嘉陵江亭子口廠房工程混凝土生產(chǎn)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王克生，劉 凡

(中國水利水電第五工程局有限公司第五分局，成都，610066)

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嘉陵江亭子口廠房工程混凝土生產(chǎn)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王克生，劉 凡

(中國水利水電第五工程局有限公司第五分局，成都，610066)

嘉陵江亭子口電站廠房工程預(yù)冷混凝土系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)有混凝土拌制設(shè)備，采用了簡化的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，設(shè)計(jì)出了適合本工程的混凝土制冷系統(tǒng)，最終采用骨料一次風(fēng)冷、加冰和加冷水進(jìn)行混凝土拌制的工藝，混凝土拌制強(qiáng)度和溫度均達(dá)到溫控標(biāo)準(zhǔn)要求。

亭子口廠房工程 預(yù)冷混凝土 制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 概述

嘉陵江亭子口水利樞紐壩后式電站廠房工程混凝土澆筑總量約29.4萬m3,根據(jù)施工總進(jìn)度安排，高峰期混凝土月澆筑強(qiáng)度約為2.2萬m3/月；結(jié)合廠房混凝土施工技術(shù)要求，廠房工程預(yù)冷混凝土總量約12萬m3，預(yù)冷混凝土高峰期生產(chǎn)強(qiáng)度為1.8萬m3/月。

亭子口水利樞紐工程廠房溫控混凝土不大、時(shí)間長，夏季混凝土出機(jī)口溫度要求≤14℃。為此，在1座生產(chǎn)能力為120m3/h的2×3m3自落式混凝土攪拌站的基礎(chǔ)上，采取對骨料進(jìn)行風(fēng)冷、混凝土拌制過程中加冰、加冷水的措施，最終達(dá)到出機(jī)溫控質(zhì)量要求。亭子口水利樞紐工程廠房混凝土生產(chǎn)制冷系統(tǒng)，主要由粗骨料風(fēng)冷系統(tǒng)、加冰和冷水生產(chǎn)供應(yīng)系統(tǒng)以及相配套的氨制冷系統(tǒng)等組成，設(shè)置在同一個(gè)制冷車間內(nèi)。粗骨料的風(fēng)冷在地面預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉中進(jìn)行，冷卻方式均為連續(xù)分層冷卻。粗骨料由地面預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉內(nèi)預(yù)設(shè)的配風(fēng)、回風(fēng)窗和料倉外側(cè)的送、回風(fēng)管道以及高效空氣冷卻器、離心式風(fēng)機(jī)形成的冷風(fēng)閉式循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，冷風(fēng)自料倉下部送入，上部回風(fēng)與骨料自上而下的流動(dòng)方向相反，將骨料由篩洗后的常溫狀態(tài)24℃左右冷卻至8℃～10℃，保證了粗骨料的冷卻效果。在混凝土拌制過程中加入2℃～4℃的冷水和-8℃的冰，保證了混凝土出機(jī)口溫度≤14℃。

2 制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算及容量確定

2.1 設(shè)計(jì)條件

2.1.1 強(qiáng)度和溫度要求

根據(jù)夏季預(yù)冷混凝土高峰月澆筑強(qiáng)度要求，經(jīng)計(jì)算確定夏季預(yù)冷混凝土設(shè)計(jì)小時(shí)生產(chǎn)強(qiáng)度為70m3/h。

根據(jù)塊體的允許基礎(chǔ)溫差、穩(wěn)定溫度及最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)等，電站廠房設(shè)計(jì)允許最高溫度見表1。

表1 電站廠房設(shè)計(jì)允許最高溫度單位：℃

注：基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)為建基面～0.2L，基礎(chǔ)弱約束區(qū)為0.2L～0.4L，其中L為澆筑塊長邊尺寸。

根據(jù)廠房混凝土設(shè)計(jì)允許最高溫度，減掉混凝土水化溫升溫度及澆筑溫度，再減去運(yùn)輸途中混凝土自然溫升溫度，即可得到混凝土出機(jī)口溫度。經(jīng)計(jì)算，夏季混凝土出機(jī)口溫度應(yīng)控制在13℃～14℃。

2.1.2 混凝土出機(jī)口溫度的確定

2.1.2.1 混凝土原材料溫度

7、8月份混凝土原材料溫度：水泥、粉煤灰計(jì)算溫度45℃；粗細(xì)骨料計(jì)算溫度分別為25.3℃和24.3℃；拌和冷水溫度2℃～4℃；拌和加冰溫度-8℃。該工程粗細(xì)骨料均為天然骨料。混凝土原材料物理、熱力學(xué)性參數(shù)見表2。

表2 混凝土原材料物理、熱學(xué)性能參數(shù)

2.1.2.2 混凝土配合比

因本工程大體積混凝土主要為廠房基礎(chǔ)三級(jí)配混凝土，故在進(jìn)行溫度控制設(shè)計(jì)時(shí)擬采用的混凝土參考配合比見表3。

表3 常態(tài)混凝土參考配合比

2.1.2.3 混凝土自然出機(jī)口溫度計(jì)算

(1)

式中：η—冰的冷量利用率，以小數(shù)計(jì)；80—冰的融化潛熱(kcal/m3)。

表4 混凝土系統(tǒng)預(yù)冷混凝土出機(jī)口溫度計(jì)算(三級(jí)配)

經(jīng)計(jì)算，7、8月份預(yù)冷混凝土三級(jí)配出機(jī)口溫度To≤13℃(表4)。

2.1.2.4 其它相關(guān)參數(shù)

夏季室外計(jì)算溫度26.3℃，相對濕度80%，平均風(fēng)速2m/s～2.3m/s，平均大氣壓力100.09kPa(75mmHg)。

2.1.2.5 預(yù)冷混凝土出機(jī)口溫度控制

按式(1)計(jì)算，大石(G2)骨料終溫為7±1℃、中石(G3)骨料終溫為7±1℃、小石(G4)骨料終溫為9±1℃時(shí)，加4℃的冷水和加-8℃的冰后,7、8月份預(yù)冷三級(jí)配混凝土出機(jī)口溫度為12.74℃，滿足預(yù)冷混凝土出機(jī)口溫度控制要求。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

以7、8月份為控制月，相應(yīng)混凝土預(yù)冷系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)計(jì)算以7、8月份的氣象條件以及混凝土各種原材料溫度等原始資料為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.2.1 預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉容積和粗骨料平均冷卻時(shí)間

預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉是為滿足夏季預(yù)冷混凝土生產(chǎn)粗骨料風(fēng)冷而設(shè)的，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共設(shè)3個(gè)單倉，分別為大石(G2)、中石(G3)、小石(G4)三個(gè)粗骨料倉。首先將預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉的每個(gè)骨料單倉沿垂直方向分為三個(gè)區(qū)，即骨料受料區(qū)、風(fēng)冷區(qū)和儲(chǔ)料區(qū)。以骨料風(fēng)冷區(qū)的總儲(chǔ)量滿足預(yù)冷生產(chǎn)需要為依據(jù)，按三個(gè)區(qū)等量分布原則確定預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉粗骨料單倉容積和平均冷卻時(shí)間。

預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉粗骨料單倉容積計(jì)算：

(2)

經(jīng)計(jì)算，連續(xù)生產(chǎn)三級(jí)配混凝土?xí)r，預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉粗骨料單倉容積分別為148m3，故選取V=160m3，于是預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉骨料總?cè)莘e為3×160=480m3。同時(shí)，預(yù)冷調(diào)節(jié)料粗骨料每個(gè)單倉風(fēng)冷區(qū)(高度3.2m)儲(chǔ)量均按V/m=66.67m3計(jì)，因考慮料倉底部錐斗影響儲(chǔ)量，料倉結(jié)構(gòu)尺寸按4m×4m、總高度10m計(jì)。

經(jīng)計(jì)算，連續(xù)生產(chǎn)三級(jí)配混凝土?xí)r，粗骨料風(fēng)冷的平均冷卻時(shí)間分別為1.78h～3h。

2.2.2 粗骨料風(fēng)冷工藝參數(shù)計(jì)算

2.2.2.1 需冷量

Q=1.5GCg(Ti—T2)×1000

(3)

經(jīng)計(jì)算，冷卻大石的需冷量Q=26×104kcal/h。

2.2.2.2 供風(fēng)量

(4)

根據(jù)進(jìn)風(fēng)溫度比骨料冷卻終溫低19℃，則進(jìn)風(fēng)溫度為-5±1℃(取-4℃)。另根據(jù)進(jìn)、回風(fēng)溫差10℃～14℃(取14℃)，則回風(fēng)溫度為7±1℃。冷卻介質(zhì)(風(fēng))的相對濕度按100%計(jì)(即空氣為飽和濕空氣)。又根據(jù)進(jìn)、回風(fēng)溫度經(jīng)查濕空氣焓濕圖按內(nèi)查法計(jì)算得：進(jìn)、回風(fēng)的密度分別為1.3kg/m3和1.242kg/m3，進(jìn)、回風(fēng)的熱焓分別為5.31kJ/kg和29.97kJ/kg。于是W=5.24萬m3/h。

2.2.2.3 風(fēng)冷骨料的倉內(nèi)風(fēng)速

V=W/3600F

(5)

預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉的內(nèi)截面尺寸6m×6m，于是V=0.86m/s。

2.2.2.4 冷風(fēng)循環(huán)量

Ws=(1.05～1.15)×3600×vFs

(6)

經(jīng)計(jì)算，Ws=7.873萬m3/h。

2.2.2.5 冷負(fù)荷

根據(jù)式(4)，此時(shí)γa取回風(fēng)密度，經(jīng)計(jì)算，大石倉的冷負(fù)荷Q=28萬kcal/h。

2.2.2.6 冷風(fēng)阻力

△P=△P1+△P2+△P3+△P4

(7)

根據(jù)預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉風(fēng)冷區(qū)料層厚度3.2m和風(fēng)冷骨料(大石)的倉內(nèi)風(fēng)速v=0.86m/s，查風(fēng)冷骨料每米料層阻力與風(fēng)速的關(guān)系曲線，得每m料層阻力為25mmH20；空氣冷卻器每排蒸發(fā)管阻力按1.3mmH20/排計(jì)，空氣冷卻器蒸發(fā)管排數(shù)為8～16排，故△P=(228～478)mmH20。

2.2.3 混凝土拌合用水的冷負(fù)荷

Q=CM△T

(8)

混凝土拌和冷水溫度0～4℃，每m3混凝土用水量約為107kg，根據(jù)式8，經(jīng)計(jì)算，每小時(shí)供冷水2次,每次供8m3冷水,生產(chǎn)拌和冷水的冷負(fù)荷為16×104kcal/h。

2.2.4 混凝土拌合用冰的冷負(fù)荷

2臺(tái)30t片冰機(jī)的制冷量為30×104kcal/h。

2.2.5 制冷系統(tǒng)容量確定

根據(jù)制冷生產(chǎn)系統(tǒng)的不均衡性,取不均衡系數(shù)1.2,由此確定,風(fēng)冷系統(tǒng)的冷負(fù)荷Q2=100×104kcal/h(空調(diào)工況)，混凝土拌和用冷水的冷負(fù)荷Q1=19×104kcal/h(標(biāo)準(zhǔn)工況),混凝土拌和用加冰的冷負(fù)荷Q1=36×104kcal/h(低溫工況)。

表5 風(fēng)冷骨料計(jì)算成果表(三級(jí)配)

注：(1)粗骨料上樓皮帶機(jī)運(yùn)輸過程的溫升按2℃計(jì)；(2)風(fēng)冷的熱交換效率為0.7。

根據(jù)制冷系統(tǒng)的計(jì)算和制冷設(shè)備特性,由此確定,風(fēng)冷系統(tǒng)的制冷量Q2=100×104kcal/h(空調(diào)工況)，混凝土拌和用冷水的制冷量Q1=50×104kcal/h(標(biāo)準(zhǔn)工況),混凝土拌和用加冰的冷負(fù)荷Q1=50×104kcal/h(標(biāo)準(zhǔn)工況)。

2.3 設(shè)備配置

結(jié)合制冷系統(tǒng)的不均衡性，以及考慮到制冷設(shè)備的特性和整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的統(tǒng)籌調(diào)配通用性，確定風(fēng)冷系統(tǒng)的制冷量為100×104kcal/h(標(biāo)準(zhǔn)工況)、混凝土拌和用冷水的制冷量為50×104kcal/h(標(biāo)準(zhǔn)工況)、拌和用加冰的冷負(fù)荷為50×104kcal/h(標(biāo)準(zhǔn)工況)。

3 骨料風(fēng)冷溫控

預(yù)冷混凝土出機(jī)口溫度的控制，骨料的風(fēng)冷溫度直接制約著混凝土出機(jī)口的溫度，故做好骨料的風(fēng)冷，才能有效地拌制出在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的預(yù)冷混凝土。根據(jù)2010年～2011年統(tǒng)計(jì)，骨料風(fēng)冷后的溫度一直在受控范圍內(nèi)。

3.1 吸氣壓力

溫控標(biāo)準(zhǔn)要求：0.15MPa～0.2MPa。根據(jù)運(yùn)行溫控記錄統(tǒng)計(jì)，2010～2011年全年的實(shí)值為：0.06MPa～0.14MPa，一直控制在下限運(yùn)行。

3.2 進(jìn)風(fēng)風(fēng)溫

溫控標(biāo)準(zhǔn)要求：大石為-5±1℃；中石、小石為-4±1℃，根據(jù)溫控記錄統(tǒng)計(jì)，實(shí)際值大石為-5～6℃;小石為-3～4℃，控制低于下限。

3.3 骨料終溫控制

骨料終溫、砸石溫度根據(jù)控制標(biāo)準(zhǔn)，一冷骨料終溫要求≤8℃。2011年全年實(shí)際骨料終溫值：大、中石為7℃～12℃，小石8℃～14℃，小石含水率高，為防止凍倉風(fēng)機(jī)有時(shí)采用間斷運(yùn)行。夏季最熱的7、8、9三個(gè)月，風(fēng)冷后砸石溫度：大、中石7℃～12℃，小石由于粒徑小，不要求砸石檢測，僅測表面溫度。2010～2011年風(fēng)冷溫控控制的各項(xiàng)指標(biāo)都控制在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下限，高于控制標(biāo)準(zhǔn)，給預(yù)冷混凝土的拌制創(chuàng)造了有利條件。

4 影響因素

在混凝土的實(shí)際生產(chǎn)中，影響溫控的因素很多，諸如混凝土級(jí)配、料位、風(fēng)冷時(shí)間、外部氣溫、水泥溫度(≤65℃)、砂、骨料含水率、沖霜次數(shù)等。特別是不均衡生產(chǎn)，季節(jié)溫差在同一時(shí)段拌和站的小時(shí)產(chǎn)量均在70m3/h以上時(shí)，溫控難度加大，需要提前對當(dāng)班混凝土開倉數(shù)、產(chǎn)量都要有預(yù)知合理安排，同時(shí)對當(dāng)天的天氣情況也要準(zhǔn)確撐握，這樣才能及時(shí)調(diào)整設(shè)備的開啟時(shí)間及臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)過程受控，確?；炷脸鰴C(jī)口溫度。

5 結(jié)論建議

亭子口廠房工程夏季溫控混凝土生產(chǎn)取消了骨料二次風(fēng)冷，采取只對骨料在地面調(diào)節(jié)料倉內(nèi)進(jìn)行一次風(fēng)冷的新技術(shù)，通過2010年～2011年運(yùn)行證明，溫控技術(shù)是成功的，能滿足工程高峰期13℃～14℃混凝土溫控要求，所制定的溫控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是科學(xué)可靠的，值得推廣采用。溫控混凝土的影響因素較多，在質(zhì)量控制方面，對生產(chǎn)的合理安排、科學(xué)組織均衡生產(chǎn)提出了更高要求。制冷系統(tǒng)是大功率高耗能項(xiàng)目，取消骨料的二次風(fēng)冷，有效地降低了溫控混凝土的生產(chǎn)成本。從成本控制方面，受外部氣候溫度、單位生產(chǎn)強(qiáng)度、開倉時(shí)間等影響非常大。對骨料風(fēng)冷開啟時(shí)間順序，單開還是同時(shí)開都要有明確規(guī)定，認(rèn)真執(zhí)行。生產(chǎn)、質(zhì)量控制部門認(rèn)識(shí)要統(tǒng)一一致，合理組織生產(chǎn)，成本節(jié)約的潛力較大。骨料經(jīng)過篩洗后由于脫水不充分，使風(fēng)冷料倉凍倉現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，特別是小石倉，需要解決好骨料脫水問題，骨料脫水越徹底風(fēng)冷效率越高。

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TU528.1：TU528.062

B

2095-1809(2015)03-0021-04

王克生(1977—)，男，青海海東人，高級(jí)工程師，學(xué)士，水電五局五分局總工程師，從事水電工程施工技術(shù)和經(jīng)營管理工作；

劉凡(1986—)，男，甘肅定西人，助理工程師，本科，水電五局五分局白鶴灘項(xiàng)目部生產(chǎn)部主任，從事水利水電工程施工管理工作。