大型混凝土拌和系统的制冷设计浅析

宁占元

(中国水利水电第七工程局有限公司，成都，610213)

1 引言

电站坝体混凝土浇筑过程中，水泥因水化反应，要释放出大量的水化热，使得混凝土内部温度升高；随着时间的推移，由于热量逐渐散发，内部温度逐渐降低。与此同时，混凝土的体积也在不断变化，当混凝土受到基础或相邻浇筑块的约束，就会降低水工建筑物的安全系数，对稳定产生不利影响。根据国内外筑坝经验，进行坝体混凝土的温度控制，是防止大体积混凝土产生裂缝，保证混凝土质量的有效方法。

对坝体混凝土进行温度控制的主要方法有：减少混凝土的发热量，降低混凝土的浇筑温度，散发浇筑块的热量，分层分块浇筑，表面保护等。

为了防止混凝土发生裂缝，混凝土体内的最高温度必须加以严格地限制。控制混凝土最高温升的方法之一是降低混凝土浇筑温度，因此，要限制混凝土的出机温度。在气温较高的季节，混凝土在自然条件下的出机温度往往超过施工所要求的限制温度，此时就必须采取人工降温措施，即通过对骨料的预冷、加冷冻水和加冰拌和混凝土来降低混凝土的出机温度，这是降低混凝土浇筑温度的最有效措施之一。因此，对水电站建设施工来说，根据现场实际情况合理设计和施工制冷系统对整个工程意义重大。

2 制冷系统工艺布置设计

亭子口水利枢纽左岸混凝土生产系统设置在坝址左岸下游约1.05km～1.3km处，承担主体工程约210.0万m3混凝土的生产。系统生产能力满足常态、碾压混凝土高温季节高峰月浇筑强度16～18万m3的生产要求。制冷系统配合1座2×4.5m3和1座2×6m3强制式拌和楼生产预冷混凝土，制冷系统总装机容量为1150×104kcal/h，折算到标准工况，根据当地气候条件，混凝土出机口温度以8月份为设计控制月，预冷混凝土产量500m3/h，其中常态混凝土要求出机口温度为10℃～12℃，碾压混凝土要求出机口温度为12℃～14℃。

亭子口水利枢纽坝址多年平均气温16.7℃，其中以8月平均气温26.7℃为最高，1月平均气温5.9℃为最低。极端最高气温为39.3℃，出现在1959年7月14日；极端最低气温为-4.6℃，出现在1975年12月15日。多年平均风速为2.0m/s，最多风向为NNW；多年平均水面蒸发为1318.6mm，平均相对湿度为73%，最大相对湿度为80%；多年平均无霜期为288d；日照时数为1490.9h。

3 设计基本参数

3.1 水温气温

表1 亭子口坝址多年月、年平均气温和水温 单位：℃

3.2 混凝土原材料温度

以月平均气温最高的8月为控制月份，按《水利水电工程施工组织设计规范》(SL 303-2004)选取各种原材料设计初温如表2。

表2 混凝土原材料计算温度

3.3 混凝土原材料热物理性质

表3 混凝土原材料热物理性能

3.4 混凝土配合比

表4 混凝土参考配合比

对碾压混凝土，预冷混凝土出机口温度按照三级配计算并用二级配校核；对常态混凝土，预冷混凝土出机口温度按照三级配R90200计算，并用二级配R28250校核。

4 预冷工艺设计

4.1 预冷系统工艺设计的基本原则

(1)制冷量按照标书中的左岸混凝土系统制冷总容量的要求进行。

(2)结合现场实际地形，制冷厂布置在能缩短氨系统管路距离的地方。

(3)氨系统首先应该满足生产工艺的需要，也要考虑经济，选用安全、可靠，并尽可能采用先进工艺。

(4)压缩机及辅助设备的布置应使连接管路最短，流向畅通并便于安装，设备管路上的压力表、温度计及其它仪表均应设置在便于观察的地方。

(5)厂内设备布置应保证操作、检验方便，并尽可能紧凑，压缩机应设于室内，其它辅助设备可设在室外或敞开式建筑中。

(6)片冰机均按独立系统进行配套，以保证均匀稳定供氨液，简化调节和操作运行，提高灵活性及可靠性。

(7)结合和借鉴以往拌和系统设备选型和配置的成功经验，为该系统提供最先进最可靠的一流设备。

4.2 混凝土预冷措施

混凝土预冷措施为地面调节料仓一次风冷三级粗骨料，搅拌楼料仓二次风冷三级粗骨料，混凝土中加片冰拌和，外加剂等掺加水用6℃冷水。根据计算，碾压混凝土三级配每方混凝土加10kg片冰，外加剂等掺加水用6℃冷水，骨料冷却终温为3℃；碾压混凝土二级配每方混凝土加15kg片冰，外加剂等掺加水用6℃冷水，骨料冷却终温为3℃，可达到碾压混凝土出机口温度12℃～14℃。常态混凝土三级配每方混凝土加25kg片冰，外加剂等掺加水用6℃冷水，骨料冷却终温4℃；常态混凝土二级配每方混凝土加30kg片冰，外加剂等掺加水用6℃冷水，骨料冷却终温4℃，可达到常态混凝土出机口温度10℃～12℃。

表5 预冷混凝土出机口温度计算(碾压混凝土三级配)

表6 预冷混凝土出机口温度计算(碾压混凝土二级配)

表7 预冷混凝土出机口温度计算(常态混凝土三级配)

表8 预冷混凝土出机口温度计算(常态混凝土二级配)

4.3 预冷系统布置

制冷系统分一次风冷、制冷楼和拌和楼(2座)外挑风冷平台布置。根据整个左岸拌和系统的场地和系统的工艺需要，将一次风冷布置在高程412m平台；二次风冷车间和制冰楼布置在高程410m平台，配合两座拌和楼(2×4.5m3和2×6m3强制式拌和楼)生产预冷混凝土，两座拌和楼混凝土生产强度均为250m3/h。

4.4 一次风冷

一次风冷包括一次风冷车间内的主、辅机及地面骨料调节料仓冷风循环系统。

一次风冷制冷主机装机容量为500×104kcal/h。制冷主、辅机集中布置在一次风冷车间内，末端设备为两组共8个高效空气冷却器，安装在一次风冷车间顶上的冷风机平台。高效空气冷却器、离心风机、地面调节料仓及其送、配风装置，用相应的风道连接组成冷风闭式循环系统，用以冷却调节料仓内的骨料。

设两组地面调节料仓，每组仓分设四个仓，四个仓分别装G2、G2、G3、G4骨料，骨料冷却采用连续冷却，料仓内骨料流向由上而下，冷风流向自下而上，其换热方式为逆流式热交换过程。两组调节料仓用两条胶带机串联布置，做到每个仓都可以向任何一个拌和楼灵活供料。

4.5 二次风冷和制冰、制冷水

二次风冷制冰、制冷水由二次风冷车间内的主、辅机及拌和楼上的冷风循环系统、制冰系统、送冰系统和冷水系统组成。二次风冷制冷主机装机容量650×104kcal/h。制冷主、辅机集中布置在二次风冷车间内。

二次风冷容量为300×104kcal/h，末端设备为高效空气冷却器，高效空气冷却器放置在两座拌和楼料仓边的冷风机平台上，高效空气冷却器、离心风机、拌和楼料仓及其送、配风装置，用相应的风道连接组成冷风闭式循环系统，用以冷却料仓内的骨料。拌和楼的四个骨料仓在生产三级配混凝土时分别装入通过一次风冷的G2、G2、G3、G4三种骨料实施二次风冷，骨料冷却采用连续冷却，料仓内骨料流向由上而下，冷风流向自下而上，其换热方式为逆流式热交换过程。

制冰由制冰楼内的制冷主、辅机和制冰楼内片冰机、贮冰库、输冰装置以及拌和楼内已备小调节冰仓、片冰称量设备组成。制冰楼制冰制冷主机装机容量为350×104kcal/h，制冷主、辅机集中布置在制冰楼内，片冰机、贮冰库及输冰装置一起放置在制冷楼内。制冷楼制冰系统选用8台PB45A片冰机制冰，2台60t贮冰库及2套胶带机送冰装置分别向两座拌和楼送冰。

制冷楼内配置1台LSLG1000Ⅲ螺杆冷水机组配合循环水泵和自制冷水箱制冷水，制冷水主机装机容量(名义工况)为92×104kcal/h，冷水温度为5℃。冷水由冷水泵向片冰机、拌和楼水箱供水，在过渡季节不需用片冰时全部用作拌和水。

制冰系统的工艺流程为由片冰机生产的片冰从贮冰库顶部进入贮冰库，在有降温措施的贮冰库内贮存，并保持冰面干燥、低温。贮冰库还具有调节片冰机产冰与拌和楼生产用冰不平衡的作用。用冰时片冰由输冰螺旋机输出冰库，输冰装置送至拌和楼小调节冰仓，再送至冰称计量后卸入拌和楼集中料斗，利用片冰的融解潜热降低混凝土的温度。

在夏季生产出机口温度为10℃～12℃的低温混凝土时，按设计条件需一次风冷、二次风冷、加冰联合运行。

在过渡季节，根据外界气温及混凝土出机口温度要求，可选择单独开启一次风冷、二次风冷、加冰或加冷水拌和的任一种或两种组合措施。

4.6 系统主要参数

表9 制冷系统主要参数

5 结语

该系统从2009年3月14日人员组织进场到2009年6月29日生产出第一方合格混凝土，利用短短的106天，克服工程量大、工序复杂、雨季和高温季节施工难度大等的影响，完成整个系统的设计和一期的施工任务，在我局相同规模的拌和系统的设计施工上创下新的施工记录。在各级领导、技术人员等的共同努力下，该制冷系统吸取了很多以往类似工程的经验，消除了很多以往工程的弊病，取得了—些成绩，同时也发现了一些问题，在今后的运行中会不断改进和总结经验，为以后的工程提供参考。随着制冷技术的迅速发展和工程实践经验的不断丰富，混凝土拌和制冷系统将会进一步完善。