嘉陵江亭子口厂房工程混凝土生产制冷系统设计

王克生，刘 凡

(中国水利水电第五工程局有限公司第五分局，成都，610066)



嘉陵江亭子口厂房工程混凝土生产制冷系统设计

王克生，刘 凡

(中国水利水电第五工程局有限公司第五分局，成都，610066)

嘉陵江亭子口电站厂房工程预冷混凝土系统设计，结合现有混凝土拌制设备，采用了简化的设计和计算方法，设计出了适合本工程的混凝土制冷系统，最终采用骨料一次风冷、加冰和加冷水进行混凝土拌制的工艺，混凝土拌制强度和温度均达到温控标准要求。

亭子口厂房工程 预冷混凝土 制冷系统设计

1 概述

嘉陵江亭子口水利枢纽坝后式电站厂房工程混凝土浇筑总量约29.4万m3,根据施工总进度安排，高峰期混凝土月浇筑强度约为2.2万m3/月；结合厂房混凝土施工技术要求，厂房工程预冷混凝土总量约12万m3，预冷混凝土高峰期生产强度为1.8万m3/月。

亭子口水利枢纽工程厂房温控混凝土不大、时间长，夏季混凝土出机口温度要求≤14℃。为此，在1座生产能力为120m3/h的2×3m3自落式混凝土搅拌站的基础上，采取对骨料进行风冷、混凝土拌制过程中加冰、加冷水的措施，最终达到出机温控质量要求。亭子口水利枢纽工程厂房混凝土生产制冷系统，主要由粗骨料风冷系统、加冰和冷水生产供应系统以及相配套的氨制冷系统等组成，设置在同一个制冷车间内。粗骨料的风冷在地面预冷调节料仓中进行，冷却方式均为连续分层冷却。粗骨料由地面预冷调节料仓内预设的配风、回风窗和料仓外侧的送、回风管道以及高效空气冷却器、离心式风机形成的冷风闭式循环系统进行冷却，冷风自料仓下部送入，上部回风与骨料自上而下的流动方向相反，将骨料由筛洗后的常温状态24℃左右冷却至8℃～10℃，保证了粗骨料的冷却效果。在混凝土拌制过程中加入2℃～4℃的冷水和-8℃的冰，保证了混凝土出机口温度≤14℃。

2 制冷系统设计计算及容量确定

2.1 设计条件

2.1.1 强度和温度要求

根据夏季预冷混凝土高峰月浇筑强度要求，经计算确定夏季预冷混凝土设计小时生产强度为70m3/h。

根据块体的允许基础温差、稳定温度及最高温度控制标准等，电站厂房设计允许最高温度见表1。

表1 电站厂房设计允许最高温度单位：℃

注：基础强约束区为建基面～0.2L，基础弱约束区为0.2L～0.4L，其中L为浇筑块长边尺寸。

根据厂房混凝土设计允许最高温度，减掉混凝土水化温升温度及浇筑温度，再减去运输途中混凝土自然温升温度，即可得到混凝土出机口温度。经计算，夏季混凝土出机口温度应控制在13℃～14℃。

2.1.2 混凝土出机口温度的确定

2.1.2.1 混凝土原材料温度

7、8月份混凝土原材料温度：水泥、粉煤灰计算温度45℃；粗细骨料计算温度分别为25.3℃和24.3℃；拌和冷水温度2℃～4℃；拌和加冰温度-8℃。该工程粗细骨料均为天然骨料。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、热学性能参数

2.1.2.2 混凝土配合比

因本工程大体积混凝土主要为厂房基础三级配混凝土，故在进行温度控制设计时拟采用的混凝土参考配合比见表3。

表3 常态混凝土参考配合比

2.1.2.3 混凝土自然出机口温度计算

(1)

式中：η—冰的冷量利用率，以小数计；80—冰的融化潜热(kcal/m3)。

表4 混凝土系统预冷混凝土出机口温度计算(三级配)

经计算，7、8月份预冷混凝土三级配出机口温度To≤13℃(表4)。

2.1.2.4 其它相关参数

夏季室外计算温度26.3℃，相对湿度80%，平均风速2m/s～2.3m/s，平均大气压力100.09kPa(75mmHg)。

2.1.2.5 预冷混凝土出机口温度控制

按式(1)计算，大石(G2)骨料终温为7±1℃、中石(G3)骨料终温为7±1℃、小石(G4)骨料终温为9±1℃时，加4℃的冷水和加-8℃的冰后,7、8月份预冷三级配混凝土出机口温度为12.74℃，满足预冷混凝土出机口温度控制要求。

2.2 设计计算

以7、8月份为控制月，相应混凝土预冷系统工艺设计计算以7、8月份的气象条件以及混凝土各种原材料温度等原始资料为依据进行设计计算。

2.2.1 预冷调节料仓容积和粗骨料平均冷却时间

预冷调节料仓是为满足夏季预冷混凝土生产粗骨料风冷而设的，钢筋混凝土结构，共设3个单仓，分别为大石(G2)、中石(G3)、小石(G4)三个粗骨料仓。首先将预冷调节料仓的每个骨料单仓沿垂直方向分为三个区，即骨料受料区、风冷区和储料区。以骨料风冷区的总储量满足预冷生产需要为依据，按三个区等量分布原则确定预冷调节料仓粗骨料单仓容积和平均冷却时间。

预冷调节料仓粗骨料单仓容积计算：

(2)

经计算，连续生产三级配混凝土时，预冷调节料仓粗骨料单仓容积分别为148m3，故选取V=160m3，于是预冷调节料仓骨料总容积为3×160=480m3。同时，预冷调节料粗骨料每个单仓风冷区(高度3.2m)储量均按V/m=66.67m3计，因考虑料仓底部锥斗影响储量，料仓结构尺寸按4m×4m、总高度10m计。

经计算，连续生产三级配混凝土时，粗骨料风冷的平均冷却时间分别为1.78h～3h。

2.2.2 粗骨料风冷工艺参数计算

2.2.2.1 需冷量

Q=1.5GCg(Ti—T2)×1000

(3)

经计算，冷却大石的需冷量Q=26×104kcal/h。

2.2.2.2 供风量

(4)

根据进风温度比骨料冷却终温低19℃，则进风温度为-5±1℃(取-4℃)。另根据进、回风温差10℃～14℃(取14℃)，则回风温度为7±1℃。冷却介质(风)的相对湿度按100%计(即空气为饱和湿空气)。又根据进、回风温度经查湿空气焓湿图按内查法计算得：进、回风的密度分别为1.3kg/m3和1.242kg/m3，进、回风的热焓分别为5.31kJ/kg和29.97kJ/kg。于是W=5.24万m3/h。

2.2.2.3 风冷骨料的仓内风速

V=W/3600F

(5)

预冷调节料仓的内截面尺寸6m×6m，于是V=0.86m/s。

2.2.2.4 冷风循环量

Ws=(1.05～1.15)×3600×vFs

(6)

经计算，Ws=7.873万m3/h。

2.2.2.5 冷负荷

根据式(4)，此时γa取回风密度，经计算，大石仓的冷负荷Q=28万kcal/h。

2.2.2.6 冷风阻力

△P=△P1+△P2+△P3+△P4

(7)

根据预冷调节料仓风冷区料层厚度3.2m和风冷骨料(大石)的仓内风速v=0.86m/s，查风冷骨料每米料层阻力与风速的关系曲线，得每m料层阻力为25mmH20；空气冷却器每排蒸发管阻力按1.3mmH20/排计，空气冷却器蒸发管排数为8～16排，故△P=(228～478)mmH20。

2.2.3 混凝土拌合用水的冷负荷

Q=CM△T

(8)

混凝土拌和冷水温度0～4℃，每m3混凝土用水量约为107kg，根据式8，经计算，每小时供冷水2次,每次供8m3冷水,生产拌和冷水的冷负荷为16×104kcal/h。

2.2.4 混凝土拌合用冰的冷负荷

2台30t片冰机的制冷量为30×104kcal/h。

2.2.5 制冷系统容量确定

根据制冷生产系统的不均衡性,取不均衡系数1.2,由此确定,风冷系统的冷负荷Q2=100×104kcal/h(空调工况)，混凝土拌和用冷水的冷负荷Q1=19×104kcal/h(标准工况),混凝土拌和用加冰的冷负荷Q1=36×104kcal/h(低温工况)。

表5 风冷骨料计算成果表(三级配)

注：(1)粗骨料上楼皮带机运输过程的温升按2℃计；(2)风冷的热交换效率为0.7。

根据制冷系统的计算和制冷设备特性,由此确定,风冷系统的制冷量Q2=100×104kcal/h(空调工况)，混凝土拌和用冷水的制冷量Q1=50×104kcal/h(标准工况),混凝土拌和用加冰的冷负荷Q1=50×104kcal/h(标准工况)。

2.3 设备配置

结合制冷系统的不均衡性，以及考虑到制冷设备的特性和整个系统内的统筹调配通用性，确定风冷系统的制冷量为100×104kcal/h(标准工况)、混凝土拌和用冷水的制冷量为50×104kcal/h(标准工况)、拌和用加冰的冷负荷为50×104kcal/h(标准工况)。

3 骨料风冷温控

预冷混凝土出机口温度的控制，骨料的风冷温度直接制约着混凝土出机口的温度，故做好骨料的风冷，才能有效地拌制出在设计标准范围内的预冷混凝土。根据2010年～2011年统计，骨料风冷后的温度一直在受控范围内。

3.1 吸气压力

温控标准要求：0.15MPa～0.2MPa。根据运行温控记录统计，2010～2011年全年的实值为：0.06MPa～0.14MPa，一直控制在下限运行。

3.2 进风风温

温控标准要求：大石为-5±1℃；中石、小石为-4±1℃，根据温控记录统计，实际值大石为-5～6℃;小石为-3～4℃，控制低于下限。

3.3 骨料终温控制

骨料终温、砸石温度根据控制标准，一冷骨料终温要求≤8℃。2011年全年实际骨料终温值：大、中石为7℃～12℃，小石8℃～14℃，小石含水率高，为防止冻仓风机有时采用间断运行。夏季最热的7、8、9三个月，风冷后砸石温度：大、中石7℃～12℃，小石由于粒径小，不要求砸石检测，仅测表面温度。2010～2011年风冷温控控制的各项指标都控制在设计标准下限，高于控制标准，给预冷混凝土的拌制创造了有利条件。

4 影响因素

在混凝土的实际生产中，影响温控的因素很多，诸如混凝土级配、料位、风冷时间、外部气温、水泥温度(≤65℃)、砂、骨料含水率、冲霜次数等。特别是不均衡生产，季节温差在同一时段拌和站的小时产量均在70m3/h以上时，温控难度加大，需要提前对当班混凝土开仓数、产量都要有预知合理安排，同时对当天的天气情况也要准确撑握，这样才能及时调整设备的开启时间及台数，实现过程受控，确保混凝土出机口温度。

5 结论建议

亭子口厂房工程夏季温控混凝土生产取消了骨料二次风冷，采取只对骨料在地面调节料仓内进行一次风冷的新技术，通过2010年～2011年运行证明，温控技术是成功的，能满足工程高峰期13℃～14℃混凝土温控要求，所制定的温控技术标准是科学可靠的，值得推广采用。温控混凝土的影响因素较多，在质量控制方面，对生产的合理安排、科学组织均衡生产提出了更高要求。制冷系统是大功率高耗能项目，取消骨料的二次风冷，有效地降低了温控混凝土的生产成本。从成本控制方面，受外部气候温度、单位生产强度、开仓时间等影响非常大。对骨料风冷开启时间顺序，单开还是同时开都要有明确规定，认真执行。生产、质量控制部门认识要统一一致，合理组织生产，成本节约的潜力较大。骨料经过筛洗后由于脱水不充分，使风冷料仓冻仓现象时有发生，特别是小石仓，需要解决好骨料脱水问题，骨料脱水越彻底风冷效率越高。

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TU528.1：TU528.062

B

2095-1809(2015)03-0021-04

王克生(1977—)，男，青海海东人，高级工程师，学士，水电五局五分局总工程师，从事水电工程施工技术和经营管理工作；

刘凡(1986—)，男，甘肃定西人，助理工程师，本科，水电五局五分局白鹤滩项目部生产部主任，从事水利水电工程施工管理工作。