觀音巖水電站巨型人工砂石系統節能減排措施

鄧 俊，巫德勝，楊 金

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 610072)

1 前 言

觀音巖水電站大壩混凝土總量約865萬m3，其中碾壓混凝土約470萬m3，常態混凝土約380萬m3，噴混凝土約15萬m3，需供應混凝土粗細骨料約1 860萬t。毛料采用距壩址左岸下游20km的龍洞石料場二迭系下統茅口組(P1m)灰巖。

砂石系統主要分龍洞區和樞紐區兩個區布置，龍洞區主要有龍洞石料場、龍洞粗碎、龍洞半成品料倉;樞紐區布置其他生產環節的車間及設施。

砂石系統設計規模為粗碎設計處理能力3 300t/h，設計成品生產能力為2 700t/h(其中粗骨料1 780 t/h，常態混凝土用砂370t/h，碾壓混凝土用砂550t/h)系統建設分兩期實施。一期系統粗碎處理能力不低于 1 400t/h，成品生產能力不低于1 150t/h。二期系統粗碎處理能力不低于3 300t/h，成品生產能力不低于2 700t/h。

2 系統工藝簡介

砂石系統破碎采用粗碎、中碎、細碎三段破碎工藝，采用半干法制砂工藝，主要破碎設備采用反擊破，制砂設備采用立軸式中高速破碎機。粗碎開路，中碎、細碎與相應的篩分車間形成閉路循環生產工藝，系統主要設備及車間布置按雙線生產模式配置。觀音巖水電站砂石系統加工工藝流程見圖1。

3 系統耗電量設計及節能改進

3.1 用電負荷及設計單位耗電量

系統設計變壓器總容量為19 860kVA，總裝機功率為21 868.4kW。其中高壓容量占總負荷的4.57%，低壓容量占總負荷的99.53%。負荷率約為總裝機容量的80%。根據系統運行耗電分析，其主要負荷來自于系統各車間設備運行以及膠帶機運輸等。系統功率配置包括主要工藝設備、骨料生產運輸線、輔助設備及夜間照明系統等。其中主要工藝設備功率約9 500kW，骨料生產運輸線功率約3 700kW，輔助設備功率約8 200kW，夜間照明系統約50kW。按照砂石系統設計負荷率80%考慮，以每小時滿負荷帶料運行計算，系統生產每噸砂石骨料設計耗電量為:21 868.4×0.8÷2 700=6.48(kW·h/t)。

3.2 用電節能改進措施

砂石系統全面投產后，先后進行了各項用電節能技術改進，主要包括:(1)增加PLC電氣自動控制技術;(2)下運帶式輸送機能量回饋自動控制措施;(3)制砂工藝改進。

3.2.1 PLC電氣自動控制技術

圖1 觀音巖水電站人工砂石加工系統工藝流程框圖

砂石系統運行初期，系統啟停機均屬于手動控制，按指令順序延時啟動，操作員必須按值班長的命令準確操作，效率低，且在發生啟停機故障時容易出錯。根據測算，整個系統采用手動正常啟動時間約為30min，空載耗電量約1 500kW·h，停機為逆向操作，耗電量與啟動相當。若每天兩班生產運行，啟停機耗電量達6 000kW·h。系統投產后增加了先進的PLC自動控制系統，可實現對所有電氣設備的自動保護、控制與監視。PLC系統可預先設定系統各設備起停機順序及延時啟停時差，由中控室電腦一鍵控制。開機啟動后，可自動監測設備的運行狀態并反饋運行參數，若遇設備故障，經反饋信號處理，可發出緊急事故停機控制指令，使該設備與上級設備立即停機。增加PLC自動控制系統后，系統的開停機完全轉由電腦控制，系統正常啟動時間縮短到15min內，較之前手動啟動可減少50%的耗電量，每天兩班生產可在啟停機過程節約電量約3 000kW·h。

3.2.2 下運帶式輸送機能量回饋自動控制措施

在以往工程慣例中，人工砂石加工系統很少使用下運帶式輸送機，但在大型、特大型人工砂石加工系統中的一些特殊場合必須使用。大型下運帶式輸送機在運行過程中往往由于慣性作用使電動機出現負工況運行，易出現飛車現象，導致設備及人身安全事故，使用變頻調速及常用的制動方式很難達到良好的控制效果。觀音巖水電站砂石系統龍洞區A4帶式輸送機就是典型的下運帶式輸送機。

下運段有載荷情況時，A4帶式輸送機電機為負工況(即發電工況)，最大負功率為356kW，設計功率為2×200 kW。此時異步電動機實際上已成為異步發電機，將在變頻器直流側電容上產生很高的泵生電壓，若不及時高效地釋放這部分能量，運行至此工況時會引起變頻器過壓保護動作，造成變頻器主回路功率器件的過壓損壞、燒壞電機，導致帶式輸送機飛車事故。在通過系統前期運行總結與分析后，生產單位對A4膠帶機運行采取了能量回饋自動控制措施:即利用變頻控制加回饋制動單元將直流側泵生電壓逆變送回電網。不僅安全可靠地控制了下運帶式輸送機的運行，而且在運行中通過能量回饋到系統節約了電能，大大降低了能耗和運行成本。采取改進措施后，通過實際監測A4膠帶機運行情況，以每天生產8h、每月生產25d計算，則每月節能40 512kW·h。

3.2.3 制砂工藝改進

水電工程傳統制砂工藝主要采用棒磨機制砂，其特點是:(1)成品砂質量穩定、粒形好;(2)耗電、耗水量高、鋼棒耗量大;(3)建筑安裝量大;(4)石粉損失量大，水處理費用高。觀音巖水電站砂石系統通過實踐經驗論證，系統設計放棄了棒磨機，全部采用立軸破制砂，實現了“以破代磨”的制砂工藝。立軸制砂的特點是:(1)工藝流程簡單，單位能量消耗低;(2)5～2.5mm的石料循環破碎，破碎效果差，能量消耗略偏大;(3)成品砂中2.5～1.25mm、1.25～0.63mm粒徑的石料偏少;(4)成品砂的細度模數控制難;成品砂率偏低。觀音砂石系統制砂工藝設計通過增加石粉回收裝置(ZX250－C)與8臺立軸破搭配，并經篩網調節摻和比例成功克服了立軸破制砂的缺點，能確保生產出質量穩定的成品砂。制砂工藝改進最大的優點在于降低了系統的能耗，并能有效控制成品砂的含水率。

3.3 用電節能措施改進效果

通過一系列措施的改進，系統生產每噸成品骨料的耗電量較原設計耗電量大為降低。根據數據統計，觀音巖水電站砂石系統從2009年10月一期建成投產運行至2012年5月底，已供應合格砂石骨料560萬t，生產運行總耗電量為1 967萬kW·h，平均每噸砂石骨料耗電量為1 967÷560=3.51kW·h/t。較設計耗電量6.48kW·h/t降低了2.97kW·h/t，已較原設計節約電能1 663.2萬kW·h。

4 系統水處理設計及改進

4.1 系統原設計水處理流程及運行效果

觀音巖水電站砂石加工系統工程生產用水主要用于骨料沖洗、設備冷卻、防塵用水等，原設計用水量為2 000m3/h(一期1 000m3/h，二期 2 000m3/h)，相應的廢水處理能力為2 000m3/h。其廢水處理工藝采用兩級沉淀池(豎流沉淀池和斜管沉淀池)進行沉淀濃縮，然后通過沉淀池排漿底閥排放至污泥干化車間(主要脫泥設備為圓盤真空過濾機)進行固液分離，分離后的尾水經二次沉淀后泵送回高位水池循環利用。

系統一期建成后，通過實際運行反饋，水處理效果不甚理想，僅達到設計處理能力的30%。主要表現在以下兩方面:

(1)生產廢水量超過設計處理能力。主要源于毛料含泥量大、半成品料裹泥嚴重、一篩沖洗水量大，致使沖洗用水量遠超設計量。

(2)固液分離設備處理效果差。由于廢水沉淀后濃度高達到30%，且泥漿粘性大，而已安裝的GP96－8型圓盤真空過濾機可靠性差，在運行過程中經常堵塞濾布濾孔，處理能力大大降低。

4.2 系統水處理工藝改進

系統一期建成運行后通過對水處理存在的問題分析，在二期對水處理工藝進行了一系列改進。其主要工藝采用了“一級回收、二級沉淀、污泥干化”的水處理方案，并在生產過程嚴格控制毛料含泥量。新工藝在一篩車間增設了ZX250C型黑旋風細砂回收裝置，進入沉淀池的廢水經黑旋風一級回收后，主要含量為泥漿的廢水仍通過豎流沉淀池和斜管沉淀池兩級沉淀濃縮后，高濃度泥漿通過排漿底閥排放至污泥干化車間進行固液分離。取消污泥干化車間圓盤真空過濾機設備，重新配置KWL800離心脫離機以及LW760ND離心脫泥機作為固液分離設備。廢水處理工藝流程見圖2。

圖2 廢水處理工藝流程

4.3 水處理工藝及措施改進后的效果

4.3.1 嚴格控制毛料含泥量，改進沖洗措施，降低沖洗水耗

觀音巖砂石系統料源取自龍洞大地料場，料場料區地表灰巖溶蝕現象明顯，毛料含泥較嚴重，且機械剔除非常困難，致使半成品含泥過高。經檢測，前期平均含泥量高達8%。半成品料在一篩沖洗干凈困難，生產用水量大。通過分析，降低水耗及水處理壓力的源頭在于嚴格控制毛料開采選料及粗碎車間毛料脫泥。料場開采爆破后，首先對于出現的溶溝溶槽等泥團進行機械剔除，同時，加強粗碎車間脫泥篩設備運行管理，選用合適孔徑的篩網，對于篩分≤15mm以下的骨料作為棄料處理，以保證半成品含泥率滿足要求。通過上述措施，最終使毛料含泥量控制在2%左右。其次，將三篩車間成品中小石沖洗后低濃度(質量濃度約3%)廢水回收利用至一篩車間沖洗，可顯著降低一篩沖洗用水量400m3/h。

通過上述常規措施改進，系統二期建成后，骨料沖洗合格用水量可基本控制在1 000m3/h左右，按系統2 700t/h成品處理能力計算，平均沖洗耗水量為1 000÷2 700=0.37(m3/t)，而未改進控制措施之前耗水量為1.18m3/t，改進后每噸骨料沖洗可節約用水0.81m3。

4.3.2 黑旋風一級回收大量石粉，大幅度降低了水處理壓力，并提高了石粉利用率

系統一篩沖洗、螺旋洗石機產生的廢水主要懸浮物為細砂、石粉及泥，原工藝設計中主要采用刮砂機回收一篩沖洗廢水中的石粉，效果不甚理想，仍有大量石粉經廢水流失，致廢水濃度較高。后在一篩車間增加了ZX250C型泥漿凈化裝置(黑旋風)與刮砂機聯合運行，石粉回收更為充分。一篩廢水進入黑旋風的平均質量濃度為12.7%，經回收處理后的濃度降低為6.5%。黑旋風設備平均處理能力為245m3/h，平均單臺回收砂量為21.78t，經處理后的廢水流入豎流沉淀池進行沉淀，大大降低了后序水處理壓力。

4.3.3 沉淀后的廢水經末級離心機脫泥處理，實現廢水循環利用

一篩車間產生的廢水經泥漿凈化裝置ZX250C的處理后，自流入豎流沉淀池，廢水濃度平均6.5%，廢水量約1 000m3/h。經豎流沉淀池自然沉淀3～4h后，濃縮后廢水濃度在25% ～30%之間，通過池底排污管自流入離心機。其中豎流沉淀池主要用于沉淀車間生產廢水，預留1座池子用于沉淀離心機處理后加藥的尾水，經沉淀后再次通過離心機循環處理。斜管沉淀池主要用于二次沉淀豎流池自然沉淀后溢出的清水，沉淀后自流入清水池，再用清水泵抽入高位水池循環利用。離心機聯合運行檢測成果見表1。

表1 離心機聯合運行檢測成果

離心機排出的尾水濃度平均約10%，廢水中懸浮物沉淀速度慢，需添加絮凝劑以使懸浮物快速絮凝成團、快速沉淀。根據砂石系統生產廢水物理特性，并考慮無毒害等環保要求，實驗選取了陰離子聚丙烯酰胺(APAM)作為絮凝劑。在添加絮凝劑后泥漿濃度能快速提升至25% ～30%，APAM添加最佳用量為200～300g/m3。

根據試驗數據分析，離心機設備進水濃度越大，其處理水量越小。進水濃度在25% ～30%時，脫泥量最大，其單臺設備平均處理量約70m3/h，平均出泥量12.3t/h，脫泥后平均出水濃度10%，泥塊含水率在18%～22%之間。分離的尾水若采取加藥方案，經離心機處理后效果更加顯著，其再次分離的尾水濁度SS≤1 000mg/L，可直接回收利用。

4.4 水處理改進綜合效果評價

(1)砂石系統產生的廢水量為1 000m3/h，經黑旋風處理后的廢水濃度為6.5%，系統每天2班14h運行，共產生廢水14 000m3，需處理的污泥約為910t。離心機3班21h運行，需達到的污泥處理能力為910÷21×1.2(含水率平均20%)=52(t/h)。而離心機平均處理能力為272.5m3/h，廢水濃度為25% ～30%，其平均脫泥量52.14t/h，泥塊含水率在18%～22%之間，4臺離心機配置基本滿足處理需要。

(2)在不加藥情況下，經離心機處理后的尾水沉淀效果差，無法及時處理。這部分尾水經污泥干化池沉淀處理后排放，約230m3/h，加上泥餅含水帶走水量52.14×20%=10.4(m3/h)。系統需補充損失水量240.4m3/h，其有效利用水量789.6m3/h，循環利用率76%。若離心機尾水采取加藥方案，除泥餅含水損失10.4m3/h，其余用水均可回收利用，循環利用率可達99%。

(3)從廢水處理系統目前實際運行情況分析，若采取加藥方案，按300g/m3加藥量計算，每天處理14 000m3廢水，需消耗藥量230×21×0.3=1 449(kg)，以目前 APAM絮凝劑市場價15 000元/t計算，平均每天需花費成本2.17萬元。成品骨料平均生產成本增加25 800÷(2 700×14)=0.57(元/t)，整個運行期增加費用約1 000萬元。

(4)通過主要組合采用半成品含泥量控制、黑旋風回收、離心分離等組合工藝對砂石系統廢水進行處理，可基本完成固液分離、廢水回收利用。

5 結束語

觀音巖水電站砂石系統作為世界上最大的人工砂石生產系統之一，其能耗也相當巨大，達標排放壓力也較大，在節能減排技術方面沒有同類經驗可尋，需要通過實際運行不斷地摸索與總結分析。該系統所采用的節能減排技術取得了較為明顯成效，不僅大幅度降低了系統運行成本，也基本實現了國家行業關于達標排放的環保要求。