混凝土出機口溫控措施在羊曲水電站的應用

李 莉

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)04—0062—03

混凝土出機口溫控措施在羊曲水電站的應用

李 莉

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

羊曲水電站工程混凝土出機口有預冷、預熱兩方面溫控要求，通過將傳統(tǒng)空氣冷卻器改裝成冷暖交換器，在料倉中實現(xiàn)風冷骨料、風熱骨料。羊曲水電站工程采取的預冷、預熱措施有效地控制了混凝土出機口溫度。

混凝土出機口;預冷;預熱;風冷;風熱;骨料;冷暖交換器

0 前 言

在水電站工程中混凝土出機口溫度控制是大體積混凝土澆筑溫度控制的關鍵環(huán)節(jié)，預冷混凝土出機口溫度控制是自三峽水電站工程以來不斷發(fā)展和日趨成熟的技術，近些年大型水電站工程主要分布在西南部，地區(qū)氣溫較高，混凝土的溫控措施集中體現(xiàn)在預冷措施方面，而隨著高寒地區(qū)水電站開發(fā)的加快發(fā)展，混凝土預熱措施將成為混凝土澆筑溫度控制的關鍵技術。本文主要介紹羊曲水電站工程混凝土拌和系統(tǒng)出機口兼有預冷、預熱兩方面溫控要求所采取的措施。

1 工程概況

羊曲水電站位于青海省海南州興海縣與貴南縣交界處，是黃河干流龍羊峽水電站上游“茨哈、班多和羊曲”3個規(guī)劃梯級電站的最下一級，裝機容量1 200 MW，工程規(guī)模為Ⅰ等大(1)型工程。

羊曲水電站地處高寒地區(qū)，平均海拔約2 700 m，多年平均7月份氣溫最高13.4 ℃，極端最高氣溫達31.8 ℃，預冷混凝土出機口溫度要求12 ℃；低溫期12—翌年2月停工，多年平均11月氣溫-4.9 ℃，極端最低氣溫達-23.9 ℃，預熱混凝土出機口溫度要求15 ℃。為了保證混凝土出機口溫度，拌和系統(tǒng)需配備制冷系統(tǒng)和供暖系統(tǒng)。

2 預冷混凝土出機口溫控措施

預冷混凝土小時生產(chǎn)能力240 m3/h，依據(jù)混凝土生產(chǎn)能力，確定預冷按3座HZ120-2F3000L攪拌站配置。羊曲水電站夏季7月份氣溫最高為13.4 ℃，自然出機口溫度17 ℃，要求混凝土出機口溫度12 ℃。采取的制冷措施為一次風冷+冷水拌和。雖然這種預冷措施在水電站工程中廣泛應用，但針對不同工程，制冷系統(tǒng)的設計在風冷效果、降低能耗等方面仍在不斷探索，以期達到高效率、低能耗的目標。

本工程HZ120-2F3000L攪拌站的料倉為落地式中轉料倉，單個料倉斷面尺寸為2.5 m×4 m×7.5 m(高)，分大石、中石、小石、砂共6個料倉。骨料一次風冷采用在中轉料倉配備空氣冷卻器和離心風機構建冷風循環(huán)系統(tǒng)，將大石(80～40 mm)、中石(40～20 mm)、小石(20～5 mm)由13.4 ℃冷卻到5 ℃。混凝土拌和采用10 ℃冷凍水。冷源配置螺桿壓縮機、螺桿冷水機組及制冷輔機。

如何實現(xiàn)冷風與成品骨料在中轉料倉內(nèi)進行充分熱交換，與料倉進、回風口位置、風道形式、倉內(nèi)風速、冷卻時間等參數(shù)的設計有關。本工程中轉料倉進出風口位置需兼顧風冷骨料和風熱骨料2種工況，風冷骨料所需冷卻時間長，根據(jù)風冷骨料的條件確定進出風口的位置。

在冷卻區(qū)高度、進風溫度、回風溫度、風量多個變量條件下，如何合理配置空氣冷卻器、離心風機是設計的關鍵點。經(jīng)驗算法中，設定料倉斷面尺寸，按小時成品骨料用量進行設置，常規(guī)為矩形以方便施工；進風溫度一般取比骨料終溫低5～15 ℃；經(jīng)濟風速取值范圍：特大石(150～80 mm)，0.9～1.25 m/s；大石(80～40 mm)，0.7～0.9 m/s；中石(40～20 mm)，0.5～0.7 m/s；小石(20～5 mm)，0.4 ～0.5 m/s。設定上述參數(shù)后，推算冷風循環(huán)量、骨料冷卻時間、回風溫度、冷卻區(qū)高度(即進出風口高差)。

(1) 風冷骨料制冷量計算

設計工況(tk=30 ℃，t0=-15 ℃)：

Q=ψGPCg(tc-tz)

(1)

式中：Q為設計工況冷負荷，kJ/h；ψ為系數(shù);G為每方混凝土各級骨料用量,kg/m3,按混凝土配合比取值;P為混凝土小時強度,m3/h;Cg為各級骨料的比熱,kJ/(kg·℃);tc為骨料初溫，℃；tz為骨料終溫,℃；

標準工況(tk=30 ℃，t0=-15 ℃)：

Qb=Q(1163/Qdj)

(2)

式中：Qb為標準工況冷負荷，kJ/h；Qdj為單機設計負荷，kW。

(2) 空氣冷卻器與常規(guī)型式不同，在于它不僅要滿足氨液在排管內(nèi)蒸發(fā)冷卻空氣，還要能夠滿足風熱骨料措施中蒸汽與風的熱交換，在此將其定義為冷暖交換器。冷暖交換器按設計要求非標制作，冷暖交換器分上下2個區(qū)，上半部為風加熱部位，設置有獨立的蒸汽排管，將蒸汽通入上部排管加熱風。下半部為風冷卻部位，設置獨立的氨液排管，將氨液通入下部排管冷卻風。供風系統(tǒng)與常規(guī)型式一致，即中轉料倉、冷暖風機、離心風機構成供風循環(huán)系統(tǒng)。

(3) 冷風機計算(單倉)

(3)

式中：Q為冷量，kJ/h；F為計算冷風機面積，m2；K為傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)，根據(jù)廠家資料取75.3；ΔTm為對數(shù)溫差，℃。

(4)

式中：tj為進風溫度，℃；tc為回風溫度，℃；t0為蒸發(fā)溫度，℃。

(4) 羊曲水電站混凝土骨料風冷參數(shù)見表1。

(5) 制冷水耗冷量計算

(5)

式中：Qw為設計工況冷水負荷，kW；k為損耗系數(shù)，一般可取1.1～1.2；P為高峰月小時強度，m3/h；gw為每方混凝土加水量，kg/m3；Cs為冷水比熱，kJ/(kg·℃)。

表1 風冷計算參數(shù)匯總表

3 預熱混凝土出機口溫控措施

預熱混凝土小時生產(chǎn)能力114 m3/h，依據(jù)混凝土生產(chǎn)能力，確定預熱按2座HZ120-2F3000L攪拌站配置。按11月份氣溫-4.9 ℃計算，自然出機口溫度-2.2 ℃，要求出機口溫度15 ℃。預熱措施采取:成品料堆預熱骨料+1次風熱骨料+熱水拌和。根據(jù)熱平衡計算，大石、中石、小石終溫14 ℃，并采用60 ℃熱水拌和，即可滿足出機口15 ℃的溫控要求。熱源采用蒸汽鍋爐，鍋爐的容量按系統(tǒng)所需熱負荷進行配置。

低溫期拌和系統(tǒng)運行不僅要對原材料進行加熱以達到出機口溫度，系統(tǒng)內(nèi)的各車間均應考慮供暖才能保證正常運行。預熱措施如下：

(1) 對料堆骨料進行加熱。結合系統(tǒng)內(nèi)車間供暖，成品料堆、篩分調(diào)節(jié)料堆采用埋設散熱排管，散熱排管內(nèi)通蒸汽的方式對骨料進行加熱，防止骨料凍結。散熱排管由?159 mm×6和?108 mm×4兩種鋼管加工而成，每個下料口布設2個。散熱排管在料堆內(nèi)受骨料的側壓力影響容易變形倒塌，應將每個下料口布設的2個散熱排管制作成整體式，以增強自身穩(wěn)定性，另外在散熱排管上部用2道角鋼進行加固。

料堆內(nèi)的熱負荷計算，為簡化計算，認為排管放出的熱量全部被骨料吸收，按下式計算：

Qn=FnKn(tm-tc)

(6)

(2) 骨料在中轉料倉內(nèi)用熱風加熱，熱風由暖風機提供。

暖風機面積計算。熱媒為蒸汽，入口溫度t=100 ℃， 壓力P=0.1MPa，單座攪拌站暖風機計算。

(7)

式中：Q為熱量，kJ/h；F為計算暖風機面積，m2；K為傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)；Δtp為熱媒與空氣之間的平均溫差，℃。

(8)

式中：tg為蒸汽溫度，℃，取100 ℃；t1為加熱前空氣溫度，℃，取25 ℃；t2為加熱后空氣溫度，℃，取45 ℃。

(3) 熱風供風量計算

(9)

式中：ra為空氣容重1.29kg/m3；Q為熱量，kJ/h； il為進風溫度的焓，kJ/kg；i0為回風溫度的焓，kJ/kg。

11月份平均相對濕度為47%，進風溫度tj=45 ℃，查圖[3]il=124kJ/kg；回風溫度th=25 ℃，查圖[3]i0=49kJ/kg。

(4) 中轉料倉骨料初溫按4 ℃計算。從計算數(shù)據(jù)中可以看出，在受熱區(qū)高度確定的情況下，由于蒸汽間接加熱，進風溫度較高，與骨料的溫差較大，使得循環(huán)風量減小，對應風速低、料層阻力小。由于風冷、風熱的風源按供風量大的冷風量配置離心風機，因此在風熱中暖風量比計算值大，可以通過調(diào)節(jié)蒸汽量來影響進風溫度達到控制加熱溫度。

骨料風熱計算參數(shù)見表2。

(5) 拌和用熱水，采用60 ℃熱水，規(guī)范[4]規(guī)定拌和熱水最高不能超過60 ℃，熱水熱負荷計算。

表2 骨料風熱計算參數(shù)匯總表

Q=(1.06～1.15)CwPW(Tw-T1)

(10)

式中：Q為熱負荷，kJ/h；P為混凝土強度，m3/h；W為每方混凝土水的用量，kg/m3；Cw為水的比熱，kJ/(m2·h·℃)；Tw為拌和熱水溫度，℃；T1為當月水溫，℃；

(6) 膠帶機棧橋采用下承式，用5cm厚聚苯乙烯夾心保溫板圍護，膠帶機兩側沿線設?108mm×4散熱鋼管，以避免膠帶機運行打滑。此外，攪拌站、空壓機房、外加劑間、鍋爐房、辦公室均需采暖，若砂石加工系統(tǒng)與混凝土拌和系統(tǒng)聯(lián)合布置，篩分車間、破碎車間、試驗室等也均需采暖。采暖熱負荷按上述公式計算。考慮到系統(tǒng)為臨建工程，各車間的供暖采用自制的散熱器，用無縫鋼管焊接而成。

(7) 蒸汽加熱拌和用水時加熱設備的選擇原則。當用蒸汽間接加熱拌和水時，如果用水量較大，從設備完善性和運行可靠性出發(fā)，應選用定型產(chǎn)品——汽水熱交換器；如果用水量不大，則可采用簡單的熱交換器，在這種交換器的箱內(nèi)裝設蛇形盤管即可。辦公室供暖采取熱水熱媒，設計中采取管殼式汽水交換器制熱水，采取機械循環(huán)熱水供暖的形式。對于攪拌站拌和、外加劑溶液配制用熱水均采取在水箱內(nèi)設蛇形盤管制熱水。

4 結 語

羊曲水電站工程混凝土拌和系統(tǒng)出機口兼有預冷、預熱兩方面溫控要求，設計將成品粗骨料在攪拌站的中轉料倉內(nèi)實現(xiàn)冷風冷卻骨料、熱風加熱骨料，巧妙地對空氣冷卻器進行非標改造，將其分上部供熱區(qū)和下部冷卻區(qū)，改造后的冷暖交換器實現(xiàn)既可制冷風又可制熱風。羊曲水電站工程采取的預冷預熱措施有效的控制了混凝土出機口溫度，為其它類似工程提供參考。

[1] 水利水電工程施工組織設計手冊(第4卷)[M].北京：水利水電出版社,1991.

[2] DL/T5386-2007，水電水利工程混凝土預冷系統(tǒng)設計導則[S].北京：中國電力出版社,2007.

[3] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設計手冊(上冊)[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[4] DL/T 5179-2003，水電水利工程混凝土預熱系統(tǒng)設計導則[S].北京：中國電力出版社,2003.

Application of Heat Temperature Control Facility to Concrete at Mixer Outlet

LI Li

(Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

The temperature control of concrete at mixer outlet in Yangqu Hydropower Project is required in terms of precooling and preheating. The conventional air cooler is rebuilt to one cooling-heating exchanger. Aggregates can be cooled and heated by air in silo. The precooling and preheating measures which are taken effectively control the temperature of concrete at the mixer outlet.Key words: concrete mixer outlet; precooling; preheating; air cooling; air heating; aggregate; cooling-heating exchanger

2015-02-27

李莉(1980- )，女，遼寧省鳳城市人，高級工程師，主要從事水利水電工程施工設計工作.

TV544.9

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.016