周公宅水库混凝土制冷系统浅析

侯忠发

(四川华电木里河水电开发有限公司,四川 西昌 610016)

1 工程概况

周公宅水库位于浙江省宁波市鄞州区大皎溪皎口水库上游 15 km,坝址位于鄞州区樟水镇周公宅村北大皎溪干流上,距宁波市区约 51 km,是一座供水、防洪结合发电的综合利用水库。周公宅水库为Ⅱ等工程,由拦河坝、引水建筑物、发电厂和变电站等建筑物组成。

周公宅拦河大坝为混凝土双曲拱坝,坝顶中心线弧长 446.77m,坝顶高程 240m,最大坝高 125m。大坝混凝土总量约 65万 m3,其中大部分为 4级配混凝土。根据合同进度要求,大坝高峰月浇筑强度约为 3.5万 m3,夏季预冷混凝土浇筑强度约为 2.0万m3/月。

2 系统的设计条件

2.1 设计依据

混凝土制冷系统主要设计依据为招标文件中有关混凝土温控要求以及合同进度要求的混凝土施工强度。

根据合同进度要求,大坝高峰月浇筑强度约3.5万 m3,夏季预冷混凝土浇筑强度约为 2.0万 m3/月。混凝土制冷系统的容量和工艺设计须满足预冷混凝土生产强度和大坝混凝土冷却(初期、后期冷却)的冷冻水生产任务的要求。

2.2 设计条件

2.2.1 水温、气温条件

坝址区属典型的亚热带季风气候,温暖多雨,四季分明,全年雨量充沛。设计流域附近有鄞县和奉化等气象站,最近的气象站为奉化气象站,距坝址24 km。根据奉化气象站提供的气象资料,坝址区多年平均气温 16.3℃,月平均最高气温 32.4℃(7月份),极端最高气温达到 39℃,月平均最低气温0.8℃(1月份),多年月平均气温见表 1。大皎溪多年平均水温为 16.8℃,最高水温为 30.4℃,最低水温为 3.6℃,多年月平均水温见表 2。

表1 坝址区多年月平均气温 ℃

表2 大皎溪多年月平均水温 ℃

2.2.2 混凝土级配

低温混凝土生产以四级配 C25混凝土为设计依据,根据经验,配合比对预冷混凝土制冷容量的影响不大。混凝土配合比参数见表 3。

2.2.3 材料参数

周公宅水库工程料源特性为凝灰岩人工骨料。水泥、粉煤灰为散装,由汽车运输至工地储藏罐。混凝土原材料物理和热力学计算参数选择见表 4,混凝土原材料温度见表 5。

该工程混凝土原材料来源如下:

(1)水泥。采用浙江尖峰 P.O42.5普通硅酸盐水泥。

(2)粉煤灰。宁波北仑火电厂Ⅱ级粉煤灰。

(3)外加剂。浙江龙游 ZB-1型减水剂,上海枫杨实业有限公司生产的 SJ-2型引气剂。

(4)砂石骨料为人工骨料,料源特性为熔结凝灰岩。

表3 混凝土典型级配

表4 混凝土原材料热物理性质

表5 混凝土原材料温度选用 ℃

2.2.4 混凝土自然拌和出机口温度

根据混凝土组成材料热平衡计算得到混凝土在自然条件下的出机口温度,计算结果见表 6。

表6 混凝土自然拌和出机口温度 ℃

计算时,夏季室外计算气温采用 28℃,拌和水温 26℃,室外空气平均相对湿度采用 84%,骨料温度采用 28℃。

2.2.5 其他相关参数

根据有关工程经验,预冷混凝土制冷容量计算尚与片冰潜热利用率有关,而且须考虑混凝土拌和机械热,其相关参数为:片冰潜热利用率,0.8;混凝土拌和机械热,4000 kJ/m3。

3 系统工艺及布置

3.1 温控技术要求和制冷工艺措施

该制冷系统预冷措施按生产 12℃混凝土配置,即楼内风冷粗骨料、加冰和加冷冻水拌和混凝土。根据外界气温及混凝土出机口温度要求,要选择采用风冷、加冰、加冷冻水拌和混凝土其中一种或几种措施。

3.2 制冷容量的确定

制冷系统规模主要取决于预冷混凝土生产强度和大坝混凝土初期冷却(一期)所需要的制冷容量,大坝后期(二期)冷却在进度上与混凝土预冷不重叠,但其冷水生产容量大于一期冷却所需制冷容量,因此,需要分别考虑各温控措施需要的设备容量,然后根据系统工艺和进度分析确定系统的总制冷容量。

经计算,周公宅混凝土制冷系统容量为夏季生产预冷混凝土制冷量加上大坝混凝土一期冷却制冷水量所控制。吸取重庆江口水电站制冷系统一次、二次风冷经验(重点应为二次风冷的经验),周公宅制冷系统在设计上取消了一次风冷,仅设置二次风冷,但在工艺设计上仍然增加了 581kW的制冷设备作为风冷备用设备。因此,确定制冷系统设计总制冷量 (标准工况)为2070 kW。实际施工按 2908kW配置制冷设备。

3.3 制冷系统工艺流程

(1)氨系统工艺流程。如图 1所示。

(2)水系统工艺流程。水系统分系统冷却循环水和冷冻水。系统冷却循环水的流程为:2台冷却塔与制冷楼 4台冷凝器、压缩机油冷却器形成闭式循环管路,管路中间安装水泵提供循环动力;生产冷冻水的自来水来自▽ 300m高程水池,经冷水厂内的蒸发池冷却后流向 100 t冷水池,最终供给大坝用于冷却。

3.4 制冷系统布置

制冷系统的布置共分 3部分:制冷楼、制冰楼和冷水厂。制冷楼为 3层混凝土框架结构,从上至下依次安装有冷凝器、高压储氨罐和低压循环储氨筒、螺杆式氨压机等主要设备。制冰楼紧邻制冷楼均布置在▽ 260m高程平台上,为 2层砖混结构,上层安装有 4台 PBL-2×110型片冰机,底层为冰库和气力输冰装置。冷水厂布置在▽ 240m高程,为单层简易棚建,占地面积约 200m2,安装有 1台螺杆式氨压机组和 3台开式螺旋管蒸发器。

3.4.1 风冷粗骨料

骨料风冷在混凝土搅拌楼的骨料仓内完成,4种粗骨料仓均设附壁式冷风机进行冷却,冷源配备标准工况制冷量 1744 kW的螺杆式压缩机,主机与辅机均布置在制冷楼内,采用氨泵强制式循环向附壁式冷风机供液,生产冷风,冷风循环量为 4×85723m3/h。每个料仓内安装有 1套配风装置,料仓旁的空气冷却器及轴流风机由风道连成闭式冷风循环系统。

解题过程中，要培养学生应用数学知识解答物理问题的能力。如在运动学中，应注意矢量正、负号的意义以及正确应用；讲解相遇或追击问题时，注意引导学生将物理现象用数学式表达出来；讲运动学图像时，结合运动过程示意图讲解，搞清图像的意义，进而学会用图象分析过程、解决问题。

3.4.2 冷水生产

冷水生产由布置在冷水厂内的 3台螺旋管式蒸发器完成,生产的冷水水温为 5℃左右,冷源由制冷楼提供(后期),标准工况制冷量为 581 kW(初期通水)和 2 070kW(后期通水)。前期由冷水厂内的 1台螺杆式氨压机组提供冷源,主要供拌和楼搅拌冷水用。生产出的冷冻水由管道送入设在冷水厂旁的冷水池内,水池容积为 100m3。

3.4.3 制片冰

制冰由制冰楼内的片冰机完成,制冰用水由冷水厂供应,冷源由制冷楼提供。标准工况制冷量为581kW,采用氨泵强制式循环向片冰机供液制片冰,内设 PBL-2×110型片冰机 4台,日产片冰 60 t。生产的片冰在冰库内经冷风机过冷呈松散、干燥状态,冰库容积为 30 t,使用时由气力输冰装置送至拌和楼的小冰仓内供拌和楼使用。

4 系统的运行和工艺改进

4.1 氨液循环系统

周公宅制冷系统制冰楼安装有 4台氨压缩机,按照原始设计,#1机制冷风,#2机为冷风备用机,#3机制冰,#4机制冷水。作为系统冷源的4台主机位于▽ 260m高程平台的制冷楼内,制冰车间与冷水车间分别位于▽ 260m高程平台和▽ 240m高程平台,二者存在 20m的高差。在系统运行调试阶段,#3压缩机在运行过程中发生异常现象,造成基础振动加大,严重影响到运行安全。因此,运行不到1个月,#3机被迫停机,改用#4机制冰。高温季节冷水生产由前期安装于冷水厂的 1台冷水机组代替。

4.2 冷却水循环系统

图1 氨系统工艺流程图

制冷系统中的冷却水主要作用有 2点:一是降低系统冷凝压力,降低排气温度;二是冷却水在流经压缩机油冷却器时起到降低油温的作用。冷却水的循环对整个系统的正常运行和能量利用起着至关重要的作用。

该系统在设计中配置了 2台冷却塔,一台为BND-400型,另一台为 SF-600型,合计处理能力为 3×200m3/h(按系统循环水水泵流量计)。查阅有关空调制冷系统设计技术资料,3.156kW的制冷量需配置 1m3/h冷却水,经计算该系统应配置冷却水 826m3/h(按581kW计),冷却塔容量配置明显不足。这种先天性的不足导致运行中主机排气压力偏高,出力不足,能量仅达 50%左右。由于受到地形限制,不可能再配置冷却塔,而是采取了扩大冷水塔布水器孔眼、系统冷却水管路安装增压泵等办法加大系统水循环流量,使系统运行得到了一定改善。

4.3 冷水生产的工艺改进

4.3.1 拌和楼搅拌和制冰用水

原设计所有生产的冷水均进入冷水池后再分配使用,水温一般控制在 7℃左右。为了进一步降低水温,将冷水厂内的 1台型号为 ABLG125Z的氨泵机组(制冷量为 382kW)专门配置 1台螺旋管蒸发器,生产接近 0℃的冷水,专供拌和楼搅拌和制冰楼生产片冰用。这种改进既满足了搅拌混凝土温控的需要,又有利于提高片冰生产的质量和产量。该机高温季节冷水产量 8～10m3/h,完全满足上述需求,这部分冷水不经过冷水池,直接由水泵送往拌和楼和制冰楼,富余部分再返回冷水池。

4.3.2 大坝初期冷却用水

鉴于#3压缩机存在的问题,新购 1台 YS型约克冷水机组(标准工况制冷量为 1020kW)用以替代#3机。约克冷水机组属于新一代高效、集成型制冷设备,具有体积小、功效高、操作简单等优点,安装时直接置于冷水池上面,并共用原系统冷却塔,生产的冷冻水直接进入冷水池。按高温 7月份计算,将 26℃自来水冷却到 7℃,冷水产量约为 40m3/h,再加上拌和楼的一部分回水,基本能满足大坝初期冷却的需要。

4.3.3 二期冷却用水

二期冷却大坝通冷水温度 7℃,冷冻水生产量为 280m3/h时(折合制冷系统制冷量(标准工况)为2070kW),可保证封拱温度要求。#4机和约克冷水机组可提供 2183kW的制冷量,但由于冷水塔配置容量严重不足,造成制冷楼压缩机不能完全出力,此外还存在坝体降温工期相对滞后等多方面的因素,二期冷却仍不能满足要求。

根据三峡工程制冷系统运行经验,将拌和楼冷风系统改制为生产冷水,即利用冷风机除霜系统的喷淋水生产冷冻水,以满足二期冷却用水的不足。在生产过程中通过调节喷水量,严格控制生产的冷水水温在 8～10℃,从而保证了大坝二期冷却用水。实践证明,这种改进是切实可行的,能够最大限度地发挥资源配置,真正做到“一机多用”。

5 结束语

周公宅水库工程制冷系统历经 2年高温季节大坝混凝土浇筑施工的考验,满足了预冷混凝土和大坝初期及后期冷却的要求。实践表明,该系统的各项指标达到了设计要求,尤其是后来针对系统在运行过程中出现的一些问题所采取的优化改进措施,均取得了很好的效果,确保了高温季节大坝混凝土施工质量及工程进度。

此外,就该系统而言,如何发挥制冷设备的运行效率也是今后制冷系统设计探讨的一个重要方面。随着科学技术的不断发展,体积小、能效高、安装简单、运行方便的新一代智能型制冷设备将成为今后发展的一个必然趋势,会在水电工程中得到越来越广泛的应用。