冷媒制冷在兩河口水電站拌和站中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張瑞麟，羅加林

(中國葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，成都，610091)

1 概述

雅礱江兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，為雅礱江中下游的“龍頭”水庫，水庫總庫容為107.67億m3，調(diào)節(jié)庫容65.6億m3，電站裝機(jī)容量300MW，多年平均年發(fā)電量110億kW·h，投資640億。

兩河口水電站混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)由總包方自行設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)，主要向泄水建筑物系統(tǒng)提供高溫季節(jié)出機(jī)口溫度不大于12℃的溫控預(yù)冷混凝土，混凝土總量約178萬m3。拌和站混凝土澆筑的最大月強(qiáng)為57200m3，制冷混凝土的最大生產(chǎn)月強(qiáng)度為49713m3。

兩河口水電站混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模為：最低出機(jī)口溫度12℃的預(yù)冷混凝土生產(chǎn)能力150m3/h，常態(tài)混凝土生產(chǎn)能力190m3/h。系統(tǒng)配置HL240-2S3000RL型拌合樓兩座、CW504型冷水機(jī)組兩座、FIP93+AIS23+ID15A型制冰機(jī)組兩座、GLFL1454骨料風(fēng)冷機(jī)組一座。

2 制冷設(shè)計(jì)說明與熱平衡計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，兩河口混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)預(yù)冷混凝土最大月生產(chǎn)強(qiáng)度峰值是5萬m3，預(yù)冷難度最大的是泄水工程抗沖耐磨混凝土C18050W8F100，混凝土出機(jī)口溫度不大于12℃。預(yù)冷混凝土各成分溫度：骨料溫度18℃，摻和料水泥溫度取45℃，預(yù)冷混凝土生產(chǎn)能力150m3/h。

系統(tǒng)的預(yù)冷設(shè)備設(shè)計(jì)與選型均以抗沖耐磨混凝土C18050W8F100為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，則其它型號的各種預(yù)冷混凝土均可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，配合比見表1。

表1 抗沖耐磨混凝土C18050W8F100配合比

雅礱江兩河口水電站夏季7月份多年高溫月平均氣溫和水溫分別為30℃和22℃，考慮到兩河口地處高原高寒地區(qū)，施工黃金期為夏秋季節(jié)。春冬季因氣溫長期低于5℃，導(dǎo)致室外混凝土基本無法澆筑，故夏秋季節(jié)白天必須持續(xù)澆筑，特別是6、7、8三個(gè)月白天氣溫普遍在30℃以上。

7月份混凝土原材料溫度：水泥計(jì)算溫度45℃；粉煤灰計(jì)算溫度45℃；粗骨料計(jì)算溫度按夏季7月份為30℃；細(xì)骨料計(jì)算溫度按夏季7月份為22℃；拌和冷水溫度6℃；拌和片冰溫度-5℃。另外，該工程粗細(xì)骨料均為骨料。

7、8月份如是大晴天，白天早上10時(shí)到下午4時(shí)太陽輻射猛烈會(huì)導(dǎo)致上述材料氣溫超過上述值，此情況不是普遍值。考慮到經(jīng)濟(jì)性，高于此溫度的設(shè)計(jì)計(jì)算不在本方案中論證?；炷猎牧衔锢怼崃W(xué)性參數(shù)見表2。

表2 混凝土原材料物理、熱力學(xué)性能參數(shù)

混凝土C18050W8F100出機(jī)口溫度按下式計(jì)算：

To=∑Ci·Gi·Ti+Q∑Ci·Gi

To——混凝土出機(jī)口溫度，℃；

Ci——混凝土第i種原材料比熱，kcal/kg·℃；

Gi——組成每m3混凝土第i種原材料的質(zhì)量，kg；

Ti——混凝土第i種原材料的平均溫度，℃

Q——每m3混凝土拌和時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械熱，kcal/m3，取Q=1500kcal/m3。

對預(yù)冷混凝土C18050W8F100出機(jī)口溫度熱平衡進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 混凝土出機(jī)口溫度熱平衡計(jì)算(C18050W8F100/二級)

根據(jù)上表計(jì)算，每立方混凝土加冰44kg，添加的冷水溫度不超過6℃，冷卻骨料溫度至5℃～6℃(由于骨料冷卻之后，直接用于拌合，中間并沒有運(yùn)輸過程，可以在風(fēng)冷過程中考慮部分余量即可)，即可滿足混凝土出機(jī)口溫度不超過12℃的要求。

(1)風(fēng)冷系統(tǒng)：將骨料由18℃降至5℃，考慮損耗等，風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的制冷量約為1450kW。

(2)制冰系統(tǒng)：設(shè)計(jì)計(jì)算，每立方加冰量為44kg，日平均生產(chǎn)預(yù)冷混凝土1989m3，一天加冰量約為87.5t。

(3)冷水系統(tǒng)：冷水量，按照每立方加水140kg，每小時(shí)150m3的混凝土生產(chǎn)量所需冷水量為21m3/h。

3 設(shè)備選型與論證

目前，國內(nèi)大型拌和站制冷設(shè)備主要采用兩種模式，分別是冷媒制冷和氨制冷。雅礱江兩河口地處甘孜藏族自治州，是中國藏區(qū)綜合規(guī)模最大的水電站工程，是我國第一高、世界第三高土石壩，是雅礱江上游開發(fā)的龍頭電站，也是國家重點(diǎn)工程，為保證工程的順利進(jìn)行，響應(yīng)國家“青山綠水就是金山銀山”的號召，制冷設(shè)備在如下方面進(jìn)行選型與論證。

冷媒制冷設(shè)備制冷劑采用氟(R22)，氨制冷設(shè)備制冷劑采用的是氨(R717)，兩者都是中溫制冷劑，在常溫下的冷凝壓力和單位容積制冷量相差不大，但為提高制冷量，制冷劑在節(jié)流以前一般均需要過冷。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)冷凝溫度tk=30℃，蒸發(fā)溫度to=-15℃時(shí)，每過冷1℃制冷系數(shù)R22增加0.85%，而R717為0.46%。

3.1 安全性與環(huán)保性

氨對人體有毒，氨蒸氣無色，具有強(qiáng)烈的刺激性臭味，濃度達(dá)到11%～14%時(shí)即可點(diǎn)燃，當(dāng)濃度達(dá)到16%～25%會(huì)引起爆炸。葛洲壩青江高壩洲、云南漫灣、三峽、江浙和福建等地曾多次發(fā)生氨制冷系統(tǒng)跑氨爆炸事故，導(dǎo)致設(shè)備毀壞的慘重?fù)p失。

氟里昂是一種常用的高、中、低溫制冷劑。它無色，無味，不燃燒，不爆炸，化學(xué)性能穩(wěn)定?；緹o毒(我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB7778-87綜合考慮制冷劑的燃燒性、爆炸性、對人體的直接侵害三個(gè)方面的因素，對制冷劑進(jìn)行安全分類，R22被列為第一安全類，而R717被列為第二安全類)。

國內(nèi)因?yàn)榘毙孤┰斐啥嗥鹗鹿?，例如寶山區(qū)豐翔路1258號翁牌冷藏實(shí)業(yè)有限公司發(fā)生液氨泄漏事故，造成15人死亡、20余人受傷。而氟即使泄漏，也只是對臭氧層有破壞，而對人是無害的。

3.2 壓縮機(jī)潤滑油特性

氨在潤滑油中的溶解度很小，因此氨制冷劑管道及換熱器的表面會(huì)積有油膜，影響傳熱效果。氨液的比重比潤滑油小，在貯液器和蒸發(fā)器中，油會(huì)沉積在下部，需要定期放出。

氟里昂能不同程度的溶解潤滑油，不易在系統(tǒng)中形成油膜，對傳熱影響很小。同時(shí)，氟里昂制冷機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)還考慮到了工質(zhì)的替代問題，即在使用新工質(zhì)時(shí)，無須對系統(tǒng)進(jìn)行改動(dòng)。

3.3 制冷系統(tǒng)

氨制冷系統(tǒng)氨機(jī)需提供泵供液系統(tǒng)及復(fù)雜的回油機(jī)構(gòu)，致使系統(tǒng)龐大、輔機(jī)多、管路復(fù)雜，閥門多，施工安裝程序復(fù)雜，施工周期長。同時(shí)會(huì)帶來故障隱患的增加(江浙和兩廣等地，氨系統(tǒng)曾發(fā)生多起蒸發(fā)管道和加氨管道、閥門破裂、脫開等引起跑氨事故。氨閥閥芯脫落，陷入閥體內(nèi)卡死的事故更是頻繁發(fā)生)。由于氨具有較大的毒性，機(jī)房向外開啟的門不允許通向生產(chǎn)性廠房，氨制冷系統(tǒng)的設(shè)備間不宜布置在其它廠房的共同建筑之內(nèi)。而且氨機(jī)運(yùn)行時(shí)噪音大，振動(dòng)較大，產(chǎn)生的動(dòng)載荷大，對庫體的影響不可忽略，因此必須單獨(dú)設(shè)置機(jī)房。且氨系統(tǒng)中閥門均為開啟式閥門，制冷劑的微量泄漏是無法避免的。

氟里昂的特性決定了氟系統(tǒng)管路較氨系統(tǒng)簡單。氟里昂機(jī)組的配置已經(jīng)非常完備，只需簡單的接管即能投入運(yùn)行。且氟機(jī)組體積小，占地少，不需單獨(dú)設(shè)置機(jī)房，大大節(jié)省了空間，機(jī)組噪音低，所有閥件為全封閉閥件，無工質(zhì)泄漏等問題。

3.4 控制系統(tǒng)

在制冷裝置的設(shè)計(jì)中，控制方式的選擇是一個(gè)重要課題。從節(jié)能的角度，自動(dòng)控制的水平越高，制冷裝置節(jié)能降耗的水平越高。在《冷庫冷藏冷凍新技術(shù)新工藝實(shí)用手冊》一書中，國內(nèi)有關(guān)專家在經(jīng)過實(shí)際測試得出結(jié)論：與手工操作相比，自動(dòng)控制的最大節(jié)電效果達(dá)44%。同時(shí)，隨著自動(dòng)控制程度和精度提高，制冷的產(chǎn)品質(zhì)量提高，產(chǎn)品成本降低；另一方面，自動(dòng)控制可以明顯防止事故發(fā)生，保障操作人員人身安全。自動(dòng)控制使操作調(diào)節(jié)的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作量大大減少，可以減少操作人員，因此，有條件時(shí)可以選用較高程度的自動(dòng)控制方式。

氨系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。其開、停機(jī)及供液調(diào)節(jié)等工作必須由人工操作完成，需設(shè)專業(yè)人員對氨機(jī)進(jìn)行24h管理，且保護(hù)裝置不完備。

氟系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)控制，無需專人看管。保護(hù)裝置完備，機(jī)組配有電壓保護(hù)、溫度保護(hù)、電流保護(hù)、壓力保護(hù)等完備的保護(hù)措施，并可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，能量調(diào)節(jié)范圍廣。

3．5 經(jīng)濟(jì)性

3．5．1 設(shè)備投資安裝費(fèi)用比較

經(jīng)市場詢價(jià)并結(jié)合以往總包拌和站運(yùn)行參數(shù)，初期投資安裝費(fèi)用，冷媒制冷設(shè)備建安費(fèi)510萬元，氨制冷設(shè)備建安費(fèi)320萬元，冷媒制冷比氨制冷超出190萬元。

3．5．2 運(yùn)行費(fèi)用

根據(jù)設(shè)備廠家提供參數(shù)并結(jié)合設(shè)計(jì)文件，氨制冷設(shè)備總功率2023kW，冷媒制冷設(shè)備功率1464kW，考慮預(yù)冷滿負(fù)荷運(yùn)行3個(gè)月，除設(shè)備建安費(fèi)，預(yù)冷設(shè)備運(yùn)行中最大成本是電費(fèi)與人工費(fèi)。

氨制冷設(shè)備用電量=2160×2023=437(萬kW·h)，冷媒制冷設(shè)備用電量=2160×1464=316(萬kW·h)。

雅礱江兩河口拌和站電費(fèi)0.5元/kW·H，人工費(fèi)1.2萬元/月，拌和站使用5年，設(shè)備運(yùn)行主要費(fèi)用=人工費(fèi)用+用電量，冷媒制冷設(shè)備每年運(yùn)行費(fèi)經(jīng)計(jì)算是215.6萬元，氨制冷設(shè)備每年運(yùn)行費(fèi)經(jīng)計(jì)算是290.5萬元。

經(jīng)濟(jì)性方面，冷媒制冷設(shè)備建安費(fèi)與運(yùn)行費(fèi)合計(jì)725.6萬元，氨制冷設(shè)備建安費(fèi)與運(yùn)行費(fèi)合計(jì)610.5萬元。

3.6 設(shè)備運(yùn)行的可靠性

根據(jù)制冷對象的不同，對制冷過程的可靠性要求也不同。對于制冷降溫過程不允許中斷的重要場合，顯然應(yīng)選擇可靠性高的制冷機(jī)，防止由于維修等原因造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

氨設(shè)備氨系統(tǒng)輔助設(shè)備較多，管路比較復(fù)雜，因此易損件也多，一旦某個(gè)部件出現(xiàn)故障，將會(huì)影響整個(gè)氨系統(tǒng)的制冷效果，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)制冷系統(tǒng)癱瘓。

冷媒設(shè)備氟系統(tǒng)比起氨系統(tǒng)要簡單的多，易損件也少，因此氟機(jī)并聯(lián)機(jī)組運(yùn)行可靠，即使某個(gè)部件或一臺(tái)壓縮機(jī)出現(xiàn)故障，也不會(huì)影響到整個(gè)制冷系統(tǒng)，其維修期較短。

綜上所述，雅礱江兩河口水電站混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)最終選用冷媒制冷設(shè)備(R22)。

4 設(shè)備運(yùn)行

考慮到雅礱江兩河口電站是國家重點(diǎn)工程，確保電站大體積結(jié)構(gòu)混凝土的強(qiáng)度與質(zhì)量，最大限度從源頭解決混凝土裂紋缺陷，經(jīng)市場考察與招標(biāo)流程，拌和樓冷媒制冷設(shè)備最終選用上市公司福建雪人的成套冷媒制冷設(shè)備，冷媒制冷劑統(tǒng)一為R22冷媒，核心組件是空氣壓縮機(jī)。設(shè)備安裝、試運(yùn)行、人員培訓(xùn)過程中均有BIM技術(shù)應(yīng)用，直觀、易懂，大大加快了設(shè)備建安進(jìn)度，提高了運(yùn)行人員培訓(xùn)效果。

雅礱江兩河口拌和站系統(tǒng)配置HL240-2S3000RL型拌合樓兩座、CW504型冷水機(jī)組兩座、FIP93+AIS23+ID15A型制冰機(jī)組兩座、GLFL1454骨料風(fēng)冷機(jī)組一座。預(yù)冷混凝土生產(chǎn)中，制冷設(shè)備開機(jī)優(yōu)先級分別是冷水機(jī)組、冷風(fēng)機(jī)組、制冰機(jī)組。抗沖耐磨混凝土C18050W8F100配合比中，經(jīng)熱平衡測算，冷水是制冷效果最經(jīng)濟(jì)最快速的手段，然后是骨料冷風(fēng)與制冰。

(1)CW504型冷水機(jī)組生產(chǎn)能力為日產(chǎn)冷水量504t(24h)，進(jìn)水16℃、出水溫度≤2℃，核心組件是半封閉SRC-S-255-LZ壓縮機(jī)、SLC系列蒸發(fā)式冷凝器、ICW504S降幕式蒸發(fā)器。該設(shè)備優(yōu)點(diǎn)是采用降幕式蒸發(fā)器，換熱效率高，出水溫度≤2℃。降幕式蒸發(fā)器采用不銹鋼板片組成，與殼管式、板換式蒸發(fā)器相比更安全，蒸發(fā)器不容易凍壞，更衛(wèi)生，便于清潔維護(hù)，主要設(shè)備均安裝在集裝箱內(nèi)，便于移動(dòng)和運(yùn)輸。每座冷水機(jī)組單獨(dú)與每座HL240-2S3000RL型拌合樓連接，冷水直接進(jìn)入攪拌罐，冷水添加量在每方混凝土30kg左右，可以快速降低混凝土溫度。

(2)FIP93+AIS23+ID15A型制冰機(jī)組生產(chǎn)能力為90t/d制冰系統(tǒng)，18t儲(chǔ)冰能力，具有制冰、儲(chǔ)冰、氣力送冰系統(tǒng)，核心組件是半封閉SW5L-110壓縮機(jī)、SLC1800系列蒸發(fā)式冷凝器、JZXF400S片冰機(jī)蒸發(fā)器。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是制冰機(jī)蒸發(fā)器采用特殊的設(shè)計(jì)及加工工藝，增強(qiáng)傳熱效率，提高能效。制冰機(jī)及儲(chǔ)冰庫均安裝在集裝箱內(nèi)，不僅減少了現(xiàn)場施工量，而且便于移動(dòng)和運(yùn)輸，全自動(dòng)化，自動(dòng)制冰、刮冰、儲(chǔ)冰、送冰。送冰裝置采用風(fēng)送形式，對安裝位置要求低，使用靈活，根據(jù)多年的使用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備安全穩(wěn)定。每座制冰機(jī)組單獨(dú)與每座HL240-2S3000RL型拌合樓連接，片冰經(jīng)壓縮空氣管道連接，進(jìn)入攪拌罐，片冰添加量在每方混凝土40kg以下，最低可實(shí)現(xiàn)混凝土出機(jī)口溫度9℃左右。

(3)GLFL1454骨料風(fēng)冷機(jī)組生產(chǎn)能力為骨料出料溫度5℃～7℃，核心組件是半封閉Refcomp壓縮機(jī)、SLC系列蒸發(fā)式冷凝器、SLD-1700W/110G空冷器。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是主要設(shè)備均安裝在集裝箱內(nèi)，各集裝箱之間的管道采用法蘭連接，現(xiàn)場施工量少，便于移動(dòng)和運(yùn)輸；壓縮機(jī)潤滑油采用工質(zhì)冷卻，油冷卻器不需要定期清洗。冷風(fēng)機(jī)組安裝在6000T骨料倉側(cè)部，冷風(fēng)通道與骨料倉采用鋼制百葉窗連接，持續(xù)風(fēng)冷卻骨料，可以保證混凝土出機(jī)口溫度平穩(wěn)無較大幅度波動(dòng)。

每次預(yù)冷混凝土生產(chǎn)前，提前4h開啟冷媒制冷設(shè)備，提前制冰、風(fēng)冷骨料、制冷水，達(dá)到預(yù)定溫度后，開啟混凝土生產(chǎn)。整個(gè)系統(tǒng)均是自動(dòng)聯(lián)動(dòng)，在拌和站控制室輸入指令后，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行?；炷涟柚频那叭拮龊脺囟取⑺涠?、含氣量檢測，經(jīng)微調(diào)后，自動(dòng)進(jìn)入后續(xù)預(yù)冷混凝土拌制生產(chǎn)。做好每日設(shè)備保養(yǎng)和月檢修工作，設(shè)備完好率可到97%以上。

經(jīng)過三年的實(shí)地運(yùn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，冷媒制冷設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、安全環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良，達(dá)到了預(yù)期效果，為雅礱江兩河口水電站大體積結(jié)構(gòu)混凝土的質(zhì)量穩(wěn)定提供了堅(jiān)實(shí)保障。

5 結(jié)語

冷媒制冷設(shè)備(R22)在雅礱江兩河口水電站拌和站應(yīng)用取得了成功，整套設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，經(jīng)濟(jì)效果顯著，無安全與環(huán)保事故，工作運(yùn)行環(huán)境較氨制冷設(shè)備大幅改進(jìn)。同時(shí)大體積結(jié)構(gòu)混凝土在生產(chǎn)拌制過程中采用預(yù)冷技術(shù)，大幅降低混凝土內(nèi)部水化熱，整體混凝土裂紋得到了有效控制，混凝土總體質(zhì)量要求滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，推薦在基建行業(yè)大體積結(jié)構(gòu)混凝土施工中積極運(yùn)用。