觀音巖水電站巨型人工砂石系統(tǒng)節(jié)能減排措施

鄧 俊，巫德勝，楊 金

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

1 前 言

觀音巖水電站大壩混凝土總量約865萬m3，其中碾壓混凝土約470萬m3，常態(tài)混凝土約380萬m3，噴混凝土約15萬m3，需供應(yīng)混凝土粗細(xì)骨料約1 860萬t。毛料采用距壩址左岸下游20km的龍洞石料場二迭系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r。

砂石系統(tǒng)主要分龍洞區(qū)和樞紐區(qū)兩個區(qū)布置，龍洞區(qū)主要有龍洞石料場、龍洞粗碎、龍洞半成品料倉;樞紐區(qū)布置其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)的車間及設(shè)施。

砂石系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模為粗碎設(shè)計處理能力3 300t/h，設(shè)計成品生產(chǎn)能力為2 700t/h(其中粗骨料1 780 t/h，常態(tài)混凝土用砂370t/h，碾壓混凝土用砂550t/h)系統(tǒng)建設(shè)分兩期實施。一期系統(tǒng)粗碎處理能力不低于 1 400t/h，成品生產(chǎn)能力不低于1 150t/h。二期系統(tǒng)粗碎處理能力不低于3 300t/h，成品生產(chǎn)能力不低于2 700t/h。

2 系統(tǒng)工藝簡介

砂石系統(tǒng)破碎采用粗碎、中碎、細(xì)碎三段破碎工藝，采用半干法制砂工藝，主要破碎設(shè)備采用反擊破，制砂設(shè)備采用立軸式中高速破碎機(jī)。粗碎開路，中碎、細(xì)碎與相應(yīng)的篩分車間形成閉路循環(huán)生產(chǎn)工藝，系統(tǒng)主要設(shè)備及車間布置按雙線生產(chǎn)模式配置。觀音巖水電站砂石系統(tǒng)加工工藝流程見圖1。

3 系統(tǒng)耗電量設(shè)計及節(jié)能改進(jìn)

3.1 用電負(fù)荷及設(shè)計單位耗電量

系統(tǒng)設(shè)計變壓器總?cè)萘繛?9 860kVA，總裝機(jī)功率為21 868.4kW。其中高壓容量占總負(fù)荷的4.57%，低壓容量占總負(fù)荷的99.53%。負(fù)荷率約為總裝機(jī)容量的80%。根據(jù)系統(tǒng)運行耗電分析，其主要負(fù)荷來自于系統(tǒng)各車間設(shè)備運行以及膠帶機(jī)運輸?shù)?。系統(tǒng)功率配置包括主要工藝設(shè)備、骨料生產(chǎn)運輸線、輔助設(shè)備及夜間照明系統(tǒng)等。其中主要工藝設(shè)備功率約9 500kW，骨料生產(chǎn)運輸線功率約3 700kW，輔助設(shè)備功率約8 200kW，夜間照明系統(tǒng)約50kW。按照砂石系統(tǒng)設(shè)計負(fù)荷率80%考慮，以每小時滿負(fù)荷帶料運行計算，系統(tǒng)生產(chǎn)每噸砂石骨料設(shè)計耗電量為:21 868.4×0.8÷2 700=6.48(kW·h/t)。

3.2 用電節(jié)能改進(jìn)措施

砂石系統(tǒng)全面投產(chǎn)后，先后進(jìn)行了各項用電節(jié)能技術(shù)改進(jìn)，主要包括:(1)增加PLC電氣自動控制技術(shù);(2)下運帶式輸送機(jī)能量回饋自動控制措施;(3)制砂工藝改進(jìn)。

3.2.1 PLC電氣自動控制技術(shù)

圖1 觀音巖水電站人工砂石加工系統(tǒng)工藝流程框圖

砂石系統(tǒng)運行初期，系統(tǒng)啟停機(jī)均屬于手動控制，按指令順序延時啟動，操作員必須按值班長的命令準(zhǔn)確操作，效率低，且在發(fā)生啟停機(jī)故障時容易出錯。根據(jù)測算，整個系統(tǒng)采用手動正常啟動時間約為30min，空載耗電量約1 500kW·h，停機(jī)為逆向操作，耗電量與啟動相當(dāng)。若每天兩班生產(chǎn)運行，啟停機(jī)耗電量達(dá)6 000kW·h。系統(tǒng)投產(chǎn)后增加了先進(jìn)的PLC自動控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對所有電氣設(shè)備的自動保護(hù)、控制與監(jiān)視。PLC系統(tǒng)可預(yù)先設(shè)定系統(tǒng)各設(shè)備起停機(jī)順序及延時啟停時差，由中控室電腦一鍵控制。開機(jī)啟動后，可自動監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)并反饋運行參數(shù)，若遇設(shè)備故障，經(jīng)反饋信號處理，可發(fā)出緊急事故停機(jī)控制指令，使該設(shè)備與上級設(shè)備立即停機(jī)。增加PLC自動控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)的開停機(jī)完全轉(zhuǎn)由電腦控制，系統(tǒng)正常啟動時間縮短到15min內(nèi)，較之前手動啟動可減少50%的耗電量，每天兩班生產(chǎn)可在啟停機(jī)過程節(jié)約電量約3 000kW·h。

3.2.2 下運帶式輸送機(jī)能量回饋自動控制措施

在以往工程慣例中，人工砂石加工系統(tǒng)很少使用下運帶式輸送機(jī)，但在大型、特大型人工砂石加工系統(tǒng)中的一些特殊場合必須使用。大型下運帶式輸送機(jī)在運行過程中往往由于慣性作用使電動機(jī)出現(xiàn)負(fù)工況運行，易出現(xiàn)飛車現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備及人身安全事故，使用變頻調(diào)速及常用的制動方式很難達(dá)到良好的控制效果。觀音巖水電站砂石系統(tǒng)龍洞區(qū)A4帶式輸送機(jī)就是典型的下運帶式輸送機(jī)。

下運段有載荷情況時，A4帶式輸送機(jī)電機(jī)為負(fù)工況(即發(fā)電工況)，最大負(fù)功率為356kW，設(shè)計功率為2×200 kW。此時異步電動機(jī)實際上已成為異步發(fā)電機(jī)，將在變頻器直流側(cè)電容上產(chǎn)生很高的泵生電壓，若不及時高效地釋放這部分能量，運行至此工況時會引起變頻器過壓保護(hù)動作，造成變頻器主回路功率器件的過壓損壞、燒壞電機(jī)，導(dǎo)致帶式輸送機(jī)飛車事故。在通過系統(tǒng)前期運行總結(jié)與分析后，生產(chǎn)單位對A4膠帶機(jī)運行采取了能量回饋自動控制措施:即利用變頻控制加回饋制動單元將直流側(cè)泵生電壓逆變送回電網(wǎng)。不僅安全可靠地控制了下運帶式輸送機(jī)的運行，而且在運行中通過能量回饋到系統(tǒng)節(jié)約了電能，大大降低了能耗和運行成本。采取改進(jìn)措施后，通過實際監(jiān)測A4膠帶機(jī)運行情況，以每天生產(chǎn)8h、每月生產(chǎn)25d計算，則每月節(jié)能40 512kW·h。

3.2.3 制砂工藝改進(jìn)

水電工程傳統(tǒng)制砂工藝主要采用棒磨機(jī)制砂，其特點是:(1)成品砂質(zhì)量穩(wěn)定、粒形好;(2)耗電、耗水量高、鋼棒耗量大;(3)建筑安裝量大;(4)石粉損失量大，水處理費用高。觀音巖水電站砂石系統(tǒng)通過實踐經(jīng)驗論證，系統(tǒng)設(shè)計放棄了棒磨機(jī)，全部采用立軸破制砂，實現(xiàn)了“以破代磨”的制砂工藝。立軸制砂的特點是:(1)工藝流程簡單，單位能量消耗低;(2)5～2.5mm的石料循環(huán)破碎，破碎效果差，能量消耗略偏大;(3)成品砂中2.5～1.25mm、1.25～0.63mm粒徑的石料偏少;(4)成品砂的細(xì)度模數(shù)控制難;成品砂率偏低。觀音砂石系統(tǒng)制砂工藝設(shè)計通過增加石粉回收裝置(ZX250－C)與8臺立軸破搭配，并經(jīng)篩網(wǎng)調(diào)節(jié)摻和比例成功克服了立軸破制砂的缺點，能確保生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定的成品砂。制砂工藝改進(jìn)最大的優(yōu)點在于降低了系統(tǒng)的能耗，并能有效控制成品砂的含水率。

3.3 用電節(jié)能措施改進(jìn)效果

通過一系列措施的改進(jìn)，系統(tǒng)生產(chǎn)每噸成品骨料的耗電量較原設(shè)計耗電量大為降低。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，觀音巖水電站砂石系統(tǒng)從2009年10月一期建成投產(chǎn)運行至2012年5月底，已供應(yīng)合格砂石骨料560萬t，生產(chǎn)運行總耗電量為1 967萬kW·h，平均每噸砂石骨料耗電量為1 967÷560=3.51kW·h/t。較設(shè)計耗電量6.48kW·h/t降低了2.97kW·h/t，已較原設(shè)計節(jié)約電能1 663.2萬kW·h。

4 系統(tǒng)水處理設(shè)計及改進(jìn)

4.1 系統(tǒng)原設(shè)計水處理流程及運行效果

觀音巖水電站砂石加工系統(tǒng)工程生產(chǎn)用水主要用于骨料沖洗、設(shè)備冷卻、防塵用水等，原設(shè)計用水量為2 000m3/h(一期1 000m3/h，二期 2 000m3/h)，相應(yīng)的廢水處理能力為2 000m3/h。其廢水處理工藝采用兩級沉淀池(豎流沉淀池和斜管沉淀池)進(jìn)行沉淀濃縮，然后通過沉淀池排漿底閥排放至污泥干化車間(主要脫泥設(shè)備為圓盤真空過濾機(jī))進(jìn)行固液分離，分離后的尾水經(jīng)二次沉淀后泵送回高位水池循環(huán)利用。

系統(tǒng)一期建成后，通過實際運行反饋，水處理效果不甚理想，僅達(dá)到設(shè)計處理能力的30%。主要表現(xiàn)在以下兩方面:

(1)生產(chǎn)廢水量超過設(shè)計處理能力。主要源于毛料含泥量大、半成品料裹泥嚴(yán)重、一篩沖洗水量大，致使沖洗用水量遠(yuǎn)超設(shè)計量。

(2)固液分離設(shè)備處理效果差。由于廢水沉淀后濃度高達(dá)到30%，且泥漿粘性大，而已安裝的GP96－8型圓盤真空過濾機(jī)可靠性差，在運行過程中經(jīng)常堵塞濾布濾孔，處理能力大大降低。

4.2 系統(tǒng)水處理工藝改進(jìn)

系統(tǒng)一期建成運行后通過對水處理存在的問題分析，在二期對水處理工藝進(jìn)行了一系列改進(jìn)。其主要工藝采用了“一級回收、二級沉淀、污泥干化”的水處理方案，并在生產(chǎn)過程嚴(yán)格控制毛料含泥量。新工藝在一篩車間增設(shè)了ZX250C型黑旋風(fēng)細(xì)砂回收裝置，進(jìn)入沉淀池的廢水經(jīng)黑旋風(fēng)一級回收后，主要含量為泥漿的廢水仍通過豎流沉淀池和斜管沉淀池兩級沉淀濃縮后，高濃度泥漿通過排漿底閥排放至污泥干化車間進(jìn)行固液分離。取消污泥干化車間圓盤真空過濾機(jī)設(shè)備，重新配置KWL800離心脫離機(jī)以及LW760ND離心脫泥機(jī)作為固液分離設(shè)備。廢水處理工藝流程見圖2。

圖2 廢水處理工藝流程

4.3 水處理工藝及措施改進(jìn)后的效果

4.3.1 嚴(yán)格控制毛料含泥量，改進(jìn)沖洗措施，降低沖洗水耗

觀音巖砂石系統(tǒng)料源取自龍洞大地料場，料場料區(qū)地表灰?guī)r溶蝕現(xiàn)象明顯，毛料含泥較嚴(yán)重，且機(jī)械剔除非常困難，致使半成品含泥過高。經(jīng)檢測，前期平均含泥量高達(dá)8%。半成品料在一篩沖洗干凈困難，生產(chǎn)用水量大。通過分析，降低水耗及水處理壓力的源頭在于嚴(yán)格控制毛料開采選料及粗碎車間毛料脫泥。料場開采爆破后，首先對于出現(xiàn)的溶溝溶槽等泥團(tuán)進(jìn)行機(jī)械剔除，同時，加強(qiáng)粗碎車間脫泥篩設(shè)備運行管理，選用合適孔徑的篩網(wǎng)，對于篩分≤15mm以下的骨料作為棄料處理，以保證半成品含泥率滿足要求。通過上述措施，最終使毛料含泥量控制在2%左右。其次，將三篩車間成品中小石沖洗后低濃度(質(zhì)量濃度約3%)廢水回收利用至一篩車間沖洗，可顯著降低一篩沖洗用水量400m3/h。

通過上述常規(guī)措施改進(jìn)，系統(tǒng)二期建成后，骨料沖洗合格用水量可基本控制在1 000m3/h左右，按系統(tǒng)2 700t/h成品處理能力計算，平均沖洗耗水量為1 000÷2 700=0.37(m3/t)，而未改進(jìn)控制措施之前耗水量為1.18m3/t，改進(jìn)后每噸骨料沖洗可節(jié)約用水0.81m3。

4.3.2 黑旋風(fēng)一級回收大量石粉，大幅度降低了水處理壓力，并提高了石粉利用率

系統(tǒng)一篩沖洗、螺旋洗石機(jī)產(chǎn)生的廢水主要懸浮物為細(xì)砂、石粉及泥，原工藝設(shè)計中主要采用刮砂機(jī)回收一篩沖洗廢水中的石粉，效果不甚理想，仍有大量石粉經(jīng)廢水流失，致廢水濃度較高。后在一篩車間增加了ZX250C型泥漿凈化裝置(黑旋風(fēng))與刮砂機(jī)聯(lián)合運行，石粉回收更為充分。一篩廢水進(jìn)入黑旋風(fēng)的平均質(zhì)量濃度為12.7%，經(jīng)回收處理后的濃度降低為6.5%。黑旋風(fēng)設(shè)備平均處理能力為245m3/h，平均單臺回收砂量為21.78t，經(jīng)處理后的廢水流入豎流沉淀池進(jìn)行沉淀，大大降低了后序水處理壓力。

4.3.3 沉淀后的廢水經(jīng)末級離心機(jī)脫泥處理，實現(xiàn)廢水循環(huán)利用

一篩車間產(chǎn)生的廢水經(jīng)泥漿凈化裝置ZX250C的處理后，自流入豎流沉淀池，廢水濃度平均6.5%，廢水量約1 000m3/h。經(jīng)豎流沉淀池自然沉淀3～4h后，濃縮后廢水濃度在25% ～30%之間，通過池底排污管自流入離心機(jī)。其中豎流沉淀池主要用于沉淀車間生產(chǎn)廢水，預(yù)留1座池子用于沉淀離心機(jī)處理后加藥的尾水，經(jīng)沉淀后再次通過離心機(jī)循環(huán)處理。斜管沉淀池主要用于二次沉淀豎流池自然沉淀后溢出的清水，沉淀后自流入清水池，再用清水泵抽入高位水池循環(huán)利用。離心機(jī)聯(lián)合運行檢測成果見表1。

表1 離心機(jī)聯(lián)合運行檢測成果

離心機(jī)排出的尾水濃度平均約10%，廢水中懸浮物沉淀速度慢，需添加絮凝劑以使懸浮物快速絮凝成團(tuán)、快速沉淀。根據(jù)砂石系統(tǒng)生產(chǎn)廢水物理特性，并考慮無毒害等環(huán)保要求，實驗選取了陰離子聚丙烯酰胺(APAM)作為絮凝劑。在添加絮凝劑后泥漿濃度能快速提升至25% ～30%，APAM添加最佳用量為200～300g/m3。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，離心機(jī)設(shè)備進(jìn)水濃度越大，其處理水量越小。進(jìn)水濃度在25% ～30%時，脫泥量最大，其單臺設(shè)備平均處理量約70m3/h，平均出泥量12.3t/h，脫泥后平均出水濃度10%，泥塊含水率在18%～22%之間。分離的尾水若采取加藥方案，經(jīng)離心機(jī)處理后效果更加顯著，其再次分離的尾水濁度SS≤1 000mg/L，可直接回收利用。

4.4 水處理改進(jìn)綜合效果評價

(1)砂石系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水量為1 000m3/h，經(jīng)黑旋風(fēng)處理后的廢水濃度為6.5%，系統(tǒng)每天2班14h運行，共產(chǎn)生廢水14 000m3，需處理的污泥約為910t。離心機(jī)3班21h運行，需達(dá)到的污泥處理能力為910÷21×1.2(含水率平均20%)=52(t/h)。而離心機(jī)平均處理能力為272.5m3/h，廢水濃度為25% ～30%，其平均脫泥量52.14t/h，泥塊含水率在18%～22%之間，4臺離心機(jī)配置基本滿足處理需要。

(2)在不加藥情況下，經(jīng)離心機(jī)處理后的尾水沉淀效果差，無法及時處理。這部分尾水經(jīng)污泥干化池沉淀處理后排放，約230m3/h，加上泥餅含水帶走水量52.14×20%=10.4(m3/h)。系統(tǒng)需補(bǔ)充損失水量240.4m3/h，其有效利用水量789.6m3/h，循環(huán)利用率76%。若離心機(jī)尾水采取加藥方案，除泥餅含水損失10.4m3/h，其余用水均可回收利用，循環(huán)利用率可達(dá)99%。

(3)從廢水處理系統(tǒng)目前實際運行情況分析，若采取加藥方案，按300g/m3加藥量計算，每天處理14 000m3廢水，需消耗藥量230×21×0.3=1 449(kg)，以目前 APAM絮凝劑市場價15 000元/t計算，平均每天需花費成本2.17萬元。成品骨料平均生產(chǎn)成本增加25 800÷(2 700×14)=0.57(元/t)，整個運行期增加費用約1 000萬元。

(4)通過主要組合采用半成品含泥量控制、黑旋風(fēng)回收、離心分離等組合工藝對砂石系統(tǒng)廢水進(jìn)行處理，可基本完成固液分離、廢水回收利用。

5 結(jié)束語

觀音巖水電站砂石系統(tǒng)作為世界上最大的人工砂石生產(chǎn)系統(tǒng)之一，其能耗也相當(dāng)巨大，達(dá)標(biāo)排放壓力也較大，在節(jié)能減排技術(shù)方面沒有同類經(jīng)驗可尋，需要通過實際運行不斷地摸索與總結(jié)分析。該系統(tǒng)所采用的節(jié)能減排技術(shù)取得了較為明顯成效，不僅大幅度降低了系統(tǒng)運行成本，也基本實現(xiàn)了國家行業(yè)關(guān)于達(dá)標(biāo)排放的環(huán)保要求。