陳桂萍

（中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710024）

1 工程概況

1.1 工程簡介

曲溪城鄉(xiāng)供水工程位于甘肅省天水市，是一項跨流域調(diào)水工程，該工程由大壩樞紐、輸水隧洞、引水管線、調(diào)蓄水池等組成，工程等級為中型III等，建成后將極大緩解天水市城區(qū)水資源短缺問題，是保障天水市城區(qū)生產(chǎn)、生活用水需求的重大民生工程。輸水隧洞全長21.6 km，采用2臺φ4 m的雙護盾TBM相向掘進，具有洞線長、斷面小、地質(zhì)條件復(fù)雜等施工特點。隧洞為無壓洞，設(shè)計流量1.44 m3/s，縱坡比1∶800；襯砌采用六邊形管片，管片厚度0.26 m，環(huán)寬1.2 m，針對Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ圍巖類別，又分為A、B、C三種類型；襯砌后洞徑為3.2 m；管片壁后與圍巖之間的間隙，采用豆礫石充填并進行回填灌漿；共計安裝管片約18 000環(huán)。

1.2 管片生產(chǎn)

管片預(yù)制是TBM施工的重要配套產(chǎn)業(yè)，關(guān)乎著整體施工的進度和質(zhì)量，掌握管片預(yù)制關(guān)鍵技術(shù)有利于形成TBM施工全產(chǎn)業(yè)鏈；中國水電三局以曲溪城鄉(xiāng)供水工程作為試點，自主設(shè)計、建設(shè)首座管片預(yù)制廠，以滿足工廠化、規(guī)模化生產(chǎn)，填補中國水電三局在管片預(yù)制生產(chǎn)方面的技術(shù)空白，積累施工經(jīng)驗，提升TBM品牌競爭力、擴大行業(yè)影響力[1]。

管片預(yù)制廠占地面積8 640 m2，鋼結(jié)構(gòu)廠房寬35.6 m、長96 m，建筑面積3 418 m2，混凝土拌和系統(tǒng)等生產(chǎn)輔助性設(shè)施占地面積約1 100 m2。廠房分鋼筋加工區(qū)及管片生產(chǎn)區(qū)，鋼筋加工區(qū)由存放區(qū)、下料區(qū)、半成品加工區(qū)及鋼筋籠焊接區(qū)組成；管片生產(chǎn)區(qū)由生產(chǎn)線、蒸養(yǎng)線、進出?？拥馈⒄駬v室、參觀通道、管片存放區(qū)等組成。平面布置如圖1所示。

圖1 管片預(yù)制廠平面布置圖

管片預(yù)制廠于2021年3月8日開始試生產(chǎn)，4月8日正式投產(chǎn)，截至2021至12月底已生產(chǎn)類型合格管片5 200環(huán)。隧洞襯砌采用六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)管片，強度等級為C45W8F50，錯縫安裝，片與片之間采用凸凹面咬合、環(huán)與環(huán)之間采用定位銷連接，采用遇水膨脹復(fù)合止水條止水。管片三環(huán)拼裝如圖2所示。

圖2 管片三環(huán)拼裝試驗

管片流水線為“1+3”制，即1條生產(chǎn)線、3條蒸養(yǎng)線，滿足13套（52臺）管片模具在流水線上同時運轉(zhuǎn)。生產(chǎn)線共布置13個工位，每道工序確保工序質(zhì)量，經(jīng)檢查無誤后進入蒸養(yǎng)窯進行5 h的蒸汽養(yǎng)護，達到蒸養(yǎng)時間后，管片出窯，同條件養(yǎng)護試件抗壓強度不小于20 Mpa時，管片方可脫模。管片生產(chǎn)線工位布置如圖3所示。

圖3 管片生產(chǎn)線工位布置

蒸養(yǎng)窯分為升溫區(qū)、恒溫區(qū)、降溫區(qū)3個區(qū)域，溫度分別在40℃、55℃～60℃、40℃。管片每個生產(chǎn)循環(huán)的時間為：靜停2 h，40℃升溫1 h、55℃～60℃恒溫3 h、40℃降溫1 h；以每天3班、實際工作時間22 h計，可生產(chǎn)3個循環(huán)，管片日產(chǎn)量39環(huán)，月產(chǎn)量達1 092環(huán)[2]。

2 新型蒸汽機組與傳統(tǒng)鍋爐的對比分析

管片脫模強度是制約流水線高效運行的關(guān)鍵因素，采用蒸汽養(yǎng)護是使管片強度在短期內(nèi)得到快速提升最有效的一種混凝土養(yǎng)護措施，因此，蒸汽養(yǎng)護成為生產(chǎn)過程中一道最關(guān)鍵的工序，如何提供持續(xù)、穩(wěn)定的高質(zhì)量蒸汽是管片生產(chǎn)中一個最重要的環(huán)節(jié)。

管片蒸汽養(yǎng)護過程中，蒸養(yǎng)窯的養(yǎng)護溫度為55℃～60℃，以往管片生產(chǎn)過程中，蒸汽養(yǎng)護采用傳統(tǒng)燃煤（燃氣）鍋爐或電鍋爐等設(shè)備來產(chǎn)生蒸汽；蒸汽鍋爐需要經(jīng)過壓力容器形成蒸汽壓力之后才能產(chǎn)生高溫蒸汽，蒸汽產(chǎn)生的過程是：儲水-加熱-水沸騰-產(chǎn)生蒸汽；采用傳統(tǒng)燃煤鍋爐、燃氣鍋爐或電鍋爐產(chǎn)生蒸汽，熱效率低，需要消耗大量的煤炭、燃氣及電能，同時，使用燃煤鍋爐會產(chǎn)生大量的S02、CO2氣體，污染環(huán)境；且采用煤炭不符合當?shù)丨h(huán)保要求。

本著節(jié)能環(huán)保的綠色施工理念，為響應(yīng)“碳達峰、碳中和”重大戰(zhàn)略決策，項目管理團隊經(jīng)多方調(diào)研，最終摒棄了傳統(tǒng)的燃煤、燃氣及電鍋爐等高污染、高能耗設(shè)備，自主創(chuàng)新，在行業(yè)內(nèi)首次采用了新型的變頻模塊蒸汽機組，共安裝3臺1 t變頻模塊蒸汽機組為管片生產(chǎn)養(yǎng)護提供高質(zhì)量的高溫蒸汽。如圖4所示。

圖4 曲溪城鄉(xiāng)供水工程管片廠新型模塊蒸汽機組

3 新型蒸汽機組工作原理

蒸汽機組由冷凝器、上層熱交換器、下層熱交換器、冷凝回收器、燃燒室、控制系統(tǒng)、測量反饋設(shè)備、管道線路、排煙等附件組成，各系統(tǒng)作用如下：上層熱交換器能使煙氣二次利用，充分吸收燃氣的余熱；下層熱交換器，明火直接燃燒，采用高密度的翹片產(chǎn)生換熱，冷凝回收器能使煙氣被3次利用，排煙溫度低至53℃；燃燒室，通過燃燒將燃氣的化學(xué)能安全、高效地轉(zhuǎn)化為熱能。

控制系統(tǒng)采用變頻控制技術(shù)，運用直流蒸汽發(fā)生技術(shù)，使經(jīng)處理后的純水流經(jīng)熱交換器瞬間就產(chǎn)生蒸汽，實現(xiàn)開機5 s直接產(chǎn)生高溫蒸汽，無需壓力容器形成蒸汽壓力這個過程；而傳統(tǒng)蒸汽鍋爐蒸汽產(chǎn)生的過程：儲水-加熱-水沸騰-產(chǎn)生蒸汽，還需要經(jīng)過壓力容器形成蒸汽壓力之后才能產(chǎn)生高溫蒸汽。傳統(tǒng)蒸汽鍋爐是通過周期性的分組式蒸汽加熱，使儲水溫度達到預(yù)定標準來實現(xiàn)周期性供汽；而蒸汽機組則運用蒸汽持續(xù)傳輸技術(shù)，使蒸汽源源不斷地、幾乎無損耗地快速傳輸，實現(xiàn)持續(xù)性地不間斷供應(yīng)，能實現(xiàn)熱量在蒸汽傳輸過程中幾乎零損耗，從而在中央供汽中能夠保持相對持續(xù)和穩(wěn)定的供汽溫度。采用多孔磚燃燒器技術(shù)，低壓輸入天然氣，功率更大；多孔的構(gòu)造以及采用高風渦輪式風機能提供很好的燃燒性，并能得到較高的加熱效率；采用了新型熱交換器吸熱快、吸熱多、熱轉(zhuǎn)換效率高，使用既安全、環(huán)保，又方便快捷、節(jié)能環(huán)保，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。采用模塊式分組加熱技術(shù)，耗能少，效果佳、火力可調(diào)，可根據(jù)實際需要，合理選擇開啟模塊，使設(shè)備工作在最佳狀態(tài)；并且，設(shè)備占地面積小，安裝在管片預(yù)制廠中部，避免蒸汽傳送距離過遠，產(chǎn)生管道熱損耗；設(shè)備結(jié)構(gòu)更加緊湊，節(jié)省安裝空間，也便于日常維護。蒸汽機組屬于常壓設(shè)備，不屬于壓力容器，使用安全，無需辦理報批手續(xù)，無需年檢，節(jié)約了年檢及司爐工的費用；該蒸汽機組還具有遠程監(jiān)控功能，可實現(xiàn)手機APP或電腦PC端遠程監(jiān)控運行狀態(tài)，并將補水機組、純水機組開關(guān)信號納入監(jiān)控平臺，具有便捷、節(jié)能、安全等特點。新型智能模塊蒸汽機在使用過程中經(jīng)檢測，氮氧化物排放低于國家標準（30 mg/m3）節(jié)能減排的效果明顯。新型蒸汽機組工作原理如圖5所示。

圖5 新型蒸汽機組工作原理圖

蒸汽機組對于產(chǎn)生蒸汽的水源要求比較苛刻，為防止形成水垢阻塞水汽管路，禁止使用地下水、井水等水質(zhì)較硬的水源，需使用純凈水或自來水，因此蒸汽機組需配置1套軟水機或者反滲透機。水質(zhì)指標要求見表1。

表1 水質(zhì)指標要求

4 應(yīng)用效果

經(jīng)過多方調(diào)研，通過對成本投入、設(shè)備能效對比、分析，曲溪城鄉(xiāng)供水工程管片預(yù)制廠最終使用3臺Q-1000的智能模塊蒸汽機組，為管片蒸養(yǎng)提供蒸汽。蒸汽機組蒸發(fā)量高（1 t設(shè)備出1 t有效蒸汽）、熱效率高，產(chǎn)生1 t蒸汽的天然氣理論耗氣量為60 m3/h，而采用傳統(tǒng)的燃氣鍋爐同樣產(chǎn)生1 t蒸汽的理論耗氣量為80 m3/h[3]。具體見表2。

表2 模塊蒸汽機組與傳統(tǒng)燃氣機組能耗對比表

2021年3月8日至9月30日的成本消耗分析如下。

（1）傳統(tǒng)鍋爐的能耗及成本預(yù)算

傳統(tǒng)1 t燃氣鍋爐的理論耗氣量計算：80 m3/h×24 h×207 d=397 440 m3。

3臺1 t燃氣鍋爐的耗氣總量：397 440 m3×3臺=1 192 320 m3。

3臺燃氣鍋爐207 d共消耗資金：1 192 320 m3×2.33元/m3=2 778 105.6元≈277.810萬元。

司爐工的工資投入：2人×5 000元/月×7個月=7萬元。

（2）采用新型蒸汽機組實際耗氣量及實際成本計算

實施后截至2010年8月30日共計207 d共消耗天然氣174 277.44 m3。

174 277.44 m3÷207 d÷24 h=35 m3/h。

根據(jù)天然氣實際消耗量，3臺變頻模塊化蒸汽機組的實際耗氣量為35 m3/h。

共消耗資金：174277.44m3×2.33元/m3=406 066.435 2元≈40.606 6萬元。

司爐工的工資投入：采用新型燃氣機組，不需司爐工，設(shè)備免維護，不產(chǎn)生司爐工的工資。

（3）節(jié)約成本

節(jié)約天然氣：1 192 320 m3-174 277.44 m3=1 018 042.56 m3。

天然氣節(jié)約資金：1 018 042.56 m3×2.33元=2372039.165元≈237.203 9萬元。

節(jié)約成本和人工工資總和：237.203 9萬元+7萬元=244.203 9萬元。

5 結(jié)束語

新型智能模塊蒸汽機組投運后，天然氣用量明顯降低，每天天然氣的消耗量比傳統(tǒng)的燃氣鍋爐下降約50%，有效減少了天然氣資源的消耗，具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

天水曲溪城鄉(xiāng)供水工程管片預(yù)制廠新型智能模塊蒸汽機組投入使用后，自2021年3月8日投產(chǎn)至2021年9月30日，運行時間為207 d，較傳統(tǒng)的燃氣鍋爐節(jié)約天然氣1 018 042.56 m3，節(jié)省施工成本244.203 9萬元，經(jīng)濟效益和能源節(jié)約效果顯著；氮氧化物排放低于國家標準（30 mg/m3），達到節(jié)能減排的效果；該智能模塊蒸汽機組既節(jié)能、降耗、環(huán)保，又安全、高效、快捷，具有行業(yè)推廣意義。