冷却塔噪声伴随冷却塔运行产生, 一直以来, 电厂设计及运行人员只关注冷却塔冷却能力, 对冷却塔噪声关注较少。这是由于电厂一般位于远离人口居住区的偏远郊区, 产生的噪声对周边环境影响较小, 并且关于冷却塔噪声没有明确的设计规范, 电厂设计时未考虑冷却塔噪声的影响。但随着人们对生活质量要求的提高以及日益严格的环保要求, 冷却塔噪声问题已成为人们关注的焦点。

　　 大型火电厂、核电厂多采用自然通风冷却塔, 此类冷却塔噪声是冷却水以雨滴型式落入集水池时撞击水面所产生。由于其声源庞大, 声功率强, 传播距离远, 对周边环境影响大。随着火电厂、核电厂机组容量的增大, 配套冷却塔淋水面积越来越大, 进风口高度越来越高, 噪声污染亦大幅度增强, 为有效地防治冷却塔噪声污染, 有必要对冷却塔噪声产生机理进行研究。

　　 自然通风式冷却塔噪声声源由3部分组成:一是水由喷溅装置喷洒到填料顶面时产生的喷溅噪声;二是循环水穿过淋水填料时产生的填料噪声;三是循环水从填料底部落入集水池产生的淋水噪声。冷却塔噪声主要为淋水噪声。

　　 由于水滴下落过程形态变化复杂, 存在水滴破碎、分散以及结合等过程, 难以确定落入水池水滴的数量、大小、形态以及水滴与水面撞击状态等参数, 因此, 采用模型试验的方法研究冷却塔噪声的声源特性。

　　 主要研究内容如下:

　　 (1) 建立大型自然通风冷却塔噪声发生模型, 利用模型试验的方法研究影响冷却塔噪声的因素。

　　 (2) 利用声学知识, 建立完整的冷却塔噪声预测数学模型。

　　 (3) 比较数值分析结果和现场测试结果, 优化数值分析模型。

　　 采用模型试验的方法研究冷却塔噪声的特性, 即选择冷却塔内的典型区域, 建立与典型区域相同结构的模拟试验平台, 模拟真实冷却塔噪声产生过程, 通过试验测试出不同部分噪声的声源特性。为达到上述试验目的, 模型设计和建造需满足以下要求:

　　 (1) 淋水噪声模型应建在空旷且安静地带, 周边无建筑物, 尽量避免干扰噪声。

　　 (2) 循环水泵应设置在远离淋水区域的地方, 并设置隔声循环水泵泵房, 防止循环水泵噪声试验时干扰。

　　 (3) 模型中淋水噪声模拟装置四周围板应采用隔声材料, 模拟实际冷却塔壳的隔声作用, 本项目模型建设中拟采用内侧附有消声材料的玻璃钢隔声板。

　　 (4) 由于空气流动及冷却塔水温对冷却塔噪声影响很小, 模拟试验不考虑空气流动及水温变化。

　　 模拟试验平台规划如图1所示, 试验平台由淋水模拟装置、升降系统、循环供水系统以及固定框架4部分组成。按照自然通风冷却塔内的典型区域结构布置, 用于模拟冷却塔内循环水的运动过程。

　　 冷却塔噪声测试参考《工业冷却塔测试规程》 (DL/T 1027—2006) ^[2]进行, 主要测试参数如下: (1) 循环水量; (2) 环境气象参数 (干球温度、湿球温度、大气压、环境风速) ; (3) 噪声; (4) 淋水高度。

　　 淋水噪声测点位置分布见图2。

　　 模型试验主要研究不同淋水密度、淋水高度、淋水面积条件下的冷却塔噪声声源特性, 通过试验给出单位面积冷却塔噪声声源, 为冷却塔噪声预报及防护提供依据。

　　 试验时淋水密度和淋水高度的变化应包括自然通风冷却塔运行时可能出现的淋水密度和淋水高度, 试验工况见表1。

　　 按照试验工况表1及图2测点分布进行冷却塔淋水噪声试验研究, 并根据试验数据整理方法对试验结果进行整理, 分析淋水噪声随淋水密度、淋水高度、淋水面积的变化规律。

　　 测试结果包含不同工况下测点1~6的A声级及频谱。测点1和测点2距离集水池边缘1m, 距离集水池较近, 能准确测得不同工况条件下的淋水噪声。因此, 对试验结果的分析时采用不同工况下测点1和测点2测试结果的数据值进行。

　　 根据测试结果, 整理出不同淋水高度、不同淋水面积及不同淋水密度条件下的淋水噪声趋势, 见图3。

　　 图3中相同淋水面积以相同颜色和形式线条表示, 相同淋水高度以相同图例标记表示。由图3及试验结果可以看出:

　　 (1) 相同淋水高度及淋水面积条件下, 随着淋水密度的增加, 淋水噪声增大, 图3中体现为所有曲线斜率为正。

　　 (2) 相同淋水高度及淋水密度条件下, 随着淋水面积的增加, 淋水噪声增大。

　　 (3) 相同淋水面积及淋水密度条件下, 随着淋水高度的增加, 淋水噪声增大, 但随着淋水面积增大, 淋水高度变化对于噪声的影响逐渐减弱。

　　 因此, 3种因素均会对冷却塔噪声产生影响。在实际工程中, 淋水面积、淋水密度、淋水高度都与冷却塔的冷却能力有关, 淋水密度和淋水面积主要由循环冷却水流量控制, 当冷却水流量增加时, 淋水面积和淋水密度至少有一个会增大。而淋水高度增大会使滴落水滴在空气中的冷却时间增加, 亦能增强冷却能力。

　　 淋水噪声频谱直接反映淋水噪声的特性, 根据试验结果, 对不同工况下淋水噪声频谱的特性进行分析, 见图4~图6。

　　 由图4~图6可以看出:

　　 (1) 淋水噪声不同噪声频谱的声强随淋水密度及淋水面积的变化而变化, 并且在高频和低频段显示出不同的变化规律。在高频段, 噪声随着淋水面积和淋水高度的增大而增大;在低频段, 噪声随着临水面积和淋水高度的增大而减小。而噪声频谱随淋水高度变化不大。

　　 (2) 淋水噪声频谱主要分布在0.5~16kHz, 为中高频噪声和高频噪声, 其噪声频谱的峰值位于4~8kHz。因此对于冷却塔噪声的防护应主要考虑中高频噪声及高频噪声。

　　 如果已知声源的倍频带的声压级, 预测点位置的倍频带声压级计算公式如式 (1) 、式 (2) 所示。

　　 式中L_P (r) ———预测点位置倍频带声压, dB;

　　 L_w———倍频带声功率级, dB;

　　 D_c———指向性校正, dB;它描述点声源的等效连续声压级与产生声功率级L_w的全向点声源在规定方向级的偏差程度;

　　 A———倍频带衰减, dB;

　　 A_div———几何发散引起的倍频带衰减, dB;

　　 A_atm———大气吸收引起的倍频带衰减, dB;

　　 A_gr———地面效应引起的倍频带衰减, dB;

　　 A_bar———声屏障引起的倍频带衰减, dB;

　　 A_misc———其他多方面引起的倍频带衰减, dB。

　　 大气吸收引起的衰减按式 (3) 计算。

　　 式中a———声波大气吸收衰减系数, dB/km。

　　 几何发散衰减按式 (4) 计算。

　　 式中r, r₀———分别为与声源的距离和参考点与声源的距离, m。

　　 地面效应衰减按式 (5) 计算, 负值时为0。

　　 式中h_m———传播路径平均高度, 路径与地面形成的面积除以路径长度, m。

　　 屏障引起的衰减按式 (6) 计算。

　　 式中N₁, N₂, N₃———分别为与声程差对应的菲涅尔数。

　　 菲涅尔数按式 (7) 计算。

　　 式中δ———声程, m;

　　 λ———声波的波长, m。

　　 声程δ按式 (8) 计算。

　　 式中a———声源和接收点之间距离在平行于屏障上边界的投影长度, m;

　　 d_ss———声源到第一绕射边的距离, m;

　　 d_sr———声源到第二绕射边的距离, m;

　　 e———双绕射时两个绕射边界的距离, m;

　　 d———声源与接收点的直线距离, m。

　　 根据上述噪声传播模型, 结合冷却塔淋水噪声试验结果, 即可进行不同位置处冷却塔噪声的预报计算。

　　 为验证冷却塔噪声计算模型, 对12 000 m²、9 000m²以及5 500m² 3个淋水面积冷却塔进行了不同位置不同高度冷却塔噪声原型观测, 并采用2.1节计算方法对冷却塔噪声进行了计算验证, 计算及验证结果分别如下。

　　 徐州华润电力2×1 000 MW工程设有2座12 000m²冷却塔, 淋水高度11.5m, 冷却塔运行水量为103 680m³/h。对该冷却塔实测结果与计算结果对比见图7。

　　 由计算结果和实测结果对比可知, 在距离集水池外缘不同位置处, 冷却塔噪声计算结果与实测结果最大相差0.98dB, 最小相差0.01dB, 平均相差0.08dB, 计算结果与实测结果吻合良好。

　　 徐州华润电力9 000 m²冷却塔, 淋水高度9.8m, 冷却塔运行水量为36 575m³/h。对该冷却塔实测结果与计算结果对比见图8。

　　 由测试工况计算结果和实测结果对比可知, 在距离集水池外缘不同位置处, 冷却塔噪声计算结果与实测结果最大相差1.04dB, 最小相差0.11dB, 平均相差0.5dB, 计算结果与实测结果吻合良好。

　　 采用同样方法对徐州华润电力5 500m²冷却塔进行计算, 淋水高度7.6m, 冷却塔运行水量为23 500m³/h。对该冷却塔实测结果与计算结果对比见图9。

　　 由测试工况计算结果和实测结果对比可知, 在距离集水池外缘不同位置处, 冷却塔噪声计算结果与实测结果最大相差0.97dB, 最小相差0.27dB, 平均相差0.15dB, 计算结果与实测结果吻合良好。

　　 本项目采用模型试验及原型观测的方法对自然通风冷却塔噪声进行研究, 研究成果如下:

　　 (1) 给出了冷却塔淋水噪声随淋水密度、淋水高度以及淋水面积变化规律以及淋水噪声频谱, 为冷却塔淋水噪声预报提供了基础。

　　 (2) 提出了冷却塔噪声预报计算模型及计算方法, 为冷却塔噪声预测提供了理论支持。

　　 (3) 采用原型观测的数据对冷却塔噪声计算预报方法进行了验证, 冷却塔噪声预测结果与实测结果吻合良好。