某水電站溫控混凝土制冷工藝及控制措施

張建鴻

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第五工程有限公司 湖北宜昌 443100）

1 工程概況

金沙江某水電站混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)，主要承擔(dān)導(dǎo)流隧洞、尾水系統(tǒng)、泄洪洞、地下廠房系統(tǒng)、水墊塘和二道壩等工程約477.0萬m3混凝土的生產(chǎn)任務(wù)，其中出機(jī)口溫度為14℃的溫控混凝土約為376.3萬m3。混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)按2座4×3m3自落式拌和樓規(guī)模設(shè)置，需滿足工程高峰月混凝土澆筑強(qiáng)度12.0×104m3，小時(shí)生產(chǎn)能力為240m3/h，出機(jī)混凝土的溫度為14℃設(shè)計(jì)。

2 制冷系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)和控制

2.1 水文、氣象資料

最高河水溫度：25.4℃，多年平均相對(duì)濕度：66.0%。

壩址區(qū)多年平均氣溫21.9℃，多年最高月平均氣溫為27.1℃。

考慮骨料運(yùn)輸?shù)纫蛩兀跏紲囟榷椋捍止橇?7.5℃；濕砂25.5℃；外加劑25.5℃；水泥52.5℃；粉煤灰47.5℃；水溫25℃。

2.2 制冷工藝

采用骨料風(fēng)冷+冷水拌和+加冰片的制冷工藝。

2.3 制冷量計(jì)算

（1）拌和樓風(fēng)冷骨料計(jì)算參數(shù)

①制冷機(jī)裝機(jī)容量（標(biāo)準(zhǔn)工況）：390×104Kcal/h；

②冷風(fēng)蒸發(fā)溫度：-14～-16℃；

③骨料冷卻平均終溫：7～9℃；

④料倉(cāng)冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)溫度：-1～-2℃；

⑤骨料平均冷卻時(shí)間：90min。

（2）片冰及冷水計(jì)算參數(shù)

①制冷機(jī)裝機(jī)容量（低溫工況）：240×104Kcal/h；

②制冰蒸發(fā)溫度：-23～-25℃；

③片冰平均溫度：-8～-10℃；

④每m3混凝土加冰量：：50kg混凝土二級(jí)配）；

⑤冷水蒸發(fā)溫度：-3℃；

⑥冷水水溫：4～6℃。

（3）冷風(fēng)制冷量計(jì)算

本系統(tǒng)采用一邊進(jìn)料、一邊冷卻、一邊供料的連續(xù)風(fēng)冷方式，料層自上而下順序連續(xù)流動(dòng)，頂層為進(jìn)料溫度，底層溫度為所需的冷卻終溫，料流速度按照單位時(shí)間所需的供料量計(jì)算。各層的料溫、風(fēng)溫都恒定不變，若將骨料分層，則上一層料的終溫為下一層的初溫，下層料的出風(fēng)溫度為上層料的進(jìn)風(fēng)初溫。

冷風(fēng)耗冷量、加冰量、冷水量按預(yù)冷混凝土小時(shí)生產(chǎn)能力240m3/h計(jì)算。

假定骨料冷卻終溫為7℃，骨料比熱為0.21Kcal/℃，則在設(shè)計(jì)工況時(shí)制冷風(fēng)所耗熱量 Q=240×（400+400+400+420）÷1000×0.21×（27.5-7）×1.5÷10=251.08萬Kcal/h。

（4）制冰系統(tǒng)耗冷量計(jì)算

二級(jí)配混凝土量大，加冰量最多，制冰量以生產(chǎn)二級(jí)配混凝土進(jìn)行計(jì)算。需冰量為240×20×0.046=220.8t/d，確定制冰的能力為225t/d，根據(jù)公式計(jì)算制冰系統(tǒng)耗冷量。

QB=0.0016kGB[（tw-0）cw+（0-tB）cB+335]

式中，QB-設(shè)計(jì)工況下的制冰冷負(fù)荷，kW；k-冷量損失補(bǔ)償系數(shù)，取1.2～1.25；GB-日制冰能力，t/d；tw-制冰用水水溫，℃；tB-冰溫，℃；cw-水的比熱容，kJ/（kg℃）；cB-冰的比熱容，kJ/（kg℃）；335-冰的融化潛熱，kJ/kg。

假定制冰時(shí)水溫為15℃（6℃冷水有一個(gè)溫升過程），片冰溫度為-10℃，計(jì)算得出制冰的冷負(fù)荷為1100kW，考慮冷量損失，并為冰庫(kù)提供冷風(fēng)約需耗冷量200kW×2=400kW，制冰系統(tǒng)共需消耗冷負(fù)荷129萬Kcal/h。

（5）冷水生產(chǎn)量

冷水生產(chǎn)量包括制片冰所需冷水及拌和所需冷水兩部分，冷水生產(chǎn)量以生產(chǎn)二級(jí)配混凝土進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)典型二級(jí)配加水量為135kg/m3，計(jì)算冷水產(chǎn)量為240×135=32.40m3/h，考慮到生產(chǎn)不均勻和氣候變化，冷水生產(chǎn)量按35m3/h設(shè)計(jì)。

根據(jù)公式計(jì)算制冷水冷負(fù)荷：

Qw=kGgwcw（tj-tc）÷3600

式中，Qw-設(shè)計(jì)工況下的制冰水冷負(fù)荷，kW；k-冷量損失補(bǔ)償系數(shù)，取1.1～1.2；G為混凝土小時(shí)生產(chǎn)量，m3/h；gw-每立方米混凝土外加冷水和片冰的總量，kg/m3；tj-制冷水設(shè)備的進(jìn)水溫度，℃；tc-制冷水設(shè)備的出水溫度，℃；cw-水的比熱容，kJ/（kg℃）。

本設(shè)計(jì)方案選用螺旋管蒸發(fā)器制冷水，其占地面積小，設(shè)備成本低，出水溫度為2～4℃。經(jīng)過計(jì)算，低溫工況下制冷量為781kW，蒸發(fā)溫度為-1℃，低溫工況制冷量為67.1萬Kcal/h。

2.4 工藝流程說明

（1）制冷車間

制冷車間由螺桿式氨壓機(jī)、蒸發(fā)冷凝器、虹吸貯氨器、高壓貯氨器、低壓循環(huán)貯液器、氨泵及片冰機(jī)、冷風(fēng)機(jī)等組成閉路循環(huán)系統(tǒng)。

制冷車間由于制冷風(fēng)與制片冰的運(yùn)行工況不一致，設(shè)計(jì)時(shí)配置三臺(tái)氨壓縮機(jī)、兩臺(tái)低壓循環(huán)貯液器，四臺(tái)氨泵用于保證片冰及冷水生產(chǎn)；配置三臺(tái)氨壓縮機(jī)，三臺(tái)低壓循環(huán)貯液器及四臺(tái)氨泵用于兩座拌和樓風(fēng)冷骨料生產(chǎn)。氨制冷系統(tǒng)工作流程如下：氨壓縮機(jī)從低壓循環(huán)貯液器吸入低溫低壓的飽和氨氣，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后變成高溫高壓的氣體，排入立式冷凝蒸發(fā)器，通過熱交換后氨氣變成常溫高壓的氨液，流入虹吸貯氨器。虹吸貯氨器是一個(gè)液氣分離裝置，一部分液體流回氨壓縮機(jī)的油冷卻系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，蒸發(fā)后的氣體回至虹吸貯氨器內(nèi)，氣體回至冷凝器內(nèi)再次液化；一部分液體溢流至高壓貯氨器內(nèi)。高壓儲(chǔ)液器內(nèi)的氨液經(jīng)過液體分配站及節(jié)流膨脹閥，變成低溫低壓的液體，分別向螺旋管蒸發(fā)器和低壓循環(huán)儲(chǔ)液器供液。螺旋管蒸發(fā)器內(nèi)的氨液吸熱蒸發(fā)后變成低溫低壓的氣液混合物回到低壓循環(huán)貯液器，蒸發(fā)器內(nèi)的常溫水被氨液帶走熱量從而變成冷水，完成冷水的生產(chǎn)過程。低壓循環(huán)貯液器是一臺(tái)集儲(chǔ)存、氣液分離的壓力容器，低循內(nèi)的氨液經(jīng)過氨泵輸送到片冰機(jī)及拌和樓上的冷風(fēng)機(jī)蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換，完成片冰和冷風(fēng)的生產(chǎn)過程，吸熱后的氨液變成氣液混合物沿回氣管回到低壓循環(huán)貯液器，氣液混合物經(jīng)低壓循環(huán)貯液器分離后的飽和氣體被壓縮機(jī)吸回，完成一個(gè)工作循環(huán)，如此周而復(fù)始完成制冷流程。流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。為保證系統(tǒng)可互相切換且檢修某臺(tái)主機(jī)時(shí)不影響系統(tǒng)生產(chǎn)，我們?cè)谥鳈C(jī)回氣管和氨泵出液管集管上分別增加1臺(tái)過橋閥門，如生產(chǎn)冷風(fēng)的某臺(tái)主機(jī)需要檢修時(shí)，過橋閥門打開，可將另一臺(tái)用于制冰的主機(jī)用于制冷風(fēng)。

圖1 制冷系統(tǒng)預(yù)冷工藝流程簡(jiǎn)圖

（2）風(fēng)冷骨料系統(tǒng)

液氨吸收空氣的熱量使空氣溫度降低，附壁式冷風(fēng)機(jī)將低溫空氣吹入料倉(cāng)，低溫空氣和骨料交換熱量使骨料降低到要求溫度。儲(chǔ)罐內(nèi)的骨料經(jīng)膠帶機(jī)送入拌和樓骨料倉(cāng)進(jìn)行風(fēng)冷。拌和樓的特大石骨料倉(cāng)可根據(jù)需要調(diào)節(jié)堆存大石或中石，每個(gè)料倉(cāng)自上而下分為進(jìn)料區(qū)、冷卻區(qū)、儲(chǔ)料區(qū)。在冷卻區(qū)內(nèi)設(shè)有配風(fēng)裝置，使冷風(fēng)在冷卻區(qū)均勻擴(kuò)散與骨料進(jìn)行熱交換，冷風(fēng)由冷卻區(qū)底部送入，逆骨料流向穿過該區(qū)骨料層吸熱升溫后，由冷卻區(qū)上部出來進(jìn)入空氣冷卻器，冷卻后通過鼓風(fēng)機(jī)吹入料倉(cāng)進(jìn)入下一個(gè)冷卻循環(huán)，骨料在冷風(fēng)不斷循環(huán)冷卻作用下溫度降到所需終溫進(jìn)入儲(chǔ)料區(qū)。空氣冷卻器、離心風(fēng)機(jī)與各骨料倉(cāng)一對(duì)一配置，組成各自獨(dú)立的冷風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)。在拌和樓料倉(cāng)內(nèi)冷卻到設(shè)計(jì)終溫的骨料經(jīng)稱量器計(jì)量后卸入攪拌集中生料斗。

（3）冷水

將液體分配站輸出的氨液，經(jīng)節(jié)流膨脹閥后，變成低溫低壓的氨液，進(jìn)入螺旋管蒸發(fā)器，氨液吸收水箱中水的熱量后變成氣液混合物，回到低壓循環(huán)貯液器。常溫水的熱量被氨液吸收后，變成冷凍水。根據(jù)溫度高低，調(diào)節(jié)供液量大小及系統(tǒng)運(yùn)行壓力，使冷水溫度達(dá)到規(guī)定要求。拌和混凝土所需的冷凍水，通過放置在螺旋管蒸發(fā)器旁的冷水泵及連接管道，分別送往制冰樓和拌和樓的水箱中。

（4）片冰

制冰系統(tǒng)由氨泵將低溫低壓的氨液，輸送至片冰機(jī)蒸發(fā)器內(nèi)，氨液吸收冰筒頂部噴淋在冰筒表面的冷水的熱量，使其迅速降溫，凝結(jié)成冰。由旋轉(zhuǎn)冰刀將冰切割下來，片冰直接落入設(shè)有隔熱保溫措施的冰庫(kù)內(nèi)，片冰在庫(kù)內(nèi)進(jìn)一步冷卻干燥，冰庫(kù)用于調(diào)節(jié)片冰產(chǎn)量與拌和樓用冰量的不均勻性，保證片冰機(jī)均衡連續(xù)生產(chǎn)。片冰通過冰庫(kù)內(nèi)的耙冰機(jī)及出冰螺旋機(jī)輸輸送到氣力輸泵，經(jīng)氣力輸送裝置送入拌和樓的小冰倉(cāng)。由衡量裝置按配設(shè)定數(shù)值計(jì)量好后，將片冰及冷水分批次投入攪拌機(jī)內(nèi)。

2.5 溫控措施

為保證夏季混凝土出機(jī)口的溫度要求，本系統(tǒng)預(yù)冷措施按生產(chǎn)14℃混凝土配置，高溫季節(jié)采取加冰、冷水拌和及拌和樓風(fēng)冷綜合方式降溫，在過渡季節(jié)根據(jù)外界氣溫及混凝土出機(jī)口溫度要求，可選擇采用風(fēng)冷、加冰、冷水拌和混凝土單一或組合預(yù)冷措施。

本工程混凝土拌和時(shí)可采取如下綜合溫控措施：

（1）骨料輸送膠帶機(jī)搭設(shè)遮陽(yáng)棚，防止骨料在輸送過程中暴曬升溫。

（2）拌和樓料倉(cāng)采用鋼結(jié)構(gòu)制作，且直倉(cāng)段加高至9m，料倉(cāng)外壁用橡塑海綿保溫，避免冷量的損失。

（3）混凝土澆筑時(shí)間盡量安排在早晨或晚上進(jìn)行，以避開高溫時(shí)段澆筑混凝土。

（4）混凝土在運(yùn)輸過程中采取適當(dāng)?shù)谋卮胧苊饣炷翜囟然厣^快。

（5）加4～6℃冷水拌制混凝土。

（6）對(duì)拌和樓料倉(cāng)的粗骨料進(jìn)行風(fēng)冷，使骨料終溫降至7～9℃。

（7）加片冰拌和混凝土，加冰量按加水量中扣除骨料含水和外加劑含水的最大可能量加入。

（8）選用水化熱低的中熱水泥和低熱水泥。

（9）在滿足施工圖紙要求的混凝土強(qiáng)度、耐久性和和易性的前提下，改善混凝土骨料級(jí)配，加優(yōu)質(zhì)的摻合料和外加劑以適當(dāng)減少單位水泥用量。

（10）保溫工程系統(tǒng)設(shè)備、氨管道、通風(fēng)管道、骨料倉(cāng)外壁等保溫采用橡塑海棉保溫材料保溫隔熱層必須按照有關(guān)制冷規(guī)范要求和防火安全要求施工，所有保溫材料應(yīng)具有耐燃性能和防潮性能的數(shù)據(jù)和使用說明書，應(yīng)采用不燃性或阻燃性材料。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要以某水電站拌和站為例闡述了混凝土制冷方面的工藝以及控制措施，通過本文的介紹能夠?qū)λ娬净炷林评涮峁┮欢▍⒖家约皫椭?/p>