范 曉 亮

(中國水利水電第七工程局有限公司， 四川 成都 610213)

1概 述

目前，水電站預冷混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)使用的傳統(tǒng)螺旋輸送式小冰倉存在易起拱、堵管、稱量誤差大、生產(chǎn)效率低，工人勞動強度高、自動化控制技術實現(xiàn)困難等缺點。履帶式小冰倉以其良好的破板結、破拱效果好、運行安全穩(wěn)定等良好性能在化工行業(yè)成功使用。筆者依托楊房溝水電站低線混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)工程，率先在水電行業(yè)引進這一新設備，開展其在拌和樓中的應用研究，解決了拌和樓生產(chǎn)中輸冰困難的問題，提高了拌和系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，既保證了產(chǎn)品生產(chǎn)質量，又降低了運行成本。

2 拌和系統(tǒng)中輸冰系統(tǒng)改造可行性的理論分析

楊房溝低線混凝土系統(tǒng)布置了2座HL120-2S2000L型混凝土攪拌樓，為有效探索和研究履帶式小冰倉的應用、冷風回收與循環(huán)利用工藝技術開發(fā)，依托工程對1號樓進行技術改造，采用履帶式小冰倉和冷風回收與循環(huán)利用工藝結構，2號樓采用原拌和樓配置工藝結構，為螺旋式小冰倉。

2.1 輸冰系統(tǒng)的原理與流程

冰是一種透明的六方晶系的晶體結構，在常壓下冰的融點為0℃。冰的溫度越低，其導熱性能越好，有利于保證拌和樓生產(chǎn)溫控混凝土的質量。冰的溫度越低，其抗壓強度越高，干燥度越高，有利于冰的輸送。根據(jù)冰的物理特性，在實際輸冰過程中受輸冰方式、輸冰介質、內外溫差、機械熱等多種因素的影響，片冰在輸送工程中的溫度將升高。為充分利用冰進入拌和樓攪拌機溶解潛熱，應盡量縮短冰的輸送時間和距離。因此，“制冰樓一般靠近拌和樓布置，采用氣力輸冰裝置進行輸冰”[1]。根據(jù)“片冰的生產(chǎn)、儲存和氣力輸冰結構，其儲存和氣力輸送工藝流程見圖1”[2]。

片冰在輸送過程中凝結成團的機理是片冰溫度升高，在壓力風送過程中，易破碎，使表面?zhèn)鳠崦娣e增加，進一步加劇片冰溫度回升，片冰表面吸熱局部融化成水，形成潮濕冰，片冰吸熱蒸發(fā)過程中會重新凝結成團。螺旋機帶走下部的冰時，上部結殼的冰留在原處形成起拱、搭橋現(xiàn)象，使冰無法掉入送冰螺旋中，從而使螺旋處于空轉，空轉就會使一些冰屑一層層地黏結在螺旋葉片間，長時間空轉就會使螺旋機失去輸送片冰的能力。解決輸冰過程中產(chǎn)生的堵冰、結團等問題的主要措施：(1)控制或降低片冰的溫升；(2)使冰保持松散狀況，避免形成冰團和冰橋。片冰的溫度越低，抗壓強度就越高，其外形易保持完整，松散狀態(tài)，黏附性就越小。片冰在輸送過程中與管壁、螺旋機槽、稱量斗壁產(chǎn)生的摩擦力就越小，輸冰效率就越高。

圖1 片冰儲存和氣力輸送工藝流程

2.2 履帶式小冰倉的結構與工作原理

履帶式小冰倉主要包括履帶裝置、出冰螺旋機、碎冰裝置、倉壁等，履帶式小冰倉結構見圖2。其工作原理：冰儲存在冰倉內履帶的上方，在工作時通過履帶將堆積的片冰傳送到碎冰機構，碎冰機構通過旋轉將冰堆打碎，扒松，使其成為松散狀態(tài)，再輸送至輸冰螺旋機。

圖2 履帶式小冰倉結構圖

履帶式冰倉輸冰是通過履帶將冰倉內的冰整體移出，與冰接觸面積大，驅動力矩大，在出冰口設有碎冰裝置以防冰倉內的冰結塊，從而可以在冰倉滿倉儲冰。因此，出冰口設置的碎冰裝置，保證了輸送到螺旋機的冰塊為松散狀態(tài)，確保整個過程不會出現(xiàn)冰堵現(xiàn)象。其次，履帶裝置的驅動電機采用的是變頻電機，通過改變電機的頻率來調節(jié)小冰倉的出冰量，以便用戶可根據(jù)實際用冰需要量設置出冰量的大小，不僅可以提高稱重系統(tǒng)的精度，也提高了生產(chǎn)效率，還能防止大量冰瞬時進入送冰系統(tǒng)導致的冰堵。

3 履帶式小冰倉安裝

履帶式小冰倉安裝是在原螺旋式小冰倉的安裝基礎上進行改造，為保證設備的配套性和重復利用，避免對拌和樓主要結構進行改動，同時注意與拌和樓工藝流程設備的接口及空間位置的利用。楊房溝低線拌和系統(tǒng)充分利用拌和樓空間，在原小冰倉的基礎上改造安裝履帶輸冰裝置、破冰裝置等工藝設備，并將增設的承重結構、安全防護設施、管道及設備的接口均制作成標準桿件，采用螺栓進行連接。

通過現(xiàn)場測量，可供履帶式小冰倉安裝的有效空間為長2.2 m、寬1.5 m、高2.7 m。由于其出冰口位于冰倉端部，小冰倉安裝位置由原中部布置，更改為靠樓體墻邊布置，并結合拌和樓體結構增設豎向支撐和橫梁，同時對原安裝平臺支撐和固定結構進行改造，即從拌和樓稱量層平臺增設支撐結構至稱量檢修平臺，并根據(jù)受力點對原設計中小冰倉安裝固定承重梁等結構位置進行改造。改造后履帶式小冰倉安裝布置見圖3。

傳統(tǒng)輸冰工藝未考慮分離冷風的回收利用，且堵冰故障處理時，小冰倉不能有效密封，造成了大量的能耗浪費，從而導致羅茨風機后的空氣冷卻器配置均較大，也影響送冰冷風質量。據(jù)《水利水電施工組織設計手冊》介紹，“循環(huán)冷風損失10%時，冷風冷量需增大一倍”[3]。為控制片冰的溫度回升，提高片冰的質量，依托工程利用1號拌和樓進行了履帶式小冰倉改造，在拌和樓小冰倉至冰樓輸冰設備羅茨風機之間敷設一回風管路，回風管路引接至空氣過濾器進風口，并在過濾器進風口增設DN150進風管路，設空氣截止閥，補充損失風量，同時避免冷風流失。為便于監(jiān)測冷風回收利用效果，在回風管路兩端(即拌和樓小冰倉和羅茨風機進風口)各安裝一個測溫儀和壓力表，以便實時記錄冷風循環(huán)利用情況，從而實現(xiàn)冷風回收和循環(huán)利用。冷風回收與循環(huán)利用工藝見圖4。

圖3 履帶式小冰倉安裝結構平面圖

圖4 冷風回收與循環(huán)利用工藝圖

4 輸冰系統(tǒng)自動化控制及監(jiān)控系統(tǒng)的改造

傳統(tǒng)輸冰系統(tǒng)存在易堵冰的缺點，需在小冰倉、冰庫安排專人進行運行管理，以人工手動控制和監(jiān)控管理為主。為提高輸冰系統(tǒng)運行效率，實現(xiàn)系統(tǒng)控制自動化，研發(fā)了一套PLC控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)具備自動和手動控制兩種功能，并接入拌和樓控制系統(tǒng)，在拌和樓上位機進行組態(tài)，實現(xiàn)在拌和樓中控室上位機進行輸冰過程全自動化控制和遠程監(jiān)控和管理。

為實現(xiàn)自動化控制技術，同時在相應部位設置傳感裝置和信號反饋裝置，根據(jù)反饋信號在自動控制模式下實現(xiàn)輸冰過程自動化。主要控制技術如下：

(1)在冰庫增設了溫度傳感裝置，當感應溫度高于設定高溫度時，控制系統(tǒng)自動開啟庫內冷風機，低于設定低溫度時自動關閉冷風機，保持庫內冰處于一定的溫控區(qū)間，使冰處于干冰狀態(tài)。

(2)在拌和樓小冰倉增設料位感應裝置，實現(xiàn)片冰自動輸送，當料位低于設定低料位時，自動啟動冰庫耙冰機、螺旋機、混合泵、羅茨風機進行輸冰，高于設定高料位信號時，自動按序停止輸冰。

(3)小冰倉輸冰按輸冰螺旋機、碎冰裝置、履帶送冰裝置依次開啟設備，并通過稱量信號反饋送冰是否正常，履帶式冰倉輸送履帶通過變頻器調速控制，感應電機扭矩的大小自動調節(jié)運行速度，將輸冰量調整到一定的允許范圍內，并通過稱量系統(tǒng)反饋，實時進行修正以滿足冰稱量的精度要求。

(4)為滿足系統(tǒng)集中監(jiān)控管理要求，在冰庫內和小冰倉處設置了兩套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并將信號接入拌和樓中控室統(tǒng)一監(jiān)控，實時顯示冰庫和小冰倉的運行狀況。

5 應用取得的效果

5.1 履帶式小冰倉應用取得的效果

通過生產(chǎn)實踐，根據(jù)1、2號拌和樓預冷混凝土生產(chǎn)情況的對比分析表明，采用履帶式小冰倉，設備運行穩(wěn)定可靠，幾乎未出現(xiàn)小冰倉堵冰現(xiàn)象和設備故障，其應用效果和運行狀況對比分析見表1、2、3。

表1 輸冰過程運行效果比較

表2 拌和樓生產(chǎn)運行統(tǒng)計對比分析表

表3 冷風回收循環(huán)利用情況統(tǒng)計分析表

通過對1、2號拌和樓生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，采用履帶式輸送裝置較傳統(tǒng)的螺旋輸冰和冷風回收利用裝置，每小時生產(chǎn)能力提高了6%～10%，“片冰的稱量誤差控制在±1%之內”[4]，并實現(xiàn)了冷風回收利用率達60%以上，保證了片冰質量，降低了運行成本。同時，設備運行安全可靠，提高了生產(chǎn)效率，滿足了預冷混凝土生產(chǎn)的質量要求。

5.2 控制系統(tǒng)技術改造取得的效果

生產(chǎn)運行實踐表明：輸冰系統(tǒng)與拌和樓控制系統(tǒng)配套技術改造實現(xiàn)了拌和系統(tǒng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的控制自動化和管理信息化，節(jié)省了人力資源，提升了生產(chǎn)效率，降低了運行成本。其運行效果主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)變頻控制技術的運用。履帶式小冰倉在傳統(tǒng)的控制基礎上引入了變頻控制技術，驅動電機采用變頻電機，控制單元采用變頻器，PLC通過模擬量模塊與變頻器進行通訊，通過試驗測定值調整履帶輸送量，能控制片冰稱量精度，同時能提供綜合保護功能，提高了設備的安全性和可靠性。

(2)PLC控制技術的運用。輸冰系統(tǒng)采用“PLC控制技術，在拌和樓中控室集中進行監(jiān)控和管理，實現(xiàn)了控制自動化，管理信息化的目標?！盵5]通過生產(chǎn)運行統(tǒng)計，其輸冰效率可提升20%以上，提高了生產(chǎn)效率，也大幅度提高了設備運行的可靠性和安全性。

同時，采用PLC實現(xiàn)自動化控制，可根據(jù)設備及信號監(jiān)測裝置的信號反饋在小冰倉等部位實現(xiàn)無人值守功能，采用計算機進行集中監(jiān)控和管理，提高了運行的安全性，節(jié)約了運行成本。

6 效益分析

采用履帶式小冰倉可以實現(xiàn)小冰倉滿倉儲冰，輸冰系統(tǒng)運行時間可由原25 min/h，縮短為12 min/h，減少了輸冰系統(tǒng)運行時間。履帶式小冰倉運行可靠性提高和自動化控制技術的應用，使拌和樓小冰倉運行和輸冰系統(tǒng)運行可由原4人/班減少為2人/班。同時，減少了故障處理時間8%～10%，降低了因故障處理造成的能耗浪費，起到了“節(jié)能降耗”的作用，提高了片冰的輸送質量和生產(chǎn)的連續(xù)性，確保了工程質量和進度。

7 結 語

筆者依托楊房溝水電站低線混凝土拌和系統(tǒng)工程，探析履帶式小冰倉在系統(tǒng)中使用及配置的合理性和適用性，介紹了履帶式小冰倉的安裝以及冷風回收與循環(huán)利用工藝。同時，對拌和樓自動化控制及監(jiān)控系統(tǒng)進行改造，實現(xiàn)了輸冰過程的自動化控制，較好地解決了輸冰過程中起拱、堵管等問題，提高了系統(tǒng)生產(chǎn)效率和設備保障率，保證了產(chǎn)品質量，降低了工程運行成本，為類似工程履帶式小冰倉的應用提供了很好的借鑒和參考意義。