水電站混凝土制冷系統設計與實際應用

周 波

（福建省水利規劃院 福建 福州 350001）

1 工程概況

本工程共布置2座拌和樓，分別為1#（2×3.0m3）強制式拌和樓和2#（2×4.5m3）強制式拌和樓。工程混凝土總量為194.52×104m3，其中碾壓混凝土為169.32×104m3，常態混凝土為25.20×104m3，混凝土最大級配為三級配。碾壓混凝土高峰月澆筑強度為16.96×104m3/月，常態混凝土高峰月澆筑強度為1.2×104m3/月。常態、碾壓混凝土澆筑疊加高峰月強度為12.5×104m3/月。

2 設計條件

2.1 水利樞紐工程壩址氣溫、水溫

本工程壩址氣溫、水溫見表1。

表1 水利樞紐壩址氣溫、水溫要素表

2.2 出機口溫度計算

工程共設計兩個出機口溫度。入倉溫度為15℃時，出機口溫度為12℃；入倉溫度為14℃時，出機口溫度為11℃。

出機口溫度計算。由于水泥和粉煤灰不供暖，骨料輸送廊道和成品骨料倉有暖氣供應，故取水泥、粉煤灰（以下統稱膠凝材料）和骨料拌和前平均溫度為5℃計算，公式如下：

式中，Tk——混凝土拌和后的溫度，℃；

Tc、Ts、Tg、Tw——膠凝材料、砂、石、水的溫度，℃；

mc、ms、mg、mw——膠凝材料、砂、石、水的質量，kg；

ws、ws——砂、石的含水量，分別取3%和1%；

Cb——水的比熱容，因骨料為正溫，故Cb=4.2kJ/（kg·℃）；

0.84 、4.2——分別為膠凝材料、骨料的比熱容和水的比熱容，kJ/（kg·℃）。

經過計算，當水溫為60℃時，出機口溫度為8.9℃，以上計算未考慮水泥的水化熱和攪拌過程中機械升溫的影響。根據經驗一般會升高1℃～2℃，施工過程中應將水溫控制在60℃以下。

Qw=4.2VcS（T1-T0）kJ/h

水預熱耗熱量Q2計算：

式中，Vc——混凝土生產量，m3/h；

S——每方混凝土的用水量，kg/m3（考慮骨料含水波動取60 kg/m3）；

T1——預熱后溫度，℃（取60℃）；

T0——預熱前溫度，℃（取4℃）。

經計算：

3 混凝土制冷系統設計與施工

3.1 制冷工藝流程

制冷工藝流程詳見圖1。

3.2 預冷生產能力分析

夏季不均衡系數取1.2，月作業25天，預冷混凝土系統的總生產能力為：工程最高峰強度187982÷25÷16×1.2＝564m3/h，拌和樓（站）預冷砼總生產能力為600m3/h（五月份），最高峰強度 143318÷25÷16×1.2＝430m3/h，1#、2#拌和樓總生產能力為420m3/h，能基本滿足該月高峰強度要求。備用拌和樓總生產能力為180m3/h，澆筑強度18247÷25÷16×1.2＝55m3/h，富余生產能力完全可以滿足需求。

3.3 出機口溫度方案

圖1 制冷系統工藝流程圖

拌和樓專用于高溫月份（6月～8月）生產預冷混凝土，小時產量分別設定為240m3/h和180m3/h。按兩座拌和樓總的生產能力計算，需凈制冷負荷約為：Q=7258×420＝305萬大卡。

為確保高峰期砼產量，可考慮備用拌和樓在高溫季節生產部分預冷砼。小時產量設定為60m3/h（銘牌產量為180m3/h，降低產量延長骨料一次風冷時間，使骨料溫度達到預冷要求），按拌和站生產能力計算，需凈制冷負荷約為：Q=7258×60＝43萬大卡。按55%的制冷效率考慮，右岸砼系統總的制冷容量 Q=（305+43）/0.55=633萬大卡。因此，制冷車間共需配備900萬大卡的制冷機組。

3.4 一、二次風冷料倉設置

每座樓配置容積275m3的中轉料倉4個，總容量1100m3，滿足拌和樓大于3h的生產用料。其中3個粗骨料倉作為一次風冷料倉，倉內安裝冷風通道、倉外安裝冷風機平臺，各倉外壁安裝一臺冷風機。冷風由離心風機從骨料倉中下部的冷風通道吹入料倉，對骨料進行冷卻后，溫度回升的冷風從料倉上部返回冷風機冷卻后，再由離心風機吹入倉內，對骨料進行循環冷卻至8℃以下。

拌和樓內的粗骨料倉隨樓安裝冷風通道及冷風機平臺，在各倉外壁安裝一臺冷風機對骨料進行二次冷卻至3℃以下。

3.5 制冷制冰量分析

當氣溫為17.7℃（7月份）時，出機口溫度設定為11℃，對骨料采用兩次風冷的方式。現按下列設定條件進行計算，初始溫度定為骨料21.9℃，水溫17.7℃，水泥50℃、粉煤灰50℃。要生產出11℃的預冷砼，每方砼需要制冷量為7838千卡。粗骨料風冷至3℃、攪拌水冷卻至2℃以下時，只能達到12℃的出機口溫度。根據工程實踐，風冷骨料冷至3℃、攪拌水冷卻至2℃已是制冷系統所能達到的極限。因此，要生產出11℃的預冷砼必須加冰拌和。每方砼加冰15kg即可生產出11℃的預冷砼。

根據驗算，在五月及九月，骨料二次風冷即可滿足出機口溫度為11℃的要求。6月～8月的澆筑強度比較均勻，因此按照最高溫月份（7月）的澆筑強度計算所需的制冷容量。因骨料二次風冷及拌和用水的溫度不變，所以在12℃方案所需制冷容量的的基礎上，增加制冰所需容量即可滿足要求。每天需要片冰量 Gm=161473m3÷25d×1.2×15kg/m3＝116261kg/d≈117t/d，擬增加一個制冰車間，制冰能力120t/d。

因此，制冰所需制冷容量。

Qb=Gm/3600n ×[Cw×（tz-0）+Ci+Cb×（0-tc）]K＝945kw≈83kcal。其中，制冰所需 2℃冷水由冷水車間提供，考慮冷水損耗，冷水車間應增加制冷容量10千卡。

4 實際應用設備選型

制冰車間選用4臺國產的PBL-2×110型的片冰機，單臺片冰機產量30t/d，片冰溫度-10℃。儲冰設備選用1座BK2×30型的臥式冰庫，儲冰能力60t，出冰能力30t/h。片冰輸送裝置選用2臺QBS15型的氣力輸送裝置，單臺輸送能力為8t/h，壓縮空氣冷卻1次，采用40HP型羅茨鼓風機。氣冰分離采用CLT型旋風分離器，拌和樓各配置1臺。

5 結論

本文論述了水電站混凝土制冷系統設計及施工工藝流程。通過對混凝土制冷系統方案的認真研究分析，設計出了一套比較經濟合理的混凝土制冷系統及制冷方案。特別在實施階段，通過對制冷系統進一步優化，即制冷水采用了立式蒸發器、用蒸發式冷凝器代替冷凝器及冷卻塔，制冷方案采用了一、二次風冷等，在滿足設計以及工程實際應用的情況下，大大地減少了設備投資運行費用，具有一定參考價值。陜西水利