鄧 俊，巫德勝，楊 金

(四川二灘國(guó)際工程咨詢(xún)有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

1 前 言

觀音巖水電站大壩混凝土總量約865萬(wàn)m3，其中碾壓混凝土約470萬(wàn)m3，常態(tài)混凝土約380萬(wàn)m3，噴混凝土約15萬(wàn)m3，需供應(yīng)混凝土粗細(xì)骨料約1 860萬(wàn)t。毛料采用距壩址左岸下游20km的龍洞石料場(chǎng)二迭系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r。

砂石系統(tǒng)主要分龍洞區(qū)和樞紐區(qū)兩個(gè)區(qū)布置，龍洞區(qū)主要有龍洞石料場(chǎng)、龍洞粗碎、龍洞半成品料倉(cāng);樞紐區(qū)布置其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)的車(chē)間及設(shè)施。

砂石系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模為粗碎設(shè)計(jì)處理能力3 300t/h，設(shè)計(jì)成品生產(chǎn)能力為2 700t/h(其中粗骨料1 780 t/h，常態(tài)混凝土用砂370t/h，碾壓混凝土用砂550t/h)系統(tǒng)建設(shè)分兩期實(shí)施。一期系統(tǒng)粗碎處理能力不低于 1 400t/h，成品生產(chǎn)能力不低于1 150t/h。二期系統(tǒng)粗碎處理能力不低于3 300t/h，成品生產(chǎn)能力不低于2 700t/h。

2 系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)介

砂石系統(tǒng)破碎采用粗碎、中碎、細(xì)碎三段破碎工藝，采用半干法制砂工藝，主要破碎設(shè)備采用反擊破，制砂設(shè)備采用立軸式中高速破碎機(jī)。粗碎開(kāi)路，中碎、細(xì)碎與相應(yīng)的篩分車(chē)間形成閉路循環(huán)生產(chǎn)工藝，系統(tǒng)主要設(shè)備及車(chē)間布置按雙線生產(chǎn)模式配置。觀音巖水電站砂石系統(tǒng)加工工藝流程見(jiàn)圖1。

3 系統(tǒng)耗電量設(shè)計(jì)及節(jié)能改進(jìn)

3.1 用電負(fù)荷及設(shè)計(jì)單位耗電量

系統(tǒng)設(shè)計(jì)變壓器總?cè)萘繛?9 860kVA，總裝機(jī)功率為21 868.4kW。其中高壓容量占總負(fù)荷的4.57%，低壓容量占總負(fù)荷的99.53%。負(fù)荷率約為總裝機(jī)容量的80%。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行耗電分析，其主要負(fù)荷來(lái)自于系統(tǒng)各車(chē)間設(shè)備運(yùn)行以及膠帶機(jī)運(yùn)輸?shù)?。系統(tǒng)功率配置包括主要工藝設(shè)備、骨料生產(chǎn)運(yùn)輸線、輔助設(shè)備及夜間照明系統(tǒng)等。其中主要工藝設(shè)備功率約9 500kW，骨料生產(chǎn)運(yùn)輸線功率約3 700kW，輔助設(shè)備功率約8 200kW，夜間照明系統(tǒng)約50kW。按照砂石系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷率80%考慮，以每小時(shí)滿(mǎn)負(fù)荷帶料運(yùn)行計(jì)算，系統(tǒng)生產(chǎn)每噸砂石骨料設(shè)計(jì)耗電量為:21 868.4×0.8÷2 700=6.48(kW·h/t)。

3.2 用電節(jié)能改進(jìn)措施

砂石系統(tǒng)全面投產(chǎn)后，先后進(jìn)行了各項(xiàng)用電節(jié)能技術(shù)改進(jìn)，主要包括:(1)增加PLC電氣自動(dòng)控制技術(shù);(2)下運(yùn)帶式輸送機(jī)能量回饋?zhàn)詣?dòng)控制措施;(3)制砂工藝改進(jìn)。

3.2.1 PLC電氣自動(dòng)控制技術(shù)

圖1 觀音巖水電站人工砂石加工系統(tǒng)工藝流程框圖

砂石系統(tǒng)運(yùn)行初期，系統(tǒng)啟停機(jī)均屬于手動(dòng)控制，按指令順序延時(shí)啟動(dòng)，操作員必須按值班長(zhǎng)的命令準(zhǔn)確操作，效率低，且在發(fā)生啟停機(jī)故障時(shí)容易出錯(cuò)。根據(jù)測(cè)算，整個(gè)系統(tǒng)采用手動(dòng)正常啟動(dòng)時(shí)間約為30min，空載耗電量約1 500kW·h，停機(jī)為逆向操作，耗電量與啟動(dòng)相當(dāng)。若每天兩班生產(chǎn)運(yùn)行，啟停機(jī)耗電量達(dá)6 000kW·h。系統(tǒng)投產(chǎn)后增加了先進(jìn)的PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有電氣設(shè)備的自動(dòng)保護(hù)、控制與監(jiān)視。PLC系統(tǒng)可預(yù)先設(shè)定系統(tǒng)各設(shè)備起停機(jī)順序及延時(shí)啟停時(shí)差，由中控室電腦一鍵控制。開(kāi)機(jī)啟動(dòng)后，可自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并反饋運(yùn)行參數(shù)，若遇設(shè)備故障，經(jīng)反饋信號(hào)處理，可發(fā)出緊急事故停機(jī)控制指令，使該設(shè)備與上級(jí)設(shè)備立即停機(jī)。增加PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)的開(kāi)停機(jī)完全轉(zhuǎn)由電腦控制，系統(tǒng)正常啟動(dòng)時(shí)間縮短到15min內(nèi)，較之前手動(dòng)啟動(dòng)可減少50%的耗電量，每天兩班生產(chǎn)可在啟停機(jī)過(guò)程節(jié)約電量約3 000kW·h。

3.2.2 下運(yùn)帶式輸送機(jī)能量回饋?zhàn)詣?dòng)控制措施

在以往工程慣例中，人工砂石加工系統(tǒng)很少使用下運(yùn)帶式輸送機(jī)，但在大型、特大型人工砂石加工系統(tǒng)中的一些特殊場(chǎng)合必須使用。大型下運(yùn)帶式輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中往往由于慣性作用使電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)負(fù)工況運(yùn)行，易出現(xiàn)飛車(chē)現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備及人身安全事故，使用變頻調(diào)速及常用的制動(dòng)方式很難達(dá)到良好的控制效果。觀音巖水電站砂石系統(tǒng)龍洞區(qū)A4帶式輸送機(jī)就是典型的下運(yùn)帶式輸送機(jī)。

下運(yùn)段有載荷情況時(shí)，A4帶式輸送機(jī)電機(jī)為負(fù)工況(即發(fā)電工況)，最大負(fù)功率為356kW，設(shè)計(jì)功率為2×200 kW。此時(shí)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際上已成為異步發(fā)電機(jī)，將在變頻器直流側(cè)電容上產(chǎn)生很高的泵生電壓，若不及時(shí)高效地釋放這部分能量，運(yùn)行至此工況時(shí)會(huì)引起變頻器過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作，造成變頻器主回路功率器件的過(guò)壓損壞、燒壞電機(jī)，導(dǎo)致帶式輸送機(jī)飛車(chē)事故。在通過(guò)系統(tǒng)前期運(yùn)行總結(jié)與分析后，生產(chǎn)單位對(duì)A4膠帶機(jī)運(yùn)行采取了能量回饋?zhàn)詣?dòng)控制措施:即利用變頻控制加回饋制動(dòng)單元將直流側(cè)泵生電壓逆變送回電網(wǎng)。不僅安全可靠地控制了下運(yùn)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行，而且在運(yùn)行中通過(guò)能量回饋到系統(tǒng)節(jié)約了電能，大大降低了能耗和運(yùn)行成本。采取改進(jìn)措施后，通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)A4膠帶機(jī)運(yùn)行情況，以每天生產(chǎn)8h、每月生產(chǎn)25d計(jì)算，則每月節(jié)能40 512kW·h。

3.2.3 制砂工藝改進(jìn)

水電工程傳統(tǒng)制砂工藝主要采用棒磨機(jī)制砂，其特點(diǎn)是:(1)成品砂質(zhì)量穩(wěn)定、粒形好;(2)耗電、耗水量高、鋼棒耗量大;(3)建筑安裝量大;(4)石粉損失量大，水處理費(fèi)用高。觀音巖水電站砂石系統(tǒng)通過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)論證，系統(tǒng)設(shè)計(jì)放棄了棒磨機(jī)，全部采用立軸破制砂，實(shí)現(xiàn)了“以破代磨”的制砂工藝。立軸制砂的特點(diǎn)是:(1)工藝流程簡(jiǎn)單，單位能量消耗低;(2)5～2.5mm的石料循環(huán)破碎，破碎效果差，能量消耗略偏大;(3)成品砂中2.5～1.25mm、1.25～0.63mm粒徑的石料偏少;(4)成品砂的細(xì)度模數(shù)控制難;成品砂率偏低。觀音砂石系統(tǒng)制砂工藝設(shè)計(jì)通過(guò)增加石粉回收裝置(ZX250－C)與8臺(tái)立軸破搭配，并經(jīng)篩網(wǎng)調(diào)節(jié)摻和比例成功克服了立軸破制砂的缺點(diǎn)，能確保生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定的成品砂。制砂工藝改進(jìn)最大的優(yōu)點(diǎn)在于降低了系統(tǒng)的能耗，并能有效控制成品砂的含水率。

3.3 用電節(jié)能措施改進(jìn)效果

通過(guò)一系列措施的改進(jìn)，系統(tǒng)生產(chǎn)每噸成品骨料的耗電量較原設(shè)計(jì)耗電量大為降低。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，觀音巖水電站砂石系統(tǒng)從2009年10月一期建成投產(chǎn)運(yùn)行至2012年5月底，已供應(yīng)合格砂石骨料560萬(wàn)t，生產(chǎn)運(yùn)行總耗電量為1 967萬(wàn)kW·h，平均每噸砂石骨料耗電量為1 967÷560=3.51kW·h/t。較設(shè)計(jì)耗電量6.48kW·h/t降低了2.97kW·h/t，已較原設(shè)計(jì)節(jié)約電能1 663.2萬(wàn)kW·h。

4 系統(tǒng)水處理設(shè)計(jì)及改進(jìn)

4.1 系統(tǒng)原設(shè)計(jì)水處理流程及運(yùn)行效果

觀音巖水電站砂石加工系統(tǒng)工程生產(chǎn)用水主要用于骨料沖洗、設(shè)備冷卻、防塵用水等，原設(shè)計(jì)用水量為2 000m3/h(一期1 000m3/h，二期 2 000m3/h)，相應(yīng)的廢水處理能力為2 000m3/h。其廢水處理工藝采用兩級(jí)沉淀池(豎流沉淀池和斜管沉淀池)進(jìn)行沉淀濃縮，然后通過(guò)沉淀池排漿底閥排放至污泥干化車(chē)間(主要脫泥設(shè)備為圓盤(pán)真空過(guò)濾機(jī))進(jìn)行固液分離，分離后的尾水經(jīng)二次沉淀后泵送回高位水池循環(huán)利用。

系統(tǒng)一期建成后，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行反饋，水處理效果不甚理想，僅達(dá)到設(shè)計(jì)處理能力的30%。主要表現(xiàn)在以下兩方面:

(1)生產(chǎn)廢水量超過(guò)設(shè)計(jì)處理能力。主要源于毛料含泥量大、半成品料裹泥嚴(yán)重、一篩沖洗水量大，致使沖洗用水量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)量。

(2)固液分離設(shè)備處理效果差。由于廢水沉淀后濃度高達(dá)到30%，且泥漿粘性大，而已安裝的GP96－8型圓盤(pán)真空過(guò)濾機(jī)可靠性差，在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常堵塞濾布濾孔，處理能力大大降低。

4.2 系統(tǒng)水處理工藝改進(jìn)

系統(tǒng)一期建成運(yùn)行后通過(guò)對(duì)水處理存在的問(wèn)題分析，在二期對(duì)水處理工藝進(jìn)行了一系列改進(jìn)。其主要工藝采用了“一級(jí)回收、二級(jí)沉淀、污泥干化”的水處理方案，并在生產(chǎn)過(guò)程嚴(yán)格控制毛料含泥量。新工藝在一篩車(chē)間增設(shè)了ZX250C型黑旋風(fēng)細(xì)砂回收裝置，進(jìn)入沉淀池的廢水經(jīng)黑旋風(fēng)一級(jí)回收后，主要含量為泥漿的廢水仍通過(guò)豎流沉淀池和斜管沉淀池兩級(jí)沉淀濃縮后，高濃度泥漿通過(guò)排漿底閥排放至污泥干化車(chē)間進(jìn)行固液分離。取消污泥干化車(chē)間圓盤(pán)真空過(guò)濾機(jī)設(shè)備，重新配置KWL800離心脫離機(jī)以及LW760ND離心脫泥機(jī)作為固液分離設(shè)備。廢水處理工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 廢水處理工藝流程

4.3 水處理工藝及措施改進(jìn)后的效果

4.3.1 嚴(yán)格控制毛料含泥量，改進(jìn)沖洗措施，降低沖洗水耗

觀音巖砂石系統(tǒng)料源取自龍洞大地料場(chǎng)，料場(chǎng)料區(qū)地表灰?guī)r溶蝕現(xiàn)象明顯，毛料含泥較嚴(yán)重，且機(jī)械剔除非常困難，致使半成品含泥過(guò)高。經(jīng)檢測(cè)，前期平均含泥量高達(dá)8%。半成品料在一篩沖洗干凈困難，生產(chǎn)用水量大。通過(guò)分析，降低水耗及水處理壓力的源頭在于嚴(yán)格控制毛料開(kāi)采選料及粗碎車(chē)間毛料脫泥。料場(chǎng)開(kāi)采爆破后，首先對(duì)于出現(xiàn)的溶溝溶槽等泥團(tuán)進(jìn)行機(jī)械剔除，同時(shí)，加強(qiáng)粗碎車(chē)間脫泥篩設(shè)備運(yùn)行管理，選用合適孔徑的篩網(wǎng)，對(duì)于篩分≤15mm以下的骨料作為棄料處理，以保證半成品含泥率滿(mǎn)足要求。通過(guò)上述措施，最終使毛料含泥量控制在2%左右。其次，將三篩車(chē)間成品中小石沖洗后低濃度(質(zhì)量濃度約3%)廢水回收利用至一篩車(chē)間沖洗，可顯著降低一篩沖洗用水量400m3/h。

通過(guò)上述常規(guī)措施改進(jìn)，系統(tǒng)二期建成后，骨料沖洗合格用水量可基本控制在1 000m3/h左右，按系統(tǒng)2 700t/h成品處理能力計(jì)算，平均沖洗耗水量為1 000÷2 700=0.37(m3/t)，而未改進(jìn)控制措施之前耗水量為1.18m3/t，改進(jìn)后每噸骨料沖洗可節(jié)約用水0.81m3。

4.3.2 黑旋風(fēng)一級(jí)回收大量石粉，大幅度降低了水處理壓力，并提高了石粉利用率

系統(tǒng)一篩沖洗、螺旋洗石機(jī)產(chǎn)生的廢水主要懸浮物為細(xì)砂、石粉及泥，原工藝設(shè)計(jì)中主要采用刮砂機(jī)回收一篩沖洗廢水中的石粉，效果不甚理想，仍有大量石粉經(jīng)廢水流失，致廢水濃度較高。后在一篩車(chē)間增加了ZX250C型泥漿凈化裝置(黑旋風(fēng))與刮砂機(jī)聯(lián)合運(yùn)行，石粉回收更為充分。一篩廢水進(jìn)入黑旋風(fēng)的平均質(zhì)量濃度為12.7%，經(jīng)回收處理后的濃度降低為6.5%。黑旋風(fēng)設(shè)備平均處理能力為245m3/h，平均單臺(tái)回收砂量為21.78t，經(jīng)處理后的廢水流入豎流沉淀池進(jìn)行沉淀，大大降低了后序水處理壓力。

4.3.3 沉淀后的廢水經(jīng)末級(jí)離心機(jī)脫泥處理，實(shí)現(xiàn)廢水循環(huán)利用

一篩車(chē)間產(chǎn)生的廢水經(jīng)泥漿凈化裝置ZX250C的處理后，自流入豎流沉淀池，廢水濃度平均6.5%，廢水量約1 000m3/h。經(jīng)豎流沉淀池自然沉淀3～4h后，濃縮后廢水濃度在25% ～30%之間，通過(guò)池底排污管自流入離心機(jī)。其中豎流沉淀池主要用于沉淀車(chē)間生產(chǎn)廢水，預(yù)留1座池子用于沉淀離心機(jī)處理后加藥的尾水，經(jīng)沉淀后再次通過(guò)離心機(jī)循環(huán)處理。斜管沉淀池主要用于二次沉淀豎流池自然沉淀后溢出的清水，沉淀后自流入清水池，再用清水泵抽入高位水池循環(huán)利用。離心機(jī)聯(lián)合運(yùn)行檢測(cè)成果見(jiàn)表1。

表1 離心機(jī)聯(lián)合運(yùn)行檢測(cè)成果

離心機(jī)排出的尾水濃度平均約10%，廢水中懸浮物沉淀速度慢，需添加絮凝劑以使懸浮物快速絮凝成團(tuán)、快速沉淀。根據(jù)砂石系統(tǒng)生產(chǎn)廢水物理特性，并考慮無(wú)毒害等環(huán)保要求，實(shí)驗(yàn)選取了陰離子聚丙烯酰胺(APAM)作為絮凝劑。在添加絮凝劑后泥漿濃度能快速提升至25% ～30%，APAM添加最佳用量為200～300g/m3。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，離心機(jī)設(shè)備進(jìn)水濃度越大，其處理水量越小。進(jìn)水濃度在25% ～30%時(shí)，脫泥量最大，其單臺(tái)設(shè)備平均處理量約70m3/h，平均出泥量12.3t/h，脫泥后平均出水濃度10%，泥塊含水率在18%～22%之間。分離的尾水若采取加藥方案，經(jīng)離心機(jī)處理后效果更加顯著，其再次分離的尾水濁度SS≤1 000mg/L，可直接回收利用。

4.4 水處理改進(jìn)綜合效果評(píng)價(jià)

(1)砂石系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水量為1 000m3/h，經(jīng)黑旋風(fēng)處理后的廢水濃度為6.5%，系統(tǒng)每天2班14h運(yùn)行，共產(chǎn)生廢水14 000m3，需處理的污泥約為910t。離心機(jī)3班21h運(yùn)行，需達(dá)到的污泥處理能力為910÷21×1.2(含水率平均20%)=52(t/h)。而離心機(jī)平均處理能力為272.5m3/h，廢水濃度為25% ～30%，其平均脫泥量52.14t/h，泥塊含水率在18%～22%之間，4臺(tái)離心機(jī)配置基本滿(mǎn)足處理需要。

(2)在不加藥情況下，經(jīng)離心機(jī)處理后的尾水沉淀效果差，無(wú)法及時(shí)處理。這部分尾水經(jīng)污泥干化池沉淀處理后排放，約230m3/h，加上泥餅含水帶走水量52.14×20%=10.4(m3/h)。系統(tǒng)需補(bǔ)充損失水量240.4m3/h，其有效利用水量789.6m3/h，循環(huán)利用率76%。若離心機(jī)尾水采取加藥方案，除泥餅含水損失10.4m3/h，其余用水均可回收利用，循環(huán)利用率可達(dá)99%。

(3)從廢水處理系統(tǒng)目前實(shí)際運(yùn)行情況分析，若采取加藥方案，按300g/m3加藥量計(jì)算，每天處理14 000m3廢水，需消耗藥量230×21×0.3=1 449(kg)，以目前 APAM絮凝劑市場(chǎng)價(jià)15 000元/t計(jì)算，平均每天需花費(fèi)成本2.17萬(wàn)元。成品骨料平均生產(chǎn)成本增加25 800÷(2 700×14)=0.57(元/t)，整個(gè)運(yùn)行期增加費(fèi)用約1 000萬(wàn)元。

(4)通過(guò)主要組合采用半成品含泥量控制、黑旋風(fēng)回收、離心分離等組合工藝對(duì)砂石系統(tǒng)廢水進(jìn)行處理，可基本完成固液分離、廢水回收利用。

5 結(jié)束語(yǔ)

觀音巖水電站砂石系統(tǒng)作為世界上最大的人工砂石生產(chǎn)系統(tǒng)之一，其能耗也相當(dāng)巨大，達(dá)標(biāo)排放壓力也較大，在節(jié)能減排技術(shù)方面沒(méi)有同類(lèi)經(jīng)驗(yàn)可尋，需要通過(guò)實(shí)際運(yùn)行不斷地摸索與總結(jié)分析。該系統(tǒng)所采用的節(jié)能減排技術(shù)取得了較為明顯成效，不僅大幅度降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本，也基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)家行業(yè)關(guān)于達(dá)標(biāo)排放的環(huán)保要求。