大型混凝土拌和系統的制冷設計淺析

寧占元

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610213)

1 引言

電站壩體混凝土澆筑過程中，水泥因水化反應，要釋放出大量的水化熱，使得混凝土內部溫度升高；隨著時間的推移，由于熱量逐漸散發，內部溫度逐漸降低。與此同時，混凝土的體積也在不斷變化，當混凝土受到基礎或相鄰澆筑塊的約束，就會降低水工建筑物的安全系數，對穩定產生不利影響。根據國內外筑壩經驗，進行壩體混凝土的溫度控制，是防止大體積混凝土產生裂縫，保證混凝土質量的有效方法。

對壩體混凝土進行溫度控制的主要方法有：減少混凝土的發熱量，降低混凝土的澆筑溫度，散發澆筑塊的熱量，分層分塊澆筑，表面保護等。

為了防止混凝土發生裂縫，混凝土體內的最高溫度必須加以嚴格地限制。控制混凝土最高溫升的方法之一是降低混凝土澆筑溫度，因此，要限制混凝土的出機溫度。在氣溫較高的季節，混凝土在自然條件下的出機溫度往往超過施工所要求的限制溫度，此時就必須采取人工降溫措施，即通過對骨料的預冷、加冷凍水和加冰拌和混凝土來降低混凝土的出機溫度，這是降低混凝土澆筑溫度的最有效措施之一。因此，對水電站建設施工來說，根據現場實際情況合理設計和施工制冷系統對整個工程意義重大。

2 制冷系統工藝布置設計

亭子口水利樞紐左岸混凝土生產系統設置在壩址左岸下游約1.05km～1.3km處，承擔主體工程約210.0萬m3混凝土的生產。系統生產能力滿足常態、碾壓混凝土高溫季節高峰月澆筑強度16～18萬m3的生產要求。制冷系統配合1座2×4.5m3和1座2×6m3強制式拌和樓生產預冷混凝土，制冷系統總裝機容量為1150×104kcal/h，折算到標準工況，根據當地氣候條件，混凝土出機口溫度以8月份為設計控制月，預冷混凝土產量500m3/h，其中常態混凝土要求出機口溫度為10℃～12℃，碾壓混凝土要求出機口溫度為12℃～14℃。

亭子口水利樞紐壩址多年平均氣溫16.7℃，其中以8月平均氣溫26.7℃為最高，1月平均氣溫5.9℃為最低。極端最高氣溫為39.3℃，出現在1959年7月14日；極端最低氣溫為-4.6℃，出現在1975年12月15日。多年平均風速為2.0m/s，最多風向為NNW；多年平均水面蒸發為1318.6mm，平均相對濕度為73%，最大相對濕度為80%；多年平均無霜期為288d；日照時數為1490.9h。

3 設計基本參數

3.1 水溫氣溫

表1 亭子口壩址多年月、年平均氣溫和水溫 單位：℃

3.2 混凝土原材料溫度

以月平均氣溫最高的8月為控制月份，按《水利水電工程施工組織設計規范》(SL 303-2004)選取各種原材料設計初溫如表2。

表2 混凝土原材料計算溫度

3.3 混凝土原材料熱物理性質

表3 混凝土原材料熱物理性能

3.4 混凝土配合比

表4 混凝土參考配合比

對碾壓混凝土，預冷混凝土出機口溫度按照三級配計算并用二級配校核；對常態混凝土，預冷混凝土出機口溫度按照三級配R90200計算，并用二級配R28250校核。

4 預冷工藝設計

4.1 預冷系統工藝設計的基本原則

(1)制冷量按照標書中的左岸混凝土系統制冷總容量的要求進行。

(2)結合現場實際地形，制冷廠布置在能縮短氨系統管路距離的地方。

(3)氨系統首先應該滿足生產工藝的需要，也要考慮經濟，選用安全、可靠，并盡可能采用先進工藝。

(4)壓縮機及輔助設備的布置應使連接管路最短，流向暢通并便于安裝，設備管路上的壓力表、溫度計及其它儀表均應設置在便于觀察的地方。

(5)廠內設備布置應保證操作、檢驗方便，并盡可能緊湊，壓縮機應設于室內，其它輔助設備可設在室外或敞開式建筑中。

(6)片冰機均按獨立系統進行配套，以保證均勻穩定供氨液，簡化調節和操作運行，提高靈活性及可靠性。

(7)結合和借鑒以往拌和系統設備選型和配置的成功經驗，為該系統提供最先進最可靠的一流設備。

4.2 混凝土預冷措施

混凝土預冷措施為地面調節料倉一次風冷三級粗骨料，攪拌樓料倉二次風冷三級粗骨料，混凝土中加片冰拌和，外加劑等摻加水用6℃冷水。根據計算，碾壓混凝土三級配每方混凝土加10kg片冰，外加劑等摻加水用6℃冷水，骨料冷卻終溫為3℃；碾壓混凝土二級配每方混凝土加15kg片冰，外加劑等摻加水用6℃冷水，骨料冷卻終溫為3℃，可達到碾壓混凝土出機口溫度12℃～14℃。常態混凝土三級配每方混凝土加25kg片冰，外加劑等摻加水用6℃冷水，骨料冷卻終溫4℃；常態混凝土二級配每方混凝土加30kg片冰，外加劑等摻加水用6℃冷水，骨料冷卻終溫4℃，可達到常態混凝土出機口溫度10℃～12℃。

表5 預冷混凝土出機口溫度計算(碾壓混凝土三級配)

表6 預冷混凝土出機口溫度計算(碾壓混凝土二級配)

表7 預冷混凝土出機口溫度計算(常態混凝土三級配)

表8 預冷混凝土出機口溫度計算(常態混凝土二級配)

4.3 預冷系統布置

制冷系統分一次風冷、制冷樓和拌和樓(2座)外挑風冷平臺布置。根據整個左岸拌和系統的場地和系統的工藝需要，將一次風冷布置在高程412m平臺；二次風冷車間和制冰樓布置在高程410m平臺，配合兩座拌和樓(2×4.5m3和2×6m3強制式拌和樓)生產預冷混凝土，兩座拌和樓混凝土生產強度均為250m3/h。

4.4 一次風冷

一次風冷包括一次風冷車間內的主、輔機及地面骨料調節料倉冷風循環系統。

一次風冷制冷主機裝機容量為500×104kcal/h。制冷主、輔機集中布置在一次風冷車間內，末端設備為兩組共8個高效空氣冷卻器，安裝在一次風冷車間頂上的冷風機平臺。高效空氣冷卻器、離心風機、地面調節料倉及其送、配風裝置，用相應的風道連接組成冷風閉式循環系統，用以冷卻調節料倉內的骨料。

設兩組地面調節料倉，每組倉分設四個倉，四個倉分別裝G2、G2、G3、G4骨料，骨料冷卻采用連續冷卻，料倉內骨料流向由上而下，冷風流向自下而上，其換熱方式為逆流式熱交換過程。兩組調節料倉用兩條膠帶機串聯布置，做到每個倉都可以向任何一個拌和樓靈活供料。

4.5 二次風冷和制冰、制冷水

二次風冷制冰、制冷水由二次風冷車間內的主、輔機及拌和樓上的冷風循環系統、制冰系統、送冰系統和冷水系統組成。二次風冷制冷主機裝機容量650×104kcal/h。制冷主、輔機集中布置在二次風冷車間內。

二次風冷容量為300×104kcal/h，末端設備為高效空氣冷卻器，高效空氣冷卻器放置在兩座拌和樓料倉邊的冷風機平臺上，高效空氣冷卻器、離心風機、拌和樓料倉及其送、配風裝置，用相應的風道連接組成冷風閉式循環系統，用以冷卻料倉內的骨料。拌和樓的四個骨料倉在生產三級配混凝土時分別裝入通過一次風冷的G2、G2、G3、G4三種骨料實施二次風冷，骨料冷卻采用連續冷卻，料倉內骨料流向由上而下，冷風流向自下而上，其換熱方式為逆流式熱交換過程。

制冰由制冰樓內的制冷主、輔機和制冰樓內片冰機、貯冰庫、輸冰裝置以及拌和樓內已備小調節冰倉、片冰稱量設備組成。制冰樓制冰制冷主機裝機容量為350×104kcal/h，制冷主、輔機集中布置在制冰樓內，片冰機、貯冰庫及輸冰裝置一起放置在制冷樓內。制冷樓制冰系統選用8臺PB45A片冰機制冰，2臺60t貯冰庫及2套膠帶機送冰裝置分別向兩座拌和樓送冰。

制冷樓內配置1臺LSLG1000Ⅲ螺桿冷水機組配合循環水泵和自制冷水箱制冷水，制冷水主機裝機容量(名義工況)為92×104kcal/h，冷水溫度為5℃。冷水由冷水泵向片冰機、拌和樓水箱供水，在過渡季節不需用片冰時全部用作拌和水。

制冰系統的工藝流程為由片冰機生產的片冰從貯冰庫頂部進入貯冰庫，在有降溫措施的貯冰庫內貯存，并保持冰面干燥、低溫。貯冰庫還具有調節片冰機產冰與拌和樓生產用冰不平衡的作用。用冰時片冰由輸冰螺旋機輸出冰庫，輸冰裝置送至拌和樓小調節冰倉，再送至冰稱計量后卸入拌和樓集中料斗，利用片冰的融解潛熱降低混凝土的溫度。

在夏季生產出機口溫度為10℃～12℃的低溫混凝土時，按設計條件需一次風冷、二次風冷、加冰聯合運行。

在過渡季節，根據外界氣溫及混凝土出機口溫度要求，可選擇單獨開啟一次風冷、二次風冷、加冰或加冷水拌和的任一種或兩種組合措施。

4.6 系統主要參數

表9 制冷系統主要參數

5 結語

該系統從2009年3月14日人員組織進場到2009年6月29日生產出第一方合格混凝土，利用短短的106天，克服工程量大、工序復雜、雨季和高溫季節施工難度大等的影響，完成整個系統的設計和一期的施工任務，在我局相同規模的拌和系統的設計施工上創下新的施工記錄。在各級領導、技術人員等的共同努力下，該制冷系統吸取了很多以往類似工程的經驗，消除了很多以往工程的弊病，取得了—些成績，同時也發現了一些問題，在今后的運行中會不斷改進和總結經驗，為以后的工程提供參考。隨著制冷技術的迅速發展和工程實踐經驗的不斷豐富，混凝土拌和制冷系統將會進一步完善。