摘要:拌和制冷系統(tǒng)是水利工程拌制溫控混凝土的關(guān)鍵，其具有與季節(jié)環(huán)境反差特性，決定制冷系統(tǒng)高能耗及偏低的環(huán)境親和性。通過創(chuàng)新改造制冷系統(tǒng)局部工藝及構(gòu)造，回收制冷系統(tǒng)中眾多冷凝器運(yùn)行伴生的溫水用于系統(tǒng)的蒸發(fā)器表面沖霜，回收氣力輸冰的預(yù)冷空氣實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用。在降低制冷系統(tǒng)能耗、提高運(yùn)行工效的同時(shí)，緩解系統(tǒng)產(chǎn)生的廢棄物對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的影響。

關(guān)鍵詞:水利工程;制冷系統(tǒng);拌和;蒸發(fā)器;氣力輸送

廣西大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端，是紅水河梯級(jí)規(guī)劃中最末一個(gè)梯級(jí)電站。工程主要任務(wù)為防洪、航運(yùn)、發(fā)電、補(bǔ)淡壓咸、灌溉等綜合利用。樞紐建筑物主要包括泄水、發(fā)電、通航、擋水、灌溉取水及過魚建筑物等。擋水建筑物由黔江主壩、黔江副壩、南木江副壩組成。大藤峽船閘工程混凝土總量約240 萬m3 ，原規(guī)劃混凝土澆筑強(qiáng)度高峰月在2017 年8 月，月澆筑預(yù)冷混凝土量為9 ．35 萬m3 。系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力:預(yù)冷混凝土高峰期澆筑強(qiáng)度為290m3/h(出機(jī)口溫度11 ℃)。工程實(shí)施期間，提高了混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn):原規(guī)劃預(yù)冷混凝土出機(jī)口溫度為11 ℃，月澆筑強(qiáng)度為9 ．35 萬m3/月;實(shí)施期間要求預(yù)冷混凝土出機(jī)口溫度為7 ℃，月澆筑強(qiáng)度達(dá)到12 ．3 萬m3/月。混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)苛，預(yù)冷混凝土澆筑強(qiáng)度提高約30%，給拌和制冷系統(tǒng)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為滿足混凝土出機(jī)口溫度和月澆筑高峰強(qiáng)度的要求，擬擴(kuò)充拌和制冷系統(tǒng)容量。改造內(nèi)容主要包括:骨料輸送系統(tǒng)改造、一次風(fēng)冷料倉擴(kuò)建、制冷系統(tǒng)改造、拌和樓儲(chǔ)料罐改造、電氣系統(tǒng)改造、拌和樓的隔熱改造、運(yùn)輸車輛保溫改進(jìn)、倉面噴霧措施改進(jìn)、船閘混凝土二期通水冷水機(jī)組增加，以及其他相關(guān)配套設(shè)施改造。

1 拌和制冷系統(tǒng)局部工藝改造

預(yù)冷混凝土的重點(diǎn)是風(fēng)冷骨料，骨料二次風(fēng)冷是拌制出機(jī)口溫度小于或等于7 ℃的預(yù)冷混凝土的關(guān)鍵［1 ］。混凝土骨料預(yù)冷措施包括預(yù)冷綜合措施、常規(guī)一次風(fēng)冷預(yù)冷骨料技術(shù)、二次風(fēng)冷骨料技術(shù)。拌制出機(jī)口溫度小于或等于7 ℃的混凝土主要預(yù)冷措施是采用“兩次風(fēng)冷骨料及加冰”技術(shù)預(yù)冷混凝土［2 ］，即在地面骨料倉內(nèi)第一次用冷風(fēng)風(fēng)冷粗骨料，在拌和樓料倉內(nèi)第二次通風(fēng)風(fēng)冷粗骨料，最后以片冰代替水拌和混凝土;拌制出機(jī)口溫度小于或等于7 ℃的預(yù)冷混凝土需在拌和過程中添加片冰。拌和制冷系統(tǒng)優(yōu)選制冰設(shè)備即可保證片冰的生產(chǎn)能力，但片冰輸送供應(yīng)存在亟待解決的問題。輸送片冰目前廣泛采用氣力輸送方式;氣力輸冰，其輸送距離長(zhǎng)、輸送設(shè)備安裝方便，但碎冰堵塞是制約氣力輸冰的關(guān)鍵。氣力輸冰堵塞主要體現(xiàn)在輸冰管路堵塞、冰稱及冰稱前的螺旋位置堵塞、臨時(shí)儲(chǔ)存碎冰的冰倉內(nèi)堵塞。解決氣力輸冰管路堵塞問題，需保持碎冰干燥的同時(shí)采用冷空氣作為輸冰載體，避免片冰溫升造成冰堵;解決冰倉及螺旋機(jī)構(gòu)堵塞問題，可采取移動(dòng)儲(chǔ)冰代替固定儲(chǔ)冰，用立體取冰代替分層取冰避免冰庫底部強(qiáng)固結(jié)冰，改變冰倉輸冰方式可解決冰倉堵塞難題。拌和制冷系統(tǒng)設(shè)有大量的蒸發(fā)器設(shè)施，制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)為了提高蒸發(fā)器的熱傳導(dǎo)效率，每天須定時(shí)對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行沖洗，去除蒸發(fā)管表面的結(jié)霜。蒸發(fā)器沖霜一般選擇常溫水，但沖霜時(shí)水量需求大，若按照最大沖霜水量配置需建造超出常規(guī)拌和系統(tǒng)用水量4 ～7 倍的供水系統(tǒng)，將造成拌和供水系統(tǒng)過于冗余。解決蒸發(fā)器常溫水沖霜的問題，可收集制冷系統(tǒng)冷凝器運(yùn)行伴生的溫水作為沖霜水，溫水沖霜工效高，可降低對(duì)制冷系統(tǒng)干擾。

2 蒸發(fā)器化霜提高運(yùn)行工效

拌和制冷系統(tǒng)的冷風(fēng)、冷水及片冰，通常由制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器(吸收熱量)和冷凝器(釋放熱量)往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)生產(chǎn)制備。制冷劑由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，是一個(gè)冷凝釋放熱量過程;由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，是一個(gè)蒸發(fā)吸收熱量過程［3 ］。運(yùn)用制冷劑相態(tài)變化與吸收(釋放)熱量相關(guān)性，在制冷系統(tǒng)的冷凝器運(yùn)行時(shí)，制冷劑蒸汽介質(zhì)降溫液化，對(duì)外釋放熱量，釋放熱量被外部循環(huán)水吸收;蒸發(fā)器中液態(tài)制冷劑介質(zhì)吸收熱量升溫汽化，吸收需被降溫對(duì)象的熱量。為提高拌和制冷系統(tǒng)中蒸發(fā)器的熱傳導(dǎo)效率，每天須定時(shí)對(duì)蒸發(fā)器用水進(jìn)行沖洗，去除蒸發(fā)管表面的結(jié)霜。

2 ．1 蒸發(fā)器結(jié)霜處理

制冷系統(tǒng)設(shè)置大量蒸發(fā)器(冷凝器)吸收或釋放熱量生產(chǎn)冷風(fēng)、冷水及冰。蒸發(fā)器沖霜通常選用常溫水，要求的瞬時(shí)水量大，一般是常規(guī)拌和系統(tǒng)平均用水量的5 ～8 倍。若按照最大沖霜水量配置，將建造冗余度較大的供水系統(tǒng)，造成固定成本浪費(fèi);若按照拌和系統(tǒng)平均用水量配置，沖霜水量將不足，會(huì)延長(zhǎng)沖霜時(shí)間，擠占制冷系統(tǒng)的有效工作時(shí)間。

2 ．2 回收冷凝器溫水沖霜

制冷系統(tǒng)冷凝器運(yùn)行時(shí)蒸汽在其內(nèi)部釋放熱量降溫而液化，熱量傳給冷凝器外部循環(huán)水;水吸收釋放的熱量，可獲取制冷系統(tǒng)副產(chǎn)品―――溫水;回收并臨時(shí)存儲(chǔ)溫水，將溫水作為蒸發(fā)器定時(shí)沖霜、化霜介質(zhì)。制冷系統(tǒng)冷凝器產(chǎn)生的溫水作為各蒸發(fā)器定時(shí)沖霜介質(zhì)，解決了在傳統(tǒng)常溫水沖霜方式下的工效低、工作時(shí)間長(zhǎng)、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重的問題。回收制冷系統(tǒng)冷凝器溫水沖霜主要包括補(bǔ)水系統(tǒng)、內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)、外循環(huán)水系統(tǒng)、沖霜系統(tǒng)，其中外循環(huán)水系統(tǒng)主要由沖霜水池和外循環(huán)泵組成，沖霜系統(tǒng)主要由沖霜水泵、污水靜水池、控制閘閥組成。回收冷凝器溫水沖霜工藝見圖1 。回收暫存制冷系統(tǒng)冷凝器運(yùn)行伴生品―――溫水，在需對(duì)蒸發(fā)器的蒸發(fā)管表面結(jié)霜沖洗時(shí)，可抽取溫水進(jìn)行沖霜作業(yè)。利用制冷系統(tǒng)副產(chǎn)品―――溫水作為沖霜介質(zhì)，提高化霜、沖霜工效，降低水資源消耗，確保蒸發(fā)器熱傳導(dǎo)工效的同時(shí)，避免制冷系統(tǒng)副產(chǎn)品(溫水)無功排放，降低制冷系統(tǒng)對(duì)周邊環(huán)境的影響。

3 控制氣力輸冰能耗

3 ．1 氣力輸冰

氣力輸送碎冰方式目前采用較為廣泛。氣力輸冰輸送距離長(zhǎng)，輸送設(shè)備安裝方便，但碎冰堵塞是制約氣力輸冰的關(guān)鍵。氣力輸冰的機(jī)理:從冰庫中輸出經(jīng)深冷處理的片冰與低壓高速氣流混合，形成冰、氣兩相流，通過管路送到用冰點(diǎn)［4 ］。用冰點(diǎn)內(nèi)冰氣分離，片冰依靠重力墜落進(jìn)入小冰倉臨時(shí)存儲(chǔ)，而預(yù)冷空氣排入大氣。為保證輸冰連續(xù)性，避免片冰溫升造成冰堵，需嚴(yán)格控制輸冰氣體溫度。氣力輸冰的主要問題是堵管［5 ］，造成輸冰停止，影響輸冰的連續(xù)性和效率。冰是一種透明的六方晶體，在常壓下冰的熔點(diǎn)為0 ℃，熔點(diǎn)隨著壓力的增高而降低;冰的溫度越低，其導(dǎo)熱性能越好;冰的溫度越低，其抗壓強(qiáng)度越高。根據(jù)冰的物理特性，氣力輸冰時(shí)由于摩擦、機(jī)械動(dòng)力等多種原因造成片冰溫度的升高，進(jìn)而凝結(jié)成團(tuán)堵塞管道;或者片冰逐步黏附在管壁上，使得輸冰停滯。輸冰的氣體溫度高，冰凝結(jié)成團(tuán)，在氣力輸送過程中易破碎，使得表面?zhèn)鳠崦娣e增加，進(jìn)一步加劇片冰溫度升高;片冰吸熱熔化增加黏附性。要解決氣力輸冰過程中冰堵、結(jié)團(tuán)等問題，需控制或降低輸冰氣體的溫升。輸氣溫度低，片冰的溫度就低，其抗壓強(qiáng)度就越高，片冰外形易保持完整，在輸送管道內(nèi)碎冰可保持懸浮狀態(tài)。片冰在輸送過程中通過管道時(shí)產(chǎn)生的摩擦力和附著力小，氣力輸冰效率越高。

3 ．2 回收氣力輸冰的預(yù)冷空氣

氣力輸冰系統(tǒng)采用的是開放式輸氣系統(tǒng)，造成輸冰預(yù)冷空氣自由溢散浪費(fèi)，輸冰能耗高。改造氣力輸冰系統(tǒng)，不改變氣力輸冰工藝原理，只將原排入大氣的預(yù)冷空氣回收，送回羅茨風(fēng)機(jī)車間，降低車間環(huán)境溫度，從而降低風(fēng)機(jī)氣源溫度。回收氣力輸冰的預(yù)冷空氣流程見圖2 。氣力輸冰中的預(yù)冷空氣回收系統(tǒng)，包括輸送系統(tǒng)和氣源回收系統(tǒng)。輸送系統(tǒng)包括密封輸送管道以及設(shè)置在密封輸送管道上的關(guān)風(fēng)機(jī);密封輸送管道的輸入端與動(dòng)力氣源連接，輸出端與卸料倉連接。卸料倉上設(shè)有氣源回收系統(tǒng)，回收管道一端與卸料倉連接，另一端與動(dòng)力氣源工作間連接;動(dòng)力氣源設(shè)置在隔熱保溫的獨(dú)立工作間內(nèi)。輸冰預(yù)冷空氣通過氣源回收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用，在降低輸冰能耗的同時(shí)提高輸冰效率。

4 拌和制冷系統(tǒng)節(jié)能降耗改造工程應(yīng)用

大藤峽船閘項(xiàng)目拌和制冷系統(tǒng)于2017 年正式投入使用。2017 年澆筑混凝土約71 萬m3 ，其中:溫控混凝土月澆筑量為58 ．5 萬m3;12 月的日最高澆筑混凝土量達(dá)6463m3 ，月澆筑混凝土量突破13 萬m3 。2018 年澆筑混凝土約126 ．2 萬m3 ，其中:溫控混凝土約117 ．1 萬m3;月最高澆筑強(qiáng)度13 ．2 萬m3/月，平均月澆筑強(qiáng)度超過10 萬m3/月。改造后的氣力輸冰系統(tǒng)，在外界溫度30 ℃條件下，可以在氨冷卻器出口獲得6 ℃的預(yù)冷空氣。與改造前的氣力輸冰系統(tǒng)比較，冷風(fēng)溫度降低了近50%。輸冰阻力減少，工效提高;堵管現(xiàn)象減少;也避免了預(yù)冷空氣排放對(duì)環(huán)境的影響。氣力輸冰預(yù)冷空氣回收再利用提高了輸冰效率、降低輸冰能耗，與改造前的氣力輸冰系統(tǒng)相比，每立方米預(yù)冷混凝土成本降低約1 ．5 元。拌和系統(tǒng)平均用水量150m3/h，制冷系統(tǒng)冷凝器需980m3/h常溫水沖霜，化霜時(shí)間為0 ．5h。改造冷凝器沖霜工藝，回收制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器伴生的溫水用于冷凝器沖霜，溫水沖霜時(shí)間短、工效高，拌和系統(tǒng)平均用水量即能滿足沖霜用水的需求。

5 結(jié)論

制冷系統(tǒng)局部創(chuàng)新改造，回收制冷系統(tǒng)冷凝器運(yùn)行伴生的溫水，用于蒸發(fā)器定時(shí)沖霜、化霜，減少水資源損耗，解決使用常溫水沖霜工效低、化霜不徹底、沖霜作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)的難題，同時(shí)避免溫水無功損耗。回收氣力輸冰的預(yù)冷空氣，避免輸冰冷空氣自由溢散，將輸冰的預(yù)冷空氣作為循環(huán)氣源，降低氣力輸冰能耗，解決氣力輸冰易堵管、結(jié)團(tuán)及能耗過高等難題，緩解制冷系統(tǒng)排放物對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的影響，與周邊環(huán)境更加親和。拌和制冷系統(tǒng)局部節(jié)能降耗創(chuàng)新改造在廣西大藤峽船閘工程成功應(yīng)用，取得較好的節(jié)能環(huán)保效益，后續(xù)將進(jìn)一步開展拌和制冷系統(tǒng)節(jié)能改造，促進(jìn)制冷系統(tǒng)節(jié)能、低碳、高效運(yùn)行，同時(shí)與周邊環(huán)境更和諧。

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