冷媒制冷在两河口水电站拌和站中的设计及应用

张瑞麟，罗加林

(中国葛洲坝集团第二工程有限公司，成都，610091)

1 概述

雅砻江两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，为雅砻江中下游的“龙头”水库，水库总库容为107.67亿m3，调节库容65.6亿m3，电站装机容量300MW，多年平均年发电量110亿kW·h，投资640亿。

两河口水电站混凝土生产系统由总包方自行设计、运行维护，主要向泄水建筑物系统提供高温季节出机口温度不大于12℃的温控预冷混凝土，混凝土总量约178万m3。拌和站混凝土浇筑的最大月强为57200m3，制冷混凝土的最大生产月强度为49713m3。

两河口水电站混凝土生产系统设计规模为：最低出机口温度12℃的预冷混凝土生产能力150m3/h，常态混凝土生产能力190m3/h。系统配置HL240-2S3000RL型拌合楼两座、CW504型冷水机组两座、FIP93+AIS23+ID15A型制冰机组两座、GLFL1454骨料风冷机组一座。

2 制冷设计说明与热平衡计算

根据设计文件要求，两河口混凝土生产系统预冷混凝土最大月生产强度峰值是5万m3，预冷难度最大的是泄水工程抗冲耐磨混凝土C18050W8F100，混凝土出机口温度不大于12℃。预冷混凝土各成分温度：骨料温度18℃，掺和料水泥温度取45℃，预冷混凝土生产能力150m3/h。

系统的预冷设备设计与选型均以抗冲耐磨混凝土C18050W8F100为基准进行设计选型，则其它型号的各种预冷混凝土均可达到设计要求，配合比见表1。

表1 抗冲耐磨混凝土C18050W8F100配合比

雅砻江两河口水电站夏季7月份多年高温月平均气温和水温分别为30℃和22℃，考虑到两河口地处高原高寒地区，施工黄金期为夏秋季节。春冬季因气温长期低于5℃，导致室外混凝土基本无法浇筑，故夏秋季节白天必须持续浇筑，特别是6、7、8三个月白天气温普遍在30℃以上。

7月份混凝土原材料温度：水泥计算温度45℃；粉煤灰计算温度45℃；粗骨料计算温度按夏季7月份为30℃；细骨料计算温度按夏季7月份为22℃；拌和冷水温度6℃；拌和片冰温度-5℃。另外，该工程粗细骨料均为骨料。

7、8月份如是大晴天，白天早上10时到下午4时太阳辐射猛烈会导致上述材料气温超过上述值，此情况不是普遍值。考虑到经济性，高于此温度的设计计算不在本方案中论证。混凝土原材料物理、热力学性参数见表2。

表2 混凝土原材料物理、热力学性能参数

混凝土C18050W8F100出机口温度按下式计算：

To=∑Ci·Gi·Ti+Q∑Ci·Gi

To——混凝土出机口温度，℃；

Ci——混凝土第i种原材料比热，kcal/kg·℃；

Gi——组成每m3混凝土第i种原材料的质量，kg；

Ti——混凝土第i种原材料的平均温度，℃

Q——每m3混凝土拌和时产生的机械热，kcal/m3，取Q=1500kcal/m3。

对预冷混凝土C18050W8F100出机口温度热平衡进行计算，结果见表3。

表3 混凝土出机口温度热平衡计算(C18050W8F100/二级)

根据上表计算，每立方混凝土加冰44kg，添加的冷水温度不超过6℃，冷却骨料温度至5℃～6℃(由于骨料冷却之后，直接用于拌合，中间并没有运输过程，可以在风冷过程中考虑部分余量即可)，即可满足混凝土出机口温度不超过12℃的要求。

(1)风冷系统：将骨料由18℃降至5℃，考虑损耗等，风冷系统设计的制冷量约为1450kW。

(2)制冰系统：设计计算，每立方加冰量为44kg，日平均生产预冷混凝土1989m3，一天加冰量约为87.5t。

(3)冷水系统：冷水量，按照每立方加水140kg，每小时150m3的混凝土生产量所需冷水量为21m3/h。

3 设备选型与论证

目前，国内大型拌和站制冷设备主要采用两种模式，分别是冷媒制冷和氨制冷。雅砻江两河口地处甘孜藏族自治州，是中国藏区综合规模最大的水电站工程，是我国第一高、世界第三高土石坝，是雅砻江上游开发的龙头电站，也是国家重点工程，为保证工程的顺利进行，响应国家“青山绿水就是金山银山”的号召，制冷设备在如下方面进行选型与论证。

冷媒制冷设备制冷剂采用氟(R22)，氨制冷设备制冷剂采用的是氨(R717)，两者都是中温制冷剂，在常温下的冷凝压力和单位容积制冷量相差不大，但为提高制冷量，制冷剂在节流以前一般均需要过冷。实验表明，当冷凝温度tk=30℃，蒸发温度to=-15℃时，每过冷1℃制冷系数R22增加0.85%，而R717为0.46%。

3.1 安全性与环保性

氨对人体有毒，氨蒸气无色，具有强烈的刺激性臭味，浓度达到11%～14%时即可点燃，当浓度达到16%～25%会引起爆炸。葛洲坝青江高坝洲、云南漫湾、三峡、江浙和福建等地曾多次发生氨制冷系统跑氨爆炸事故，导致设备毁坏的惨重损失。

氟里昂是一种常用的高、中、低温制冷剂。它无色，无味，不燃烧，不爆炸，化学性能稳定。基本无毒(我国国家标准GB7778-87综合考虑制冷剂的燃烧性、爆炸性、对人体的直接侵害三个方面的因素，对制冷剂进行安全分类，R22被列为第一安全类，而R717被列为第二安全类)。

国内因为氨泄漏造成多起事故，例如宝山区丰翔路1258号翁牌冷藏实业有限公司发生液氨泄漏事故，造成15人死亡、20余人受伤。而氟即使泄漏，也只是对臭氧层有破坏，而对人是无害的。

3.2 压缩机润滑油特性

氨在润滑油中的溶解度很小，因此氨制冷剂管道及换热器的表面会积有油膜，影响传热效果。氨液的比重比润滑油小，在贮液器和蒸发器中，油会沉积在下部，需要定期放出。

氟里昂能不同程度的溶解润滑油，不易在系统中形成油膜，对传热影响很小。同时，氟里昂制冷机组在设计时还考虑到了工质的替代问题，即在使用新工质时，无须对系统进行改动。

3.3 制冷系统

氨制冷系统氨机需提供泵供液系统及复杂的回油机构，致使系统庞大、辅机多、管路复杂，阀门多，施工安装程序复杂，施工周期长。同时会带来故障隐患的增加(江浙和两广等地，氨系统曾发生多起蒸发管道和加氨管道、阀门破裂、脱开等引起跑氨事故。氨阀阀芯脱落，陷入阀体内卡死的事故更是频繁发生)。由于氨具有较大的毒性，机房向外开启的门不允许通向生产性厂房，氨制冷系统的设备间不宜布置在其它厂房的共同建筑之内。而且氨机运行时噪音大，振动较大，产生的动载荷大，对库体的影响不可忽略，因此必须单独设置机房。且氨系统中阀门均为开启式阀门，制冷剂的微量泄漏是无法避免的。

氟里昂的特性决定了氟系统管路较氨系统简单。氟里昂机组的配置已经非常完备，只需简单的接管即能投入运行。且氟机组体积小，占地少，不需单独设置机房，大大节省了空间，机组噪音低，所有阀件为全封闭阀件，无工质泄漏等问题。

3.4 控制系统

在制冷装置的设计中，控制方式的选择是一个重要课题。从节能的角度，自动控制的水平越高，制冷装置节能降耗的水平越高。在《冷库冷藏冷冻新技术新工艺实用手册》一书中，国内有关专家在经过实际测试得出结论：与手工操作相比，自动控制的最大节电效果达44%。同时，随着自动控制程度和精度提高，制冷的产品质量提高，产品成本降低；另一方面，自动控制可以明显防止事故发生，保障操作人员人身安全。自动控制使操作调节的劳动强度和工作量大大减少，可以减少操作人员，因此，有条件时可以选用较高程度的自动控制方式。

氨系统无法实现自动控制。其开、停机及供液调节等工作必须由人工操作完成，需设专业人员对氨机进行24h管理，且保护装置不完备。

氟系统可实现完全自动控制，无需专人看管。保护装置完备，机组配有电压保护、温度保护、电流保护、压力保护等完备的保护措施，并可实现计算机控制，能量调节范围广。

3．5 经济性

3．5．1 设备投资安装费用比较

经市场询价并结合以往总包拌和站运行参数，初期投资安装费用，冷媒制冷设备建安费510万元，氨制冷设备建安费320万元，冷媒制冷比氨制冷超出190万元。

3．5．2 运行费用

根据设备厂家提供参数并结合设计文件，氨制冷设备总功率2023kW，冷媒制冷设备功率1464kW，考虑预冷满负荷运行3个月，除设备建安费，预冷设备运行中最大成本是电费与人工费。

氨制冷设备用电量=2160×2023=437(万kW·h)，冷媒制冷设备用电量=2160×1464=316(万kW·h)。

雅砻江两河口拌和站电费0.5元/kW·H，人工费1.2万元/月，拌和站使用5年，设备运行主要费用=人工费用+用电量，冷媒制冷设备每年运行费经计算是215.6万元，氨制冷设备每年运行费经计算是290.5万元。

经济性方面，冷媒制冷设备建安费与运行费合计725.6万元，氨制冷设备建安费与运行费合计610.5万元。

3.6 设备运行的可靠性

根据制冷对象的不同，对制冷过程的可靠性要求也不同。对于制冷降温过程不允许中断的重要场合，显然应选择可靠性高的制冷机，防止由于维修等原因造成重大经济损失。

氨设备氨系统辅助设备较多，管路比较复杂，因此易损件也多，一旦某个部件出现故障，将会影响整个氨系统的制冷效果，严重时甚至会导致整个制冷系统瘫痪。

冷媒设备氟系统比起氨系统要简单的多，易损件也少，因此氟机并联机组运行可靠，即使某个部件或一台压缩机出现故障，也不会影响到整个制冷系统，其维修期较短。

综上所述，雅砻江两河口水电站混凝土生产系统最终选用冷媒制冷设备(R22)。

4 设备运行

考虑到雅砻江两河口电站是国家重点工程，确保电站大体积结构混凝土的强度与质量，最大限度从源头解决混凝土裂纹缺陷，经市场考察与招标流程，拌和楼冷媒制冷设备最终选用上市公司福建雪人的成套冷媒制冷设备，冷媒制冷剂统一为R22冷媒，核心组件是空气压缩机。设备安装、试运行、人员培训过程中均有BIM技术应用，直观、易懂，大大加快了设备建安进度，提高了运行人员培训效果。

雅砻江两河口拌和站系统配置HL240-2S3000RL型拌合楼两座、CW504型冷水机组两座、FIP93+AIS23+ID15A型制冰机组两座、GLFL1454骨料风冷机组一座。预冷混凝土生产中，制冷设备开机优先级分别是冷水机组、冷风机组、制冰机组。抗冲耐磨混凝土C18050W8F100配合比中，经热平衡测算，冷水是制冷效果最经济最快速的手段，然后是骨料冷风与制冰。

(1)CW504型冷水机组生产能力为日产冷水量504t(24h)，进水16℃、出水温度≤2℃，核心组件是半封闭SRC-S-255-LZ压缩机、SLC系列蒸发式冷凝器、ICW504S降幕式蒸发器。该设备优点是采用降幕式蒸发器，换热效率高，出水温度≤2℃。降幕式蒸发器采用不锈钢板片组成，与壳管式、板换式蒸发器相比更安全，蒸发器不容易冻坏，更卫生，便于清洁维护，主要设备均安装在集装箱内，便于移动和运输。每座冷水机组单独与每座HL240-2S3000RL型拌合楼连接，冷水直接进入搅拌罐，冷水添加量在每方混凝土30kg左右，可以快速降低混凝土温度。

(2)FIP93+AIS23+ID15A型制冰机组生产能力为90t/d制冰系统，18t储冰能力，具有制冰、储冰、气力送冰系统，核心组件是半封闭SW5L-110压缩机、SLC1800系列蒸发式冷凝器、JZXF400S片冰机蒸发器。该设备的优点是制冰机蒸发器采用特殊的设计及加工工艺，增强传热效率，提高能效。制冰机及储冰库均安装在集装箱内，不仅减少了现场施工量，而且便于移动和运输，全自动化，自动制冰、刮冰、储冰、送冰。送冰装置采用风送形式，对安装位置要求低，使用灵活，根据多年的使用经验，设备安全稳定。每座制冰机组单独与每座HL240-2S3000RL型拌合楼连接，片冰经压缩空气管道连接，进入搅拌罐，片冰添加量在每方混凝土40kg以下，最低可实现混凝土出机口温度9℃左右。

(3)GLFL1454骨料风冷机组生产能力为骨料出料温度5℃～7℃，核心组件是半封闭Refcomp压缩机、SLC系列蒸发式冷凝器、SLD-1700W/110G空冷器。该设备的优点是主要设备均安装在集装箱内，各集装箱之间的管道采用法兰连接，现场施工量少，便于移动和运输；压缩机润滑油采用工质冷却，油冷却器不需要定期清洗。冷风机组安装在6000T骨料仓侧部，冷风通道与骨料仓采用钢制百叶窗连接，持续风冷却骨料，可以保证混凝土出机口温度平稳无较大幅度波动。

每次预冷混凝土生产前，提前4h开启冷媒制冷设备，提前制冰、风冷骨料、制冷水，达到预定温度后，开启混凝土生产。整个系统均是自动联动，在拌和站控制室输入指令后，系统自动运行。混凝土拌制的前三罐做好温度、塌落度、含气量检测，经微调后，自动进入后续预冷混凝土拌制生产。做好每日设备保养和月检修工作，设备完好率可到97%以上。

经过三年的实地运行实践检验，冷媒制冷设备运行平稳、安全环保、经济性优良，达到了预期效果，为雅砻江两河口水电站大体积结构混凝土的质量稳定提供了坚实保障。

5 结语

冷媒制冷设备(R22)在雅砻江两河口水电站拌和站应用取得了成功，整套设备运行平稳，经济效果显著，无安全与环保事故，工作运行环境较氨制冷设备大幅改进。同时大体积结构混凝土在生产拌制过程中采用预冷技术，大幅降低混凝土内部水化热，整体混凝土裂纹得到了有效控制，混凝土总体质量要求满足项目设计要求，推荐在基建行业大体积结构混凝土施工中积极运用。