水利工程局部节能降耗创新研究

摘要:拌和制冷系统是水利工程拌制温控混凝土的关键，其具有与季节环境反差特性，决定制冷系统高能耗及偏低的环境亲和性。通过创新改造制冷系统局部工艺及构造，回收制冷系统中众多冷凝器运行伴生的温水用于系统的蒸发器表面冲霜，回收气力输冰的预冷空气实现循环再利用。在降低制冷系统能耗、提高运行工效的同时，缓解系统产生的废弃物对周边生态环境的影响。

关键词:水利工程;制冷系统;拌和;蒸发器;气力输送

广西大藤峡水利枢纽工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端，是红水河梯级规划中最末一个梯级电站。工程主要任务为防洪、航运、发电、补淡压咸、灌溉等综合利用。枢纽建筑物主要包括泄水、发电、通航、挡水、灌溉取水及过鱼建筑物等。挡水建筑物由黔江主坝、黔江副坝、南木江副坝组成。大藤峡船闸工程混凝土总量约240 万m3 ，原规划混凝土浇筑强度高峰月在2017 年8 月，月浇筑预冷混凝土量为9 ．35 万m3 。系统设计能力:预冷混凝土高峰期浇筑强度为290m3/h(出机口温度11 ℃)。工程实施期间，提高了混凝土温控标准:原规划预冷混凝土出机口温度为11 ℃，月浇筑强度为9 ．35 万m3/月;实施期间要求预冷混凝土出机口温度为7 ℃，月浇筑强度达到12 ．3 万m3/月。混凝土温控标准更加严苛，预冷混凝土浇筑强度提高约30%，给拌和制冷系统带来严峻挑战。为满足混凝土出机口温度和月浇筑高峰强度的要求，拟扩充拌和制冷系统容量。改造内容主要包括:骨料输送系统改造、一次风冷料仓扩建、制冷系统改造、拌和楼储料罐改造、电气系统改造、拌和楼的隔热改造、运输车辆保温改进、仓面喷雾措施改进、船闸混凝土二期通水冷水机组增加，以及其他相关配套设施改造。

1 拌和制冷系统局部工艺改造

预冷混凝土的重点是风冷骨料，骨料二次风冷是拌制出机口温度小于或等于7 ℃的预冷混凝土的关键［1 ］。混凝土骨料预冷措施包括预冷综合措施、常规一次风冷预冷骨料技术、二次风冷骨料技术。拌制出机口温度小于或等于7 ℃的混凝土主要预冷措施是采用“两次风冷骨料及加冰”技术预冷混凝土［2 ］，即在地面骨料仓内第一次用冷风风冷粗骨料，在拌和楼料仓内第二次通风风冷粗骨料，最后以片冰代替水拌和混凝土;拌制出机口温度小于或等于7 ℃的预冷混凝土需在拌和过程中添加片冰。拌和制冷系统优选制冰设备即可保证片冰的生产能力，但片冰输送供应存在亟待解决的问题。输送片冰目前广泛采用气力输送方式;气力输冰，其输送距离长、输送设备安装方便，但碎冰堵塞是制约气力输冰的关键。气力输冰堵塞主要体现在输冰管路堵塞、冰称及冰称前的螺旋位置堵塞、临时储存碎冰的冰仓内堵塞。解决气力输冰管路堵塞问题，需保持碎冰干燥的同时采用冷空气作为输冰载体，避免片冰温升造成冰堵;解决冰仓及螺旋机构堵塞问题，可采取移动储冰代替固定储冰，用立体取冰代替分层取冰避免冰库底部强固结冰，改变冰仓输冰方式可解决冰仓堵塞难题。拌和制冷系统设有大量的蒸发器设施，制冷系统运行时为了提高蒸发器的热传导效率，每天须定时对蒸发器进行冲洗，去除蒸发管表面的结霜。蒸发器冲霜一般选择常温水，但冲霜时水量需求大，若按照最大冲霜水量配置需建造超出常规拌和系统用水量4 ～7 倍的供水系统，将造成拌和供水系统过于冗余。解决蒸发器常温水冲霜的问题，可收集制冷系统冷凝器运行伴生的温水作为冲霜水，温水冲霜工效高，可降低对制冷系统干扰。

2 蒸发器化霜提高运行工效

拌和制冷系统的冷风、冷水及片冰，通常由制冷系统中的蒸发器(吸收热量)和冷凝器(释放热量)往复运转生产制备。制冷剂由气态转变为液态，是一个冷凝释放热量过程;由液态转变为气态，是一个蒸发吸收热量过程［3 ］。运用制冷剂相态变化与吸收(释放)热量相关性，在制冷系统的冷凝器运行时，制冷剂蒸汽介质降温液化，对外释放热量，释放热量被外部循环水吸收;蒸发器中液态制冷剂介质吸收热量升温汽化，吸收需被降温对象的热量。为提高拌和制冷系统中蒸发器的热传导效率，每天须定时对蒸发器用水进行冲洗，去除蒸发管表面的结霜。

2 ．1 蒸发器结霜处理

制冷系统设置大量蒸发器(冷凝器)吸收或释放热量生产冷风、冷水及冰。蒸发器冲霜通常选用常温水，要求的瞬时水量大，一般是常规拌和系统平均用水量的5 ～8 倍。若按照最大冲霜水量配置，将建造冗余度较大的供水系统，造成固定成本浪费;若按照拌和系统平均用水量配置，冲霜水量将不足，会延长冲霜时间，挤占制冷系统的有效工作时间。

2 ．2 回收冷凝器温水冲霜

制冷系统冷凝器运行时蒸汽在其内部释放热量降温而液化，热量传给冷凝器外部循环水;水吸收释放的热量，可获取制冷系统副产品―――温水;回收并临时存储温水，将温水作为蒸发器定时冲霜、化霜介质。制冷系统冷凝器产生的温水作为各蒸发器定时冲霜介质，解决了在传统常温水冲霜方式下的工效低、工作时间长、水资源浪费严重的问题。回收制冷系统冷凝器温水冲霜主要包括补水系统、内循环水系统、外循环水系统、冲霜系统，其中外循环水系统主要由冲霜水池和外循环泵组成，冲霜系统主要由冲霜水泵、污水静水池、控制闸阀组成。回收冷凝器温水冲霜工艺见图1 。回收暂存制冷系统冷凝器运行伴生品―――温水，在需对蒸发器的蒸发管表面结霜冲洗时，可抽取温水进行冲霜作业。利用制冷系统副产品―――温水作为冲霜介质，提高化霜、冲霜工效，降低水资源消耗，确保蒸发器热传导工效的同时，避免制冷系统副产品(温水)无功排放，降低制冷系统对周边环境的影响。

3 控制气力输冰能耗

3 ．1 气力输冰

气力输送碎冰方式目前采用较为广泛。气力输冰输送距离长，输送设备安装方便，但碎冰堵塞是制约气力输冰的关键。气力输冰的机理:从冰库中输出经深冷处理的片冰与低压高速气流混合，形成冰、气两相流，通过管路送到用冰点［4 ］。用冰点内冰气分离，片冰依靠重力坠落进入小冰仓临时存储，而预冷空气排入大气。为保证输冰连续性，避免片冰温升造成冰堵，需严格控制输冰气体温度。气力输冰的主要问题是堵管［5 ］，造成输冰停止，影响输冰的连续性和效率。冰是一种透明的六方晶体，在常压下冰的熔点为0 ℃，熔点随着压力的增高而降低;冰的温度越低，其导热性能越好;冰的温度越低，其抗压强度越高。根据冰的物理特性，气力输冰时由于摩擦、机械动力等多种原因造成片冰温度的升高，进而凝结成团堵塞管道;或者片冰逐步黏附在管壁上，使得输冰停滞。输冰的气体温度高，冰凝结成团，在气力输送过程中易破碎，使得表面传热面积增加，进一步加剧片冰温度升高;片冰吸热熔化增加黏附性。要解决气力输冰过程中冰堵、结团等问题，需控制或降低输冰气体的温升。输气温度低，片冰的温度就低，其抗压强度就越高，片冰外形易保持完整，在输送管道内碎冰可保持悬浮状态。片冰在输送过程中通过管道时产生的摩擦力和附着力小，气力输冰效率越高。

3 ．2 回收气力输冰的预冷空气

气力输冰系统采用的是开放式输气系统，造成输冰预冷空气自由溢散浪费，输冰能耗高。改造气力输冰系统，不改变气力输冰工艺原理，只将原排入大气的预冷空气回收，送回罗茨风机车间，降低车间环境温度，从而降低风机气源温度。回收气力输冰的预冷空气流程见图2 。气力输冰中的预冷空气回收系统，包括输送系统和气源回收系统。输送系统包括密封输送管道以及设置在密封输送管道上的关风机;密封输送管道的输入端与动力气源连接，输出端与卸料仓连接。卸料仓上设有气源回收系统，回收管道一端与卸料仓连接，另一端与动力气源工作间连接;动力气源设置在隔热保温的独立工作间内。输冰预冷空气通过气源回收系统实现循环再利用，在降低输冰能耗的同时提高输冰效率。

4 拌和制冷系统节能降耗改造工程应用

大藤峡船闸项目拌和制冷系统于2017 年正式投入使用。2017 年浇筑混凝土约71 万m3 ，其中:温控混凝土月浇筑量为58 ．5 万m3;12 月的日最高浇筑混凝土量达6463m3 ，月浇筑混凝土量突破13 万m3 。2018 年浇筑混凝土约126 ．2 万m3 ，其中:温控混凝土约117 ．1 万m3;月最高浇筑强度13 ．2 万m3/月，平均月浇筑强度超过10 万m3/月。改造后的气力输冰系统，在外界温度30 ℃条件下，可以在氨冷却器出口获得6 ℃的预冷空气。与改造前的气力输冰系统比较，冷风温度降低了近50%。输冰阻力减少，工效提高;堵管现象减少;也避免了预冷空气排放对环境的影响。气力输冰预冷空气回收再利用提高了输冰效率、降低输冰能耗，与改造前的气力输冰系统相比，每立方米预冷混凝土成本降低约1 ．5 元。拌和系统平均用水量150m3/h，制冷系统冷凝器需980m3/h常温水冲霜，化霜时间为0 ．5h。改造冷凝器冲霜工艺，回收制冷系统蒸发器伴生的温水用于冷凝器冲霜，温水冲霜时间短、工效高，拌和系统平均用水量即能满足冲霜用水的需求。

5 结论

制冷系统局部创新改造，回收制冷系统冷凝器运行伴生的温水，用于蒸发器定时冲霜、化霜，减少水资源损耗，解决使用常温水冲霜工效低、化霜不彻底、冲霜作业时间长的难题，同时避免温水无功损耗。回收气力输冰的预冷空气，避免输冰冷空气自由溢散，将输冰的预冷空气作为循环气源，降低气力输冰能耗，解决气力输冰易堵管、结团及能耗过高等难题，缓解制冷系统排放物对周边生态环境的影响，与周边环境更加亲和。拌和制冷系统局部节能降耗创新改造在广西大藤峡船闸工程成功应用，取得较好的节能环保效益，后续将进一步开展拌和制冷系统节能改造，促进制冷系统节能、低碳、高效运行，同时与周边环境更和谐。

［1 ］龙慧文，李红丽，张骏．混凝土骨料二次风冷技术［J］．湖北水力发电，2007(4):16 －18 ．

［2 ］龙慧文，罗清．两次风冷骨料新技术在三峡工程中的应用［J］．水利水电快报，2001 ，22(15):6 －8 ．

［3 ］唐富强．蒸发冷凝器的工作原理及其在合成氨冷冻系统中的应用［J］．企业技术开发，2014 ，33(23):58 －59 ．

［4 ］刘友元，吴燕明．冰库及气力输冰系统在生产预冷混凝土中的应用［J］．建筑机械，2001(2):34 －36 ．

［5 ］何建波，浅谈气力输送系统堵管处理［J］．工业C，2015(14):87 －88 ．