NH3/CO2制冷系统应用分析

葛运江，王芳，朱永宏，刘昌丰

（烟台冰轮股份有限公司，山东烟台 264001）

0 引言

2013年氨制冷系统安全事故频发，如何建造更安全节能的制冷系统是业界思考的首要课题。烟台冰轮股份有限公司早在多年前就已经开始NH3/CO2制冷系统的研究，并于 2009年建造了国内第一个NH3/CO2应用项目。随着R22等HCFCs类工质逐步退出历史舞台，以欧盟、日本等发达国家为代表，积极倡导以NH3和CO2等自然工质作为最终替代工质使用。国际、国内多年试验和成熟的系统运行表明：NH3/CO2制冷系统具有不可比拟的安全和节能优势。

1 工质分析

目前常见工质有 NH3、CO2、R22、R404 和 R507等，首先从工质特性分析CO2的自身优势。

1.1 重新认识氨（NH3）工质

氨属于自然工质，臭氧消耗潜值和全球变暖潜值都完全符合环保要求（ODP=0，GWP=0），是目前制冷效率最高的制冷剂。氨气是一种具有强烈刺激和窒息性的气体，按现行国家标准《职业性接触毒物危害程度分级》[1]（GB 5044-1985）的有关规定，氨属于Ⅳ级轻度危害的有毒物质，同时氨在空气中含量达15.7%～27%，遇明火会发生爆炸，因此不适宜在人员密集区使用。在日本，通常采用氨工质的项目，每个独立系统的氨充注量不超过500 kg。

我国现有氨的部分规范、规定如下。

1）《危险化学品重大危险源辨识》[2]（GB 18218-2009）的有关规定：“毒性气体-氨-临界量为10吨”；超过 10吨氨充注量的系统，按照《危险化学品重大危险源分级方法》[3]中的计算方式计算重大危险源分级，计算公式如式(1)所示。根据《中华人民共和国安全生产法》[4]和《危险化学品安全管理条例》[5]等有关法律、行政法规，须定期进行辨识、安全评估及分级。

2）《冷库设计规范》[6]（GB 8163-2010）的有关规定，“对使用氨作制冷剂的冷库制冷系统，其氨制冷剂总的充注量不应超过40,000 kg”；“包装间、分割间、产品整理间等人员较多房间的空调严禁采用氨直接蒸发制冷系统”。

3）2013年12月份，国家质检总局下发61号文件《关于氨制冷装置特种设备专项治理工作的指导意见》[7]要求：热氨融霜管道及低压侧管道全部100%射线探伤合格。这将意味着大型氨系统的工程造价将大幅增加。

单位氨工质价格：每吨 NH3市场参考价格约3,800至4,500元。

1.2 临近淘汰的氟利昂R22

R22是属于 HCFCs制冷剂（ODP=0.055，GWP=7,100），对臭氧层有破坏、并且存在温室效应，制冷效率低于NH3。1995年的维也纳会议规定发达国家 2020年停止使用（欧盟则提前至 2015年）；发展中国家 2030年实现除维修和特殊用途以外的完全淘汰。

R22是一种无色无味，无毒性和不可燃性气体，R22泄漏后不易察觉，对大气产生污染，并在有明火的情况下会产生光气，光气是一种剧毒化学品，曾在二战时期被日军作为化学武器。

单位工质价格：每吨 R22市场参考价格约17,000元。

1.3 价格高昂且GWP值高的替代工质R404、R507

目前市场上普遍采用R404A或R507工质替代R22，这两种工质热力学性能与R22相似，制冷效率均低于NH3。部分压力容器设计压力要比R22高，并且冷冻油需用POE多元醇酯润滑剂，后期维护费用高。

无论R404A或R507哪一种新工质，尽管其臭氧消耗潜值（ODP）符合环保要求，但其全球变暖潜值(GWP)较高，这意味着R404或R507不是理想的最终环保工质，其前景亦不容乐观。

单位工质价格：每吨R507市场参考价格90,000至100,000元（霍尼维尔、杜邦）；每吨R404市场参考价格45,000至50,000元。

1.4 天然工质二氧化碳（R744，CO2）

CO2是一种安全、无毒、不可燃的纯天然工质，对人对货品无任何危害，火灾时若产生CO2泄漏，CO2本身不污染大气，同时起到灭火剂的作用。

CO2本身具有以下良好的热力特性：

1) CO2是自然工质，ODP=0，GWP=1；

2) 良好的安全性，无毒，不可燃；

3) 单位容积制冷量高；

4) 优良的流动和传热特性；

5) 价格低廉，易于获得；

6) 良好的化学稳定性，相关材料化学反应少。

二氧化碳制冷系统的压力相对其他制冷剂较高，所以其部件配置要求比其他制冷剂要高。

单位工质价格：每吨 CO2（99.9%纯度）市场参考价格约1,000元至2,000元。

2 NH3/CO2系统特点

1.1 采用NH3/CO2系统，具备其他其他系统没有的独特优势

1) 安全：NH3工质充注量少且被限制在制冷机房范围内，约是常规氨系统充注量的10%；CO2工质在人员密集区使用，即使发生泄漏对人体无危害；用于制冷系统的 CO2（99.9%）几乎对所有材料无腐蚀。

2) 节能：在低温领域，如蒸发温度-42 ℃/冷凝温度+35 ℃，NH3/CO2复叠制冷系统比常规氨双级系统COP高约8%～12%，比氟双级系统COP高12%～15%，温度越低，节能越明显。

3) 环保：天然工质（NH3/CO2），是全球制冷行业倡导的自然工质之一。

按照GB/T15715《煤用重选设备工艺性能评定方法》规定，对新峪煤业选煤厂两种重介质旋流器工业性试验中各粒级及50～0.5 mm综合粒级的数据进行了检验，其均方差皆小于临界值1.4。所以试验数据有效、可靠、可信。

1.2 NH3/CO2适用项目

NH3/CO2制冷系统非常适合人员密集区内有制冷需求的项目，如单冻机、加工区内的冻结间、冷却间和暂存间等冷间，或者采用较多顶排管的大型低温冷藏库以及其他氨工质充注量较大的项目。

图1 NH3/CO2复叠制冷系统

3 项目应用分析

3.1 某20,000吨低温物流库项目

采用常规的全氨系统，从系统工质充注量和COP两个方面分析。

3.1.1 氨系统的工质充注量和COP

本项目室温要求-25 ℃，蒸发器要求全部采用钢管顶排管D38×3，排管面积约14,000 m2，若本项目全部采用氨工质，仅顶排管氨充注量约为34.3 t，机房低压循环桶和贮液器等设备及管路的充注量约(5～8) t，因此系统总充注量约 40 t，按照冷库设计规范须划分为2个独立系统，会使业主操作管理不便，工程造价上升；通过系统调整或优化（如将部分排管换为冷风机等），可将系统总充注量降至40 t以下，但仍大于 10 t，按照重大危险源识别的计算办法，依然要纳入安全条例规定的监管范围。

评估氨和CO2对系统的压力影响：两系统按照同样吸收外界100 kW（蒸发温度-35 ℃）计算蒸发后的工质气态容积：

可见，制取同样冷量，CO2蒸发后的气态体积仅是氨工质的约八分之一，对系统压力的影响远小于氨。相对于氨系统，压力变化对CO2工质的饱和温度影响小、CO2蒸发后的体积膨胀率小，因此CO2在排管内蒸发后对系统压力和饱和温度的影响远小于氨系统，更适合末端工质充注量较多的排管项目。

氨主机采用带经济器系列螺杆LG20两台，在T0=-35 ℃/Tk=+35 ℃下，总冷量为 558 kW，总轴功率为296 kW，COP为1.88。

NH3侧总充注量仅为2至3吨，不再纳入重大危险源识别范畴；物流库的规模越大越适合CO2系统，据测算一个 10万吨级的物流库，若采用NH3/CO2系统，氨的总充注量小于7吨。

低温级选用二氧化碳螺杆压缩机 LG12R系列二台，高温级选用LG16MYA二台，在T0=-33 ℃/Tk=+35 ℃下（在满足相同库温的前提下，CO2的工质特性使得同等条件下的蒸发温度比氨系统约高2 ℃～3 ℃），总冷量为610 kW，总轴功率为307 kW，COP为 1.98，比常规氨系统效率提升 5.3%，意味着系统节能5.3%。

3.2 某加工间单冻机制冷项目

采用NH3/CO2复叠系统（见图2），从系统安全和COP两个方面分析。

图2 NH3/CO2复叠制冷系统

3.2.1 系统安全分析

2013年，因氨的单冻机冲霜违规操作引发的安全事故较多，并伴有重大伤亡事故，严格来说，包括氟工质在内的任何工质大量泄漏都会对密闭空间内的人员构成危害，如 R22、R404、R507等氟工质泄漏时，液体直接蒸发成气态，快速降低密闭空间内的氧气浓度，直接危害人身安全。CO2应用于单冻机系统是目前最为安全的方案，制冷系统中的CO2泄漏有两个明显特性：一是液体管路泄漏，CO2将在管道外壁形成干冰并阻塞住微小泄漏点；二是压力超过3.5 MPa的气体泄漏时仍然会有小比例的干冰析出。意味着大量CO2液体泄漏后的物理表现是大量干冰的形成，不会直接危害人员，如因误操作造成的管道爆裂事故，泄漏的CO2大部分形成干冰及小部分形成气态，且积聚在空间下部，操作人员有足够的逃离时间，不会使人员产生中毒昏迷、致死现象，须注意干冰升华过程中，皮肤直接接触到干冰的人员会产生局部冻伤，CO2制冷系统发生大规模泄漏时对人和货物产生的微小危害几乎可忽略。

模拟某食品加工项目中单冻机蒸发器内工质完全泄漏进行空间的浓度计算：示例 2 T/h双螺旋单冻机（T0=-42 ℃）两台，单冻机布置在加工间内，加工间约1,300 m2，总容积约4,500 m3，室内温度+12 ℃。单冻机的冷风机（含单冻机集管）总容积约为 2.88 m3，按照 70%的液体充注量，即：CO2液体体积量为2.016 m3，饱和液体在-42 ℃下比容为 0.8889 dm3/kg，质量为 2.016×1,000÷0.8889 ≈2,267 kg；CO2饱和气体量为 2.88-2.016 = 0.864 m3，在-42 ℃下比容为 0.04108 m3/kg，质量为 0.864÷0.04108 ≈ 21 kg。当发生特殊事故引起较大泄漏时，系统泄漏的CO2液体首先变成干冰，在低温低风速的环境下，干冰升华很缓慢，并使周围温度进一步降低，有试验表明干冰置于保温箱内，一天才能完全升华，单冻机内泄漏产生的CO2干冰类似于将干冰置于大保温箱内。从发生泄漏到人员完全逃离的过程中，按照加工间室温+15 ℃、期间会有不超过冷风机总液量10%的干冰升华计算，在标准大气压下的CO2气体比容0.5455 m3/kg(按照20 ℃时取值，实际略低于该值)，则该加工间内 CO2体积为(2,267×10%+21)×0.5455≈135 m3，约占总空间比例3%，未达到10%的浓度伤害临界值，且积聚在空间下部，不会使加工间内人员产生中毒现象。

烟台冰轮股份有限公司所承建的CO2系统在人员密集区和密闭库房均设有CO2检测装置，当空间浓度达到设定值时进行预警处理。

另外，需要指出的是大量干冰被广泛用于舞台、剧场、影视、婚庆、庆典和晚会等制作云海效果，全国及全世界用干冰制作特效的剧目不计其数，尚未有因使用干冰对人员造成伤害的相关报道。图4为舞台上的干冰使用效果。

在系统压力方面，CO2系统管道仍属于GC2压力管道范畴，CO2在-25 ℃的绝对蒸发压力为1.685 MPa，当夜间或休息日系统停止运行时，由于CO2的单位容积制冷量大（是氨的约5倍），少量液体蒸发成体积较小（相对于氨系统）的气态即可吸收外界热量，蒸发后的压力变化比氨系统小得多，在原有的保温状态下，压力平稳，且上升较慢。不会出现一旦停止使用即要开启维持机组降压的情况。冰轮承建的丰润食品CO2系统已运行近5年，该系统在完全停止运行约5天后，系统压力才会升至最低维持机组开启压力。烟台冰轮所产所有CO2设备设计压力为3.9 MPa以上，试验压力4.5 MPa以上，且CO2系统设有四级压力安全保护。通常情况很少有厂家在5天内完全断电停运，如果项目所在园区供电较为稳定，只是存在短暂休班期（如春节假期5到7天），那么完全可不单独设维持机组，即使系统完全停运超过 5天后的压力升至设定值时，氨侧主机短时间自动开启进行降压即可。如因经营原因造成系统很长时间（半年或以上）停运，则建议将CO2工质直接排放即可，CO2价格每吨约1,000元，由此造成的费用也很小。

综上，CO2在系统安全方面具有其他制冷剂不可比拟的安全优势。

图3 干冰形态

图4 舞台上的干冰使用效果

3.2.2 系统节能

当上述示例的单冻机项目采用氨配打双级时，氨低温级两台螺杆LG25M两台，氨高温级两台螺杆LG20S+LG16M各一台，配比约1∶3.3，总冷量为839 kW，总轴功率为457 kW，COP为1.835。

当采用NH3/CO2复叠系统，低温级二氧化碳主机LG16R两台，高温级螺杆LG20两台，总冷量为946 kW，总轴功率为459 kW，COP为2.06，比配打双级的氨系统效率提升(2.06-1.835)/1.835=12.2%，意味着系统节能12.2%。

3.3 与其他载冷系统比较

项目若采用氯化钙等载冷系统，有两个突出问题不能解决。

1) 介质的腐蚀问题：氯化钙溶液对碳钢管道的腐蚀作用较强，容易使系统管道、末端蒸发器泄漏（若采用不锈钢材质的管道，将使系统造价大幅上升）。

2) 系统能耗急剧加大：采用氯化钙或乙二醇载冷，系统的蒸发温度低于直接蒸发系统，主机COP降低；氯化钙或乙二醇载冷是显热换热，需较大流量水泵输送流体换热，水泵的动力消耗是直接蒸发供液系统的十倍以上，采用氯化钙载冷系统比直接蒸发系统同等技术条件下，额外耗能超过30%。

4 结束语

综上所述，NH3/CO2制冷系统优于其他常规制冷系统，不仅给业主带来了直接良好的节能效益，更是给业主提供系统运行上的安全保障。烟台冰轮股份有限公司在近几年陆续承接了近二十个大型制冷项目，涉及物流、禽类加工、制冰、调理食品和水产等多个行业，其中所承接的丰润、獐子岛项目和威海华信等项目均已投产一年以上，在安全、环保、节能和智能等多方面深获业主和社会各界赞誉。

[1] GB 5044-1985. 职业性接触毒物危害程度分级[S].

[2] GB 18218-2009. 危险化学品重大危险源辨识[S].

[3] 国家安全生产监督管理总局. 危险化学品重大危险源分级方法[EB/OL]. http://www.gov.cn/gzdt/att/att/site1/20110913/001e3741a2cc0fd8f15f01.doc.

[4] 中国政府网. 中华人民共和国安全生产法[EB/OL].http://www.gov.cn/banshi/2005-08/05/content_20700.htm.

[5] 中国政府网. 危险化学品安全管理条例[EB/OL].http://www.gov.cn/flfg/2011-03/11/content_1822902.htm.

[6] GB 8163-2010. 冷库设计规范[S].

[7] 质检总局特种设备局. 关于氨制冷装置特种设备专项治理工作的指导意见[EB/OL]. http://tzsbaqjcj.aqsiq.gov.cn/tzwj/sjfh/201312/t20131230_392479.htm.