周公宅水庫混凝土制冷系統(tǒng)淺析

侯忠發(fā)

(四川華電木里河水電開發(fā)有限公司,四川 西昌 610016)

1 工程概況

周公宅水庫位于浙江省寧波市鄞州區(qū)大皎溪皎口水庫上游 15 km,壩址位于鄞州區(qū)樟水鎮(zhèn)周公宅村北大皎溪干流上,距寧波市區(qū)約 51 km,是一座供水、防洪結(jié)合發(fā)電的綜合利用水庫。周公宅水庫為Ⅱ等工程,由攔河壩、引水建筑物、發(fā)電廠和變電站等建筑物組成。

周公宅攔河大壩為混凝土雙曲拱壩,壩頂中心線弧長 446.77m,壩頂高程 240m,最大壩高 125m。大壩混凝土總量約 65萬 m3,其中大部分為 4級配混凝土。根據(jù)合同進度要求,大壩高峰月澆筑強度約為 3.5萬 m3,夏季預(yù)冷混凝土澆筑強度約為 2.0萬m3/月。

2 系統(tǒng)的設(shè)計條件

2.1 設(shè)計依據(jù)

混凝土制冷系統(tǒng)主要設(shè)計依據(jù)為招標文件中有關(guān)混凝土溫控要求以及合同進度要求的混凝土施工強度。

根據(jù)合同進度要求,大壩高峰月澆筑強度約3.5萬 m3,夏季預(yù)冷混凝土澆筑強度約為 2.0萬 m3/月。混凝土制冷系統(tǒng)的容量和工藝設(shè)計須滿足預(yù)冷混凝土生產(chǎn)強度和大壩混凝土冷卻(初期、后期冷卻)的冷凍水生產(chǎn)任務(wù)的要求。

2.2 設(shè)計條件

2.2.1 水溫、氣溫條件

壩址區(qū)屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候,溫暖多雨,四季分明,全年雨量充沛。設(shè)計流域附近有鄞縣和奉化等氣象站,最近的氣象站為奉化氣象站,距壩址24 km。根據(jù)奉化氣象站提供的氣象資料,壩址區(qū)多年平均氣溫 16.3℃,月平均最高氣溫 32.4℃(7月份),極端最高氣溫達到 39℃,月平均最低氣溫0.8℃(1月份),多年月平均氣溫見表 1。大皎溪多年平均水溫為 16.8℃,最高水溫為 30.4℃,最低水溫為 3.6℃,多年月平均水溫見表 2。

表1 壩址區(qū)多年月平均氣溫 ℃

表2 大皎溪多年月平均水溫 ℃

2.2.2 混凝土級配

低溫混凝土生產(chǎn)以四級配 C25混凝土為設(shè)計依據(jù),根據(jù)經(jīng)驗,配合比對預(yù)冷混凝土制冷容量的影響不大。混凝土配合比參數(shù)見表 3。

2.2.3 材料參數(shù)

周公宅水庫工程料源特性為凝灰?guī)r人工骨料。水泥、粉煤灰為散裝,由汽車運輸至工地儲藏罐。混凝土原材料物理和熱力學(xué)計算參數(shù)選擇見表 4,混凝土原材料溫度見表 5。

該工程混凝土原材料來源如下:

(1)水泥。采用浙江尖峰 P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

(2)粉煤灰。寧波北侖火電廠Ⅱ級粉煤灰。

(3)外加劑。浙江龍游 ZB-1型減水劑,上海楓楊實業(yè)有限公司生產(chǎn)的 SJ-2型引氣劑。

(4)砂石骨料為人工骨料,料源特性為熔結(jié)凝灰?guī)r。

表3 混凝土典型級配

表4 混凝土原材料熱物理性質(zhì)

表5 混凝土原材料溫度選用 ℃

2.2.4 混凝土自然拌和出機口溫度

根據(jù)混凝土組成材料熱平衡計算得到混凝土在自然條件下的出機口溫度,計算結(jié)果見表 6。

表6 混凝土自然拌和出機口溫度 ℃

計算時,夏季室外計算氣溫采用 28℃,拌和水溫 26℃,室外空氣平均相對濕度采用 84%,骨料溫度采用 28℃。

2.2.5 其他相關(guān)參數(shù)

根據(jù)有關(guān)工程經(jīng)驗,預(yù)冷混凝土制冷容量計算尚與片冰潛熱利用率有關(guān),而且須考慮混凝土拌和機械熱,其相關(guān)參數(shù)為:片冰潛熱利用率,0.8;混凝土拌和機械熱,4000 kJ/m3。

3 系統(tǒng)工藝及布置

3.1 溫控技術(shù)要求和制冷工藝措施

該制冷系統(tǒng)預(yù)冷措施按生產(chǎn) 12℃混凝土配置,即樓內(nèi)風(fēng)冷粗骨料、加冰和加冷凍水拌和混凝土。根據(jù)外界氣溫及混凝土出機口溫度要求,要選擇采用風(fēng)冷、加冰、加冷凍水拌和混凝土其中一種或幾種措施。

3.2 制冷容量的確定

制冷系統(tǒng)規(guī)模主要取決于預(yù)冷混凝土生產(chǎn)強度和大壩混凝土初期冷卻(一期)所需要的制冷容量,大壩后期(二期)冷卻在進度上與混凝土預(yù)冷不重疊,但其冷水生產(chǎn)容量大于一期冷卻所需制冷容量,因此,需要分別考慮各溫控措施需要的設(shè)備容量,然后根據(jù)系統(tǒng)工藝和進度分析確定系統(tǒng)的總制冷容量。

經(jīng)計算,周公宅混凝土制冷系統(tǒng)容量為夏季生產(chǎn)預(yù)冷混凝土制冷量加上大壩混凝土一期冷卻制冷水量所控制。吸取重慶江口水電站制冷系統(tǒng)一次、二次風(fēng)冷經(jīng)驗(重點應(yīng)為二次風(fēng)冷的經(jīng)驗),周公宅制冷系統(tǒng)在設(shè)計上取消了一次風(fēng)冷,僅設(shè)置二次風(fēng)冷,但在工藝設(shè)計上仍然增加了 581kW的制冷設(shè)備作為風(fēng)冷備用設(shè)備。因此,確定制冷系統(tǒng)設(shè)計總制冷量 (標準工況)為2070 kW。實際施工按 2908kW配置制冷設(shè)備。

3.3 制冷系統(tǒng)工藝流程

(1)氨系統(tǒng)工藝流程。如圖 1所示。

(2)水系統(tǒng)工藝流程。水系統(tǒng)分系統(tǒng)冷卻循環(huán)水和冷凍水。系統(tǒng)冷卻循環(huán)水的流程為:2臺冷卻塔與制冷樓 4臺冷凝器、壓縮機油冷卻器形成閉式循環(huán)管路,管路中間安裝水泵提供循環(huán)動力;生產(chǎn)冷凍水的自來水來自▽ 300m高程水池,經(jīng)冷水廠內(nèi)的蒸發(fā)池冷卻后流向 100 t冷水池,最終供給大壩用于冷卻。

3.4 制冷系統(tǒng)布置

制冷系統(tǒng)的布置共分 3部分:制冷樓、制冰樓和冷水廠。制冷樓為 3層混凝土框架結(jié)構(gòu),從上至下依次安裝有冷凝器、高壓儲氨罐和低壓循環(huán)儲氨筒、螺桿式氨壓機等主要設(shè)備。制冰樓緊鄰制冷樓均布置在▽ 260m高程平臺上,為 2層磚混結(jié)構(gòu),上層安裝有 4臺 PBL-2×110型片冰機,底層為冰庫和氣力輸冰裝置。冷水廠布置在▽ 240m高程,為單層簡易棚建,占地面積約 200m2,安裝有 1臺螺桿式氨壓機組和 3臺開式螺旋管蒸發(fā)器。

3.4.1 風(fēng)冷粗骨料

骨料風(fēng)冷在混凝土攪拌樓的骨料倉內(nèi)完成,4種粗骨料倉均設(shè)附壁式冷風(fēng)機進行冷卻,冷源配備標準工況制冷量 1744 kW的螺桿式壓縮機,主機與輔機均布置在制冷樓內(nèi),采用氨泵強制式循環(huán)向附壁式冷風(fēng)機供液,生產(chǎn)冷風(fēng),冷風(fēng)循環(huán)量為 4×85723m3/h。每個料倉內(nèi)安裝有 1套配風(fēng)裝置,料倉旁的空氣冷卻器及軸流風(fēng)機由風(fēng)道連成閉式冷風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)。

解題過程中，要培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)知識解答物理問題的能力。如在運動學(xué)中，應(yīng)注意矢量正、負號的意義以及正確應(yīng)用；講解相遇或追擊問題時，注意引導(dǎo)學(xué)生將物理現(xiàn)象用數(shù)學(xué)式表達出來；講運動學(xué)圖像時，結(jié)合運動過程示意圖講解，搞清圖像的意義，進而學(xué)會用圖象分析過程、解決問題。

3.4.2 冷水生產(chǎn)

冷水生產(chǎn)由布置在冷水廠內(nèi)的 3臺螺旋管式蒸發(fā)器完成,生產(chǎn)的冷水水溫為 5℃左右,冷源由制冷樓提供(后期),標準工況制冷量為 581 kW(初期通水)和 2 070kW(后期通水)。前期由冷水廠內(nèi)的 1臺螺桿式氨壓機組提供冷源,主要供拌和樓攪拌冷水用。生產(chǎn)出的冷凍水由管道送入設(shè)在冷水廠旁的冷水池內(nèi),水池容積為 100m3。

3.4.3 制片冰

制冰由制冰樓內(nèi)的片冰機完成,制冰用水由冷水廠供應(yīng),冷源由制冷樓提供。標準工況制冷量為581kW,采用氨泵強制式循環(huán)向片冰機供液制片冰,內(nèi)設(shè) PBL-2×110型片冰機 4臺,日產(chǎn)片冰 60 t。生產(chǎn)的片冰在冰庫內(nèi)經(jīng)冷風(fēng)機過冷呈松散、干燥狀態(tài),冰庫容積為 30 t,使用時由氣力輸冰裝置送至拌和樓的小冰倉內(nèi)供拌和樓使用。

4 系統(tǒng)的運行和工藝改進

4.1 氨液循環(huán)系統(tǒng)

周公宅制冷系統(tǒng)制冰樓安裝有 4臺氨壓縮機,按照原始設(shè)計,#1機制冷風(fēng),#2機為冷風(fēng)備用機,#3機制冰,#4機制冷水。作為系統(tǒng)冷源的4臺主機位于▽ 260m高程平臺的制冷樓內(nèi),制冰車間與冷水車間分別位于▽ 260m高程平臺和▽ 240m高程平臺,二者存在 20m的高差。在系統(tǒng)運行調(diào)試階段,#3壓縮機在運行過程中發(fā)生異常現(xiàn)象,造成基礎(chǔ)振動加大,嚴重影響到運行安全。因此,運行不到1個月,#3機被迫停機,改用#4機制冰。高溫季節(jié)冷水生產(chǎn)由前期安裝于冷水廠的 1臺冷水機組代替。

4.2 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

圖1 氨系統(tǒng)工藝流程圖

制冷系統(tǒng)中的冷卻水主要作用有 2點:一是降低系統(tǒng)冷凝壓力,降低排氣溫度;二是冷卻水在流經(jīng)壓縮機油冷卻器時起到降低油溫的作用。冷卻水的循環(huán)對整個系統(tǒng)的正常運行和能量利用起著至關(guān)重要的作用。

該系統(tǒng)在設(shè)計中配置了 2臺冷卻塔,一臺為BND-400型,另一臺為 SF-600型,合計處理能力為 3×200m3/h(按系統(tǒng)循環(huán)水水泵流量計)。查閱有關(guān)空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)資料,3.156kW的制冷量需配置 1m3/h冷卻水,經(jīng)計算該系統(tǒng)應(yīng)配置冷卻水 826m3/h(按581kW計),冷卻塔容量配置明顯不足。這種先天性的不足導(dǎo)致運行中主機排氣壓力偏高,出力不足,能量僅達 50%左右。由于受到地形限制,不可能再配置冷卻塔,而是采取了擴大冷水塔布水器孔眼、系統(tǒng)冷卻水管路安裝增壓泵等辦法加大系統(tǒng)水循環(huán)流量,使系統(tǒng)運行得到了一定改善。

4.3 冷水生產(chǎn)的工藝改進

4.3.1 拌和樓攪拌和制冰用水

原設(shè)計所有生產(chǎn)的冷水均進入冷水池后再分配使用,水溫一般控制在 7℃左右。為了進一步降低水溫,將冷水廠內(nèi)的 1臺型號為 ABLG125Z的氨泵機組(制冷量為 382kW)專門配置 1臺螺旋管蒸發(fā)器,生產(chǎn)接近 0℃的冷水,專供拌和樓攪拌和制冰樓生產(chǎn)片冰用。這種改進既滿足了攪拌混凝土溫控的需要,又有利于提高片冰生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量。該機高溫季節(jié)冷水產(chǎn)量 8～10m3/h,完全滿足上述需求,這部分冷水不經(jīng)過冷水池,直接由水泵送往拌和樓和制冰樓,富余部分再返回冷水池。

4.3.2 大壩初期冷卻用水

鑒于#3壓縮機存在的問題,新購 1臺 YS型約克冷水機組(標準工況制冷量為 1020kW)用以替代#3機。約克冷水機組屬于新一代高效、集成型制冷設(shè)備,具有體積小、功效高、操作簡單等優(yōu)點,安裝時直接置于冷水池上面,并共用原系統(tǒng)冷卻塔,生產(chǎn)的冷凍水直接進入冷水池。按高溫 7月份計算,將 26℃自來水冷卻到 7℃,冷水產(chǎn)量約為 40m3/h,再加上拌和樓的一部分回水,基本能滿足大壩初期冷卻的需要。

4.3.3 二期冷卻用水

二期冷卻大壩通冷水溫度 7℃,冷凍水生產(chǎn)量為 280m3/h時(折合制冷系統(tǒng)制冷量(標準工況)為2070kW),可保證封拱溫度要求。#4機和約克冷水機組可提供 2183kW的制冷量,但由于冷水塔配置容量嚴重不足,造成制冷樓壓縮機不能完全出力,此外還存在壩體降溫工期相對滯后等多方面的因素,二期冷卻仍不能滿足要求。

根據(jù)三峽工程制冷系統(tǒng)運行經(jīng)驗,將拌和樓冷風(fēng)系統(tǒng)改制為生產(chǎn)冷水,即利用冷風(fēng)機除霜系統(tǒng)的噴淋水生產(chǎn)冷凍水,以滿足二期冷卻用水的不足。在生產(chǎn)過程中通過調(diào)節(jié)噴水量,嚴格控制生產(chǎn)的冷水水溫在 8～10℃,從而保證了大壩二期冷卻用水。實踐證明,這種改進是切實可行的,能夠最大限度地發(fā)揮資源配置,真正做到“一機多用”。

5 結(jié)束語

周公宅水庫工程制冷系統(tǒng)歷經(jīng) 2年高溫季節(jié)大壩混凝土澆筑施工的考驗,滿足了預(yù)冷混凝土和大壩初期及后期冷卻的要求。實踐表明,該系統(tǒng)的各項指標達到了設(shè)計要求,尤其是后來針對系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)的一些問題所采取的優(yōu)化改進措施,均取得了很好的效果,確保了高溫季節(jié)大壩混凝土施工質(zhì)量及工程進度。

此外,就該系統(tǒng)而言,如何發(fā)揮制冷設(shè)備的運行效率也是今后制冷系統(tǒng)設(shè)計探討的一個重要方面。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,體積小、能效高、安裝簡單、運行方便的新一代智能型制冷設(shè)備將成為今后發(fā)展的一個必然趨勢,會在水電工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。