托巴水電站主體砂石加工系統(tǒng)設計及應用

陳前仕 黃芳芳 郭勇軍

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

目前我國在水電工程砂石加工業(yè)務領域,生產(chǎn)控制和生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)仍需要根據(jù)生產(chǎn)管理人員的經(jīng)驗、技能進行分析判斷、決策管理,存在人工成本高、能耗大、污染環(huán)境的問題。托巴水電站主體砂石系統(tǒng)場地十分狹窄,系統(tǒng)屬水利水電大型砂石系統(tǒng),招標文件要求綠色智慧砂石系統(tǒng)在行業(yè)內起引領、示范作用。針對系統(tǒng)場地狹窄、巖石抗壓強度及磨蝕系數(shù)高、系統(tǒng)生產(chǎn)能力大、成品骨料品種多、綠色智慧要求高、設計難度大等問題,依據(jù)母巖巖性、現(xiàn)場實際地形地質情況,結合自身經(jīng)驗并引入其他類似行業(yè)先進技術和設備,開展實用化設計研究,實現(xiàn)綠色砂石系統(tǒng)智慧化控制、信息化管理和智慧化決策,促進砂石生產(chǎn)管理效率的提高和工程達標創(chuàng)優(yōu)。

1 工程概況

托巴水電站位于云南省迪慶藏族自治州維西傈僳族自治縣中路鄉(xiāng)境內,屬Ⅰ等大(1)型工程,樞紐主要由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、右岸地下輸水發(fā)電系統(tǒng)等組成。擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩,最大壩高158.00m。

托巴水電站主體砂石加工系統(tǒng)由左岸托巴溝砂石加工系統(tǒng)(見圖1、圖3)、中間跨江貝雷橋及長距離曲線膠帶機輸送系統(tǒng)、右岸篩洗分級堆存區(qū)(見圖2、圖4)組成,系統(tǒng)毛料處理能力為1500t/h,成品骨料生產(chǎn)能力為1250t/h,采用干法生產(chǎn)工藝[1]。系統(tǒng)共生產(chǎn)骨料約643.5萬t,其中粗骨料約411.84萬t,細骨料約231.66萬t。母巖為國內水電站首次使用的輝長巖。

圖1 左岸托巴溝破碎加工區(qū)平面布置

圖3 托巴水電站綠色智慧加工系統(tǒng)建成后鳥瞰

圖4 右岸篩洗分級堆存區(qū)建成后俯視

2 平面布置

2.1 投標階段平面布置

左岸托巴溝破碎加工區(qū)建筑物布置于開挖回填形成的高程為1760m、1685m、1670m、1665m、1655m、1645m的6個臺地上,主要由粗碎車間、半成品料堆、第一至第三篩分車間、立軸制砂車間、棒磨機車間、左岸除塵系統(tǒng)、供排水及廢水處理系統(tǒng)、智慧化系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。中轉膠帶機運輸線由B1～B9膠帶機、中轉混凝土骨料罐等組成,其中B4為跨江懸索橋膠帶機。右岸建筑物布置于開挖回填形成的高程為1650m、1648m、1646m、1640m的4個臺地上,主要由沖洗篩分分級車間、供排水及廢水處理系統(tǒng)、成品料堆存場、電氣系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。

2.2 實施階段優(yōu)化布置

左岸加工區(qū)場地前緊靠左岸交通道路及瀾滄江、后毗鄰有用料堆存場、兩側邊坡陡峭,右側邊坡主要由覆蓋層組成,自然狀態(tài)下,邊坡整體基本穩(wěn)定。場地十分狹窄,地質條件差,設計難度大,為解決場地狹窄問題,盡量避免開挖對山體造成擾動,同時滿足系統(tǒng)布置及功能要求,采取如下措施:

a.前期多次深入現(xiàn)場勘測,充分了解現(xiàn)場實際地形、地質、水文情況,組織專家、經(jīng)驗豐富的設計和運行管理人員對系統(tǒng)平面和工藝進行研究、討論,結合監(jiān)理、業(yè)主意見,反復論證,最終形成實施階段的平面布置,確保系統(tǒng)可靠性、安全性、經(jīng)濟性。

b.將粗碎車間調整至15號路盡頭,緊靠托巴溝有用料堆設置,減少毛料回采距離,降低毛料回采車輛與15號道路干擾。調整后的粗碎車間地質情況較差,為確?；A穩(wěn)定,采用由3根直徑32mm的鋼筋焊接綁扎在一起形成的錨筋樁進行地基處理,每根錨筋樁長度24m,共24根。

c.將第二、三篩分車間由分散布置優(yōu)化為集中布置。集中布置后,不僅避開右岸堆積體,減少對邊坡的擾動,而且方便車間金結整體封裝。

d.中細碎車間,第二、三篩分車間基礎回填厚度較大且原始沖積層較厚,容易產(chǎn)生不均勻沉降。對該區(qū)域進行重新規(guī)劃布置,調整平臺高度,由原高程1660m調整為高程1655m,并適當增加兩側邊坡開挖范圍滿足設備平面布置要求,適當增加設備基礎埋深,地基基礎由原來的條形基礎改為筏板基礎,方案調整后該區(qū)域車間基礎底部最大回填高度由13m降低為8m,通過分層振動壓實方案進行地基處理,確保地基的承載力和沉降滿足要求。

e.在托巴溝出口左岸山脊開挖支護后形成的高程1655m平臺布置承載能力大的棒磨機車間,確保重要設備運行可靠。

f.在滿足堆料容積的前提下,為降低建安成本,取消左岸高程1645m平臺3個各4000t混凝土料罐,優(yōu)化為地面料場。

g.根據(jù)地形、地質情況,結合建筑物的重要性,因地制宜設置混凝土重力式擋墻、重力式漿砌石擋墻,通過回填形成車間平臺。用混凝土重力式擋墻形成高程1662m擴大平臺,在平臺基礎上布置第一篩分車間、膠帶機及運行通道;用重力式漿砌石擋墻形成3個高程分別為1678m、1655m、1455m的平臺布置其他車間及料堆等建筑物。

h.破碎、篩分車間封閉后,在衛(wèi)生方面,人工處理難度增大。主要破碎篩分車間考慮采用輕鋼廠房進行整體封閉,場內道路和廠房內通道滿足機械通行和作業(yè)要求,在滿足環(huán)保要求的前提下,充分考慮后期系統(tǒng)的生產(chǎn)維護檢修便捷、通暢。

i.為節(jié)約成本、方便安裝及檢修、增加設備運行穩(wěn)定性,將投標階段砂石料中轉膠帶機運輸線路調整、優(yōu)化,沿江段優(yōu)化布置1條1.3km長曲線膠帶機,將投標階段9條膠帶機調整為5條膠帶機,并將投標階段跨江懸索橋優(yōu)化為貝雷橋。

j.因場地限制,1號配電房主要配電柜等電氣設備設置在中細碎料倉下部閑置空間、2號配電房主要配電柜等電氣設備設置在立軸制砂料倉下部閑置空間,滿足電氣設施布置要求。

k.因場地狹窄,為滿足平面布置要求,選用占地面積小、集成化程度高的除塵設備,確保除塵系統(tǒng)布置滿足運行功能要求。

通過上述工程措施,系統(tǒng)膠帶機長度相比投標階段縮減約620m、減少用地0.4萬m2、設備功率減少1020kW,同時土建及金結制安工程量也相應優(yōu)化。整個系統(tǒng)在滿足使用功能的同時設計布置極為緊湊,節(jié)地、節(jié)材、節(jié)能等方面較為突出。

3 系統(tǒng)工藝流程設計

根據(jù)輝長巖巖性以及工程對混凝土骨料的要求,實施階段系統(tǒng)采用“三段破碎+立軸和棒磨聯(lián)合制砂”工藝[2]。毛料由自卸汽車運輸至粗碎車間受料坑,經(jīng)3臺C150顎式破碎機破碎后,由膠帶機輸送至半成品料堆堆存[3-4]。半成品料經(jīng)膠帶機輸送到第一篩分車間2臺2YKR2460H圓振動篩分級,不小于80mm骨料經(jīng)膠帶機輸送到中碎料倉,小于80mm骨料經(jīng)膠帶機輸送到第二篩分料倉。第二篩分料倉骨料經(jīng)4臺3YKR3060圓振動篩分級后,部分不小于40mm骨料經(jīng)膠帶機輸送至細碎料倉,部分小于80mm骨料經(jīng)膠帶機輸送至混合骨料共用膠帶機,部分小于40mm骨料經(jīng)膠帶機輸送至共用膠帶機進入第三篩分料倉。中細碎料倉骨料經(jīng)圓錐破碎機破碎后,經(jīng)膠帶機輸送至第二篩分料倉。第三篩分料倉骨料經(jīng)4臺3618VM高頻振動篩、2臺2618VM高頻篩分級后,部分小于40mm骨料輸送至混合骨料共用膠帶機,再由膠帶機送至左岸混合料堆堆存;部分小于40mm骨料經(jīng)膠帶機輸送至立軸制砂料倉,經(jīng)5臺B9100立軸制砂機破碎后的骨料輸送至共用膠帶機進入第三篩分車間循環(huán)分級;部分小于5mm骨料經(jīng)膠帶機輸送至左岸碾壓砂料堆堆存;部分3～15mm骨料經(jīng)膠帶機輸送至棒磨機料倉,由2臺MBS-Z2136棒磨機破碎后的砂,經(jīng)洗砂機、直線脫水篩后與第三篩分車間部分碾壓砂混合送至左岸常態(tài)砂料堆堆存。左岸混合料,碾壓砂、常態(tài)砂途徑跨江貝雷橋及長距離曲線膠帶機輸送至右岸調節(jié)料罐頂部分流,其中混合料通過右岸沖洗篩分分級后經(jīng)膠帶機進入成品粗骨料場堆存;砂經(jīng)膠帶機進入右岸成品砂料場分開堆存。托巴水電站主體砂石加工系統(tǒng)工藝流程見圖5。

圖5 托巴水電站主體砂石加工系統(tǒng)工藝流程

4 綠色智慧應用

隨著國家環(huán)保政策深入落實,環(huán)保已成為建筑施工行業(yè)基本要求之一。智慧化生產(chǎn)對于砂石骨料加工業(yè)務效率提升、節(jié)能降耗、安全與質量保證均有著極大促進作用。在新形勢驅動下,綠色智慧化是砂石發(fā)展的必由之路,是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。項目部積極與國內知名設計院、高校合作,充分利用國內外前沿先進技術,著力推進綠色智慧建造發(fā)展和應用,建成華能集團首個水電行業(yè)綠色智慧標桿砂石系統(tǒng)。

4.1 設備智慧監(jiān)控系統(tǒng)

對于現(xiàn)場的主要破碎設備進行實時的全方位的運行狀態(tài)監(jiān)控,包括設備電機的軸承溫度、振動和電流,設備開口、油溫、油壓等,不僅可以觀察到設備實時的運行狀態(tài),還可以幫助現(xiàn)場操作人員和維修人員對設備進行故障診斷、分析及調節(jié)處理,自動化控制系統(tǒng)根據(jù)分析的結果進行相應的連鎖保護,從而達到保護現(xiàn)場設備的目的。

4.2 三維可視化智慧控制系統(tǒng)

作為指揮大屏三維可視化及數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)字底座,生產(chǎn)線運行數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)信息、庫存量數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)等,通過人工智慧算法處理之后的識別結果進行三維化展示。該系統(tǒng)以虛擬現(xiàn)實技術為基礎,創(chuàng)新地把靜態(tài)三維模型和動態(tài)實時視頻相融合,通過多相機高低視角切換,實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)查詢、產(chǎn)線設備狀態(tài)監(jiān)測、生產(chǎn)線全貌巡游等應用[5]。

4.3 智慧巡檢機器人系統(tǒng)

以自主方式在無人值守的B5長距離曲線膠帶機上,完成對B5膠帶機及環(huán)境的監(jiān)測和巡檢任務?？杉皶r發(fā)現(xiàn)膠帶機跑偏等異?，F(xiàn)象,提高工作效率和質量,起到減員增效的作用[6]。

4.4 骨料粒型在線檢測系統(tǒng)

根據(jù)產(chǎn)線設計穩(wěn)定且有效的采樣和進樣系統(tǒng),采用快速拍攝與圖像掃描處理技術,對圖像進行快速分析,得到粒度、長徑比、圓形度、級配等信息,實現(xiàn)產(chǎn)品質量在線分析,且能對設備運行及工藝參數(shù)在線監(jiān)控,從而指導產(chǎn)線工藝和設備參數(shù)調整,提高砂石系統(tǒng)生產(chǎn)效能和品質。

4.5 智慧廢水處理系統(tǒng)

系統(tǒng)采用“機械預處理+DH高效污水凈化器和壓濾脫水及清水回用”工藝[7],通過前端設備對廢水處理系統(tǒng)的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)及水質情況進行實時采集監(jiān)測,實現(xiàn)廢水處理全自動化過程控制,通過對廢水水質和水量的監(jiān)測實現(xiàn)閉環(huán)控制加藥量和沉降時間,保證出水水質達標,實現(xiàn)智慧化調控。

4.6 智慧除塵系統(tǒng)

系統(tǒng)采用“順流組合脈沖布袋收塵為主+高壓噴霧抑塵為輔”工藝[8],根據(jù)空氣懸浮物傳感器獲取到的排放口及車間內環(huán)境數(shù)據(jù),自動調節(jié)除塵設備運行工況。中控系統(tǒng)將生產(chǎn)設備與除塵設備統(tǒng)一管理,系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)設備運行的電流判斷其負荷情況,調整風機頻率,實現(xiàn)綠色環(huán)保。

4.7 邊坡智慧監(jiān)測系統(tǒng)

通過對邊坡主要技術數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測監(jiān)控、巡線員數(shù)據(jù)的實時查詢、監(jiān)測數(shù)據(jù)的智慧分析等,實時了解邊坡的安全狀態(tài)并作出預測預警,為科學決策提供依據(jù)[9]。

5 經(jīng)驗與建議

托巴水電站主體砂石加工系統(tǒng)在系統(tǒng)設計、建設及運行中有如下經(jīng)驗和建議:

a.大型砂石加工系統(tǒng)在場地狹窄、平面面積不能滿足系統(tǒng)布置要求的情況下,應盡量向空間拓展,以空間換平面。

b.選用集成化程度高、性能穩(wěn)定、處理能力大、占地面積小的設備。

c.充分利用地形、地質條件,考慮工藝、功能,本著安全、經(jīng)濟的原則,因地制宜地將重要的結構布置在基礎承載力大的位置,次要的結構布置在基礎承載力小的位置。

d.采用干法生產(chǎn)工藝,在保證生產(chǎn)能力、成品骨料質量合格前提下,除塵系統(tǒng)盡量采用“噴霧除塵為主+收塵為輔”的工藝,噴霧除塵的水源滿足連續(xù)噴霧要求,不能堵塞噴霧水管出水口,在不能噴霧的部位必須設置收塵設施,確保工人作業(yè)環(huán)境良好。

e.系統(tǒng)位于高山峽谷之中,膠帶機、破碎篩分設備、空氣壓縮機及風機等設備運行中產(chǎn)生的噪聲大且不易擴散,噪聲分貝值遠大于規(guī)范規(guī)定,給現(xiàn)場運行人員生理、心理帶來不同程度的損害[10],在設計時盡量考慮降低噪聲的措施及進行完美設置,給運行人員營造舒適的工作環(huán)境。

6 結 語

托巴水電站主體砂石加工系統(tǒng)自2021年12月底投產(chǎn)以來,截至2023年2月底已生產(chǎn)合格砂石骨料約306萬t。系統(tǒng)場地十分狹窄,充分利用地形、空間,通過系列工程措施,做到了布置緊湊,同時留出足夠平面位置滿足大型運輸設備運行及檢修要求, 成品料生產(chǎn)能力、質量控制指標參數(shù)均滿足設計及規(guī)范要求,可為其他類似工程設計提供參考。