新型智能模块蒸汽机组在混凝土预制管片蒸汽养护中的应用

陈桂萍

（中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710024）

1 工程概况

1.1 工程简介

曲溪城乡供水工程位于甘肃省天水市，是一项跨流域调水工程，该工程由大坝枢纽、输水隧洞、引水管线、调蓄水池等组成，工程等级为中型III等，建成后将极大缓解天水市城区水资源短缺问题，是保障天水市城区生产、生活用水需求的重大民生工程。输水隧洞全长21.6 km，采用2台φ4 m的双护盾TBM相向掘进，具有洞线长、断面小、地质条件复杂等施工特点。隧洞为无压洞，设计流量1.44 m3/s，纵坡比1∶800；衬砌采用六边形管片，管片厚度0.26 m，环宽1.2 m，针对Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ围岩类别，又分为A、B、C三种类型；衬砌后洞径为3.2 m；管片壁后与围岩之间的间隙，采用豆砾石充填并进行回填灌浆；共计安装管片约18 000环。

1.2 管片生产

管片预制是TBM施工的重要配套产业，关乎着整体施工的进度和质量，掌握管片预制关键技术有利于形成TBM施工全产业链；中国水电三局以曲溪城乡供水工程作为试点，自主设计、建设首座管片预制厂，以满足工厂化、规模化生产，填补中国水电三局在管片预制生产方面的技术空白，积累施工经验，提升TBM品牌竞争力、扩大行业影响力[1]。

管片预制厂占地面积8 640 m2，钢结构厂房宽35.6 m、长96 m，建筑面积3 418 m2，混凝土拌和系统等生产辅助性设施占地面积约1 100 m2。厂房分钢筋加工区及管片生产区，钢筋加工区由存放区、下料区、半成品加工区及钢筋笼焊接区组成；管片生产区由生产线、蒸养线、进出模坑道、振捣室、参观通道、管片存放区等组成。平面布置如图1所示。

图1 管片预制厂平面布置图

管片预制厂于2021年3月8日开始试生产，4月8日正式投产，截至2021至12月底已生产类型合格管片5 200环。隧洞衬砌采用六边形蜂窝状结构管片，强度等级为C45W8F50，错缝安装，片与片之间采用凸凹面咬合、环与环之间采用定位销连接，采用遇水膨胀复合止水条止水。管片三环拼装如图2所示。

图2 管片三环拼装试验

管片流水线为“1+3”制，即1条生产线、3条蒸养线，满足13套（52台）管片模具在流水线上同时运转。生产线共布置13个工位，每道工序确保工序质量，经检查无误后进入蒸养窑进行5 h的蒸汽养护，达到蒸养时间后，管片出窑，同条件养护试件抗压强度不小于20 Mpa时，管片方可脱模。管片生产线工位布置如图3所示。

图3 管片生产线工位布置

蒸养窑分为升温区、恒温区、降温区3个区域，温度分别在40℃、55℃～60℃、40℃。管片每个生产循环的时间为：静停2 h，40℃升温1 h、55℃～60℃恒温3 h、40℃降温1 h；以每天3班、实际工作时间22 h计，可生产3个循环，管片日产量39环，月产量达1 092环[2]。

2 新型蒸汽机组与传统锅炉的对比分析

管片脱模强度是制约流水线高效运行的关键因素，采用蒸汽养护是使管片强度在短期内得到快速提升最有效的一种混凝土养护措施，因此，蒸汽养护成为生产过程中一道最关键的工序，如何提供持续、稳定的高质量蒸汽是管片生产中一个最重要的环节。

管片蒸汽养护过程中，蒸养窑的养护温度为55℃～60℃，以往管片生产过程中，蒸汽养护采用传统燃煤（燃气）锅炉或电锅炉等设备来产生蒸汽；蒸汽锅炉需要经过压力容器形成蒸汽压力之后才能产生高温蒸汽，蒸汽产生的过程是：储水-加热-水沸腾-产生蒸汽；采用传统燃煤锅炉、燃气锅炉或电锅炉产生蒸汽，热效率低，需要消耗大量的煤炭、燃气及电能，同时，使用燃煤锅炉会产生大量的S02、CO2气体，污染环境；且采用煤炭不符合当地环保要求。

本着节能环保的绿色施工理念，为响应“碳达峰、碳中和”重大战略决策，项目管理团队经多方调研，最终摒弃了传统的燃煤、燃气及电锅炉等高污染、高能耗设备，自主创新，在行业内首次采用了新型的变频模块蒸汽机组，共安装3台1 t变频模块蒸汽机组为管片生产养护提供高质量的高温蒸汽。如图4所示。

图4 曲溪城乡供水工程管片厂新型模块蒸汽机组

3 新型蒸汽机组工作原理

蒸汽机组由冷凝器、上层热交换器、下层热交换器、冷凝回收器、燃烧室、控制系统、测量反馈设备、管道线路、排烟等附件组成，各系统作用如下：上层热交换器能使烟气二次利用，充分吸收燃气的余热；下层热交换器，明火直接燃烧，采用高密度的翘片产生换热，冷凝回收器能使烟气被3次利用，排烟温度低至53℃；燃烧室，通过燃烧将燃气的化学能安全、高效地转化为热能。

控制系统采用变频控制技术，运用直流蒸汽发生技术，使经处理后的纯水流经热交换器瞬间就产生蒸汽，实现开机5 s直接产生高温蒸汽，无需压力容器形成蒸汽压力这个过程；而传统蒸汽锅炉蒸汽产生的过程：储水-加热-水沸腾-产生蒸汽，还需要经过压力容器形成蒸汽压力之后才能产生高温蒸汽。传统蒸汽锅炉是通过周期性的分组式蒸汽加热，使储水温度达到预定标准来实现周期性供汽；而蒸汽机组则运用蒸汽持续传输技术，使蒸汽源源不断地、几乎无损耗地快速传输，实现持续性地不间断供应，能实现热量在蒸汽传输过程中几乎零损耗，从而在中央供汽中能够保持相对持续和稳定的供汽温度。采用多孔砖燃烧器技术，低压输入天然气，功率更大；多孔的构造以及采用高风涡轮式风机能提供很好的燃烧性，并能得到较高的加热效率；采用了新型热交换器吸热快、吸热多、热转换效率高，使用既安全、环保，又方便快捷、节能环保，应用领域广泛。采用模块式分组加热技术，耗能少，效果佳、火力可调，可根据实际需要，合理选择开启模块，使设备工作在最佳状态；并且，设备占地面积小，安装在管片预制厂中部，避免蒸汽传送距离过远，产生管道热损耗；设备结构更加紧凑，节省安装空间，也便于日常维护。蒸汽机组属于常压设备，不属于压力容器，使用安全，无需办理报批手续，无需年检，节约了年检及司炉工的费用；该蒸汽机组还具有远程监控功能，可实现手机APP或电脑PC端远程监控运行状态，并将补水机组、纯水机组开关信号纳入监控平台，具有便捷、节能、安全等特点。新型智能模块蒸汽机在使用过程中经检测，氮氧化物排放低于国家标准（30 mg/m3）节能减排的效果明显。新型蒸汽机组工作原理如图5所示。

图5 新型蒸汽机组工作原理图

蒸汽机组对于产生蒸汽的水源要求比较苛刻，为防止形成水垢阻塞水汽管路，禁止使用地下水、井水等水质较硬的水源，需使用纯净水或自来水，因此蒸汽机组需配置1套软水机或者反渗透机。水质指标要求见表1。

表1 水质指标要求

4 应用效果

经过多方调研，通过对成本投入、设备能效对比、分析，曲溪城乡供水工程管片预制厂最终使用3台Q-1000的智能模块蒸汽机组，为管片蒸养提供蒸汽。蒸汽机组蒸发量高（1 t设备出1 t有效蒸汽）、热效率高，产生1 t蒸汽的天然气理论耗气量为60 m3/h，而采用传统的燃气锅炉同样产生1 t蒸汽的理论耗气量为80 m3/h[3]。具体见表2。

表2 模块蒸汽机组与传统燃气机组能耗对比表

2021年3月8日至9月30日的成本消耗分析如下。

（1）传统锅炉的能耗及成本预算

传统1 t燃气锅炉的理论耗气量计算：80 m3/h×24 h×207 d=397 440 m3。

3台1 t燃气锅炉的耗气总量：397 440 m3×3台=1 192 320 m3。

3台燃气锅炉207 d共消耗资金：1 192 320 m3×2.33元/m3=2 778 105.6元≈277.810万元。

司炉工的工资投入：2人×5 000元/月×7个月=7万元。

（2）采用新型蒸汽机组实际耗气量及实际成本计算

实施后截至2010年8月30日共计207 d共消耗天然气174 277.44 m3。

174 277.44 m3÷207 d÷24 h=35 m3/h。

根据天然气实际消耗量，3台变频模块化蒸汽机组的实际耗气量为35 m3/h。

共消耗资金：174277.44m3×2.33元/m3=406 066.435 2元≈40.606 6万元。

司炉工的工资投入：采用新型燃气机组，不需司炉工，设备免维护，不产生司炉工的工资。

（3）节约成本

节约天然气：1 192 320 m3-174 277.44 m3=1 018 042.56 m3。

天然气节约资金：1 018 042.56 m3×2.33元=2372039.165元≈237.203 9万元。

节约成本和人工工资总和：237.203 9万元+7万元=244.203 9万元。

5 结束语

新型智能模块蒸汽机组投运后，天然气用量明显降低，每天天然气的消耗量比传统的燃气锅炉下降约50%，有效减少了天然气资源的消耗，具有良好的经济效益和环境效益。

天水曲溪城乡供水工程管片预制厂新型智能模块蒸汽机组投入使用后，自2021年3月8日投产至2021年9月30日，运行时间为207 d，较传统的燃气锅炉节约天然气1 018 042.56 m3，节省施工成本244.203 9万元，经济效益和能源节约效果显著；氮氧化物排放低于国家标准（30 mg/m3），达到节能减排的效果；该智能模块蒸汽机组既节能、降耗、环保，又安全、高效、快捷，具有行业推广意义。