環(huán)保型模塊制冷系統(tǒng)在混凝土生產(chǎn)中的應(yīng)用

鄭曉剛，何新初，李躍興

（1.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標準研究所，浙江 杭州 310012；2.杭州江河機電裝備工程有限公司，浙江 杭州 310012；3.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

在水電工程施工中大體積混凝土預冷是混凝土溫度控制的主要技術(shù)之一，預冷粗骨料又是生產(chǎn)預冷混凝土的主要預冷工藝之一。以往的混凝土預冷系統(tǒng)制冷劑一般為液氨（R717），采用工廠式建成制冷系統(tǒng)。2017 年廣西大藤峽左岸廠壩項目混凝土預冷系統(tǒng)擴容時，選用了制冷劑為氟里昂R507A 模塊化制冷系統(tǒng)（環(huán)保型模塊化制冷系統(tǒng)），是國內(nèi)水電工程混凝土生產(chǎn)中首次使用的新型制冷工藝。R507A制冷劑不具燃爆性、無毒，為一般化學產(chǎn)品，按一般危險源進行安全、環(huán)保處理。液氨R717 有毒、易燃爆，是施工現(xiàn)場的一個潛在的重大危險源，由R507A 制冷劑取代有毒、易燃爆的液氨R717 制冷劑，為施工現(xiàn)場消除了一個可能發(fā)生事故的重大危險源。目前在水電工程混凝土預冷工藝中，環(huán)保型模塊化制冷系統(tǒng)將逐步取代工廠式的液氨制冷系統(tǒng)。

1 環(huán)保型模塊化制冷系統(tǒng)

選用環(huán)保型的制冷劑，將全部或大部分設(shè)備安裝在集裝箱內(nèi)、由一個或多個集裝箱組成的模塊，在模塊內(nèi)形成閉環(huán)的制冷系統(tǒng)稱為環(huán)保型模塊化制冷系統(tǒng)。環(huán)保型模塊化制冷系統(tǒng)按功能分可分為粗骨料預冷系統(tǒng)（一次風冷、樓上風冷）、制冰及輸冰系統(tǒng)和制冷水系統(tǒng)模塊3 類制冷系統(tǒng)。環(huán)保型模塊化制冷系統(tǒng)按型式分可分為整體式模塊化制冷系統(tǒng)和分體式模塊化制冷系統(tǒng)。

整體模塊化制冷系統(tǒng)是指所制冷設(shè)備（制冷壓縮機及制冷輔助設(shè)施、空氣冷卻器及風機）均布置在一組40 尺集裝箱內(nèi)，可以應(yīng)用于針對某種粗骨料的預冷、制冰系統(tǒng)和制冷水系統(tǒng)。

分體模塊化制冷系統(tǒng)采用分級布置，制冷壓縮機及制冷輔助設(shè)施安裝在一組40 尺集裝箱內(nèi)形成冷源模塊，空氣冷卻器及風機安裝在一組20 尺集裝箱內(nèi)組成一個空冷模塊緊鄰粗骨料倉布置。1個冷源模塊給2～4 個空氣冷卻器模塊提供冷媒，實現(xiàn)多種粗骨料的同時預冷。分體模塊化制冷系統(tǒng)適用于粗骨料地面一次風冷和粗骨料拌合樓上二次風冷。

環(huán)保型模塊化制冷系統(tǒng)可以通過不同的模塊組合實現(xiàn)不同的預冷工藝，以制冰系統(tǒng)為例，既可以用1 組制冰模塊給2 座拌合樓（站）供冰，也可以用2 組制冰模塊組合一起給1 座拌合樓（站）供冰。

根據(jù)模塊化制冷系統(tǒng)的實際運行管理經(jīng)驗，制冰、制冷水模塊宜選用整體模塊化制冷系統(tǒng)，粗骨料一次風冷根據(jù)現(xiàn)場條件選擇整體模塊化制冷系統(tǒng)或分體模塊化制冷系統(tǒng)，粗骨料二次風冷宜選擇分體模塊化制冷系統(tǒng)。

2 冷卻粗骨料耗冷量的計算

粗骨料制冷模塊的主要設(shè)備參數(shù)需要根據(jù)冷卻粗骨料的耗冷量來確定，計算將粗骨料Gn由初溫T1冷卻到終溫T2需要的制冷量Qn，需要的制冷量計算公式如下。

式中Qn——冷卻粗骨料所需的制冷量，kJ/h；

C——粗骨料的比熱，kJ/（kg×℃）；

Mn——單位時間1 小時內(nèi)需要冷卻粗骨料的重量，kg/h；

T1——粗骨料的初始溫度，℃；

T2——粗骨料冷卻后的溫度，℃。

通過公式可計算出冷卻不同的粗骨料G1、G2、G3、G4由溫度T1冷卻到T2需要的制冷量Q1、Q2、Q3、Q4，最后得出需要的總制冷量Q0=Q1+Q2+Q3+Q4。

3 粗骨料制冷模塊的參數(shù)確定

對于制冷模塊型式的選擇需要考慮制冷模塊布置的場地情況、制冷模塊設(shè)備及安裝運行成本、安裝工期等因素。粗骨料風冷分一次風冷（地面）和二次風冷（拌合樓上），一般情況地面一次風冷料倉容積大、二次風冷料倉容積偏小，通常粗骨料降溫幅度主要在一次風冷，二次風冷主要起保溫和微降溫的作用。

由于布置形式的不同整體模塊式和分體模塊式的制冷系統(tǒng)參數(shù)的確定過程也有所不同。

整體模塊式制冷系統(tǒng)是一對一實現(xiàn)一種粗骨料的預冷，因此可以根據(jù)粗骨料的G1、G2、G3、G4各自冷卻所需要的制冷量Q1、Q2、Q3、Q4，來確定粗骨 料G1、G2、G3、G4對應(yīng)的 制冷主機、油冷器、儲液器、蒸發(fā)式冷凝器、空氣換熱器及風機等設(shè)備的參數(shù)，根據(jù)參數(shù)再匹配合適的設(shè)備組成整體模塊化制冷系統(tǒng)。

分體模塊式制冷系統(tǒng)由于采用統(tǒng)一的冷源模塊，因此需要根據(jù)粗骨料預冷所需要的總制冷量Q0來確定制冷主機、油冷器、儲液器、制冷劑輸送泵、蒸發(fā)式冷凝器等設(shè)備的參數(shù)，再根據(jù)G1、G2、G3、G4分別對應(yīng)需要的制冷量Q1、Q2、Q3、Q4，來計算各個二級模塊的空氣換熱器及風機的參數(shù)，再根據(jù)參數(shù)匹配合適的設(shè)備組成分體模塊化制冷系統(tǒng)。

4 不同型式粗骨料風冷模塊制冷系統(tǒng)及特點

4.1 粗骨料風冷模塊制冷系統(tǒng)

粗骨料模塊化制冷系統(tǒng)分為整體式模塊化制冷系統(tǒng)和分體式模塊化制冷系統(tǒng)。

4.1.1 一次風冷模塊制冷系統(tǒng)型式

粗骨料一次風冷料倉一般建在地面上，粗骨料一次風冷料倉冷卻的骨料量大、冷卻截面大、冷卻區(qū)域大，需要的制冷量大、風量大、風壓偏高。要求其相應(yīng)配備的制冷主機總?cè)萘看蟆⒖绽淦鳠峤粨Q器面積大，宜配備風量大、風壓偏高的離心風機。

粗骨料一次風冷模塊可選用整體式制冷模塊，每一種骨料對應(yīng)一組制冷單元，主機模塊和空冷模塊集中在一起，如圖1 所示，也可以采用分體式，即所有的骨料系統(tǒng)采用統(tǒng)一的冷源模塊，通過不同的空冷模塊，實現(xiàn)各自骨料的預冷，如圖2 所示。

圖1 整體模塊化制冷系統(tǒng)

圖2 分體模塊化制冷系統(tǒng)

4.1.2 二次風冷模塊制冷系統(tǒng)型式

拌合樓粗骨料通常作為二次風冷料倉對粗骨料進行第二次預冷，拌合樓的骨料倉較小冷卻的骨料量小、冷卻截面小、冷卻區(qū)域小，需要的制冷量較小、風量較小、風壓可略偏低。與其相應(yīng)配備的制冷主機容量較小、空冷器熱交換器面積較小。通常拌合樓上采用冷風機和冷卻器對粗骨料進行二次風冷，設(shè)備多而散，不利于安裝和維護，采用模塊式空冷模塊，把所有管道閘閥、管道彎頭、空冷器集和風機等中布置在集裝箱內(nèi)，如圖3 所示。

圖3 模塊化二次風冷系統(tǒng)

4.2 不同型式粗骨料風冷模塊制冷系統(tǒng)的特點

4.2.1 整體模塊式制冷系統(tǒng)特點

整體模塊化制冷系統(tǒng)末端蒸發(fā)器制冷劑供液方式為壓力膨脹閥直供液，與泵供液方式相比，不需配桶泵機組、集裝箱使用個數(shù)少、需要的制冷劑量少、建設(shè)運行成本低。

每座樓粗骨料G1、G2、G3、G4其對應(yīng)的空冷部分和冷源部分為一個整體模塊，是一個完全獨立的制冷系統(tǒng)（每座樓共4 個制冷子系統(tǒng)）。制冷系統(tǒng)可以設(shè)置不同的蒸發(fā)溫度，特別有利于解決小石倉凍倉的問題。不足之處是模塊制冷系統(tǒng)運行時，運行人員需要來回不斷巡回各個獨立的制冷系統(tǒng)。

整個整體模塊化制冷系統(tǒng)集裝箱內(nèi)的制冷機組及大部分管道在廠內(nèi)已經(jīng)固定安裝、檢驗完畢，在現(xiàn)場沒有外接制冷劑管道使安裝簡便、安裝工期短、工程量很小。

整體模塊化制冷系統(tǒng)對安裝場地要求有一定規(guī)模，要求場地方正、長寬方向能布置整體模塊式的集裝箱制冷機組。

4.2.2 分體模塊式制冷系統(tǒng)特點

分體模塊化制冷系統(tǒng)的末端蒸發(fā)器制冷劑供液方式為泵供液，與膨脹直供液相比蒸發(fā)器換熱效果好，但需要的制冷劑總量大、運行成本高。

每座樓粗骨料G1、G2、G3、G4倉對應(yīng)的4 個空冷模塊由同1 個冷源模塊提供冷源，由于共1個冷源模塊便于集中管理，可以減輕運行人員的勞動強度。

由于空冷模塊和冷源模塊有一定距離需要管道連接讓制冷系統(tǒng)形成回路，現(xiàn)場安裝的管道長且直徑大，相對整體模塊式制冷系統(tǒng)工程量大，安裝工序多、安裝工期長。

由于空冷模塊和冷源模塊分開布置，冷源模塊可以根據(jù)地形條件靈活布置。

4.3 粗骨料風冷模塊制冷系統(tǒng)的適用范圍

4.3.1 一次粗骨料風冷

整體模塊化制冷系統(tǒng)現(xiàn)場安裝簡便、安裝工期短、工程量很小，管理運行成本低。由于骨料一次風冷空冷器與制冷站距離短落差小，可以適用整體模塊式的集裝箱制冷機組。在場地條件允許的情況下粗骨料一次風冷系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用整體模塊化制冷系統(tǒng)，當場地受限制時或總制冷容量偏小時才考慮選用分體式模塊化制冷系統(tǒng)。

4.3.2 二次粗骨料風冷

拌合樓上的骨料倉容積小、骨料冷卻時間短、降溫幅度小，相對于骨料的一次風冷配備的制冷容量要小很多。

拌合樓上粗骨料二次風冷時，具有空冷器與制冷站（冷源模塊）落差大、總制冷容量偏小的特點。如粗骨料二次風冷時使用每種粗骨料對應(yīng)一組整體式制冷模塊在經(jīng)濟上很不合適、場地條件可能也不一定允許搭置立柱桁架支撐整體式制冷模塊，因此拌合樓上粗骨料二次風冷時宜選用分體式模塊化制冷系統(tǒng)，空冷器也宜應(yīng)選用模塊式。

5 結(jié)語

通過廣西大藤峽項目混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)、湖南五強溪擴機項目混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)、云南TB 大壩混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)驗，混凝土粗骨料一次風冷（地面風冷）在場地允許的情況下宜首先考慮選用整體模塊化制冷系統(tǒng)，當場地狹小時宜考慮選用分體式模塊制冷系統(tǒng)，混凝土粗骨料二次風冷（拌合樓上風冷）宜選用分體模塊化制冷系統(tǒng)。根據(jù)理論分析結(jié)合現(xiàn)場情況選取整體式制冷系統(tǒng)模塊或分體式制冷系統(tǒng)模塊，在制冷系統(tǒng)的建設(shè)、運行管理的成本具有一定的經(jīng)濟效益。

模塊化制冷系統(tǒng)處于推廣應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的不足之處也需要不斷完善。如整體化模塊制冷系統(tǒng)應(yīng)用于粗骨料G1、G2、G3、G4冷卻時，每種粗骨料Gn制冷模塊都是自己的控制系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)運行時需要到各個模塊巡視、由于模塊空間小設(shè)備運行的噪音也影響工作環(huán)境。如能在G1、G2、G3、G4的模塊內(nèi)配置一些攝像頭和應(yīng)急開關(guān)，將控制部分獨立出來全部布置在一個集裝箱內(nèi)G1、G2、G3、G4的模塊變成集中控制、運行人員也可以通過攝像頭監(jiān)控各模塊內(nèi)部的情況，可以減少操作人員的勞動強度和改善工作環(huán)境，同時也提高了工作效率。不斷對系統(tǒng)的不足之處進行優(yōu)化改進，才能提高模塊化制冷系統(tǒng)的技術(shù)進步和實用性。