小浪底水利枢纽工程混凝土预冷系统工艺介绍

中国水电建设集团国际工程有限公司　

　　摘 要: 本文从小浪底枢纽工程混凝土预冷系统生产过程、工艺布置、设备构造及使用性能特点方面作定性分析、论述，与国内常用的混凝土预冷系统进行对比评述，就可以借鉴的地方作详尽阐述。

　　关键词:小浪底水利枢纽工程 混凝土预冷系统

　　小浪底枢纽工程位于河南省洛阳市以北40km孟津县小浪底，是黄河干流在三门峡以下峡谷河段唯一能够取得较大库容的控制性工程。是以防洪（包括防凌）减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电、除害兴利，综合利用。

　　主要水工建筑物集中布置在左岸，计有：3条低位孔板泄洪洞（由导流洞改造而成）；3条高位明流泄洪洞；3条低位排沙洞；1条溢洪道，还有进口的进水塔，下游的消力溏。

　　小浪底水电站安装六台水轮发电机组，装机容量180万kW，单机容量30万kW。

　　本文主要介绍Ⅱ标（CGIC联营体）的下游及上游混凝土制冷系统。

　　小浪底混凝土预冷系统是全套引进美国的先进设备、工艺，在国内水电工程中属于空前的。

　　在小浪底水利枢纽工程Ⅱ标混凝土预冷系统工作了五年，作为这个系统的中方主要见证人，我有责任把这个系统的工艺特点、设备使用性能等介绍给同行，供在混凝土预冷系统设计、配套设备设计、选择方面参考。

1主要预冷（温控）措施

　　小浪底水利枢纽工程Ⅱ标混凝土预冷，要求混凝土出机口温度为8℃～12℃，所采取的主要预冷（温控）措施有：

　　水冷骨料；风冷骨料；加冰拌和；在冬季时加热水拌和；混凝土后冷却。

2 主要设备及性能

　　2.1氨压机

　　氨压机是美国FRICK公司生产的，其结构型式为2台螺杆式氨压机安装在一个罐体上，氨压机冷却方式为液氨冷却，向氨压机排气口处直接喷液氨，液氨与压缩高温氨气及润滑油混合后蒸发，带走热量，从而降温氨压机的温度，在冷却用供液氨管路中设置电磁阀，根据氨压机的运行情况控制冷却氨液管路开、闭；管路中的膨胀阀，能够随着氨压机排出压缩氨气的温度变化，自动调整冷却用氨液供应量，简单、可靠，与用水冷却冷却机油的方式相比，氨压机组也就不必另附一个冷却用油水热交换器，氨压机体积小，重量轻，加之后面要讲的新型冷凝器，整个系统不需要配备水冷却塔，节约费用、场地，更环保。

　　氨压机启动时靠所配机油泵进行压力润滑，待氨压机正常运转后机油泵自动停止工作，氨压机依靠压差润滑；氨压机能根据负荷变化自动增加、减小负荷，依靠氨压力继电器设定最小吸入压力（只有3PSI，每平方英寸磅，3PSI相当于0.02MPa），当氨压机吸气口（负荷侧）的压力接近设定的低限时，会自动减负荷，直至零负荷运行，因此不会造成由于负荷太低而自动停机；氨压机还配有电流继电器，限制主电机最大电流，低于这个设定值，允许自动加负荷，但是吸入压力也不能低于设定的最低值，高于设定的最大电流值，会强制自动减负荷，即便系统负荷很大，电流继电器也不允许氨压机继续加载了，使得电动机始终处在最佳负荷范围内工作。

　　2.2储氨罐及蒸发器

　　高压储氨罐，用于贮存氨液，在试生产前往此罐内直接加注氨液，整个系统共加4吨左右液氨，工作中从冷凝器冷凝后的液氨也进入此罐，再分别供给各个制冷设备蒸发器。

　　卧式低压循环储氨罐，风冷骨料单元用，氨液从储氨罐经电磁阀控制进入此罐，再经过氨泵加压后送到拌和楼配料楼（八角楼）骨料仓外面的冷却蒸发器中，蒸发后的氨气又回到此罐，氨压机的吸气口与此罐最上端连接，氨液在下面，氨气在上面，进而保证氨压机吸入的是纯气体，免受“液击”。

　　风冷骨料用蒸发器，由氨泵供液，在进液管路设置电磁阀，控制氨液开、关，由膨胀阀根据进入蒸发器的冷风温度自动调整进入蒸发器的氨液数量，从而实现骨料冷却温度的自动控制。由于进入拌和楼配料楼（八角楼）的骨料是经过水洗和水冷，然后再脱水处理过的，骨料中几乎不含粉尘等细颗粒物，所以风冷骨料用的轴流风机风扇叶片几乎没什么磨损，该叶片由树脂材料制作，通过调整叶片的角度可以调节送风量。在工作中出现过一次骨料从进风道跑到轴流风机内的情况，把轴流风机叶片全打断了，当时，从制冷车间控制盘上显示一切正常，就是冷却负荷很小，而实际上这种骨料温度却很高，经过打开冷风机的检查孔，发现轴流风机电机正常运转，风机叶片全被打断了，冷风无法循环，骨料当然也就不能预冷了。

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　　骨料冷却蒸发器为自动除霜，根据实际情况，在操作室控制盘上设定除霜间隔时间，几种骨料的除霜时间要错开，当某一种骨料需要除霜时，系统先自动关闭向该骨料冷却蒸发器供氨液的电磁阀，待蒸发器内氨液基本蒸发完毕后，会自动打开除霜用水管，向蒸发器内淋水除霜，除霜用过的水由于温度很低，直接送到水冷骨料胶带机水槽内加以再利用。

　　制冷水用蒸发器，就是在大圆管内安装很多小管，小管内通水，小管外与大管内之间的空间通氨液，工作中水从小管内流过，促进小管外氨液蒸发制冷，其型式与我们常用的冷凝器基本一样。在主水管路中设有水流动感知开关，当有水流动信号时，安装在氨液管路中电磁阀才会打开往蒸发器内补充氨液，膨胀阀会根据水温情况自动调整进入蒸发器的氨液数量。

　　国内目前常用的螺旋管式蒸发器是氨液在螺旋管内流动，螺旋管蒸发器浸在制冷水槽内，这样不容易使大水槽内的水结冰，安全、直观、简便，但是体积要比前者大的多。

　　2.3冷凝器

　　冷凝器由美国巴尔迪默生产，是将压缩热氨气冷凝成氨液的设备，其冷却方式为风扇加淋水，淋水为一次性使用，不回收，此种比较适用于小浪底这种水费用不高的项目。工作中，根据氨压机排除压力的大小，由操作员来确定开启淋水水泵数量及风扇数量、，可以逐级调节，使得氨压机的排出压力始终处在合理范围内，节约能源。这种冷凝器结构为集装箱式，安装快捷方便。另外它不需要冷却塔，投资省，系统占地少。缺点是由于一直在补充新水，管路外容易结水垢，影响冷凝效果，除水垢很不方便。

　　2.4制冰机

　　在下游混凝土预冷系统布置4台北极星90型制冰机（NORTH STAR 90），单台额定片冰生产能力1.7t/h，为内结冰式片冰机，刮冰刀为通过电机驱动旋转的排刀，结冰内壁为碳钢，使用过程中在制冰机内壁制冰面上结水垢也比较严重（可能是小浪底地区水质原因造成），影响制冰效果，需要定期除水垢。

　　工作程序是，首先启动对应的氨压机，开启制冷水的冷却器，启动制冰机，待制冰机内氨压力低到设定值时，系统自动开启为制冰机供氨液的电磁阀，此时给制冰机供冷水（4℃左右）的水泵也自动开启，开始制冰工作。系统这样设计的目的是因为刚开启时制冰机内氨压力较高，如果马上供氨液，使得制冰机内压力不能尽快降下来，另外若制冰机刚开启就马上供水，制冰机会产生大量冰水混合物，一方面会造成冰水混合物直接进入冰库，另一方面，也会由于结冰不均匀，导致制冰机刮冰刀过负荷而自动停机，这两点都是比较麻烦的事情。在制冰机供液管道系统中也设置膨胀阀，可以根据负荷情况自动控制进制冰机内的氨液数量。由于制冰机是内结冰，比较国内常用的外结冰制冰机，其没有旋转密封问题，所以制冰机氨液密封效果很好。

　　该制冰系统设计新颖的地方还有，当由于某种原因(如冰太厚，结冰严重不均匀或操作失误)造成制冰机跳闸了，这时要等待制冰机内壁上结的冰融化后制冰机才能开得起来。系统就此问题做了专门设计，可以作如下操作，关闭进液氨阀，然后打开专门设置的管路，把从氨压机排气口出来的压缩热氨气导入制冰机，从制冰机内冷凝下来的氨液通过排油管路直接进入低压循环储氨罐，几分钟内就可以将制冰机内壁的冰融化（若等正常融化，至少需要2个小时）。这样做的前提是系统内必须有其它氨压机在正常工作，才有压缩热氨气的来源，同时此过程也需要通过液面监视窗口密切关注低压循环储氨罐内的氨液液面高度情况，防止由于氨液面超限造成氨压机自动停机。

　　2.5冰库（储量为100T片冰）

　　如果说氨压机、制冰机等主要设备受设计、制造、加工工艺水平的限制，那么冰库属于配套设备，我们可以借鉴的地方很多。我们现在使用得一些冰库，在结构、自动控制方面还远赶不上小浪底的冰库。

　　小浪底冰库的外墙、储冰库地面及屋顶结构，也包括支撑制冰机层面承重梁全部为拼装式木结构，储冰层就设在地面上，制冰机设在第二层。

　　冰仓门为轻型钢结构覆木面板，门的背面用四连杆机构支撑在冰库墙壁上，冰库门的操作是由0.5HP电机驱动链条来实现开门、关门动作，在提升链条上分别设置限位开关，即门开到最高限位及在关闭位置上的低限位。

　　冰库耙冰机的提升和下降采用1HP电机驱动，通过两级涡轮蜗杆减速后来驱动链条实现，因为涡轮蜗杆本身具有自锁性能，所以提升机构不需要设置制动器，比国内现在常用的提升驱动装置功率小很多，简便可靠。

　　采用气力输送往拌和楼送冰，不受场地、输送高度限制，容易布置，便于实现自动控制，但是有时会出现赌管现象，需要把相应的赌管部位的管路拆开、清理。

　　耙冰机是冰库内的主要设备，其动作分制冰（CHARGE）和送冰（DISCHARGE）循环。制冰循环过程中，首先耙冰机升起，然后先往前耙，目的是把靠近冰仓门的空间填平，然后向后耙，把制冰机下面形成的“冰堆” 均匀地摊开在整个冰库范围内，停顿一段时间后再开始下一个循环，各个环节所占的时间都是可以根据实际情况进行调节的。

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　　送冰（给拌和楼送冰）过程，当接到拌和楼需要片冰的信号后，旋转给料器(PNEUMATIC VALVE)、送冰用罗茨风机、为压缩空气降温冷却器、斜螺旋输冰机、双螺旋输冰机、冰仓门依次自动开启，然后耙机向前耙冰，同时耙冰机也自动下降，直至送冰结束。在送冰线路设置一个“浮球”开关、2个阻旋料位计，分别安装在双螺旋输送机出口（即斜螺旋输送机入口处）的冰槽上方，当从双螺旋输送机送来的冰超过斜螺旋输送机送走的数量时，冰会在此处形成堆积，待堆起的冰把浮球开关顶起时，系统自动关闭双螺旋输送机、耙冰机，同时耙冰机也停止下降，随着斜螺旋输送机不断地把在此冰槽内的冰送走，浮球开关复位，双螺旋输送机恢复运转，待一段时间后（此时间可以调整），耙冰机继续往前耙冰，再过一会后（滞后的时间也是可以调节的）耙冰机也开始继续下降以便可以刮出足够的冰。此处应该注意，当有一大冰块或是冰在此浮球开关处成拱时，冰就不能落到斜螺旋输送机的进口内，会造成后面运转正常，前面没有得到恢复送冰的信号而送不出冰，另外若冰库操作员不能及时发现并处理此问题，会造成制冰机下面堆很大一堆冰，此时耙冰机也刮不动这么多冰；还有若冰在浮球开关上面成拱，堵住冰不能进入斜螺旋输送机，此时浮球开关并不浮起，系统也就没有得到后面“不正常”的讯号，所以前面的耙冰机、双螺旋机还在源源不断地送冰过来，会在此处“跑出”很多的冰，这种情况夜班时出现过。

　　在旋转给料器(PNEUMATIC VALVE)上口处安装一阻旋式料位计，当斜螺旋输送机送到给料器内的冰多于给料器下面送冰管路“吹”走的冰时，给料器内的冰位抬高，进而阻止料位计叶片旋转，系统接到此讯号后自动停止前面的耙冰机、双螺旋输送机、斜螺旋输送机，待给料器内冰位下降，料位计恢复转动后前面的设备又开始送冰工作，也同前面说的一样，当冰在料位计叶片上方成拱时，料位计“正常”旋转，所以也会出现前述的极端情况。

　　在拌和楼小冰仓内也设有阻旋式料位计，当小冰仓内冰低于低位料位计叶片位置时，系统给冰库发出送冰指令，冰库开始送冰作业，待小冰仓内冰达到高位料位计高度时，自动停止上冰工作，冰库系统又恢复到“制冰”循环，在此也出现过把小冰仓上满，甚至小冰库门都被涌出的冰堵住的情况。

　　输冰管路为铝管，6m一根，两根管子的连接采用不锈钢带内衬胶皮密封，螺栓拉紧，连接接头长度约30cm ，拆卸方便，密封良好。

　　通过时间继电器时间的合理设置，外加一个浮球开关、两个阻旋料位计控制系统各动作，制冰、送冰过程实现全自动化控制，操作员进行巡检，处理“非正常”情况。

　　冰库维持温度系统为独立制冷系统，采用氟利昂制冷剂的制冷机，相当于一个大的分体式空调机，根据冰库内温度情况自动开启、关闭，采用电加热除霜。除需要进冰库内维修设备或是在冬季对冰库进行全面检修时才停机，即便是一个月或更长的时间不用冰，冰库内的冰也不会融化。现在我们水电系统常用的冰库维持温度系统是借用制冷系统的大氨压机来制冷的，由于大氨压机运行费用高，实际工作中，若2天内不用冰，就得把冰库内的冰全部清除掉，造成较大的浪费。

　　2.6水冷骨料

　　通过往输送骨料的胶带机上方淋低温水（4℃），从而降低骨料温度，由于在拌和楼配料楼料仓上方设置一台三层筛面的振动筛进行二次筛分，所以在上料时采用混合上料，胶带机布置在保温廊道内，其带速为0.5~0.96m/s，喷林水量约500m/h。在往拌和楼料仓上料前半小时，需要提前开启制冷水系统的设备，以便能预先将水冷骨料水池内的水预冷。

　　2.7 混凝土后冷却系统

　　三台荷兰生产的集装箱式水冷机组用于混凝土后冷却，该机组的氨压机（活塞式）、蒸发器、冷凝器、循环水泵全部安装在一个40英尺集装箱内，安装、拆卸、运输方便。但其使用性能一般，如在进行进水塔混凝土后冷却时，由于制冷能力不足，最后借用上游制冷系统水冷骨料单元设备（由于正值冬季，水冷骨料暂时不用），另外把上、下游制冷系统制的冰往循环冷水池内投放，才得以把进水塔的混凝土内温度如期降下来。

　　2.8 热水锅炉

　　在冬季施工中，需要加热水搅拌混凝土，本系统安装一台燃油锅炉，根据锅炉内水压力情况自动控制水温度。

　　2.9上游混凝土预冷系统

　　上游混凝土预冷系统布置三台北极星90型制冰机（NORTH STAR 90），四台氨压机，冷凝器也比下游用的小些，其余的基本与下游一致。

　　对于重要设备，退场前除进行必要的检修外，要抽真空，然后充入氮气，防止设备内部生锈。

3 评　述

　　小浪底水利枢纽工程混凝土预冷系统设计合理、布置紧凑，安装方便，结构新颖，设备体积小，节能、环保、效率高、使用方便，基本实现了全自动化控制。

　由于氨压机压缩比大，吸入压力很低，本系统加注的液氨量也很少，只有4t左右，而国内常用混凝土预冷系统时采用过量供氨液的方法，需要氨液数量约是本系统的十几倍。