方 琳,翟国庆,李争光,祁海军 (浙江大学环境污染控制技术研究所,浙江 杭州 310058)

在全球能源短缺、环境污染等问题日益突出的背景下,风能作为一种可再生的清洁能源受到世界各国的关注,风电产业因此得到迅速发展[1-2].至2011年8月底,我国并网运行的风电场就达 486个[3].然而,风力发电机组将风能转化成电能的同时,也会产生噪声污染[4-5].近年来,国内不断有公众投诉风电场噪声影响[6].

风电场噪声主要包括叶片噪声(气动噪声)和机舱内部发电机等设备噪声(机械噪声及结构噪声)两大部分[7].对于已经安装投运的风电机组,降低机组叶片噪声难度较大,但针对国产风电机组机舱内发电机、齿轮箱和冷却风扇等设备排放噪声强度大,机舱本身密封性能相对较差,机舱进、排风口未设计安装消声器或消声量较低,机舱罩壁刚度、阻尼系数偏小,罩体隔声量特别是低频隔声量较低,罩体壳体振动辐射低频噪声也较大,机舱总体辐射噪声在风电场噪声特别是远场区噪声中占有较大比重的特点,可采取针对性工程措施降低机舱噪声影响.

本文以已投运的某典型国产风电机组为例,在全面调查测量并分析机舱噪声与振动基础上,研究提出了切实可行的机舱噪声与振动控制措施,并对工程实施后的降噪效果进行了跟踪实测.文献检索表明,这是国内首次专门针对投运的国产风电机组机舱噪声进行工程治理,降低风电场噪声影响的案例.

1 机舱噪声与振动调查、测量

1.1 现场简介

某风电场地处海岛一山脊上,共有风力发电机组7台,风电机组及附近居民点分布(含噪声测点布置)见图1,每台风电机组与图中噪声测点a、b间的直线距离见表1,风力发电机组主要参数见表2.

图1 风电机组分布及居民点处噪声测点布置Fig.1 The sketch map of the distribution of wind turbines and noise measurement points

表1 居民点处噪声测点距风电机组直线距离(m)Table 1 Straight-line distances between noise measurement points in the residential area and wind turbines(m)

表2 风力发电机组主要参数Table 2 Main parameters of the wind turbine

现场调查发现,风电场附近居民点处夜间能清楚感受到风电机组噪声.当地居民不断投诉风电机组噪声影响,要求声环境质量达到 1类声环境功能区夜间标准.

1.2 测量方法

选取一台最为典型的风电机组,对其机舱的混响时间、隔声量及噪声与振动信号进行测量,测量前后仪器均经过校准[8].测量时天气、风速均符合测量条件[8].除测试机组外,测试时其他风电机组均暂停运行.

1.2.1 机舱混响时间的测量 在风电机组所有设备均停止运行的条件下,采用声源截断法测量机舱混响时间.

1.2.2 机舱隔声量的测量 在风电机组所有设备均停止运行的条件下,通过 AWA6291型实时信号分析仪分别测得机舱顶盖内、外各倍频程声压级.受现场测量条件限制,用机舱顶盖内外测点的声压级差估计机舱隔声量,测点布置见图2.

1.2.3 机舱噪声的测量 在风电机组所有设备均停止运行、仅发电机冷却风机运行和所有设备均正常运行等3种工况下,用AWA6291型实时信号分析仪分别测量机舱内 4个测点处噪声的 A声级和频谱,噪声测点布置见图2.

图2 噪声及振动测点布置Fig.2 Positions of noise and vibration measurement points

1.2.4 机舱振动的测量 在风电机组所有设备均正常运行的条件下,通过LDS Photon II便携式四通道噪声与振动动态信号分析仪分别对机舱内 6处振动信号进行采样,并采用信号分析软件RT Photon 6.104细化分析振动数据.振动测点布置见图2.

2 机舱噪声与振动测量结果及分析

2.1 机舱内混响时间特性

图3为各1/3倍频程中心频率上机舱混响时间测量结果.由图3可知,500Hz及以下频率上混响时间为 1.4～2.0s,500Hz以上混响时间为 1.0～1.4s,表明机舱内 500Hz及以下中低频段反射声能相对比较显著.

图3 机舱混响时间Fig.3 The reverberation time of the engine room

现场调查发现,机舱内部设备及玻璃钢罩体均为硬质且光滑的反射面,除设备占用空间外,机舱内剩余空间容积不大,是导致机舱混响时间偏长的原因.

2.2 机舱隔声量

表3 各倍频程上的机舱隔声量Table 3 Sound insulation indices on one octave spectra

表3为各倍频程上的机舱隔声量的测量结果.由表3可知,125Hz以下各倍频程隔声量均小于20dB,在31.5Hz、63Hz这2个倍频带隔声量小于10dB,31.5～8000Hz各倍频带隔声量平均值约为 20dB.现场调查表明,机舱局部位置有开口,机舱进、出风口基本没有安装消声器,这是导致机舱各倍频带隔声量均较低的主要原因.而机舱壁玻璃钢材质刚度低、壳体振动较大是导致低频声隔声量较低的另一原因.

2.3 噪声测量结果与分析

图4为3种不同工况下,发电机冷却风机进风口噪声的 1/3倍频程频谱.在风电机组所有设备均停止运行的条件下,机舱噪声(背景噪声)以中低频为主,各1/3倍频程上声压级最大为67.8dB;仅发电机冷却风机运行的条件下,机舱内噪声级显著升高,各频带声压级最高达到89.4dB,100～500Hz各频带声压级升高31.4～ 38.4dB,500～1000Hz各频带声压级升高37.3～ 38.9dB,1000～16000Hz各频带声压级升高 34.9～ 40.8dB.在所有设备均正常运行的条件下,与仅发电机冷却风机运行时相比,机舱各1/3倍频带声压级增量为0.4～12.8dB.根据图4给出的测量结果,由声叠加原理可计算得到发电机冷却风机的噪声贡献值为 90.5dB(A),其他设备噪声贡献值为96.5dB(A).

图4 发电机冷却风机进风口噪声1/3倍频程谱Fig.4 1/3-octave spectra of wind path noises of generator cooling fan

图5为风电机组所有设备均正常运行条件下,机舱内4个不同测点处噪声的1/3倍频程谱.由图5可知,各测点处噪声的1/3倍频程谱特性基本一致,表明机舱内声场分布较均匀,这与混响时间测量结果相吻合;并且机舱内噪声属宽频噪声,在中心频率为125Hz的1/3倍频程上,声压级最高达97.1dB.

图5 机舱内噪声1/3倍频程谱Fig.5 1/3-octave spectra of noises in engine room

2.4 振动测量结果及分析

图6 发电机隔振前后垂向振动加速度级Fig.6 Vertical vibration acceleration levels on and under rubber vibration isolation of generator

图6、图7分别是发电机下橡胶隔振器、机舱罩侧壁与支撑发电机等设备的钢架间橡胶隔振器隔振前后的振动测量结果,图 8是检修平台与机舱罩侧壁上测点振动测量结果.由图 6～图 7可知,发电机下、机舱罩侧壁与设备钢架间已有橡胶隔振器对300Hz以上具有一定隔振效果,隔振后垂向振动加速度级下降 0.3～12.2dB,对300Hz以下的振动几乎没有隔振效果,隔振效果符合橡胶隔振器的隔振性能.由图8可知,检修平台300～1000Hz垂向振动加速度级明显高于机舱罩侧壁,即在总的振动能量中,机舱罩壁300Hz以下中低频振动能量占总振动能量比重更显著,根据噪声与振动的相关性,机舱壳体振动所辐射的300Hz以下的噪声在总辐射声能中所占比重也更显著.

图7 机舱侧壁与发电机所在钢架隔振前后垂向振动加速度级Fig.7 Vertical vibration acceleration levels on and under rubber vibration isolation between lateral wall of engine room and steel frame supporting generator

图8 检修平台及机舱侧壁垂向振动加速度级Fig.8 Vertical vibration acceleration levels on the maintenance platform and the lateral wall of engine room

3 噪声与振动控制措施

考虑到风电机组机舱高达 61.5m.舱外风速较大,搭建施工平台较为困难且工程成本较大,应尽可能设计可在机舱内实施的减振降噪措施.根据风电机组机舱噪声与振动测量的分析结果,针对性地提出以下噪声及振动控制措施.

3.1 阻尼减振及隔声措施

为增大机舱罩壁刚度和阻尼,抑制罩体振动,提高机舱隔声量(特别是低频声隔声量),主要设计采取以下措施.在机舱内壁加筋,筋间距为0.6m×0.6m,材质为边长为5cm的L型玻璃角钢拼成“”形,用专用胶粘贴在现有玻璃钢材质的机舱罩内壁,在0.6m×0.6m方格内粘层2～3层单层厚度为 2mm 橡胶板.在橡胶板表面再铺设1mm 铝板,形成约束阻尼.对机舱孔缝采用玻璃钢填缝剂进行密封.采用消声缝技术提高轮毂与机舱间隙处隔声量.

3.2 消声措施

对发电机冷却风机进排风口、机舱室外进、排风口均设置消声器,考虑到安装空间,设计消声量大于15dB,以降低进排气噪声及由舱内辐射至舱外噪声.通过对机舱内设备位置的微调,消声器外端与机舱罩外壁平齐,在安装空间允许情况下,设计消声器进、排风口风速尽可能小于6m/s.对挡雨板处扇形开口等具有与外界大气连通功能的开口处,安装百叶式消声器.

3.3 吸声措施

为降低机舱内混响声,间接提高机舱隔声量.根据机舱内噪声频谱设计悬挂无纺布包裹的一定容重和厚度岩棉板.在发电机及传动轴等高噪声源下方等允许空间处放置可移动式吸声体,部分设备上方悬挂圆柱形空间吸声体.

3.4 隔振措施

安装固有频率较低满足荷载要求的预应力弹簧隔振器,替换现有橡胶隔振器.为减小风电机组起动、停止过程中,经过共振区时设备及其钢架的振幅,配备相应阻尼器.

4 治理效果

为降低工程造价,分步实施上述措施.在实施阻尼减振和隔声措施、消声措施后,在接近切出风速(12m/s)情况下,机舱正下方地面测点、居民点a、b测点处A声级测量结果见表4.结果表明,治理后机舱正下方地面处噪声 A声级降低约4dB,辐射至附近居民点处噪声 A声级降低约3dB,有效降低了风电机组对周围居民的影响,且达到了1类声环境功能区夜间标准[11].

表4 治理前后不同测点处A声级Table 4 A-weighted sound pressure levels of different measurement points before and after engineering treatment

可见,针对国产风机机舱噪声控制措施较为薄弱,机舱噪声在风电机组辐射声能中所占比重较大等特点,通过控制机舱噪声可降低风电场噪声影响,降噪效果在3～4dB左右.

5 结论

5.1 测试并详细分析了某典型国产风电机组的机舱混响时间、舱壁隔声量、舱壁振动、舱内噪声、既有隔振器隔振效果等特性.

5.2 根据测试分析结果,结合风电场附近最近居民点处噪声污染现状及达标要求,设计了阻尼减振和隔声、消声、吸声及隔振等4类工程措施.

5.3 实施阻尼减振和隔声措施、消声措施后,在临近切出风速(12m/s)条件下,对降噪效果进行了实测.结果表明,机舱正下方地面处A声级下降约4dB,居民点处A声级下降约3dB.居民点处声环境质量达到GB3096-2008中的1类声环境功能区夜间标准.

[1]阿瑟劳斯·泽尔沃斯.全球风电发展现状及展望 [J].中国能源,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]风电安全监管报告 [R].北京:国家电力监管委员会, 2011.

[4]翟国庆,徐 婧,郑 玥,等.风电机组噪声预测 [J].中国环境科学, 2012,32(5):927-932.

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

[6]谷朝君.风力发电项目主要环境问题及可能的解决对策 [J].环境保护科学, 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 风电场噪声限值及测量方法 [S].