張慧霞，張偉鋒，邢建軍，楚效君

（1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都610072；2.西安萬合制冷設(shè)備有限公司，陜西西安 710082）

1 工程概況

蘇阿皮蒂水利樞紐工程位于西非幾內(nèi)亞境內(nèi)，工程所在地海拔100～300 m，大壩為碾壓混凝土重力壩，壩后式地面廠房，總工期58個月?；炷量偭考s335萬m3，其中碾壓混凝土301萬m3，常態(tài)混凝土33萬m3，以二、三級配為主。

工程規(guī)劃設(shè)置大壩高線、低線2座混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)，各系統(tǒng)均配置2座HL240-2Q3000L型強制式拌和樓、制冷系統(tǒng)、膠凝材料儲存罐、骨料儲存、空壓機房、外加劑房等主要車間、生產(chǎn)設(shè)施。

2 設(shè)計基礎(chǔ)資料

2.1 混凝土強度、出機口溫度要求

大壩高峰期混凝土月澆筑強度約18萬m3/月,預(yù)冷混凝土高峰月小時強度約360 m3/h。夏季混凝土最高澆筑溫度為20℃，考慮混凝土運輸、澆筑過程溫度損失為2～3℃，混凝土出機口溫度不大于17℃。

2.2 氣象資料

工程區(qū)年均氣溫約25.4℃，多年極端最高溫度約37℃（發(fā)生在3—4月），多年極端最低溫度約12℃（發(fā)生在12至次年1月），夏季最高月平均氣溫約35.7℃，最高月氣溫對應(yīng)的平均水溫約25℃；多年平均相對濕度73.5%；4—10月風(fēng)向主要是西南風(fēng)，11月至次年3月風(fēng)向主要是東北風(fēng)，多年平均風(fēng)速2.4 m/s；多年平均蒸發(fā)量約1 696 mm。

2.3 混凝土原材料物理、熱力學(xué)指標(biāo)

混凝土原材料物理、熱力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 混凝土原材料物理、熱學(xué)性能參數(shù)表

2.4 混凝土典型配合比

混凝土典型配合比見表2。

3 制冷系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)施工進度，混凝土澆筑高峰強度發(fā)生在夏季，混凝土制冷系統(tǒng)按夏季氣溫最高月（4月）進行設(shè)計計算。

3.1 混凝土出機口溫度計算

工程混凝土主要為碾壓混凝土，為干硬性混凝土，其每立方米混凝土拌和用水量通常小于常態(tài)混凝土，而細(xì)骨料用量較常態(tài)混凝土高，扣除骨料含水量后，可供加冰拌和的加水量較少，加冰量有限、受細(xì)骨料含水量影響較大。因此，碾壓混凝土預(yù)冷措施優(yōu)先考慮預(yù)冷骨料和加冷水拌和，特殊情況下可考慮加片冰拌和，并需進行技術(shù)論證。

表2 混凝土典型配合比kg

混凝土出機口溫度計算參照文獻(xiàn)［1］，暫不考慮加片冰，按下式進行計算：

式中：T0——混凝土出機口溫度，℃；Ti——組成混凝土第i類材料的平均進料溫度，℃；Gi——每立方米混凝土中第i類材料的重量，kg；GC——每立方米混凝土的加冰量，kg；Ci——混凝土第i種原材料比熱，kcal/（kg·℃）；η——冰的冷量利用率，以小數(shù)計；Q——每立方米混凝土拌和時產(chǎn)生的機械熱，kcal/m3。

由混凝土出機口溫度計算成果可知，通過將粗骨料預(yù)冷降溫至4℃，并在混凝土拌和時加4℃冷水，可將混凝土出機口溫度控制在17℃以內(nèi)，滿足混凝土澆筑要求。

3.2 預(yù)冷工藝分析

4月份為全年溫度最高月，室外平均溫度約33℃，骨料冷卻終溫為4℃，降溫幅度達(dá)29℃，根據(jù)國內(nèi)外水電工程預(yù)冷混凝土系統(tǒng)運行經(jīng)驗，需對粗骨料進行二次冷卻。

目前，水電工程混凝土粗骨料二次冷卻方式主要有水冷（一次）+風(fēng)冷（二次）和二次風(fēng)冷兩種形式。該工程大壩為碾壓混凝土壩，粗骨料含水率要求更加嚴(yán)格，為了更好控制粗骨料的含水率，粗骨料冷卻推薦采用二次風(fēng)冷方式，即在骨料預(yù)冷倉進行一次風(fēng)冷、拌和樓儲料倉進行二次風(fēng)冷的工藝流程。

根據(jù)混凝土出機口溫度計算成果，結(jié)合對粗骨料的預(yù)冷分析，該工程混凝土預(yù)冷工藝：粗骨料在骨料預(yù)冷倉、拌和樓儲料倉二次風(fēng)冷至4℃，并在拌和樓內(nèi)加4℃冷水拌和。

3.3 預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉容積和粗骨料平均冷卻時間

預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉粗骨料單倉容積參照西安萬和經(jīng)驗公式進行計算：

式中：V——預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉粗骨料單倉容積，m3；Gi——組成每立方米混凝土第i種粗骨料質(zhì)量kg；Yi——組成第i種粗骨料密度，kg/m3；Qh——預(yù)冷混凝土設(shè)計小時生產(chǎn)強度，m3/h；m——風(fēng)冷粗骨料單倉分進料、冷卻、儲料3個區(qū)，取m=3；n——混凝土級配，二級配n=2，三級配n=3；β——風(fēng)冷粗骨料倉充滿系數(shù)，β=0.75～0.90，取β=0.85。

經(jīng)計算，連續(xù)生產(chǎn)三級配混凝土?xí)r預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉粗骨料單倉容積為300 m3，故預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉骨料總?cè)莘e為3×300=900 m3。

經(jīng)分析計算，連續(xù)生產(chǎn)三級配混凝土?xí)r粗骨料風(fēng)冷的平均冷卻時間為30～60 min。

3.4 粗骨料風(fēng)冷工藝參數(shù)計算

1）需冷量

粗骨料一次、二次風(fēng)冷冷量參照文獻(xiàn)[1]公式進行計算：

式中：Q——風(fēng)冷骨料的需冷量，kcal/h；G——需風(fēng)冷骨料的流量，t/h，G=Gi·Qh；Cg——粗骨料的比熱，kcal/（kg·℃）；T1——預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉進料溫度，取當(dāng)月的多年平均溫度；T2——預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉出料溫度。

2）供風(fēng)量

粗骨料一次、二次風(fēng)冷供風(fēng)量參照文獻(xiàn)［1］里公式進行計算：

式中：W——供風(fēng)量，m3/h；γα——冷卻介質(zhì)（風(fēng)）的容重，kg/m3，取進風(fēng)的容重；i0，ii——分別為預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉進、出風(fēng)的熱焓，kJ/kg。

3）風(fēng)冷骨料的倉內(nèi)風(fēng)速

粗骨料一次、二次風(fēng)冷冷卻倉內(nèi)風(fēng)速參照文獻(xiàn)［1］公式進行計算：

式中：V——風(fēng)冷骨料的倉內(nèi)風(fēng)速，m/s；F——預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉風(fēng)冷區(qū)料流的計算斷面面積，m2，全截面面積的70%～80%，取70%。

4）冷風(fēng)循環(huán)量

粗骨料一次、二次風(fēng)冷冷風(fēng)循環(huán)量參照文獻(xiàn)［1］公式進行計算：

式中：Ws——冷風(fēng)循環(huán)量，m3/h；Fs——預(yù)冷調(diào)節(jié)料倉風(fēng)冷區(qū)全截面積m2。

5）冷負(fù)荷

根據(jù)公式（4），γα取回風(fēng)密度，計算一次、二次風(fēng)冷的冷負(fù)荷。

6）冷風(fēng)阻力

粗骨料一次、二次風(fēng)冷各個骨料倉的冷風(fēng)阻力參照西安萬和經(jīng)驗公式進行計算：

式中：△P——冷風(fēng)系統(tǒng)的阻力，mmH2O；△P1——骨料風(fēng)冷區(qū)料層阻力，mmH2O；△P2——空氣冷卻器的阻力，mmH2O；△P3——空氣冷卻器表面結(jié)霜阻力，mmH2O，在△P2基礎(chǔ)上增加20%～40%；△P4——風(fēng)道阻力（包括彎頭、閥門、風(fēng)道等），mmH2O，在△P1+△P2+△P3基礎(chǔ)上增加10%～15%。

根據(jù)預(yù)冷料倉風(fēng)冷區(qū)料層厚3.8 m和風(fēng)冷骨料倉內(nèi)風(fēng)速v=0.86 m/s，查風(fēng)冷骨料每米料層阻力與風(fēng)速的關(guān)系曲線：每米料層阻力為25 mmH2O；空氣冷卻器每排蒸發(fā)管阻力按1.3 mmH2O/排計，空氣冷卻器蒸發(fā)管排數(shù)為8～16排。

根據(jù)上述公式進行粗骨料的一次、二次風(fēng)冷計算，計算成果見表3。

3.5 拌和冷水的冷負(fù)荷計算

混凝土生產(chǎn)采用4℃冷水進行拌和，冷水冷負(fù)荷計算按下式進行：

式中：C——冷卻介質(zhì)水的比熱，kcal/kg·℃；M——需供冷水量，m3/h；△T——進出水溫差，℃。

混凝土拌和冷水溫度4℃，4月份當(dāng)?shù)睾铀嗄昶骄鶞囟葹?5℃，混凝土凈用水量約為37 kg/m3，則生產(chǎn)拌和冷水的冷負(fù)荷約30.6×104kcal/h。

3.6 制冷系統(tǒng)容量確定

制冷系統(tǒng)的冷凍容量主要根據(jù)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)冷負(fù)荷、耗冷量及運行工況確定,冷容量均需折算成標(biāo)準(zhǔn)工況。標(biāo)準(zhǔn)工況是制冷量的一個評定標(biāo)準(zhǔn)，國產(chǎn)壓縮機的標(biāo)準(zhǔn)工況：工質(zhì)為R12和R22，蒸發(fā)溫度－15℃，吸氣溫度15℃，冷凝溫度30℃，過冷溫度25℃。

表3 風(fēng)冷骨料計算成果表（三級配）

根據(jù)上述冷負(fù)荷的計算，參照文獻(xiàn)[1]工況轉(zhuǎn)換系數(shù)進行計算后，風(fēng)冷系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工況冷負(fù)荷約為680×104kcal/h，制冷水標(biāo)準(zhǔn)工況冷負(fù)荷約為20×104kcal/h，因此制冷系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工況總制冷量約為700×104kcal/h。

3.7 預(yù)冷系統(tǒng)設(shè)備配置

采用2次風(fēng)冷方式，一次風(fēng)冷將骨料從33℃降至13～15℃，蒸發(fā)溫度5℃，制冷量340×104kcal/h（標(biāo)準(zhǔn)工況）；考慮到傳送過程的溫升影響，二次風(fēng)冷將骨料從17℃降至2～4℃，蒸發(fā)溫度-12℃，制冷量340×104kcal/h（標(biāo)準(zhǔn)工況）。

拌和樓內(nèi)采用4℃冷水，考慮到輸水系統(tǒng)溫升，實際水溫度按2℃考慮，冷水生產(chǎn)能力為15 m3/h，制冷量20×104kcal/h(標(biāo)準(zhǔn)工況)。

目前，國內(nèi)外水電工程制冷系統(tǒng)設(shè)備均向集成化、模塊化方向發(fā)展，而且國外很多工程項目均開始大規(guī)模使用集成化、模塊化程度高的制冷設(shè)備，國內(nèi)水電工程大多還是將零散的制冷設(shè)備組裝起來使用。

根據(jù)制冷計算成果，對該工程的制冷系統(tǒng)進行了2種方案的設(shè)備配置，主要設(shè)備配置見表4。

4 制冷系統(tǒng)方案比選

4.1 技術(shù)性分析

組裝式、集裝箱式預(yù)冷方案均能夠生產(chǎn)冷混凝土所需要的冷風(fēng)、冷水，技術(shù)上均是可行的，主要從系統(tǒng)的設(shè)計建設(shè)周期、系統(tǒng)生產(chǎn)運行、設(shè)備材料管理等方面進行技術(shù)分析。

表4 制冷系統(tǒng)預(yù)冷方案主要設(shè)備表

1）系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)周期。組裝式預(yù)冷方案工藝復(fù)雜、設(shè)計圖紙量大、設(shè)計周期長，需要進行施工圖設(shè)計，設(shè)計工期約30 d，制冷車間多、設(shè)備多，土建、安裝工程量大，施工工期約120 d；集裝箱式預(yù)冷方案工藝相對簡單、設(shè)計圖紙量小、設(shè)計周期短，無需進行施工圖設(shè)計，制冷車間以集裝箱形式存在，集裝箱之間采用管道連接，土建、安裝工程量小，施工工期約30 d。

2）系統(tǒng)的生產(chǎn)運行。組裝式預(yù)冷方案工藝復(fù)雜，運行人員數(shù)量多，約15人/班，系統(tǒng)運行靈活性較差，部分設(shè)備故障時，可導(dǎo)致整個系統(tǒng)停產(chǎn)或部分系統(tǒng)停產(chǎn)；集裝箱式預(yù)冷方案工藝簡單，運行人員數(shù)量少，約5人/班，系統(tǒng)運行靈活性較強，部分設(shè)備故障時，只導(dǎo)致單個系統(tǒng)停產(chǎn)，其它單元系統(tǒng)不受影響。

3）設(shè)備材料的管理。組裝式預(yù)冷方案設(shè)備以散件形式存在，運輸需進行裝箱和到貨出箱等程序，復(fù)雜且易丟失部件，設(shè)備拆除后單體入庫，散件太多，占庫面積大，難于管理，拆除后僅大型設(shè)備可以再利用，系統(tǒng)整體再利用率低；集裝箱式預(yù)冷方案設(shè)備以集裝箱形式存在，設(shè)備運輸無需進行裝箱和到貨出箱等程序，其可直接裝船，部件難易丟失，設(shè)備拆除后整體入庫，集裝箱式多層堆放，占庫面積小，管理方便，拆除后可整體再利用，利用率高。

相對組裝式預(yù)冷方案，集裝箱式預(yù)冷方案設(shè)計周期短、建安工程量小、施工工期短、系統(tǒng)運行靈活、設(shè)備材料管理方便，相對較優(yōu)。

4.2 經(jīng)濟性分析

制冷系統(tǒng)方案的經(jīng)濟性主要從設(shè)備材料費、建筑安裝費、運行人員成本、等方面進行分析。

1）設(shè)備材料費。組裝式預(yù)冷方案主要設(shè)備材料費見表5，集裝箱式預(yù)冷方案主要設(shè)備材料費見表6。

該工程混凝土制冷系統(tǒng)組裝式預(yù)冷方案設(shè)備材料約1 428萬元，集裝箱式預(yù)冷方案設(shè)備材料費約2 028萬元。

2）建筑安裝費。組裝式預(yù)冷方案需要進行預(yù)冷車間、制冷樓的建設(shè)以及水管、冷媒管等管道的鋪設(shè)，土建安裝費約746萬元，施工工期約120 d；集裝箱式預(yù)冷方案采用模塊化的設(shè)備，設(shè)備放置于集裝箱內(nèi)，集裝箱之間采用管道連接，土建安裝工程量小，土建安裝費約80萬元，施工工期約30 d。

3）系統(tǒng)運行費。工程混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)運行時間約3年，組裝式預(yù)冷方案用電裝機約4 800 kW，車間多，每班需要運行人員約15人，考慮運行人員的功率、車船費以及保險等，3年需要運行費約5 432萬元；集裝箱式預(yù)冷方案用電裝機約5 135 kW，采用中控系統(tǒng)，每班需要運行人員約5人，考慮運行人員的功率、車船費以及保險等，3年需要運行費約4 290萬元。

4）組裝式與集裝箱式預(yù)冷方案經(jīng)濟比較。工程混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)組裝式與集裝箱式預(yù)冷方案經(jīng)濟比較見表7。

從經(jīng)濟方面分析，集裝箱式預(yù)冷方案前期設(shè)備、材料投資大，后期土建、運行費用低，總體費用較組裝式預(yù)冷方案低約1 208萬元，經(jīng)濟性相對較好。

表5 組裝式預(yù)冷方案主要設(shè)備材料費用表

綜合技術(shù)、經(jīng)濟兩方面，集裝箱式預(yù)冷方案設(shè)計建造周期短、建安工程量小、生產(chǎn)運行靈活、設(shè)備材料管理方便，技術(shù)性能相對較好；前期設(shè)備費用投入高，但是后期土建、運行費用低，總體費用較組裝式預(yù)冷方案低，經(jīng)濟性相對較好。鑒于集裝箱式預(yù)冷方案在該工程中具有較高的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)勢，工程混凝土預(yù)冷系統(tǒng)優(yōu)先選擇集裝箱式預(yù)冷方案。

5 結(jié)論

隨著制冷工業(yè)的發(fā)展，制冷設(shè)備模塊化已經(jīng)成為制冷行業(yè)的發(fā)展方向，鑒于設(shè)備在運輸、組裝、運行以及投資等方面暴露出來的問題，國外水利水電工程混凝土預(yù)冷系統(tǒng)基本上已經(jīng)淘汰了組裝式預(yù)冷方案，大量使用模塊化程度較高的集裝箱式預(yù)冷方案。

表6 集裝箱式預(yù)冷方案主要設(shè)備材料費用表

表7 組裝式與集裝箱式預(yù)冷方案經(jīng)濟比較表

目前，國內(nèi)水電水利工程還在大范圍使用組裝式預(yù)冷方案，集裝箱式預(yù)冷方案大多因為前期投入費用太高而沒有被承包商所接受，但是近些年已經(jīng)在部分水電工程中進行了嘗試，該工程混凝土制冷系統(tǒng)預(yù)冷方案的優(yōu)選，對國內(nèi)水電水利工程集裝箱式預(yù)冷方案的推廣有一定的推進作用。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］水利電力部水利水電建設(shè)總局.水利水電工程施工組織設(shè)計手冊［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.