方 琳,翟國(guó)慶,李爭(zhēng)光,祁海軍 (浙江大學(xué)環(huán)境污染控制技術(shù)研究所,浙江 杭州 310058)

在全球能源短缺、環(huán)境污染等問題日益突出的背景下,風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源受到世界各國(guó)的關(guān)注,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)因此得到迅速發(fā)展[1-2].至2011年8月底,我國(guó)并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)就達(dá) 486個(gè)[3].然而,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的同時(shí),也會(huì)產(chǎn)生噪聲污染[4-5].近年來,國(guó)內(nèi)不斷有公眾投訴風(fēng)電場(chǎng)噪聲影響[6].

風(fēng)電場(chǎng)噪聲主要包括葉片噪聲(氣動(dòng)噪聲)和機(jī)艙內(nèi)部發(fā)電機(jī)等設(shè)備噪聲(機(jī)械噪聲及結(jié)構(gòu)噪聲)兩大部分[7].對(duì)于已經(jīng)安裝投運(yùn)的風(fēng)電機(jī)組,降低機(jī)組葉片噪聲難度較大,但針對(duì)國(guó)產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)發(fā)電機(jī)、齒輪箱和冷卻風(fēng)扇等設(shè)備排放噪聲強(qiáng)度大,機(jī)艙本身密封性能相對(duì)較差,機(jī)艙進(jìn)、排風(fēng)口未設(shè)計(jì)安裝消聲器或消聲量較低,機(jī)艙罩壁剛度、阻尼系數(shù)偏小,罩體隔聲量特別是低頻隔聲量較低,罩體殼體振動(dòng)輻射低頻噪聲也較大,機(jī)艙總體輻射噪聲在風(fēng)電場(chǎng)噪聲特別是遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)噪聲中占有較大比重的特點(diǎn),可采取針對(duì)性工程措施降低機(jī)艙噪聲影響.

本文以已投運(yùn)的某典型國(guó)產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組為例,在全面調(diào)查測(cè)量并分析機(jī)艙噪聲與振動(dòng)基礎(chǔ)上,研究提出了切實(shí)可行的機(jī)艙噪聲與振動(dòng)控制措施,并對(duì)工程實(shí)施后的降噪效果進(jìn)行了跟蹤實(shí)測(cè).文獻(xiàn)檢索表明,這是國(guó)內(nèi)首次專門針對(duì)投運(yùn)的國(guó)產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙噪聲進(jìn)行工程治理,降低風(fēng)電場(chǎng)噪聲影響的案例.

1 機(jī)艙噪聲與振動(dòng)調(diào)查、測(cè)量

1.1 現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)介

某風(fēng)電場(chǎng)地處海島一山脊上,共有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組7臺(tái),風(fēng)電機(jī)組及附近居民點(diǎn)分布(含噪聲測(cè)點(diǎn)布置)見圖1,每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組與圖中噪聲測(cè)點(diǎn)a、b間的直線距離見表1,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)見表2.

圖1 風(fēng)電機(jī)組分布及居民點(diǎn)處噪聲測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 The sketch map of the distribution of wind turbines and noise measurement points

表1 居民點(diǎn)處噪聲測(cè)點(diǎn)距風(fēng)電機(jī)組直線距離(m)Table 1 Straight-line distances between noise measurement points in the residential area and wind turbines(m)

表2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)Table 2 Main parameters of the wind turbine

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),風(fēng)電場(chǎng)附近居民點(diǎn)處夜間能清楚感受到風(fēng)電機(jī)組噪聲.當(dāng)?shù)鼐用癫粩嗤对V風(fēng)電機(jī)組噪聲影響,要求聲環(huán)境質(zhì)量達(dá)到 1類聲環(huán)境功能區(qū)夜間標(biāo)準(zhǔn).

1.2 測(cè)量方法

選取一臺(tái)最為典型的風(fēng)電機(jī)組,對(duì)其機(jī)艙的混響時(shí)間、隔聲量及噪聲與振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量前后儀器均經(jīng)過校準(zhǔn)[8].測(cè)量時(shí)天氣、風(fēng)速均符合測(cè)量條件[8].除測(cè)試機(jī)組外,測(cè)試時(shí)其他風(fēng)電機(jī)組均暫停運(yùn)行.

1.2.1 機(jī)艙混響時(shí)間的測(cè)量 在風(fēng)電機(jī)組所有設(shè)備均停止運(yùn)行的條件下,采用聲源截?cái)喾y(cè)量機(jī)艙混響時(shí)間.

1.2.2 機(jī)艙隔聲量的測(cè)量 在風(fēng)電機(jī)組所有設(shè)備均停止運(yùn)行的條件下,通過 AWA6291型實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀分別測(cè)得機(jī)艙頂蓋內(nèi)、外各倍頻程聲壓級(jí).受現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件限制,用機(jī)艙頂蓋內(nèi)外測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)差估計(jì)機(jī)艙隔聲量,測(cè)點(diǎn)布置見圖2.

1.2.3 機(jī)艙噪聲的測(cè)量 在風(fēng)電機(jī)組所有設(shè)備均停止運(yùn)行、僅發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行和所有設(shè)備均正常運(yùn)行等3種工況下,用AWA6291型實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀分別測(cè)量機(jī)艙內(nèi) 4個(gè)測(cè)點(diǎn)處噪聲的 A聲級(jí)和頻譜,噪聲測(cè)點(diǎn)布置見圖2.

圖2 噪聲及振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Positions of noise and vibration measurement points

1.2.4 機(jī)艙振動(dòng)的測(cè)量 在風(fēng)電機(jī)組所有設(shè)備均正常運(yùn)行的條件下,通過LDS Photon II便攜式四通道噪聲與振動(dòng)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀分別對(duì)機(jī)艙內(nèi) 6處振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣,并采用信號(hào)分析軟件RT Photon 6.104細(xì)化分析振動(dòng)數(shù)據(jù).振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置見圖2.

2 機(jī)艙噪聲與振動(dòng)測(cè)量結(jié)果及分析

2.1 機(jī)艙內(nèi)混響時(shí)間特性

圖3為各1/3倍頻程中心頻率上機(jī)艙混響時(shí)間測(cè)量結(jié)果.由圖3可知,500Hz及以下頻率上混響時(shí)間為 1.4～2.0s,500Hz以上混響時(shí)間為 1.0～1.4s,表明機(jī)艙內(nèi) 500Hz及以下中低頻段反射聲能相對(duì)比較顯著.

圖3 機(jī)艙混響時(shí)間Fig.3 The reverberation time of the engine room

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),機(jī)艙內(nèi)部設(shè)備及玻璃鋼罩體均為硬質(zhì)且光滑的反射面,除設(shè)備占用空間外,機(jī)艙內(nèi)剩余空間容積不大,是導(dǎo)致機(jī)艙混響時(shí)間偏長(zhǎng)的原因.

2.2 機(jī)艙隔聲量

表3 各倍頻程上的機(jī)艙隔聲量Table 3 Sound insulation indices on one octave spectra

表3為各倍頻程上的機(jī)艙隔聲量的測(cè)量結(jié)果.由表3可知,125Hz以下各倍頻程隔聲量均小于20dB,在31.5Hz、63Hz這2個(gè)倍頻帶隔聲量小于10dB,31.5～8000Hz各倍頻帶隔聲量平均值約為 20dB.現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明,機(jī)艙局部位置有開口,機(jī)艙進(jìn)、出風(fēng)口基本沒有安裝消聲器,這是導(dǎo)致機(jī)艙各倍頻帶隔聲量均較低的主要原因.而機(jī)艙壁玻璃鋼材質(zhì)剛度低、殼體振動(dòng)較大是導(dǎo)致低頻聲隔聲量較低的另一原因.

2.3 噪聲測(cè)量結(jié)果與分析

圖4為3種不同工況下,發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口噪聲的 1/3倍頻程頻譜.在風(fēng)電機(jī)組所有設(shè)備均停止運(yùn)行的條件下,機(jī)艙噪聲(背景噪聲)以中低頻為主,各1/3倍頻程上聲壓級(jí)最大為67.8dB;僅發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行的條件下,機(jī)艙內(nèi)噪聲級(jí)顯著升高,各頻帶聲壓級(jí)最高達(dá)到89.4dB,100～500Hz各頻帶聲壓級(jí)升高31.4～ 38.4dB,500～1000Hz各頻帶聲壓級(jí)升高37.3～ 38.9dB,1000～16000Hz各頻帶聲壓級(jí)升高 34.9～ 40.8dB.在所有設(shè)備均正常運(yùn)行的條件下,與僅發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)相比,機(jī)艙各1/3倍頻帶聲壓級(jí)增量為0.4～12.8dB.根據(jù)圖4給出的測(cè)量結(jié)果,由聲疊加原理可計(jì)算得到發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)的噪聲貢獻(xiàn)值為 90.5dB(A),其他設(shè)備噪聲貢獻(xiàn)值為96.5dB(A).

圖4 發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口噪聲1/3倍頻程譜Fig.4 1/3-octave spectra of wind path noises of generator cooling fan

圖5為風(fēng)電機(jī)組所有設(shè)備均正常運(yùn)行條件下,機(jī)艙內(nèi)4個(gè)不同測(cè)點(diǎn)處噪聲的1/3倍頻程譜.由圖5可知,各測(cè)點(diǎn)處噪聲的1/3倍頻程譜特性基本一致,表明機(jī)艙內(nèi)聲場(chǎng)分布較均勻,這與混響時(shí)間測(cè)量結(jié)果相吻合;并且機(jī)艙內(nèi)噪聲屬寬頻噪聲,在中心頻率為125Hz的1/3倍頻程上,聲壓級(jí)最高達(dá)97.1dB.

圖5 機(jī)艙內(nèi)噪聲1/3倍頻程譜Fig.5 1/3-octave spectra of noises in engine room

2.4 振動(dòng)測(cè)量結(jié)果及分析

圖6 發(fā)電機(jī)隔振前后垂向振動(dòng)加速度級(jí)Fig.6 Vertical vibration acceleration levels on and under rubber vibration isolation of generator

圖6、圖7分別是發(fā)電機(jī)下橡膠隔振器、機(jī)艙罩側(cè)壁與支撐發(fā)電機(jī)等設(shè)備的鋼架間橡膠隔振器隔振前后的振動(dòng)測(cè)量結(jié)果,圖 8是檢修平臺(tái)與機(jī)艙罩側(cè)壁上測(cè)點(diǎn)振動(dòng)測(cè)量結(jié)果.由圖 6～圖 7可知,發(fā)電機(jī)下、機(jī)艙罩側(cè)壁與設(shè)備鋼架間已有橡膠隔振器對(duì)300Hz以上具有一定隔振效果,隔振后垂向振動(dòng)加速度級(jí)下降 0.3～12.2dB,對(duì)300Hz以下的振動(dòng)幾乎沒有隔振效果,隔振效果符合橡膠隔振器的隔振性能.由圖8可知,檢修平臺(tái)300～1000Hz垂向振動(dòng)加速度級(jí)明顯高于機(jī)艙罩側(cè)壁,即在總的振動(dòng)能量中,機(jī)艙罩壁300Hz以下中低頻振動(dòng)能量占總振動(dòng)能量比重更顯著,根據(jù)噪聲與振動(dòng)的相關(guān)性,機(jī)艙殼體振動(dòng)所輻射的300Hz以下的噪聲在總輻射聲能中所占比重也更顯著.

圖7 機(jī)艙側(cè)壁與發(fā)電機(jī)所在鋼架隔振前后垂向振動(dòng)加速度級(jí)Fig.7 Vertical vibration acceleration levels on and under rubber vibration isolation between lateral wall of engine room and steel frame supporting generator

圖8 檢修平臺(tái)及機(jī)艙側(cè)壁垂向振動(dòng)加速度級(jí)Fig.8 Vertical vibration acceleration levels on the maintenance platform and the lateral wall of engine room

3 噪聲與振動(dòng)控制措施

考慮到風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙高達(dá) 61.5m.艙外風(fēng)速較大,搭建施工平臺(tái)較為困難且工程成本較大,應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)可在機(jī)艙內(nèi)實(shí)施的減振降噪措施.根據(jù)風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙噪聲與振動(dòng)測(cè)量的分析結(jié)果,針對(duì)性地提出以下噪聲及振動(dòng)控制措施.

3.1 阻尼減振及隔聲措施

為增大機(jī)艙罩壁剛度和阻尼,抑制罩體振動(dòng),提高機(jī)艙隔聲量(特別是低頻聲隔聲量),主要設(shè)計(jì)采取以下措施.在機(jī)艙內(nèi)壁加筋,筋間距為0.6m×0.6m,材質(zhì)為邊長(zhǎng)為5cm的L型玻璃角鋼拼成“”形,用專用膠粘貼在現(xiàn)有玻璃鋼材質(zhì)的機(jī)艙罩內(nèi)壁,在0.6m×0.6m方格內(nèi)粘層2～3層單層厚度為 2mm 橡膠板.在橡膠板表面再鋪設(shè)1mm 鋁板,形成約束阻尼.對(duì)機(jī)艙孔縫采用玻璃鋼填縫劑進(jìn)行密封.采用消聲縫技術(shù)提高輪轂與機(jī)艙間隙處隔聲量.

3.2 消聲措施

對(duì)發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)排風(fēng)口、機(jī)艙室外進(jìn)、排風(fēng)口均設(shè)置消聲器,考慮到安裝空間,設(shè)計(jì)消聲量大于15dB,以降低進(jìn)排氣噪聲及由艙內(nèi)輻射至艙外噪聲.通過對(duì)機(jī)艙內(nèi)設(shè)備位置的微調(diào),消聲器外端與機(jī)艙罩外壁平齊,在安裝空間允許情況下,設(shè)計(jì)消聲器進(jìn)、排風(fēng)口風(fēng)速盡可能小于6m/s.對(duì)擋雨板處扇形開口等具有與外界大氣連通功能的開口處,安裝百葉式消聲器.

3.3 吸聲措施

為降低機(jī)艙內(nèi)混響聲,間接提高機(jī)艙隔聲量.根據(jù)機(jī)艙內(nèi)噪聲頻譜設(shè)計(jì)懸掛無紡布包裹的一定容重和厚度巖棉板.在發(fā)電機(jī)及傳動(dòng)軸等高噪聲源下方等允許空間處放置可移動(dòng)式吸聲體,部分設(shè)備上方懸掛圓柱形空間吸聲體.

3.4 隔振措施

安裝固有頻率較低滿足荷載要求的預(yù)應(yīng)力彈簧隔振器,替換現(xiàn)有橡膠隔振器.為減小風(fēng)電機(jī)組起動(dòng)、停止過程中,經(jīng)過共振區(qū)時(shí)設(shè)備及其鋼架的振幅,配備相應(yīng)阻尼器.

4 治理效果

為降低工程造價(jià),分步實(shí)施上述措施.在實(shí)施阻尼減振和隔聲措施、消聲措施后,在接近切出風(fēng)速(12m/s)情況下,機(jī)艙正下方地面測(cè)點(diǎn)、居民點(diǎn)a、b測(cè)點(diǎn)處A聲級(jí)測(cè)量結(jié)果見表4.結(jié)果表明,治理后機(jī)艙正下方地面處噪聲 A聲級(jí)降低約4dB,輻射至附近居民點(diǎn)處噪聲 A聲級(jí)降低約3dB,有效降低了風(fēng)電機(jī)組對(duì)周圍居民的影響,且達(dá)到了1類聲環(huán)境功能區(qū)夜間標(biāo)準(zhǔn)[11].

表4 治理前后不同測(cè)點(diǎn)處A聲級(jí)Table 4 A-weighted sound pressure levels of different measurement points before and after engineering treatment

可見,針對(duì)國(guó)產(chǎn)風(fēng)機(jī)機(jī)艙噪聲控制措施較為薄弱,機(jī)艙噪聲在風(fēng)電機(jī)組輻射聲能中所占比重較大等特點(diǎn),通過控制機(jī)艙噪聲可降低風(fēng)電場(chǎng)噪聲影響,降噪效果在3～4dB左右.

5 結(jié)論

5.1 測(cè)試并詳細(xì)分析了某典型國(guó)產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙混響時(shí)間、艙壁隔聲量、艙壁振動(dòng)、艙內(nèi)噪聲、既有隔振器隔振效果等特性.

5.2 根據(jù)測(cè)試分析結(jié)果,結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)附近最近居民點(diǎn)處噪聲污染現(xiàn)狀及達(dá)標(biāo)要求,設(shè)計(jì)了阻尼減振和隔聲、消聲、吸聲及隔振等4類工程措施.

5.3 實(shí)施阻尼減振和隔聲措施、消聲措施后,在臨近切出風(fēng)速(12m/s)條件下,對(duì)降噪效果進(jìn)行了實(shí)測(cè).結(jié)果表明,機(jī)艙正下方地面處A聲級(jí)下降約4dB,居民點(diǎn)處A聲級(jí)下降約3dB.居民點(diǎn)處聲環(huán)境質(zhì)量達(dá)到GB3096-2008中的1類聲環(huán)境功能區(qū)夜間標(biāo)準(zhǔn).

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