張 璜

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100095）

引言

近年來(lái)，隨著特高壓電網(wǎng)以及新型電力系統(tǒng)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，電網(wǎng)運(yùn)行特性發(fā)生很大變化，存在直流輸電送端電網(wǎng)薄弱、受端電網(wǎng)無(wú)功不足的問(wèn)題，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。作為一種動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，調(diào)相機(jī)相當(dāng)于電網(wǎng)系統(tǒng)的“穩(wěn)壓器”，可自動(dòng)快速調(diào)節(jié)無(wú)功功率，發(fā)揮著改善電網(wǎng)功率因素、維持電網(wǎng)電壓水平、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用[1]。

調(diào)相機(jī)本體在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)釋放大量熱量，這些熱量首先傳遞給調(diào)相機(jī)自帶的冷卻器（內(nèi)冷系統(tǒng)），然后通過(guò)相連的冷卻系統(tǒng)（外冷系統(tǒng)）排至大氣環(huán)境中，因此外冷系統(tǒng)對(duì)保障調(diào)相機(jī)設(shè)備正常運(yùn)行具有非常重要的作用[2]。目前調(diào)相機(jī)基本是在原有變電站或換流站內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)建，其占地面積小且緊鄰廠界，而外冷系統(tǒng)為露天布置，噪聲源強(qiáng)高且數(shù)量多，對(duì)廠界噪聲影響較大，因此外冷系統(tǒng)屬于調(diào)相機(jī)工程噪聲治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

以北京地區(qū)某調(diào)相機(jī)項(xiàng)目為例，重點(diǎn)分析其外冷系統(tǒng)的工作原理和聲源特性，并結(jié)合周邊環(huán)境特征，研究和探討調(diào)相機(jī)外冷系統(tǒng)的噪聲控制方案。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目是在北京城區(qū)現(xiàn)有某220kV 變電站內(nèi)建設(shè)2 臺(tái)300Mvar 調(diào)相機(jī)（戶(hù)內(nèi)），位于變電站的西南角。主要建（構(gòu)）筑物包括調(diào)相機(jī)廠房、冷卻塔、變壓器、輔助車(chē)間（水處理車(chē)間和綜合水泵房）和辦公樓。

本項(xiàng)目廠界為現(xiàn)有變電站圍墻處，其東北廠界外有個(gè)別居民點(diǎn)。根據(jù)本項(xiàng)目的環(huán)評(píng)要求，廠界噪聲、環(huán)境敏感點(diǎn)噪聲分別執(zhí)行《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB12348-2008）中1 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值和《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3096-2008）中1 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值，即晝間55dB(A)，夜間45dB(A)。

2 調(diào)相機(jī)外冷系統(tǒng)概述

2.1 外冷系統(tǒng)工藝流程

根據(jù)本項(xiàng)目的技術(shù)特征和當(dāng)?shù)貧夂驐l件，外冷系統(tǒng)選用干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)由空氣冷卻器和閉式冷卻塔組成，兼具空冷和水冷的優(yōu)點(diǎn)，適用于缺水、高溫差的環(huán)境條件[2]。

干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)工作原理為在調(diào)相機(jī)水路內(nèi)被加熱升溫的冷卻水進(jìn)入室外空氣冷卻器和閉式冷卻塔的換熱盤(pán)管，其中空氣冷卻器通過(guò)風(fēng)機(jī)直接對(duì)換熱盤(pán)管表面進(jìn)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(pán)管表面，噴淋水吸熱后蒸發(fā)成水蒸汽通過(guò)風(fēng)機(jī)排至大氣。在此過(guò)程中，換熱盤(pán)管內(nèi)的冷卻水被冷卻，冷卻后的冷卻水再通過(guò)循環(huán)水泵送到調(diào)相機(jī)本體換熱器，這樣循環(huán)反復(fù)。

2.2 外冷系統(tǒng)配置

根據(jù)設(shè)備廠家資料，本項(xiàng)目調(diào)相機(jī)的外冷系統(tǒng)由9 組共108 臺(tái)空氣冷卻器和2 組共8 臺(tái)閉式冷卻塔組成，包括風(fēng)機(jī)、散熱器（管束）、水泵、空冷平臺(tái)、水池等建(構(gòu))筑物。系統(tǒng)總占地面積約33m×10m，空氣冷卻器平臺(tái)高度為5.4m，閉式冷卻塔高度為4.8m。本項(xiàng)目風(fēng)機(jī)設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 外冷設(shè)備風(fēng)機(jī)參數(shù)

3 外冷系統(tǒng)噪聲源分析

3.1 噪聲源組成

空氣冷卻器主要由風(fēng)機(jī)、換熱管道及空冷平臺(tái)構(gòu)成 ；閉式冷卻塔主要由風(fēng)機(jī)、收水器、噴淋管、換熱盤(pán)管、水泵、塔體構(gòu)成。其中，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力性噪聲主要包含旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲。

旋轉(zhuǎn)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(dá)見(jiàn)式（1）。

式中f—旋轉(zhuǎn)噪聲的基頻，Hz；n—葉輪轉(zhuǎn)數(shù)，r/min；z—葉片數(shù)。

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(dá)見(jiàn)式（2）。

式中fi—渦流 噪 聲的基頻，Hz；K—斯脫路哈數(shù)；V—?dú)怏w與葉片的相對(duì)速度，m/s；D—?dú)怏w入射方向的物體厚度，m。

渦流噪聲包含2 部分，分別為排風(fēng)口噪聲和進(jìn)風(fēng)口噪聲，其中排風(fēng)口噪聲通過(guò)頂部風(fēng)機(jī)上部、往外傳播，而進(jìn)風(fēng)口噪聲通過(guò)下部、向四周傳播。另外，電機(jī)及傳動(dòng)部件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的機(jī)械噪聲主要為摩擦噪聲；風(fēng)機(jī)、電機(jī)的振動(dòng)通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)傳遞到周?chē)“褰Y(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射的結(jié)構(gòu)噪聲。

3.2 噪聲特性分析

干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)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(yùn)行電廠的噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.2.1 空氣冷卻器

圖1 為某燃機(jī)電廠空氣冷卻器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頻譜曲線[3]，測(cè)點(diǎn)為進(jìn)風(fēng)口斜下方45°、1.5m 高度位置，可以看出進(jìn)風(fēng)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(qū)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(xiàn)出傳播距離遠(yuǎn)、自然衰減緩慢的特點(diǎn)。

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(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頻譜曲線，可以看出閉式冷卻塔排風(fēng)口處噪聲較大，高速運(yùn)行時(shí)近場(chǎng)聲壓級(jí)在80dB（A）左右，進(jìn)風(fēng)口噪聲相對(duì)較小，約在76dB（A）左右，設(shè)備頻譜呈現(xiàn)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(lián)合冷卻系統(tǒng)的噪聲特性整體表現(xiàn)出中低頻的特點(diǎn)。

4 噪聲控制重點(diǎn)及難點(diǎn)

噪聲控制的重點(diǎn)及難點(diǎn)主要體現(xiàn)在4 個(gè)方面，即①噪聲控制目標(biāo)嚴(yán)苛，位于聲環(huán)境功能區(qū)劃一類(lèi)區(qū)，夜間噪聲值須控制在45dB（A）以下；②項(xiàng)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(tǒng)的工藝要求相協(xié)調(diào)，不能影響其冷卻效果；④在滿(mǎn)足環(huán)保要求的基礎(chǔ)上盡量降低成本，提高經(jīng)濟(jì)性能。

5 噪聲控制設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足環(huán)保要求，并提高經(jīng)濟(jì)性能，結(jié)合本項(xiàng)目特征，外冷系統(tǒng)在制定噪控方案時(shí)重點(diǎn)考慮了總平面布置的優(yōu)化，以及從聲源、傳播途徑2 個(gè)方面采取技術(shù)防治措施。

5.1 總平面布置優(yōu)化

圖3 為項(xiàng)目總平面布置優(yōu)化圖，本項(xiàng)目在十分有限的用地范圍內(nèi)將外冷系統(tǒng)遠(yuǎn)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(tǒng)布置在現(xiàn)有變電站的中心位置，在一定程度上緩解了后續(xù)工程技術(shù)措施的壓力，降低了噪聲控制方案的造價(jià)。

圖3 項(xiàng)目總平面布置優(yōu)化圖

5.2 聲源控制

在聲源上，通過(guò)選用低噪聲設(shè)備、改良工藝設(shè)計(jì)、改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)、優(yōu)化運(yùn)行方案等一系列措施降低聲源，主要措施包括5 個(gè)方面，即①選用低噪聲型風(fēng)機(jī)，如選用小風(fēng)量、低風(fēng)壓風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)電機(jī)采用變頻控制；②空氣冷卻器采用引風(fēng)結(jié)構(gòu)形式（負(fù)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(tǒng)，降低淋水噪聲；④水泵與管道之間的連接采用波紋補(bǔ)償器的軟連接形式，降低水泵的振動(dòng)和噪聲；⑤根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)和頻率，盡量減少風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)量，降低風(fēng)機(jī)噪聲。

通過(guò)采取以上措施后，外冷系統(tǒng)所有風(fēng)機(jī)按100%的額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，在距離設(shè)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(tǒng)四周設(shè)置吸隔聲屏障（半露天），第2 種方案則是設(shè)置通風(fēng)隔聲房（封閉型）。由于本項(xiàng)目外冷系統(tǒng)周邊空間有限，設(shè)置聲屏障不能滿(mǎn)足外冷系統(tǒng)的距離要求，且聲屏障存在繞射效應(yīng)，即使近場(chǎng)能夠達(dá)標(biāo)，遠(yuǎn)場(chǎng)也可能超標(biāo)；而設(shè)置隔聲房不僅可以解決距離問(wèn)題，也不存在繞射效應(yīng)。因此，本項(xiàng)目最終采用了通風(fēng)隔聲房的方案。

5.3.1 聲學(xué)性能設(shè)計(jì)

根據(jù)外冷系統(tǒng)聲源源強(qiáng)（頻譜特性）、噪聲控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)合理的降噪量，同時(shí)注意控制上限失效頻率和氣流再生噪聲的影響。針對(duì)本項(xiàng)目外冷系統(tǒng)中低頻噪聲特性，設(shè)計(jì)了復(fù)合消聲吸聲隔聲房，主要包括進(jìn)氣消聲器、排氣消聲器、吸隔聲板（圍護(hù)結(jié)構(gòu)）、隔聲門(mén)等設(shè)施。

5.3.1.1 消聲量

通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)初篩獲得文獻(xiàn)749篇，其中英文文獻(xiàn)425篇，中文文獻(xiàn)324篇。其他途徑未補(bǔ)充相關(guān)文獻(xiàn)。利用NoteExpress軟件剔除重復(fù)文獻(xiàn)后獲得文獻(xiàn)298篇；閱讀題目與摘要，排除文獻(xiàn)221篇；進(jìn)一步閱讀全文，排除不符合納入標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)、無(wú)法獲取全文的文獻(xiàn)及重復(fù)發(fā)表的文獻(xiàn)，最終獲得10篇[12-21]文獻(xiàn)。文獻(xiàn)篩選流程及結(jié)果見(jiàn)圖1。納入研究基本特征見(jiàn)表1。

消聲器的消聲量需根據(jù)設(shè)計(jì)降噪量并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正，其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算見(jiàn)式（3）。

5.3.1.2 上限失效頻率

當(dāng)聲波頻率高到一定程度，波長(zhǎng)很短，聲波以窄聲速的形式通過(guò)直管消聲器時(shí)，很少或者根本不與消聲器壁面的吸聲材料接觸，此時(shí)的頻率為消聲器的“上限失效頻率”，其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算見(jiàn)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(guò)消聲器時(shí)，由于氣流在消聲器內(nèi)產(chǎn)生的湍流噪聲以及氣流激發(fā)消聲器的結(jié)構(gòu)部件所產(chǎn)生的噪聲，氣流再生噪聲的大小取決于消聲器的結(jié)構(gòu)形式和氣流的速度，其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算見(jiàn)式（5）。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，通風(fēng)隔聲房具體設(shè)計(jì)參數(shù)為隔聲房進(jìn)風(fēng)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(fēng)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(shù)≥0.9；安裝隔聲門(mén)和照明系統(tǒng)，滿(mǎn)足檢修和巡檢需求。外冷系統(tǒng)隔聲房具體布置情況見(jiàn)圖4。

圖4 外冷系統(tǒng)隔聲房布置圖

消聲器的設(shè)計(jì)不僅要滿(mǎn)足聲學(xué)性能要求，同時(shí)還應(yīng)對(duì)外冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行不會(huì)造成影響。因此，需要對(duì)上述方案作進(jìn)一步優(yōu)化。

5.3.2.1 通風(fēng)量保證措施

根據(jù)多個(gè)外冷系統(tǒng)（空氣冷卻器、閉式冷卻塔等）的進(jìn)風(fēng)流場(chǎng)（CFD）模擬結(jié)果表明，外冷系統(tǒng)由于增加消聲器而使整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)阻力增大，造成有效進(jìn)風(fēng)量存在不足。通?？赏ㄟ^(guò)增大電機(jī)功率、提高風(fēng)機(jī)壓頭或改善流場(chǎng)以減少渦流造成的阻力損失，確保有效風(fēng)量，從而滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的冷卻效果。因此，在方案設(shè)計(jì)之初，要求設(shè)備廠家在選擇風(fēng)機(jī)和電機(jī)時(shí)考慮風(fēng)機(jī)的全壓，至少預(yù)留50Pa 余壓用于克服安裝消聲器增加的阻力[5]。同時(shí)，在進(jìn)行消聲器詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)確保較低的壓力損失，主要措施包括3 點(diǎn)，即①在保證聲學(xué)性能前提下，適當(dāng)增加消聲器的凈通風(fēng)面積，如增加通流比，控制消聲器內(nèi)風(fēng)速在合理范圍內(nèi)（10m/s）[4]，既不引起較高的阻力損失，也不會(huì)產(chǎn)生較高的二次氣流噪聲；②在保證聲學(xué)性能前提下，通過(guò)控制吸聲結(jié)構(gòu)表面粗糙度，降低消聲器氣流通道長(zhǎng)度，迎流方向結(jié)構(gòu)符合最小阻損特性，從而達(dá)到減少氣流阻力的作用；③選用表面光滑、摩擦阻力系數(shù)較低的護(hù)面材料，最大程度地降低摩擦阻力損失，并對(duì)消聲器結(jié)構(gòu)在過(guò)渡及連接處平滑處理，使流場(chǎng)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(jì)算

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

（1）沿程阻力損失

消聲片內(nèi)壁與氣流摩擦產(chǎn)生的壓力損失計(jì)算見(jiàn)式（6）。

（2）局部阻力損失

消聲器的局部阻力損失計(jì)算見(jiàn)式（7）。

將本項(xiàng)目的風(fēng)機(jī)參數(shù)、消聲器工藝參數(shù)代入上述公式計(jì)算，得出冷卻系統(tǒng)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(huì)對(duì)其冷卻效果產(chǎn)生影響，也不會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)電機(jī)過(guò)載。

6 噪聲控制設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足環(huán)保要求，并提高經(jīng)濟(jì)性能，結(jié)合本項(xiàng)目特征，外冷系統(tǒng)在制定噪控方案時(shí)重點(diǎn)考慮了總平面布置的優(yōu)化，以及從聲源、傳播途徑方面采取技術(shù)防治措施。根據(jù)外冷系統(tǒng)噪聲源特性、周?chē)ㄖ锴闆r以及噪聲控制目標(biāo)值，采用聲學(xué)專(zhuān)業(yè)軟件SoundPLAN 開(kāi)展模擬計(jì)算，圖5 為外冷系統(tǒng)在未采取噪控措施時(shí)的噪聲分布圖（不考慮廠區(qū)內(nèi)其他聲源），可以看出外冷系統(tǒng)主要對(duì)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(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的夜間限值，其中噪聲貢獻(xiàn)最大值約為60dB（A），位于北廠界，夜間超標(biāo)量達(dá)15dB（A）。最近居民點(diǎn)（距離東北廠界10m 處）噪聲貢獻(xiàn)值為51.4dB（A），超出GB3096-2008 中1 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的夜間限值6.4dB（A）。圖6 為外冷系統(tǒng)在采取噪控措施后的噪聲分布圖，可以看出采取了高效復(fù)合通風(fēng)隔聲房（進(jìn)排風(fēng)消聲器+吸隔聲板）后，各廠界噪聲和敏感點(diǎn)噪聲均能滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)限值要求（考慮廠內(nèi)其他聲源的疊加影響，此處考慮了3～5dB（A）的裕量），達(dá)到了本項(xiàng)目噪聲控制目標(biāo)。圖7 為外冷系統(tǒng)隔聲房的效果圖。

結(jié)論

外冷系統(tǒng)對(duì)于保障調(diào)相機(jī)設(shè)備正常運(yùn)行具有非常重要的作用，但其噪聲源強(qiáng)高、數(shù)量多，露天布置，并且噪聲頻譜呈現(xiàn)中低頻特性，同時(shí)受擴(kuò)建場(chǎng)地的限制，屬于調(diào)相機(jī)工程噪聲治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。以噪聲要求高的北京地區(qū)某調(diào)相機(jī)工程為例，立足滿(mǎn)足環(huán)保要求并提高經(jīng)濟(jì)性能的角度，從總平面布置、聲源和傳播途徑3 個(gè)方面綜合考慮了噪聲控制方案，同時(shí)重點(diǎn)開(kāi)展對(duì)外冷系統(tǒng)降噪設(shè)備聲學(xué)性能和空氣動(dòng)力性能設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化消聲器工藝設(shè)計(jì)，可確保足夠的消聲量、較低的阻力損失，達(dá)到了既滿(mǎn)足外冷系統(tǒng)的工藝要求，又符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本研究成果立足于實(shí)際工程，并應(yīng)用于實(shí)際工程，可以為調(diào)相機(jī)外冷系統(tǒng)的噪聲控制提供有益參考。

圖5 外冷系統(tǒng)的噪聲分布圖（措施前）

圖6 外冷系統(tǒng)的噪聲分布圖（措施后）

圖7 外冷系統(tǒng)的隔聲房效果圖