小浪底水利樞紐工程混凝土預冷系統(tǒng)工藝介紹

中國水電建設集團國際工程有限公司　

　　摘 要: 本文從小浪底樞紐工程混凝土預冷系統(tǒng)生產(chǎn)過程、工藝布置、設備構造及使用性能特點方面作定性分析、論述，與國內(nèi)常用的混凝土預冷系統(tǒng)進行對比評述，就可以借鑒的地方作詳盡闡述。

　　關鍵詞:小浪底水利樞紐工程 混凝土預冷系統(tǒng)

　　小浪底樞紐工程位于河南省洛陽市以北40km孟津縣小浪底，是黃河干流在三門峽以下峽谷河段唯一能夠取得較大庫容的控制性工程。是以防洪（包括防凌）減淤為主，兼顧供水、灌溉、發(fā)電、除害興利，綜合利用。

　　主要水工建筑物集中布置在左岸，計有：3條低位孔板泄洪洞（由導流洞改造而成）；3條高位明流泄洪洞；3條低位排沙洞；1條溢洪道，還有進口的進水塔，下游的消力溏。

　　小浪底水電站安裝六臺水輪發(fā)電機組，裝機容量180萬kW，單機容量30萬kW。

　　本文主要介紹Ⅱ標（CGIC聯(lián)營體）的下游及上游混凝土制冷系統(tǒng)。

　　小浪底混凝土預冷系統(tǒng)是全套引進美國的先進設備、工藝，在國內(nèi)水電工程中屬于空前的。

　　在小浪底水利樞紐工程Ⅱ標混凝土預冷系統(tǒng)工作了五年，作為這個系統(tǒng)的中方主要見證人，我有責任把這個系統(tǒng)的工藝特點、設備使用性能等介紹給同行，供在混凝土預冷系統(tǒng)設計、配套設備設計、選擇方面參考。

1主要預冷（溫控）措施

　　小浪底水利樞紐工程Ⅱ標混凝土預冷，要求混凝土出機口溫度為8℃～12℃，所采取的主要預冷（溫控）措施有：

　　水冷骨料；風冷骨料；加冰拌和；在冬季時加熱水拌和；混凝土后冷卻。

2 主要設備及性能

　　2.1氨壓機

　　氨壓機是美國FRICK公司生產(chǎn)的，其結構型式為2臺螺桿式氨壓機安裝在一個罐體上，氨壓機冷卻方式為液氨冷卻，向氨壓機排氣口處直接噴液氨，液氨與壓縮高溫氨氣及潤滑油混合后蒸發(fā)，帶走熱量，從而降溫氨壓機的溫度，在冷卻用供液氨管路中設置電磁閥，根據(jù)氨壓機的運行情況控制冷卻氨液管路開、閉；管路中的膨脹閥，能夠隨著氨壓機排出壓縮氨氣的溫度變化，自動調(diào)整冷卻用氨液供應量，簡單、可靠，與用水冷卻冷卻機油的方式相比，氨壓機組也就不必另附一個冷卻用油水熱交換器，氨壓機體積小，重量輕，加之后面要講的新型冷凝器，整個系統(tǒng)不需要配備水冷卻塔，節(jié)約費用、場地，更環(huán)保。

　　氨壓機啟動時靠所配機油泵進行壓力潤滑，待氨壓機正常運轉(zhuǎn)后機油泵自動停止工作，氨壓機依靠壓差潤滑；氨壓機能根據(jù)負荷變化自動增加、減小負荷，依靠氨壓力繼電器設定最小吸入壓力（只有3PSI，每平方英寸磅，3PSI相當于0.02MPa），當氨壓機吸氣口（負荷側）的壓力接近設定的低限時，會自動減負荷，直至零負荷運行，因此不會造成由于負荷太低而自動停機；氨壓機還配有電流繼電器，限制主電機最大電流，低于這個設定值，允許自動加負荷，但是吸入壓力也不能低于設定的最低值，高于設定的最大電流值，會強制自動減負荷，即便系統(tǒng)負荷很大，電流繼電器也不允許氨壓機繼續(xù)加載了，使得電動機始終處在最佳負荷范圍內(nèi)工作。

　　2.2儲氨罐及蒸發(fā)器

　　高壓儲氨罐，用于貯存氨液，在試生產(chǎn)前往此罐內(nèi)直接加注氨液，整個系統(tǒng)共加4噸左右液氨，工作中從冷凝器冷凝后的液氨也進入此罐，再分別供給各個制冷設備蒸發(fā)器。

　　臥式低壓循環(huán)儲氨罐，風冷骨料單元用，氨液從儲氨罐經(jīng)電磁閥控制進入此罐，再經(jīng)過氨泵加壓后送到拌和樓配料樓（八角樓）骨料倉外面的冷卻蒸發(fā)器中，蒸發(fā)后的氨氣又回到此罐，氨壓機的吸氣口與此罐最上端連接，氨液在下面，氨氣在上面，進而保證氨壓機吸入的是純氣體，免受“液擊”。

　　風冷骨料用蒸發(fā)器，由氨泵供液，在進液管路設置電磁閥，控制氨液開、關，由膨脹閥根據(jù)進入蒸發(fā)器的冷風溫度自動調(diào)整進入蒸發(fā)器的氨液數(shù)量，從而實現(xiàn)骨料冷卻溫度的自動控制。由于進入拌和樓配料樓（八角樓）的骨料是經(jīng)過水洗和水冷，然后再脫水處理過的，骨料中幾乎不含粉塵等細顆粒物，所以風冷骨料用的軸流風機風扇葉片幾乎沒什么磨損，該葉片由樹脂材料制作，通過調(diào)整葉片的角度可以調(diào)節(jié)送風量。在工作中出現(xiàn)過一次骨料從進風道跑到軸流風機內(nèi)的情況，把軸流風機葉片全打斷了，當時，從制冷車間控制盤上顯示一切正常，就是冷卻負荷很小，而實際上這種骨料溫度卻很高，經(jīng)過打開冷風機的檢查孔，發(fā)現(xiàn)軸流風機電機正常運轉(zhuǎn)，風機葉片全被打斷了，冷風無法循環(huán)，骨料當然也就不能預冷了。

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　　骨料冷卻蒸發(fā)器為自動除霜，根據(jù)實際情況，在操作室控制盤上設定除霜間隔時間，幾種骨料的除霜時間要錯開，當某一種骨料需要除霜時，系統(tǒng)先自動關閉向該骨料冷卻蒸發(fā)器供氨液的電磁閥，待蒸發(fā)器內(nèi)氨液基本蒸發(fā)完畢后，會自動打開除霜用水管，向蒸發(fā)器內(nèi)淋水除霜，除霜用過的水由于溫度很低，直接送到水冷骨料膠帶機水槽內(nèi)加以再利用。

　　制冷水用蒸發(fā)器，就是在大圓管內(nèi)安裝很多小管，小管內(nèi)通水，小管外與大管內(nèi)之間的空間通氨液，工作中水從小管內(nèi)流過，促進小管外氨液蒸發(fā)制冷，其型式與我們常用的冷凝器基本一樣。在主水管路中設有水流動感知開關，當有水流動信號時，安裝在氨液管路中電磁閥才會打開往蒸發(fā)器內(nèi)補充氨液，膨脹閥會根據(jù)水溫情況自動調(diào)整進入蒸發(fā)器的氨液數(shù)量。

　　國內(nèi)目前常用的螺旋管式蒸發(fā)器是氨液在螺旋管內(nèi)流動，螺旋管蒸發(fā)器浸在制冷水槽內(nèi)，這樣不容易使大水槽內(nèi)的水結冰，安全、直觀、簡便，但是體積要比前者大的多。

　　2.3冷凝器

　　冷凝器由美國巴爾迪默生產(chǎn)，是將壓縮熱氨氣冷凝成氨液的設備，其冷卻方式為風扇加淋水，淋水為一次性使用，不回收，此種比較適用于小浪底這種水費用不高的項目。工作中，根據(jù)氨壓機排除壓力的大小，由操作員來確定開啟淋水水泵數(shù)量及風扇數(shù)量、，可以逐級調(diào)節(jié)，使得氨壓機的排出壓力始終處在合理范圍內(nèi)，節(jié)約能源。這種冷凝器結構為集裝箱式，安裝快捷方便。另外它不需要冷卻塔，投資省，系統(tǒng)占地少。缺點是由于一直在補充新水，管路外容易結水垢，影響冷凝效果，除水垢很不方便。

　　2.4制冰機

　　在下游混凝土預冷系統(tǒng)布置4臺北極星90型制冰機（NORTH STAR 90），單臺額定片冰生產(chǎn)能力1.7t/h，為內(nèi)結冰式片冰機，刮冰刀為通過電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的排刀，結冰內(nèi)壁為碳鋼，使用過程中在制冰機內(nèi)壁制冰面上結水垢也比較嚴重（可能是小浪底地區(qū)水質(zhì)原因造成），影響制冰效果，需要定期除水垢。

　　工作程序是，首先啟動對應的氨壓機，開啟制冷水的冷卻器，啟動制冰機，待制冰機內(nèi)氨壓力低到設定值時，系統(tǒng)自動開啟為制冰機供氨液的電磁閥，此時給制冰機供冷水（4℃左右）的水泵也自動開啟，開始制冰工作。系統(tǒng)這樣設計的目的是因為剛開啟時制冰機內(nèi)氨壓力較高，如果馬上供氨液，使得制冰機內(nèi)壓力不能盡快降下來，另外若制冰機剛開啟就馬上供水，制冰機會產(chǎn)生大量冰水混合物，一方面會造成冰水混合物直接進入冰庫，另一方面，也會由于結冰不均勻，導致制冰機刮冰刀過負荷而自動停機，這兩點都是比較麻煩的事情。在制冰機供液管道系統(tǒng)中也設置膨脹閥，可以根據(jù)負荷情況自動控制進制冰機內(nèi)的氨液數(shù)量。由于制冰機是內(nèi)結冰，比較國內(nèi)常用的外結冰制冰機，其沒有旋轉(zhuǎn)密封問題，所以制冰機氨液密封效果很好。

　　該制冰系統(tǒng)設計新穎的地方還有，當由于某種原因(如冰太厚，結冰嚴重不均勻或操作失誤)造成制冰機跳閘了，這時要等待制冰機內(nèi)壁上結的冰融化后制冰機才能開得起來。系統(tǒng)就此問題做了專門設計，可以作如下操作，關閉進液氨閥，然后打開專門設置的管路，把從氨壓機排氣口出來的壓縮熱氨氣導入制冰機，從制冰機內(nèi)冷凝下來的氨液通過排油管路直接進入低壓循環(huán)儲氨罐，幾分鐘內(nèi)就可以將制冰機內(nèi)壁的冰融化（若等正常融化，至少需要2個小時）。這樣做的前提是系統(tǒng)內(nèi)必須有其它氨壓機在正常工作，才有壓縮熱氨氣的來源，同時此過程也需要通過液面監(jiān)視窗口密切關注低壓循環(huán)儲氨罐內(nèi)的氨液液面高度情況，防止由于氨液面超限造成氨壓機自動停機。

　　2.5冰庫（儲量為100T片冰）

　　如果說氨壓機、制冰機等主要設備受設計、制造、加工工藝水平的限制，那么冰庫屬于配套設備，我們可以借鑒的地方很多。我們現(xiàn)在使用得一些冰庫，在結構、自動控制方面還遠趕不上小浪底的冰庫。

　　小浪底冰庫的外墻、儲冰庫地面及屋頂結構，也包括支撐制冰機層面承重梁全部為拼裝式木結構，儲冰層就設在地面上，制冰機設在第二層。

　　冰倉門為輕型鋼結構覆木面板，門的背面用四連桿機構支撐在冰庫墻壁上，冰庫門的操作是由0.5HP電機驅(qū)動鏈條來實現(xiàn)開門、關門動作，在提升鏈條上分別設置限位開關，即門開到最高限位及在關閉位置上的低限位。

　　冰庫耙冰機的提升和下降采用1HP電機驅(qū)動，通過兩級渦輪蝸桿減速后來驅(qū)動鏈條實現(xiàn)，因為渦輪蝸桿本身具有自鎖性能，所以提升機構不需要設置制動器，比國內(nèi)現(xiàn)在常用的提升驅(qū)動裝置功率小很多，簡便可靠。

　　采用氣力輸送往拌和樓送冰，不受場地、輸送高度限制，容易布置，便于實現(xiàn)自動控制，但是有時會出現(xiàn)賭管現(xiàn)象，需要把相應的賭管部位的管路拆開、清理。

　　耙冰機是冰庫內(nèi)的主要設備，其動作分制冰（CHARGE）和送冰（DISCHARGE）循環(huán)。制冰循環(huán)過程中，首先耙冰機升起，然后先往前耙，目的是把靠近冰倉門的空間填平，然后向后耙，把制冰機下面形成的“冰堆” 均勻地攤開在整個冰庫范圍內(nèi)，停頓一段時間后再開始下一個循環(huán)，各個環(huán)節(jié)所占的時間都是可以根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)的。

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　　送冰（給拌和樓送冰）過程，當接到拌和樓需要片冰的信號后，旋轉(zhuǎn)給料器(PNEUMATIC VALVE)、送冰用羅茨風機、為壓縮空氣降溫冷卻器、斜螺旋輸冰機、雙螺旋輸冰機、冰倉門依次自動開啟，然后耙機向前耙冰，同時耙冰機也自動下降，直至送冰結束。在送冰線路設置一個“浮球”開關、2個阻旋料位計，分別安裝在雙螺旋輸送機出口（即斜螺旋輸送機入口處）的冰槽上方，當從雙螺旋輸送機送來的冰超過斜螺旋輸送機送走的數(shù)量時，冰會在此處形成堆積，待堆起的冰把浮球開關頂起時，系統(tǒng)自動關閉雙螺旋輸送機、耙冰機，同時耙冰機也停止下降，隨著斜螺旋輸送機不斷地把在此冰槽內(nèi)的冰送走，浮球開關復位，雙螺旋輸送機恢復運轉(zhuǎn)，待一段時間后（此時間可以調(diào)整），耙冰機繼續(xù)往前耙冰，再過一會后（滯后的時間也是可以調(diào)節(jié)的）耙冰機也開始繼續(xù)下降以便可以刮出足夠的冰。此處應該注意，當有一大冰塊或是冰在此浮球開關處成拱時，冰就不能落到斜螺旋輸送機的進口內(nèi)，會造成后面運轉(zhuǎn)正常，前面沒有得到恢復送冰的信號而送不出冰，另外若冰庫操作員不能及時發(fā)現(xiàn)并處理此問題，會造成制冰機下面堆很大一堆冰，此時耙冰機也刮不動這么多冰；還有若冰在浮球開關上面成拱，堵住冰不能進入斜螺旋輸送機，此時浮球開關并不浮起，系統(tǒng)也就沒有得到后面“不正常”的訊號，所以前面的耙冰機、雙螺旋機還在源源不斷地送冰過來，會在此處“跑出”很多的冰，這種情況夜班時出現(xiàn)過。

　　在旋轉(zhuǎn)給料器(PNEUMATIC VALVE)上口處安裝一阻旋式料位計，當斜螺旋輸送機送到給料器內(nèi)的冰多于給料器下面送冰管路“吹”走的冰時，給料器內(nèi)的冰位抬高，進而阻止料位計葉片旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)接到此訊號后自動停止前面的耙冰機、雙螺旋輸送機、斜螺旋輸送機，待給料器內(nèi)冰位下降，料位計恢復轉(zhuǎn)動后前面的設備又開始送冰工作，也同前面說的一樣，當冰在料位計葉片上方成拱時，料位計“正?！毙D(zhuǎn)，所以也會出現(xiàn)前述的極端情況。

　　在拌和樓小冰倉內(nèi)也設有阻旋式料位計，當小冰倉內(nèi)冰低于低位料位計葉片位置時，系統(tǒng)給冰庫發(fā)出送冰指令，冰庫開始送冰作業(yè)，待小冰倉內(nèi)冰達到高位料位計高度時，自動停止上冰工作，冰庫系統(tǒng)又恢復到“制冰”循環(huán)，在此也出現(xiàn)過把小冰倉上滿，甚至小冰庫門都被涌出的冰堵住的情況。

　　輸冰管路為鋁管，6m一根，兩根管子的連接采用不銹鋼帶內(nèi)襯膠皮密封，螺栓拉緊，連接接頭長度約30cm ，拆卸方便，密封良好。

　　通過時間繼電器時間的合理設置，外加一個浮球開關、兩個阻旋料位計控制系統(tǒng)各動作，制冰、送冰過程實現(xiàn)全自動化控制，操作員進行巡檢，處理“非正?！鼻闆r。

　　冰庫維持溫度系統(tǒng)為獨立制冷系統(tǒng)，采用氟利昂制冷劑的制冷機，相當于一個大的分體式空調(diào)機，根據(jù)冰庫內(nèi)溫度情況自動開啟、關閉，采用電加熱除霜。除需要進冰庫內(nèi)維修設備或是在冬季對冰庫進行全面檢修時才停機，即便是一個月或更長的時間不用冰，冰庫內(nèi)的冰也不會融化。現(xiàn)在我們水電系統(tǒng)常用的冰庫維持溫度系統(tǒng)是借用制冷系統(tǒng)的大氨壓機來制冷的，由于大氨壓機運行費用高，實際工作中，若2天內(nèi)不用冰，就得把冰庫內(nèi)的冰全部清除掉，造成較大的浪費。

　　2.6水冷骨料

　　通過往輸送骨料的膠帶機上方淋低溫水（4℃），從而降低骨料溫度，由于在拌和樓配料樓料倉上方設置一臺三層篩面的振動篩進行二次篩分，所以在上料時采用混合上料，膠帶機布置在保溫廊道內(nèi)，其帶速為0.5~0.96m/s，噴林水量約500m/h。在往拌和樓料倉上料前半小時，需要提前開啟制冷水系統(tǒng)的設備，以便能預先將水冷骨料水池內(nèi)的水預冷。

　　2.7 混凝土后冷卻系統(tǒng)

　　三臺荷蘭生產(chǎn)的集裝箱式水冷機組用于混凝土后冷卻，該機組的氨壓機（活塞式）、蒸發(fā)器、冷凝器、循環(huán)水泵全部安裝在一個40英尺集裝箱內(nèi)，安裝、拆卸、運輸方便。但其使用性能一般，如在進行進水塔混凝土后冷卻時，由于制冷能力不足，最后借用上游制冷系統(tǒng)水冷骨料單元設備（由于正值冬季，水冷骨料暫時不用），另外把上、下游制冷系統(tǒng)制的冰往循環(huán)冷水池內(nèi)投放，才得以把進水塔的混凝土內(nèi)溫度如期降下來。

　　2.8 熱水鍋爐

　　在冬季施工中，需要加熱水攪拌混凝土，本系統(tǒng)安裝一臺燃油鍋爐，根據(jù)鍋爐內(nèi)水壓力情況自動控制水溫度。

　　2.9上游混凝土預冷系統(tǒng)

　　上游混凝土預冷系統(tǒng)布置三臺北極星90型制冰機（NORTH STAR 90），四臺氨壓機，冷凝器也比下游用的小些，其余的基本與下游一致。

　　對于重要設備，退場前除進行必要的檢修外，要抽真空，然后充入氮氣，防止設備內(nèi)部生銹。

3 評　述

　　小浪底水利樞紐工程混凝土預冷系統(tǒng)設計合理、布置緊湊，安裝方便，結構新穎，設備體積小，節(jié)能、環(huán)保、效率高、使用方便，基本實現(xiàn)了全自動化控制。

　由于氨壓機壓縮比大，吸入壓力很低，本系統(tǒng)加注的液氨量也很少，只有4t左右，而國內(nèi)常用混凝土預冷系統(tǒng)時采用過量供氨液的方法，需要氨液數(shù)量約是本系統(tǒng)的十幾倍。