环保型模块制冷系统在混凝土生产中的应用

郑晓刚，何新初，李跃兴

（1.水利部产品质量标准研究所，浙江 杭州 310012；2.杭州江河机电装备工程有限公司，浙江 杭州 310012；3.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004）

在水电工程施工中大体积混凝土预冷是混凝土温度控制的主要技术之一，预冷粗骨料又是生产预冷混凝土的主要预冷工艺之一。以往的混凝土预冷系统制冷剂一般为液氨（R717），采用工厂式建成制冷系统。2017 年广西大藤峡左岸厂坝项目混凝土预冷系统扩容时，选用了制冷剂为氟里昂R507A 模块化制冷系统（环保型模块化制冷系统），是国内水电工程混凝土生产中首次使用的新型制冷工艺。R507A制冷剂不具燃爆性、无毒，为一般化学产品，按一般危险源进行安全、环保处理。液氨R717 有毒、易燃爆，是施工现场的一个潜在的重大危险源，由R507A 制冷剂取代有毒、易燃爆的液氨R717 制冷剂，为施工现场消除了一个可能发生事故的重大危险源。目前在水电工程混凝土预冷工艺中，环保型模块化制冷系统将逐步取代工厂式的液氨制冷系统。

1 环保型模块化制冷系统

选用环保型的制冷剂，将全部或大部分设备安装在集装箱内、由一个或多个集装箱组成的模块，在模块内形成闭环的制冷系统称为环保型模块化制冷系统。环保型模块化制冷系统按功能分可分为粗骨料预冷系统（一次风冷、楼上风冷）、制冰及输冰系统和制冷水系统模块3 类制冷系统。环保型模块化制冷系统按型式分可分为整体式模块化制冷系统和分体式模块化制冷系统。

整体模块化制冷系统是指所制冷设备（制冷压缩机及制冷辅助设施、空气冷却器及风机）均布置在一组40 尺集装箱内，可以应用于针对某种粗骨料的预冷、制冰系统和制冷水系统。

分体模块化制冷系统采用分级布置，制冷压缩机及制冷辅助设施安装在一组40 尺集装箱内形成冷源模块，空气冷却器及风机安装在一组20 尺集装箱内组成一个空冷模块紧邻粗骨料仓布置。1个冷源模块给2～4 个空气冷却器模块提供冷媒，实现多种粗骨料的同时预冷。分体模块化制冷系统适用于粗骨料地面一次风冷和粗骨料拌合楼上二次风冷。

环保型模块化制冷系统可以通过不同的模块组合实现不同的预冷工艺，以制冰系统为例，既可以用1 组制冰模块给2 座拌合楼（站）供冰，也可以用2 组制冰模块组合一起给1 座拌合楼（站）供冰。

根据模块化制冷系统的实际运行管理经验，制冰、制冷水模块宜选用整体模块化制冷系统，粗骨料一次风冷根据现场条件选择整体模块化制冷系统或分体模块化制冷系统，粗骨料二次风冷宜选择分体模块化制冷系统。

2 冷却粗骨料耗冷量的计算

粗骨料制冷模块的主要设备参数需要根据冷却粗骨料的耗冷量来确定，计算将粗骨料Gn由初温T1冷却到终温T2需要的制冷量Qn，需要的制冷量计算公式如下。

式中Qn——冷却粗骨料所需的制冷量，kJ/h；

C——粗骨料的比热，kJ/（kg×℃）；

Mn——单位时间1 小时内需要冷却粗骨料的重量，kg/h；

T1——粗骨料的初始温度，℃；

T2——粗骨料冷却后的温度，℃。

通过公式可计算出冷却不同的粗骨料G1、G2、G3、G4由温度T1冷却到T2需要的制冷量Q1、Q2、Q3、Q4，最后得出需要的总制冷量Q0=Q1+Q2+Q3+Q4。

3 粗骨料制冷模块的参数确定

对于制冷模块型式的选择需要考虑制冷模块布置的场地情况、制冷模块设备及安装运行成本、安装工期等因素。粗骨料风冷分一次风冷（地面）和二次风冷（拌合楼上），一般情况地面一次风冷料仓容积大、二次风冷料仓容积偏小，通常粗骨料降温幅度主要在一次风冷，二次风冷主要起保温和微降温的作用。

由于布置形式的不同整体模块式和分体模块式的制冷系统参数的确定过程也有所不同。

整体模块式制冷系统是一对一实现一种粗骨料的预冷，因此可以根据粗骨料的G1、G2、G3、G4各自冷却所需要的制冷量Q1、Q2、Q3、Q4，来确定粗骨 料G1、G2、G3、G4对应的 制冷主机、油冷器、储液器、蒸发式冷凝器、空气换热器及风机等设备的参数，根据参数再匹配合适的设备组成整体模块化制冷系统。

分体模块式制冷系统由于采用统一的冷源模块，因此需要根据粗骨料预冷所需要的总制冷量Q0来确定制冷主机、油冷器、储液器、制冷剂输送泵、蒸发式冷凝器等设备的参数，再根据G1、G2、G3、G4分别对应需要的制冷量Q1、Q2、Q3、Q4，来计算各个二级模块的空气换热器及风机的参数，再根据参数匹配合适的设备组成分体模块化制冷系统。

4 不同型式粗骨料风冷模块制冷系统及特点

4.1 粗骨料风冷模块制冷系统

粗骨料模块化制冷系统分为整体式模块化制冷系统和分体式模块化制冷系统。

4.1.1 一次风冷模块制冷系统型式

粗骨料一次风冷料仓一般建在地面上，粗骨料一次风冷料仓冷却的骨料量大、冷却截面大、冷却区域大，需要的制冷量大、风量大、风压偏高。要求其相应配备的制冷主机总容量大、空冷器热交换器面积大，宜配备风量大、风压偏高的离心风机。

粗骨料一次风冷模块可选用整体式制冷模块，每一种骨料对应一组制冷单元，主机模块和空冷模块集中在一起，如图1 所示，也可以采用分体式，即所有的骨料系统采用统一的冷源模块，通过不同的空冷模块，实现各自骨料的预冷，如图2 所示。

图1 整体模块化制冷系统

图2 分体模块化制冷系统

4.1.2 二次风冷模块制冷系统型式

拌合楼粗骨料通常作为二次风冷料仓对粗骨料进行第二次预冷，拌合楼的骨料仓较小冷却的骨料量小、冷却截面小、冷却区域小，需要的制冷量较小、风量较小、风压可略偏低。与其相应配备的制冷主机容量较小、空冷器热交换器面积较小。通常拌合楼上采用冷风机和冷却器对粗骨料进行二次风冷，设备多而散，不利于安装和维护，采用模块式空冷模块，把所有管道闸阀、管道弯头、空冷器集和风机等中布置在集装箱内，如图3 所示。

图3 模块化二次风冷系统

4.2 不同型式粗骨料风冷模块制冷系统的特点

4.2.1 整体模块式制冷系统特点

整体模块化制冷系统末端蒸发器制冷剂供液方式为压力膨胀阀直供液，与泵供液方式相比，不需配桶泵机组、集装箱使用个数少、需要的制冷剂量少、建设运行成本低。

每座楼粗骨料G1、G2、G3、G4其对应的空冷部分和冷源部分为一个整体模块，是一个完全独立的制冷系统（每座楼共4 个制冷子系统）。制冷系统可以设置不同的蒸发温度，特别有利于解决小石仓冻仓的问题。不足之处是模块制冷系统运行时，运行人员需要来回不断巡回各个独立的制冷系统。

整个整体模块化制冷系统集装箱内的制冷机组及大部分管道在厂内已经固定安装、检验完毕，在现场没有外接制冷剂管道使安装简便、安装工期短、工程量很小。

整体模块化制冷系统对安装场地要求有一定规模，要求场地方正、长宽方向能布置整体模块式的集装箱制冷机组。

4.2.2 分体模块式制冷系统特点

分体模块化制冷系统的末端蒸发器制冷剂供液方式为泵供液，与膨胀直供液相比蒸发器换热效果好，但需要的制冷剂总量大、运行成本高。

每座楼粗骨料G1、G2、G3、G4仓对应的4 个空冷模块由同1 个冷源模块提供冷源，由于共1个冷源模块便于集中管理，可以减轻运行人员的劳动强度。

由于空冷模块和冷源模块有一定距离需要管道连接让制冷系统形成回路，现场安装的管道长且直径大，相对整体模块式制冷系统工程量大，安装工序多、安装工期长。

由于空冷模块和冷源模块分开布置，冷源模块可以根据地形条件灵活布置。

4.3 粗骨料风冷模块制冷系统的适用范围

4.3.1 一次粗骨料风冷

整体模块化制冷系统现场安装简便、安装工期短、工程量很小，管理运行成本低。由于骨料一次风冷空冷器与制冷站距离短落差小，可以适用整体模块式的集装箱制冷机组。在场地条件允许的情况下粗骨料一次风冷系统应优先选用整体模块化制冷系统，当场地受限制时或总制冷容量偏小时才考虑选用分体式模块化制冷系统。

4.3.2 二次粗骨料风冷

拌合楼上的骨料仓容积小、骨料冷却时间短、降温幅度小，相对于骨料的一次风冷配备的制冷容量要小很多。

拌合楼上粗骨料二次风冷时，具有空冷器与制冷站（冷源模块）落差大、总制冷容量偏小的特点。如粗骨料二次风冷时使用每种粗骨料对应一组整体式制冷模块在经济上很不合适、场地条件可能也不一定允许搭置立柱桁架支撑整体式制冷模块，因此拌合楼上粗骨料二次风冷时宜选用分体式模块化制冷系统，空冷器也宜应选用模块式。

5 结语

通过广西大藤峡项目混凝土生产系统、湖南五强溪扩机项目混凝土生产系统、云南TB 大坝混凝土生产系统的经验，混凝土粗骨料一次风冷（地面风冷）在场地允许的情况下宜首先考虑选用整体模块化制冷系统，当场地狭小时宜考虑选用分体式模块制冷系统，混凝土粗骨料二次风冷（拌合楼上风冷）宜选用分体模块化制冷系统。根据理论分析结合现场情况选取整体式制冷系统模块或分体式制冷系统模块，在制冷系统的建设、运行管理的成本具有一定的经济效益。

模块化制冷系统处于推广应用中，发现系统的不足之处也需要不断完善。如整体化模块制冷系统应用于粗骨料G1、G2、G3、G4冷却时，每种粗骨料Gn制冷模块都是自己的控制系统，制冷系统运行时需要到各个模块巡视、由于模块空间小设备运行的噪音也影响工作环境。如能在G1、G2、G3、G4的模块内配置一些摄像头和应急开关，将控制部分独立出来全部布置在一个集装箱内G1、G2、G3、G4的模块变成集中控制、运行人员也可以通过摄像头监控各模块内部的情况，可以减少操作人员的劳动强度和改善工作环境，同时也提高了工作效率。不断对系统的不足之处进行优化改进，才能提高模块化制冷系统的技术进步和实用性。