深论鲁地拉水电站混凝土制冷系统设计

摘要：介绍了鲁地拉水电站工程预冷系统采用的“混合上料、连续风冷、地面冰库、气力输冰”的新工艺。本文主要讲述了预冷混凝土系统的设计分析、设备的选型、设备布置。

关键词：鲁地拉水电站；混凝土；预冷系统；设计

中图分类号： TU37 文献标识码： A 文章编号：

1混凝土生产系统特点

混凝土生产系统包括混凝土生产系统设计、施工建设和运行管理等内容。系统主要有以下几个特点：

混凝土浇筑总量大，混凝土浇筑强度高，高峰时段持续时间长

本系统承担混凝土生产总量约为192万m3，其中常态混凝土量约为39万

m3，碾压混凝土量约为153万m3，最大月高峰浇筑强度为18.17万m3。根据施工总进度计划安排，混凝土浇筑高峰期集中在2010年1月～5月，高峰时间为5个月。

（2）制冷要求高

根据招标文件的规定要求碾压混凝土出机口温度为

（3）采用多种工艺降低混凝土温度

混凝土生产系统采用二次风冷、加冰和加冷水工艺，即调节料仓一次风冷各级粗骨料，拌和楼料仓二次风冷各级粗骨料，加冰和冷水搅拌。

2混凝土浇筑强度

根据招标文件要求预冷碾压混凝土和常温碾压混凝土的生产能力均为17.8万m3/月。根据总体施工进度计划，最大月高峰浇筑强度为18.1万m3，其中常态混凝土最大月生常强度为3.3万m3，碾压（预冷碾压）混凝土最大月生产强度为14.8万m3。为此混凝土生产系统按照同时满足上述两项要求进行设计。经过计算得出混凝土高峰期要求生产强度为540m3/h(对应月份为20010年5月)。

3混凝土配合比

本系统混凝土参考配合比见表2-1、表2-2：

常 态 混 凝 土 配 合 比

大 坝 碾 压 混 凝 土 参 考 配 合 比

注：碾压混凝土骨料级配： 二级配：50（小石）：50（中石）；三级配：30(小石) ：40(中石) ：30(大石)。

上述常态、碾压混凝土配合比仅为投标阶段参考使用，实际配合比在中标后，根据现场试验和实际施工情况进行调整确定。

4混凝土温控技术要求

要求碾压混凝土出机口温度为

5混凝土预冷系统工艺设计

5.1设计计算

以5月份控制月，相应混凝土预冷系统工艺设计计算以5月份的气象条件以及混凝土各种原材料温度等原始资料为依据。

5.1.1预冷调节料仓容积和粗骨料平均冷却时间

预冷调节料仓是为满足夏季预冷混凝土生产粗骨料一次风冷而设的，钢筋混凝土结构，共设3个单仓，大石、中石、小石三个粗骨料仓。首先将预冷调节料仓的每个骨料单仓沿垂直方向分为三个区，即骨料受料区、风冷区和储料区。以骨料风冷区的总储量满足预冷生产需要为依据，按三个区等量分布原则确定预冷调节料仓粗骨料单仓容积和平均冷却时间。

（1）预冷调节料仓粗骨料单仓容积

V=

V—预冷调节料仓粗骨料单仓容积，m3；

Gi—组成每m3混凝土第 i 种粗骨料质量kg；

Yi—组成土第 i 种粗骨料密度，kg/m3；

Qh—预冷混凝土设计小时产生强度，m3/h；

m—风冷粗骨料单仓分受料、冷却、储料三个区，取m=3；

n—混凝土级配数，二级配n=2，三级配n=3，四级配，n=4；

β—风冷粗骨料仓充满系数，β=0.75～0.90，取β=0.75。

经计算，连续生产三级配混凝土时预冷调节料仓粗骨料单仓容积为分别为648m3，故选取V=650m3，于是预冷调节料仓骨料总容积为3×650=1950m3；每座拌和楼由三个骨料仓供料，同时考虑冷却时间和效果，单仓尺寸为4.5m×5.5m，料仓高度为12.3米，容积为300 m3。

此外，拌和楼料仓内设三个粗骨料仓和两个细骨料仓，粗骨料仓的结构尺寸为3.3×4.7m，每仓容积为150m3，为保证粗骨料在拌和楼料仓的冷却时间和效果，提高粗骨料风冷区料层高度，按4.8m计，于是拌和楼料仓粗骨每个单风仓风冷区的储量为V/m=74.45m3计。

（2）粗骨料平均冷却时间

τ=

τ—粗骨料平均冷却时间，h。

经计算，连续生产三级配混凝土时粗骨料一次风冷的平均冷却时间分别为5.5h；同样连续生产三级配混凝土时粗骨料二次风冷的平均冷却时间分别为1.98h。

5.2粗骨料风冷工艺参数计算

（1）一次风冷

a、需冷量

Q=1.5GCg（Ti—T2）×1000

Q—风冷骨料的需冷量，kcal/h；

G—需风冷骨料的流量，t/h，G=Gi×Qh，以大石为列G=238T/h；

Cg—粗骨料的比热，kcal/kg·℃；

T1—预冷调节料仓进料温度℃，取T1=25.2℃；

T2—预冷调节料仓出料温度℃。大石取T2=8℃。

经计算，冷却大石的需冷量Q=141.2×104kcal/h；

中石的需冷量Q=188.4×104kcal/h；

小石的需冷量Q=141.2×104kcal/h。

故一次风冷总制冷量为：

Q总=（141.2＋188.4＋141.2）×104kcal/h＝470.8×104kcal/h

b、供风量

W=

W—供风量，m3/h；

γa—冷却介质（风）的容重，kg/m3，取进风的容重；

io、ii—分别为预冷调节料仓进、出风的热焓，kJ/kg。

根据进风温度比骨料冷却终温低5～15℃，则进风温度为－3±1℃（取—2℃）。另根据进、回风温差10～14℃（取12℃），则回风温度为9±1℃。冷却介质（风）的相对湿度按100%计（即空气为饱和湿空气）。又根据进、回风温度经查湿空气焓湿图按内查法计算得：进、回风的密度分别为1.3kg/m3和1.242kg/m3，进、回风的热焓分别为5.31kJ/kg和29.97kJ/kg。于是W=14.6万m3/h。

c、风冷骨料的仓内风速

V=W/3600F

V—风冷骨料的仓内风速，m/s；

F—预冷调节料仓风冷区料流的计算断面面积 m2，全截面面积的70%～80%，取70%。

预冷调节料仓的内截面尺寸4.5m×5.5m，于是v=0.26m/s。

根据制冷总量，一次风冷车间配置的设备制冷量为470.8×104kcal/h，共配置四台设备，设备型号为JKA25CBL， JKA25CBL氨机组在标准工况时时制冷量141万Kcal/h,在一次风冷设计蒸发温度-10℃，冷凝温度30℃时制冷量175万Kcal/h。一冷车间选用4组JKA25CBL氨机，总制冷量达564万Kcal/h，可满足要求。

（2）二次风冷

粗骨料二次风冷的计算方法同一次风冷。经计算，二次风冷将粗骨料从10℃冷却至3℃以下（骨料在从一次风冷料仓进入二次风冷料仓时在运输途中升温），二次风冷制冷量需432万Kcal/h，配置八台氨压缩机组，型号为KA20CB220KW。

冰冻水生产设备

每方混凝土用水量约为100公斤，减去外加剂搅拌用水及砂含水，实际每方混凝土用冷冻水与制冰的水量约为0.055吨。混凝土系统冷冻水制冷量Q3、总制冷量Q3为：

Q3= k3×m3×(C5-C6)×Q÷η3=4.187×0.055×(21-2)×540÷0.75=3150(MJ/ h)。或75万Kcal/h。

上式中，k3、m3 、C5、C6为水的比热、每方混凝土用冷冻水重量(t)、初温、终温；Q为每小时混凝土产量(m3/h)；η3为冷冻水效率；η为制冷厂及管道输送效率。选用LSLGF1000KY螺杆式冷水机组一台，可满足要求。

制冰生产设备

按日强度7120m 3/d计算,日需片冰量=20×7120÷1000=142（t）。选用日产片冰30吨的片冰机6台，容量30吨、60吨冰库各一座，分别供3#楼及1#、2#楼用片冰。

生产片冰的水采用螺杆式冷水机组生产的5℃冷水，生产的冰温度为－6℃，片冰小时需求为10.8吨，总制冷量为：

Q1＝m×C×（T2－T1），C为水的比热，T2=5℃，T1为0℃

Q1=10.8×103×1×（5－0）＝54×103Kcal/h

Q2为零度水转化为零度冰的潜热，Q2＝10.8×103×79.8 Kcal/h

则Q2=861.8×103Kcal/h

Q3= m×C×（T2－T1），C为冰的比热，T2=0℃,T1=－6℃

Q3＝10.8×103×0.499×6 Kcal/h＝32.4×103Kcal/h

总计制冷量为：Q=(Q1+Q2+Q3)/η＝948.2×103÷0.75Kcal/h

＝126.4×104Kcal/h

选用三台KA20CB220KW型氨压缩机组及配套设施用于制冰，设备总制冷量为162万Kcal/h，该机组通过旁通阀与二次风冷机组相联，互为备用，可满足要求，设备布置在二次风冷车间。

6混凝土预冷系统工艺流程

制冷系统采用二次风冷粗骨料加冷冻水及加片冰拌和的方法生产预冷混凝土。系统设两座制冷车间、两座制冰楼，一冷车间布置在一次风冷调节料仓边，二冷车间布置在1181.平台，制冰楼建在二冷车间旁。粗骨料先在一次风冷调节料仓冷却至8℃以下，经由皮带机输送到拌和楼料仓进行二次风冷，小骨料冷至4℃以下，大、中骨料冷至2～4℃以下。

在每个风冷料仓均安装双进风、双回风通道及一台由高效附壁式空气冷却器和离心风机组成的冷风机。冷风从空气冷却器下部由离心风机经二个进风通道吹入料仓，冷风冷却骨料后从进风通道上方的回风通道吸入空气冷却器进行冷却后再由风机吹入仓内。空气冷却器定期淋水冲霜冲污，污水汇集到污水处理池。

空气冷却器采用氨泵强制供液，供液管和回液管分别接至制冷车间氨泵和低压循环贮液器。回液在低压循环贮液器内进行气液分离，分离出来的氨气被吸入氨压缩机，经压缩后的高温氨气送至卧式冷凝器冷却，氨气冷凝成氨液流至高压贮液器、低压循环贮液器。低压循环贮液器内的氨液经氨泵再向冷风机供氨液。卧式冷凝器的冷却水由冷却水泵供给，回水进入冷却塔冷却后汇入冷却水池，再由水泵向至卧式冷凝器供水。氨机的油冷却器也由冷却水泵供给冷却水。

生产冷冻水的螺杆式冷水机组安装在二冷车间内，生产的冷冻水贮藏在冷水池内并由水泵输送到拌和楼的贮水箱内备用，另一部份泵送至制冰楼供制冰。制冰楼内片冰机氨液由二冷车供给，其生产的片冰贮存在冰库内，并由气力输送至拌和楼的贮冰槽备用。

6.1混凝土预冷系统控制

所有冷风机的回风口安装温度传感器，回风口的温度集中在控制台显示，拌和楼停止生产或回风温度低于－5℃时停止供氨以防出料口冻结。冷冻水池内也安装温度传感器，当水温低于1℃时冷水机组停止制冷以防水箱冻结。随着制冷工况变化要及时调节氨机负荷。所有料仓安装有微波料位仪，由计算机控制确保及时补料，使回风通道上方保持1米以上骨料以保证风冷效果。

6.2保温工艺

保温胶带机栈桥：在侧壁、顶部采用厚80mm保温彩钢板进行围护，底部敷设50mm木板。

冷风机风道、制冷低压管道、冷冻水管道的保温：采用50mm厚阻燃橡塑保温板保温，其外侧用铝箔玻璃纤维布按三分之一叠层缠绕后用铝箔胶带封口。

拌和楼料仓外壁采用50mm厚阻燃橡塑保温板保温并用铝箔胶带封口。

6.3一次风冷生产设备

一次风冷将粗骨料从25.2℃冷却至8℃以下，一次风冷制冷量需470.8万Kcal/h。

JKA25CBL氨机组在标准工况时时制冷量141万Kcal/h,在一次风冷设计蒸发温度-10℃，冷凝温度30℃时制冷量175万Kcal/h。一冷车间选用4组JKA25CBL氨机，总制冷量达564万Kcal/h，可满足要求。设备清单如下：

混凝土预冷系统一次风冷设备表

6.4二次风冷生产设备

二次风冷将粗骨料从10℃冷却至2℃以下，二次风冷制冷量需432万Kcal/h，为八台氨压缩机组，制冰制冷量为162万Kcal/h，配三台氨压缩机组，另外配置一台75万Kcal/h冷水机组。

二冷车间主要选用思林设备，部分设备新购置，思林制冷设备为2007年3月购置，设备状况良好。设备清单如下：

混凝土预冷系统二次风冷设备表

8结束语

混凝土制冷系统于2011年调试成功投入生产，各项技术指标在设计范围内。该系统的设计思路整体合理，目前整个系统运行正常，在运行过程中也要根据实际情况进行完善处理一些小问题，使系统运行的各项性能指标得到进一步的提高。

为了保证预冷系统的效果在运行过程中要特别注意以下几点：

（1）如果混凝土生产系统没有采用二次筛分，粗骨料含粉尘比较大，本身对骨料冷却不利，同时又会有部分石粉随回风进入空气冷却器附着在空气冷却器的散热片上，影响空气冷却器的传热效果。此时为了解决石粉附着在空气冷却器的也许、提高空气冷却器的效率，要经常冲霜；

（2）控制砂和粗骨料的含水率，在骨料仓处做好排水处理，不让遮阳防雨棚上和外界的雨水流入骨料仓，砂仓卸料口轮流放料；

（3）加强完善运行管理制度，规定实际各运行参数必须达到设计指标，如：保证粗骨料在拌和楼料仓内有一定的料高，使粗骨料冷却后必须达到设计温度的连续性。