方 琳,翟國慶,李爭光,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,我國并網(wǎng)運行的風(fēng)電場就達 486個[3].然而,風(fēng)力發(fā)電機組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的同時,也會產(chǎn)生噪聲污染[4-5].近年來,國內(nèi)不斷有公眾投訴風(fēng)電場噪聲影響[6].

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

本文以已投運的某典型國產(chǎn)風(fēng)電機組為例,在全面調(diào)查測量并分析機艙噪聲與振動基礎(chǔ)上,研究提出了切實可行的機艙噪聲與振動控制措施,并對工程實施后的降噪效果進行了跟蹤實測.文獻檢索表明,這是國內(nèi)首次專門針對投運的國產(chǎn)風(fēng)電機組機艙噪聲進行工程治理,降低風(fēng)電場噪聲影響的案例.

1 機艙噪聲與振動調(diào)查、測量

1.1 現(xiàn)場簡介

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

圖1 風(fēng)電機組分布及居民點處噪聲測點布置Fig.1 The sketch map of the distribution of wind turbines and noise measurement points

表1 居民點處噪聲測點距風(fēng)電機組直線距離(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)電機組主要參數(shù)Table 2 Main parameters of the wind turbine

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),風(fēng)電場附近居民點處夜間能清楚感受到風(fēng)電機組噪聲.當(dāng)?shù)鼐用癫粩嗤对V風(fēng)電機組噪聲影響,要求聲環(huán)境質(zhì)量達到 1類聲環(huán)境功能區(qū)夜間標準.

1.2 測量方法

選取一臺最為典型的風(fēng)電機組,對其機艙的混響時間、隔聲量及噪聲與振動信號進行測量,測量前后儀器均經(jīng)過校準[8].測量時天氣、風(fēng)速均符合測量條件[8].除測試機組外,測試時其他風(fēng)電機組均暫停運行.

1.2.1 機艙混響時間的測量 在風(fēng)電機組所有設(shè)備均停止運行的條件下,采用聲源截斷法測量機艙混響時間.

1.2.2 機艙隔聲量的測量 在風(fēng)電機組所有設(shè)備均停止運行的條件下,通過 AWA6291型實時信號分析儀分別測得機艙頂蓋內(nèi)、外各倍頻程聲壓級.受現(xiàn)場測量條件限制,用機艙頂蓋內(nèi)外測點的聲壓級差估計機艙隔聲量,測點布置見圖2.

1.2.3 機艙噪聲的測量 在風(fēng)電機組所有設(shè)備均停止運行、僅發(fā)電機冷卻風(fēng)機運行和所有設(shè)備均正常運行等3種工況下,用AWA6291型實時信號分析儀分別測量機艙內(nèi) 4個測點處噪聲的 A聲級和頻譜,噪聲測點布置見圖2.

圖2 噪聲及振動測點布置Fig.2 Positions of noise and vibration measurement points

1.2.4 機艙振動的測量 在風(fēng)電機組所有設(shè)備均正常運行的條件下,通過LDS Photon II便攜式四通道噪聲與振動動態(tài)信號分析儀分別對機艙內(nèi) 6處振動信號進行采樣,并采用信號分析軟件RT Photon 6.104細化分析振動數(shù)據(jù).振動測點布置見圖2.

2 機艙噪聲與振動測量結(jié)果及分析

2.1 機艙內(nèi)混響時間特性

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

圖3 機艙混響時間Fig.3 The reverberation time of the engine room

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),機艙內(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,機艙內(nèi)剩余空間容積不大,是導(dǎo)致機艙混響時間偏長的原因.

2.2 機艙隔聲量

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

表3為各倍頻程上的機艙隔聲量的測量結(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)場調(diào)查表明,機艙局部位置有開口,機艙進、出風(fēng)口基本沒有安裝消聲器,這是導(dǎo)致機艙各倍頻帶隔聲量均較低的主要原因.而機艙壁玻璃鋼材質(zhì)剛度低、殼體振動較大是導(dǎo)致低頻聲隔聲量較低的另一原因.

2.3 噪聲測量結(jié)果與分析

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

圖4 發(fā)電機冷卻風(fēng)機進風(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)電機組所有設(shè)備均正常運行條件下,機艙內(nèi)4個不同測點處噪聲的1/3倍頻程譜.由圖5可知,各測點處噪聲的1/3倍頻程譜特性基本一致,表明機艙內(nèi)聲場分布較均勻,這與混響時間測量結(jié)果相吻合;并且機艙內(nèi)噪聲屬寬頻噪聲,在中心頻率為125Hz的1/3倍頻程上,聲壓級最高達97.1dB.

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

2.4 振動測量結(jié)果及分析

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

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

圖7 機艙側(cè)壁與發(fā)電機所在鋼架隔振前后垂向振動加速度級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 檢修平臺及機艙側(cè)壁垂向振動加速度級Fig.8 Vertical vibration acceleration levels on the maintenance platform and the lateral wall of engine room

3 噪聲與振動控制措施

考慮到風(fēng)電機組機艙高達 61.5m.艙外風(fēng)速較大,搭建施工平臺較為困難且工程成本較大,應(yīng)盡可能設(shè)計可在機艙內(nèi)實施的減振降噪措施.根據(jù)風(fēng)電機組機艙噪聲與振動測量的分析結(jié)果,針對性地提出以下噪聲及振動控制措施.

3.1 阻尼減振及隔聲措施

為增大機艙罩壁剛度和阻尼,抑制罩體振動,提高機艙隔聲量(特別是低頻聲隔聲量),主要設(shè)計采取以下措施.在機艙內(nèi)壁加筋,筋間距為0.6m×0.6m,材質(zhì)為邊長為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.對機艙孔縫采用玻璃鋼填縫劑進行密封.采用消聲縫技術(shù)提高輪轂與機艙間隙處隔聲量.

3.2 消聲措施

對發(fā)電機冷卻風(fēng)機進排風(fēng)口、機艙室外進、排風(fēng)口均設(shè)置消聲器,考慮到安裝空間,設(shè)計消聲量大于15dB,以降低進排氣噪聲及由艙內(nèi)輻射至艙外噪聲.通過對機艙內(nèi)設(shè)備位置的微調(diào),消聲器外端與機艙罩外壁平齊,在安裝空間允許情況下,設(shè)計消聲器進、排風(fēng)口風(fēng)速盡可能小于6m/s.對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

為降低機艙內(nèi)混響聲,間接提高機艙隔聲量.根據(jù)機艙內(nèi)噪聲頻譜設(shè)計懸掛無紡布包裹的一定容重和厚度巖棉板.在發(fā)電機及傳動軸等高噪聲源下方等允許空間處放置可移動式吸聲體,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)電機組起動、停止過程中,經(jīng)過共振區(qū)時設(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,分步實施上述措施.在實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,機艙正下方地面測點、居民點a、b測點處A聲級測量結(jié)果見表4.結(jié)果表明,治理后機艙正下方地面處噪聲 A聲級降低約4dB,輻射至附近居民點處噪聲 A聲級降低約3dB,有效降低了風(fēng)電機組對周圍居民的影響,且達到了1類聲環(huán)境功能區(qū)夜間標準[11].

表4 治理前后不同測點處A聲級Table 4 A-weighted sound pressure levels of different measurement points before and after engineering treatment

可見,針對國產(chǎn)風(fēng)機機艙噪聲控制措施較為薄弱,機艙噪聲在風(fēng)電機組輻射聲能中所占比重較大等特點,通過控制機艙噪聲可降低風(fēng)電場噪聲影響,降噪效果在3～4dB左右.

5 結(jié)論

5.1 測試并詳細分析了某典型國產(chǎn)風(fēng)電機組的機艙混響時間、艙壁隔聲量、艙壁振動、艙內(nèi)噪聲、既有隔振器隔振效果等特性.

5.2 根據(jù)測試分析結(jié)果,結(jié)合風(fēng)電場附近最近居民點處噪聲污染現(xiàn)狀及達標要求,設(shè)計了阻尼減振和隔聲、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,對降噪效果進行了實測.結(jié)果表明,機艙正下方地面處A聲級下降約4dB,居民點處A聲級下降約3dB.居民點處聲環(huán)境質(zhì)量達到GB3096-2008中的1類聲環(huán)境功能區(qū)夜間標準.

[1]阿瑟勞斯·澤爾沃斯.全球風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀及展望 [J].中國能源,2008,30(4):23-28.

[2]Leung D Y C, Yang Y.Wind energy development and its environmental impact: A review [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012,16:1031-1039.

[3]風(fēng)電安全監(jiān)管報告 [R].北京:國家電力監(jiān)管委員會, 2011.

[4]翟國慶,徐 婧,鄭 玥,等.風(fēng)電機組噪聲預(yù)測 [J].中國環(huán)境科學(xué), 2012,32(5):927-932.

[5]Pedersen E.Human response to wind turbine noise-perception,annoyance and moderating factors [R].G?teborg, Sweden: The Sahlgrenska Academy, G?teborg University 2007.

[6]谷朝君.風(fēng)力發(fā)電項目主要環(huán)境問題及可能的解決對策 [J].環(huán)境保護科學(xué), 2010,36(2):89-91.

[7]Oerlemans S, Sijtsma P, López B M, et al.Location and quantification of noise sources on a wind turbine [J].Journal of Sound and Vibration, 2007,299:869–883.

[8]DL/T1084-2008 風(fēng)電場噪聲限值及測量方法 [S].