氣冷卻器平臺高度為5.4m，閉式冷卻塔高度為4.8m。本項目風機設備參數見表1。

表1 外冷設備風機參數

3 外冷系統噪聲源分析

3.1 噪聲源組成

空氣冷卻器主要由風機、換熱管道及空冷平臺構成 ；閉式冷卻塔主要由風機、收水器、噴淋管、換熱盤管、水泵、塔體構成。其中，風機產生的空氣動力性噪聲主要包含旋轉噪聲和渦流噪聲。

旋轉噪聲的聲功率大小正比于氣流速度的平方大小，其基頻表達見式（1）。

式中f—旋轉噪聲的基頻，Hz；n—葉輪轉數，r/min；z—葉片數。

渦流噪聲的聲功率大小則正比于氣流速度的六次方大小，其基頻表達見式（2）。

式中fi—渦流 噪 聲的基頻，Hz；K—斯脫路哈數；V—氣體與葉片的相對速度，m/s；D—氣體入射方向的物體厚度，m。

渦流噪聲包含2 部分，分別為排風口噪聲和進風口噪聲，其中排風口噪聲通過頂部風機上部、往外傳播，而進風口噪聲通過下部、向四周傳播。另外，電機及傳動部件運轉時發出的機械噪聲主要為摩擦噪聲；風機、電機的振動通過鋼結構傳遞到周圍薄板結構，即結構振動輻射的結構噪聲。

3.2 噪聲特性分析

干濕聯合冷卻系統集合了空氣冷卻器和閉式冷卻塔的聲源特征，聲源特性參考了已運行電廠的噪聲實測數據。

3.2.1 空氣冷卻器

圖1 為某燃機電廠空氣冷卻器現場實測頻譜曲線[3]，測點為進風口斜下方45°、1.5m 高度位置，可以看出進風口處噪聲值約為74～77dB(A)，空氣冷卻器聲能量分布在中低頻區域且范圍較寬，高頻部分聲能量隨頻率的升高而明顯減弱，此噪聲呈典型的中低頻特性，表現出傳播距離遠、自然衰減緩慢的特點。

圖1 某空氣冷卻器噪聲頻譜圖

3.2.2 閉式冷卻塔

圖2 為某電廠閉式冷卻塔現場實測頻譜曲線，可以看出閉式冷卻塔排風口處噪聲較大，高速運行時近場聲壓級在80dB（A）左右，進風口噪聲相對較小，約在76dB（A）左右，設備頻譜呈現中低頻特性。

圖2 某閉式冷卻塔噪聲頻譜圖

綜上可知，干濕聯合冷卻系統的噪聲特性整體表現出中低頻的特點。

4 噪聲控制重點及難點

噪聲控制的重點及難點主要體現在4 個方面，即①噪聲控制目標嚴苛，位于聲環境功能區劃一類區，夜間噪聲值須控制在45dB（A）以下；②項目占地面積小，周邊空間有限，距離廠界較近；③噪聲控制措施須與外冷系統的工藝要求相協調，不能影響其冷卻效果；④在滿足環保要求的基礎上盡量降低成本，提高經濟性能。

5 噪聲控制設計

為了滿足環保要求，并提高經濟性能，結合本項目特征，外冷系統在制定噪控方案時重點考慮了總平面布置的優化，以及從聲源、傳播途徑2 個方面采取技術防治措施。

5.1 總平面布置優化

圖3 為項目總平面布置優化圖，本項目在十分有限的用地范圍內將外冷系統遠離廠界布置，并充分利用四周建筑物的遮擋作用，將外冷系統布置在現有變電站的中心位置，在一定程度上緩解了后續工程技術措施的壓力，降低了噪聲控制方案的造價。

圖3 項目總平面布置優化圖

5.2 聲源控制

在聲源上，通過選用低噪聲設備、改良工藝設計、改進設備結構、優化運行方案等一系列措施降低聲源，主要措施包括5 個方面，即①選用低噪聲型風機，如選用小風量、低風壓風機，風機電機采用變頻控制；②空氣冷卻器采用引風結構形式（負壓），降低冷卻器下部噪聲往外傳播；③閉式冷卻塔改善配水和集水系統，降低淋水噪聲；④水泵與管道之間的連接采用波紋補償器的軟連接形式，降低水泵的振動和噪聲；⑤根據實時運行負荷調節風機運行臺數和頻率，盡量減少風機運行數量，降低風機噪聲。

通過采取以上措施后，外冷系統所有風機按100%的額定轉速運行時，在距離設備邊緣外1m、地面上1.5m 處噪聲水平不高于75dB（A）。

5.3 傳播途徑控制

在傳播途徑上，通常采用的噪聲控制措施包含隔聲、吸聲、消聲等。第1 種方案是在外冷系統四周設置吸隔聲屏障（半露天），第2 種方案則是設置通風隔聲房（封閉型）。由于本項目外冷系統周邊空間有限，設置聲屏障不能滿足外冷系統的距離要求，且聲屏障存在繞射效應，即使近場能夠達標，遠場也可能超標；而設置隔聲房不僅可以解決距離問題，也不存在繞射效應。因此，本項目最終采用了通風隔聲房的方案。

5.3.1 聲學性能設計

根據外冷系統聲源源強（頻譜特性）、噪聲控制目標，設計合理的降噪量，同時注意控制上限失效頻率和氣流再生噪聲的影響。針對本項目外冷系統中低頻噪聲特性，設計了復合消聲吸聲隔聲房，主要包括進氣消聲器、排氣消聲器、吸隔聲板（圍護結構）、隔聲門等設施。

5.3.1.1 消聲量

通過數據庫初篩獲得文獻749篇，其中英文文獻425篇，中文文獻324篇。其他途徑未補充相關文獻。利用NoteExpress軟件剔除重復文獻后獲得文獻298篇；閱讀題目與摘要，排除文獻221篇；進一步閱讀全文，排除不符合納入標準的文獻、無法獲取全文的文獻及重復發表的文獻，最終獲得10篇[12-21]文獻。文獻篩選流程及結果見圖1。納入研究基本特征見表1。

消聲器的消聲量需根據設計降噪量并結合工程經驗進行修正，其經驗計算見式（3）。

5.3.1.2 上限失效頻率

當聲波頻率高到一定程度，波長很短，聲波以窄聲速的形式通過直管消聲器時，很少或者根本不與消聲器壁面的吸聲材料接觸，此時的頻率為消聲器的“上限失效頻率”，其經驗計算見式（4）。

5.3.1.3 氣流再生噪聲

氣流再生噪聲是氣流以一定的速度通過消聲器時，由于氣流在消聲器內產生的湍流噪聲以及氣流激發消聲器的結構部件所產生的噪聲，氣流再生噪聲的大小取決于消聲器的結構形式和氣流的速度，其經驗計算見式（5）。

根據上述設計思路，通風隔聲房具體設計參數為隔聲房進風口安裝阻性、片式消聲器，消聲量≥20dB（A）或25dB（A）；隔聲房頂部排風口安裝阻性、矩陣式消聲器，消聲量≥25dB（A）；隔聲房墻面安裝吸隔聲板，隔聲量≥30dB（A），吸聲系數≥0.9；安裝隔聲門和照明系統，滿足檢修和巡檢需求。外冷系統隔聲房具體布置情況見圖4。

圖4 外冷系統隔聲房布置圖

消聲器的設計不僅要滿足聲學性能要求，同時還應對外冷系統的正常運行不會造成影響。因此，需要對上述方案作進一步優化。

5.3.2.1 通風量保證措施

根據多個外冷系統（空氣冷卻器、閉式冷卻塔等）的進風流場（CFD）模擬結果表明，外冷系統由于增加消聲器而使整個系統的進風阻力增大，造成有效進風量存在不足。通常可通過增大電機功率、提高風機壓頭或改善流場以減少渦流造成的阻力損失，確保有效風量，從而滿足設計的冷卻效果。因此，在方案設計之初，要求設備廠家在選擇風機和電機時考慮風機的全壓，至少預留50Pa 余壓用于克服安裝消聲器增加的阻力[5]。同時，在進行消聲器詳細設計時，通過優化工藝設計確保較低的壓力損失，主要措施包括3 點，即①在保證聲學性能前提下，適當增加消聲器的凈通風面積，如增加通流比，控制消聲器內風速在合理范圍內（10m/s）[4]，既不引起較高的阻力損失，也不會產生較高的二次氣流噪聲；②在保證聲學性能前提下，通過控制吸聲結構表面粗糙度，降低消聲器氣流通道長度，迎流方向結構符合最小阻損特性，從而達到減少氣流阻力的作用；③選用表面光滑、摩擦阻力系數較低的護面材料，最大程度地降低摩擦阻力損失，并對消聲器結構在過渡及連接處平滑處理，使流場速度梯度更加平緩，避免形成渦流和紊流，降低局部阻力損失。

5.3.2.2 阻力損失計算

阻力損失主要為沿程阻力損失（消聲器管壁內表面與氣體摩擦產生的壓力損失）和局部阻力損失（消聲器內收縮、擴張等截面突變處導致氣流流動情況改變所產生的壓力損失）。

（1）沿程阻力損失

消聲片內壁與氣流摩擦產生的壓力損失計算見式（6）。

（2）局部阻力損失

消聲器的局部阻力損失計算見式（7）。

將本項目的風機參數、消聲器工藝參數代入上述公式計算，得出冷卻系統增加消聲器的總阻力損失約為20Pa，小于允許值50Pa，因此增加消聲器后不會對其冷卻效果產生影響，也不會導致風機電機過載。

6 噪聲控制設計

為了滿足環保要求，并提高經濟性能，結合本項目特征，外冷系統在制定噪控方案時重點考慮了總平面布置的優化，以及從聲源、傳播途徑方面采取技術防治措施。根據外冷系統噪聲源特性、周圍建筑物情況以及噪聲控制目標值，采用聲學專業軟件SoundPLAN 開展模擬計算，圖5 為外冷系統在未采取噪控措施時的噪聲分布圖（不考慮廠區內其他聲源），可以看出外冷系統主要對北廠界、西北廠界以及東南廠界影響較大，上述廠界噪聲均有不同程度超出了GB12348-2008中1 類標準的夜間限值，其中噪聲貢獻最大值約為60dB（A），位于北廠界，夜間超標量達15dB（A）。最近居民點（距離東北廠界10m 處）噪聲貢獻值為51.4dB（A），超出GB3096-2008 中1 類標準的夜間限值6.4dB（A）。圖6 為外冷系統在采取噪控措施后的噪聲分布圖，可以看出采取了高效復合通風隔聲房（進排風消聲器+吸隔聲板）后，各廠界噪聲和敏感點噪聲均能滿足國標限值要求（考慮廠內其他聲源的疊加影響，此處考慮了3～5dB（A）的裕量），達到了本項目噪聲控制目標。圖7 為外冷系統隔聲房的效果圖。

結論

外冷系統對于保障調相機設備正常運行具有非常重要的作用，但其噪聲源強高、數量多，露天布置，并且噪聲頻譜呈現中低頻特性，同時受擴建場地的限制，屬于調相機工程噪聲治理的重點和難點。以噪聲要求高的北京地區某調相機工程為例，立足滿足環保要求并提高經濟性能的角度，從總平面布置、聲源和傳播途徑3 個方面綜合考慮了噪聲控制方案，同時重點開展對外冷系統降噪設備聲學性能和空氣動力性能設計，通過優化消聲器工藝設計，可確保足夠的消聲量、較低的阻力損失，達到了既滿足外冷系統的工藝要求，又符合環保標準的設計目標。本研究成果立足于實際工程，并應用于實際工程，可以為調相機外冷系統的噪聲控制提供有益參考。

圖5 外冷系統的噪聲分布圖（措施前）

圖6 外冷系統的噪聲分布圖（措施后）

圖7 外冷系統的隔聲房效果圖