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。根據合同進度要求,大壩高峰月澆筑強度約為 3.5萬 m3,夏季預冷混凝土澆筑強度約為 2.0萬m3/月。

2 系統(tǒng)的設計條件

2.1 設計依據

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

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

2.2 設計條件

2.2.1 水溫、氣溫條件

壩址區(qū)屬典型的亞熱帶季風氣候,溫暖多雨,四季分明,全年雨量充沛。設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

低溫混凝土生產以四級配 C25混凝土為設計依據,根據經驗,配合比對預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)有限公司生產的 SJ-2型引氣劑。

(4)砂石骨料為人工骨料,料源特性為熔結凝灰?guī)r。

表3 混凝土典型級配

表4 混凝土原材料熱物理性質

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 其他相關參數(shù)

根據有關工程經驗,預冷混凝土制冷容量計算尚與片冰潛熱利用率有關,而且須考慮混凝土拌和機械熱,其相關參數(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 溫控技術要求和制冷工藝措施

該制冷系統(tǒng)預冷措施按生產 12℃混凝土配置,即樓內風冷粗骨料、加冰和加冷凍水拌和混凝土。根據外界氣溫及混凝土出機口溫度要求,要選擇采用風冷、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)模主要取決于預冷混凝土生產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冷不重疊,但其冷水生產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備容量,然后根據系統(tǒng)工藝和進度分析確定系統(tǒng)的總制冷容量。

經計算,周公宅混凝土制冷系統(tǒng)容量為夏季生產預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、二次風冷經驗(重點應為二次風冷的經驗),周公宅制冷系統(tǒng)在設計上取消了一次風冷,僅設置二次風冷,但在工藝設計上仍然增加了 581kW的制冷設備作為風冷備用設備。因此,確定制冷系統(tǒng)設計總制冷量 (標準工況)為2070 kW。實際施工按 2908kW配置制冷設備。

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;生產冷凍水的自來水來自▽ 300m高程水池,經冷水廠內的蒸發(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層混凝土框架結構,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層磚混結構,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 風冷粗骨料

骨料風冷在混凝土攪拌樓的骨料倉內完成,4種粗骨料倉均設附壁式冷風機進行冷卻,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,采用氨泵強制式循環(huán)向附壁式冷風機供液,生產冷風,冷風循環(huán)量為 4×85723m3/h。每個料倉內安裝有 1套配風裝置,料倉旁的空氣冷卻器及軸流風機由風道連成閉式冷風循環(huán)系統(tǒng)。

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

3.4.2 冷水生產

冷水生產由布置在冷水廠內的 3臺螺旋管式蒸發(fā)器完成,生產的冷水水溫為 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。生產出的冷凍水由管道送入設在冷水廠旁的冷水池內,水池容積為 100m3。

3.4.3 制片冰

制冰由制冰樓內的片冰機完成,制冰用水由冷水廠供應,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,內設 PBL-2×110型片冰機 4臺,日產片冰 60 t。生產的片冰在冰庫內經冷風機過冷呈松散、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,按照原始設計,#1機制冷風,#2機為冷風備用機,#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,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重要的作用。

該系統(tǒng)在設計中配置了 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)。查閱有關空調制冷系統(tǒng)設計技術資料,3.156kW的制冷量需配置 1m3/h冷卻水,經計算該系統(tǒng)應配置冷卻水 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 冷水生產的工藝改進

4.3.1 拌和樓攪拌和制冰用水

原設計所有生產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,生產接近 0℃的冷水,專供拌和樓攪拌和制冰樓生產片冰用。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的質量和產量。該機高溫季節(jié)冷水產量 8～10m3/h,完全滿足上述需求,這部分冷水不經過冷水池,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。

根據三峽工程制冷系統(tǒng)運行經驗,將拌和樓冷風系統(tǒng)改制為生產冷水,即利用冷風機除霜系統(tǒng)的噴淋水生產冷凍水,以滿足二期冷卻用水的不足。在生產過程中通過調節(jié)噴水量,嚴格控制生產的冷水水溫在 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 結束語

周公宅水庫工程制冷系統(tǒng)歷經 2年高溫季節(jié)大壩混凝土澆筑施工的考驗,滿足了預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)大壩混凝土施工質量及工程進度。

此外,就該系統(tǒng)而言,如何發(fā)揮制冷設備的運行效率也是今后制冷系統(tǒng)設計探討的一個重要方面。隨著科學技術的不斷發(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用。