已建风场风电机组降噪研究_罗雁飞.pdf

由于已建风场的风电机组已经全部安装运行，在降噪方面相较新建风场具有一定局限性。为解决这一问题，对部分已建风场的风电机组噪声源进行分析，针对不同噪声源提出相应的降噪方案。所提出的降噪方案，给其他已建风场的噪声管理控制提供了一定的参考。关关键键词词：风电机组；降噪；声功率中中图图分分类类号号：文文献献标标识识码码：文文章章编编号号：（）能源是现代社会和经济发展的基础，风能是使用最广泛和发展最快的可再生能源。风能开发能减轻空气污染和水污染，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能已成了全球能源工业关注的热点。近年来随着风力发电技术的高速发展，风力发电机组趋向于大型化，使得风电噪声问题不断扩大。此外，在电网“消纳”能力的限制下，国内风电产业正在从人口稀疏的西部向人口集中的中部和沿海地区扩张。但是，沿海和中部地区人口稠密，风电机组在运行过程产生的噪声问题可能会对当地居民造成严重的影响。随着人们环保意识的不断增强，法律制度的不断完善，以及风场与居民区的距离越来越近，大功率机组产生的噪声已成为一种亟待治理的环境污染源。目前，国内已出现多个风场噪声影响当地居民正常生活的案例。因此，本文针对风电机组噪声的辐射特性、衰减特性和控制策略进行研究，以降低已建风场风电机组噪声声功率级，实现噪声监测点处噪声达标，避免风电机组噪声影响当地居民的正常生活，以及由噪声投诉被迫停机带来的发电量损失。声功率与风电噪声标准介绍 声功率介绍表 列出各种声源与噪声环境的声功率级。风电机组噪声衰减以某机组为例，该机组噪声最强的位置声功率级为（），相当于 台除草机工作时的声音，但随着距离的增大，该声源处的噪声被衰减得非常多，在 的距离处时，整个机组的噪声只有（），相当于 个电冰箱的噪声水平。表 不同声源与噪声环境的声功率级声源或环境声功率级（）声源或环境声功率级（）核爆炸试验场冲床车间（离床）导弹、火箭发射公共汽车内喷气式风机附近大声讲话锅炉排气放空繁华街道大型球磨机附近安静车间汽车喇叭（距离）轻声耳语大型风机房（离机）树叶沙沙声织布车间、机间过道农村静夜 风电噪声标准风电机组安装位置相关的噪声排放，应按 标准测试，测试结果应满足声环境质量标准（）及工业企业厂界环境噪声排放标准（）两个标准，详见表 和图。两个标准基本一致，只是对不同类别的声功能区噪声限值有不同要求。若风电机组建在噪声限值要求较高的声功能区附近，可能会出现噪声排放不达标的现象。表 风电机组噪声排放要求（）（）声环境功能区类别时段昼间夜间 类 类 类 类 类 类 类第 卷 第 期重庆电力高等专科学校学报 年 月 图 风电机组噪声排放要求（）截图 噪声源分析风电机组辐射噪声按照其时频特性分为 类：宽带噪声、低频噪声、脉冲噪声和音调，这些噪声的来源主要有机械噪声和气动噪声两个方面。机械噪声机械噪声产生于各部件之间的相互作用，如齿轮啮合，发电机的转动、偏航，冷却风扇及液压机械的运转等。同时，机械噪声主要产生于风电机组机舱内，常常伴有“嗡嗡声”。以某厂家某双馈机型机舱内机械噪声为例，介绍风电机组机械噪声，如图 所示，图中六角星标注位置是机舱内机械噪声源。图 某厂家某双馈机型机舱内噪声源分布图齿轮箱噪声：啮合的齿轮在运转过程中产生相互振动和摩擦，通过固体结构辐射出噪声，如主齿轮箱运行噪声。风扇噪声：散热风扇旋转产生噪声，如发电机冷却器风扇、齿轮箱冷却器风扇等。轴承噪声：轴承内相对运动的元件之间的撞击及摩擦所引起的振动辐射出噪声。发电机噪声：不平衡的电磁力使发电机产生电磁振动，并通过固体结构辐射出电磁噪声。偏航噪声：偏航刹车片与刹车盘摩擦产生的噪声。气动噪声叶片气动噪声是气流流经叶片界面产生分裂，导致附面层及漩涡分裂脱离，从而引起的一种非稳定流动噪声。气动噪声与叶片的翼型、来流速度、尾缘宽度等有关，主要有以下 种叶片气动噪声。低频噪声：叶片旋转到塔架附近时由于气流变化而导致的低频噪声。入流湍流噪声：叶片与来流湍流相互作用产生的噪声。翼型噪声：气流流过翼型表面、钝尾缘或叶片上的裂纹小孔等产生的噪声。降噪措施风电机组噪声在风电机组运行时产生，在空气中传播，从而影响当地居民，故需要从噪声源头、传播过程、噪声敏感区域 个方面来分析可采取的降噪措施。噪声源降噪噪声源降噪即是对风电机组自身降噪，是从根本上降噪。经过前面的分析，风电机组噪声源主要有偏航噪声、冷却风扇噪声、叶片噪声等，以下结合部分降噪实例介绍降噪方法。偏航降噪技术偏航噪声主要为机组偏航时摩擦片与偏航制动盘产生相对位移而发出的声音，与摩擦片摩擦材料的材质有关，而且与摩擦片和偏航制动盘的结构都有很大的关系。一般来说，机组在初期运行或刚更换成新摩擦片时，偏航噪声都比较低，但随着运行时间的加长，噪声会在一定程度上变大。造成这种现象的主要原因是，摩擦片工作时会产生磨屑，由于磨屑不能及时排除干净，会进入制动盘和摩擦片之间的缝隙内，从而使噪声变大。同时，磨屑会使摩擦片的磨损加剧，从而产生更多的磨屑，形成恶性循环。针对偏航噪声主要有以下 种降噪技术。）将原有摩擦片更换为低噪声摩擦片并改变摩擦片结构，可以直接有效地降低偏航噪声。但机组长久运行，噪声值还是会增大。对运行机组而言，若要改变偏航制动盘结构难度较大，故考虑在摩擦片上设置两道排屑槽，当机组偏航时，摩擦片所受的切向力会沿排屑槽产生一个分力，从而使磨屑排除，确保噪声保持在稳定的范围内，同时该设计也有利于延长摩擦片的使用寿命。）通过仿真优化，降低偏航背压，减少偏航过程中制动器振动和摩擦噪声。偏航压力越大，偏航噪声越大。通过对偏航进行仿真优化，可以降低偏航压力，减少不必要的偏航，从而直接降低偏航噪声和缩短噪声影响时间。第 卷第 期 重 庆 电 力 高 等 专 科 学 校 学 报 冷却风扇降噪技术针对运行机组冷却风扇降噪，目前最为有效的方法是将原电机风扇更换为低噪声型。如表 所示，某厂家低噪声冷却风扇相较于老冷却风扇，降低噪声值 ，更换后的电机转速较低，同时调整了叶片角度，故噪声相较以前大幅度降低。表 某厂家低噪声风扇与原风扇噪声测量值风冷编号距离 周围噪声值东东南南西南西西北北东北平均改前 改前 改前 改前 全部开启 改后 改后 改后 改后 全部开启 叶片降噪技术叶片气动噪声是风电机组产生的主要噪声之一，国内外厂家、科研机构、高校等对风力发电机组气动噪声开展了很多研究，但目前对其机理还不是特别明确，因此关于气动噪声的降噪控制处于一个很被动的地位。目前风电叶片降噪，多以在叶片上增加附加组件改变叶片流场的方式来达到降噪的目的。其中阻尼减震降噪、叶片外形弦长设计降噪和翼型降噪为叶片设计上的改进，只能在新开发的叶片上实施。针对运行机组，只能通过修正叶尖形状和改变叶片尾缘形状实现降噪。已有试验表明，翼型尾缘附加锯齿是一种可行的降噪方案，尤其对中低频段的远场气动噪声有比较明显的降低效果。相同来流条件下，处理后的叶片总气动噪声声功率级比未处理的叶片降低约 。国内已运行风场的部分机组距离居民住宅特别近，降低 并不能达到降噪要求，故需要采取其他降噪措施进一步降低噪声值。根据已有的噪声研究可知，叶片气动噪声水平和叶尖速度的 次方成近似正比。以牺牲发电效率为代价，降低风电机组风轮转速，从而降低叶尖线速度，也可降低噪声。降低转速越多，降低噪声值越多，同时发电量损失越多。噪声值超标一般都是在夜间，因此在晚上：到早上：控制风轮转速即可。此方案已在国内多个风场实施。图 所示为某风场降转速降噪控制方案，通过降低风轮转速的方式使叶片噪声降低了 以上，取得了较好的降噪效果。传播过程降噪控制噪声最有效的方法就是从噪声源上对噪声水平进行控制，然而控制噪声水平，对机械结构件、电气零部件的生产技术也是一大考验。同时运行机组已完成吊装，部分零部件在空中更换困难，且更换成本高。因此，可考虑在传播过程中降低噪声，即采用对风电机组排放的噪声进行削减、隔离等方式，使得最终排放在大气中的噪声值降低，或者通过改变噪声传播方向使噪声敏感点噪声值降低。图 某风场降噪前后风轮转速控制示意图 机舱隔音棉技术机舱隔音棉技术即在机舱内部安装隔音棉，以吸收机舱内所有零部件产生的噪声。不同厚度材质的隔音棉吸声效果因纤维层、橡胶层的不同而有差异，但总的来说吸声效果都比较好，一般可将机舱噪声降噪 以上，在国内很多风场均有应用。但值得注意的是，隔音棉不仅隔音还隔热，使用隔音棉时需要对机舱热平衡进行复核，否则在部分环境温度较高的风场，会导致机舱出现超温等故障。塔筒散热器加装消声器为塔筒散热器加装消声器仅针对部分塔基存在散热器的机型。在散热器外加装一个组合型多材料复合结构的阻声吸音罩，将散热器或轴流风机等排放出的噪声经过消声降声处理，然后再排向大气。消声器在地面安装，简单方便，其消声量约为 （）。此类消声器可根据散热器规格型号进行定制化设计。改变噪声传播路径传统方案：在噪声传播的路径上，设置障碍物以阻止声波的传播，铺设吸声材料增加声能损耗，通过反射、折射改变声波的传播方向，可采用例如种树，重 庆 电 力 高 等 专 科 学 校 学 报 第 卷第 期安装广告隔音牌、隔音墙等方式。机组控制方案（扇区控制）：通过控制机组的偏航改变噪声传播方向。根据噪声研究，机组的正后方噪声值最大，两侧和前方较小，若噪声敏感区域仅位于机组的一个方向，可通过限制机组偏航的方式，使机组的正后方较少处于此区域来降低噪声，一般机组都是夜间超标，因此在夜间进行控制即可。需注意的是，若此机位风资源扇区主要集中在机组噪声敏感区域方向，采用此方案将大大影响发电量，此时应考虑其他降噪方案。噪声敏感区域降噪噪声敏感区域多为居民住宅区，受影响的也多为当地居民，影响时间段多为中午午休或者晚上睡觉的时候，可通过给居民发放隔音耳塞，更换隔音门窗，对墙壁做隔音处理等，将居民受到的风电机组噪声影响降到最低。若采用这些降噪方案还是不能解决噪声问题，可给予居民经济补偿，让居民搬迁到风电机组噪声影响不到的区域。总结本文通过对已建风场风电机组噪声源进行分析，针对不同噪声源提出相应的降噪方案，以减轻风电机组噪声污染。但目前的降噪方案也只能解决风电机组的部分噪声问题。为了避免风电机组的辐射噪声影响人健康，同时减少风电企业因噪声扰民停机带来的经济损失，在风场建设前进行微观选址时，需要对风场各机位周边的噪声敏感点进行排查，同时对风机机械噪声和气动噪声进行全面分析。可通过优化风机结构、优化变桨和偏航控制策略、采用低噪声部件、加装降噪设备等方式对风机噪声进行控制，以满足国家相关标准要求，若噪声不能控制到标准范围内，需调整对应机位点。参考文献：刘德顺，戴巨川，胡燕平，等 现代大型风电机组现状与发展趋势 中国机械工程，（）：沈德昌 我国大型并网风电机组的发展现状和趋势 太阳能，（）：，纪志国 我国风电产业现状与发展趋势探究 中国设备工程，（）：佚名 中华人民共和国环境噪声污染防治法自 年 月 日起施行 中国环保产业，（）：向宇辉 大型风电机组气动噪声模拟与控制策略研究 长沙：长沙理工大学，杨柳，陈少敏，巫发明，等 兆瓦级风电机组噪声源研究及降噪优化 风能，（）：谢金涛，刘前卫 风电机组噪声分析及检测 山东电力技术，（）：李晓玲，蒋立荣，李凌云 风电场运行期噪声影响范围及防治措施 内燃机与配件，（）：孙萍玲，李学平，赵海燕，等 风电机组噪声特性研究 中国环境监测，（）：高鹏飞 风电机组叶片气动噪声特性与降噪方法的仿真研究 北京：华北电力大学（北京），李松林，王其君，吴鑫波，等 不同宽高比锯齿对风电机组气动噪声的影响 风能，（）：许影博，李晓东 锯齿型翼型尾缘噪声控制实验研究 空气动力学学报，（）：尚伟，陈宝康，刘永强 风电工程噪声测试及控制方法分析 机电工程技术，（）：刘雄，罗文博，陈严，等 风力机翼型气动噪声优化设计研究 机械工程学报，（）：张帆 几种隔音棉在空调器降噪中的应用 日用电器，（）：，（，；，）：，：；第 卷第 期 重 庆 电 力 高 等 专 科 学 校 学 报