氨制冷剂冷库当前发展趋势

赵育川

（上海市食品（集团）公司设计所，上海 200336）

氨制冷剂冷库当前发展趋势

赵育川*

（上海市食品（集团）公司设计所，上海 200336）

文章主要针对冷库泄氨发生的严重事故，指出目前已建设或正在建设冷库应在制冷系统中減少氨充注量，加强氨液微量泄漏检测和提高管道施工质量。

制冷剂；全球变暖潜能；臭氧消耗潜能；充注量

0　引言

氨（NH3）作为一种天然制冷剂，环保、价格低廉，广泛应用于世界各冷库中。在国际上，欧美国家的冷冻冷藏行业，氨作为制冷剂的使用率达到90%以上，欧美甚至还有很多氨应用于商业建筑空调的案例［1］。目前、由于全球变暖问题的突出，臭氧层破坏严重，而制冷剂氨全球变暖潜能值（GWP）为零，臭氧消耗潜能值（ODP）为零，因此它的应用更广泛，并作为替代HCFCs制冷剂（例R22、R404、R507等）的首选。

但氨具有毒性，当人们吸入氨气时会出现流泪、咽痛、咳嗽、胸闷、呼吸困难等情况，严重者会发生肺水肿、急性呼吸窘迫综合征，若吸入高浓度的氨气可迅速死亡。当氨气在空气混台物中浓度达到16%～25%时，遇明火会发生燃烧和爆炸。

因此，近几年来随着人们对环境保护要求的提高，尤其是：2013年8月3l日，上海翁牌冷藏实业有限公司发生氨泄漏事故，造成15人死亡、7人重伤，18人轻伤［2-3］。经专家论证事故原因是：除了业主公司的违规设计、违规施工和违规生产外，相关政府监管部门也负有履职不力的责任。在涉及氨制冷企业和监管部门中引起了不安，致使有的在沪美国食品加工企业，原使用氨为制冷剂已十余年的也废弃原有制冷系统、新购氟利昂机组重建制冷系统；有的大型物流配送中心虽氨制冷系统设计已经完成，也停止施工，并要求设计院重新设计，采用氟利昂机组进行基本建设。这种倒退、逆潮流的做法引起了从事制冷的科技工作者的不满。

针对上述技术上倒退现象，2013年11月国家安监总局发文明确指出：在专项治理过程中，应严格避免产生以“氟利昂制冷剂代替氨制冷剂”的简单化做法所带来的环境问题；应通过科学的技术手段和监管措施，充分发挥其性能优势，确保其安全可靠运行，注重提升涉氨制冷企业的技术、管理水平，促进涉氨制冷企业的健康发展［4］，为当前冷库建设应选用何种制冷剂提出了明确规定。

除了氨制冷剂外，还被看好的是二氧化碳（CO2），它的ODP为0，GWP为l，无毒、不可燃。已故的前国际制冷学会主席、挪威Lorentzen教授曾大声疾呼：不要花那样大的代价去开发具有潜在危险的其它新型化合物作制冷剂，还是以天然物质作制冷剂好［5］！事实证明NH3和CO2必将在制冷行业中广泛应用。但CO2在冷库制冷工况下，气体压力比较高，即使在NH3/CO2复叠制冷系统中，处于低压级CO2的压缩机、容器和管道要具有45 MPa压力承受能力，另还有一些技术难点，如CO2中回油等问题需进一步优化。目前国际、国内正处于研究、开发和巩固阶段。因此在冷库设计、安装和管理中，如何安全应用好氨制冷剂是制冷科技人员当前重要课题。

综上所述，氨虽是环保制冷剂，但由于其毒性、可燃性和爆炸性，在冷库建设中有一定规定。在《冷库设计规范》（GB 50072-2010）中“对使用氨作制冷剂的冷库制冷系统，其氨制冷剂的充注量不应超过40，000 kg”［6］。当时是针对建设一个2万吨冷库，采用顶、墙排管制冷设备时需要的充注量。在《危险化学品重大危险源辨识》（GB 18218-2009）第 42条规定：毒性气体氨的临界量为 10吨。超过规定的临界量，即被定为重大危险源［7］。这规定也引起了从事氨制冷事业的企业和科技工作者重视［8-10］。

1　在制冷系中减少氨的充注量

在冷库建设中如何尽可能减少其充注量，是建设单位首先关注的、有些企业还把此作为制冷系统建设项目招标的要求，设计和安装单位必须做到。回顾最近新建或正在建设的冷库有以下一些做法。

1）采用重力供液系统，机房设置桶泵机组。桶的作用为氨液分离用，当桶内液面仅到桶容积20%左右时，低于一般正常液位设置的33%，即关闭向库房直供总阀，开启氨泵把桶内液体送至库房内的冷风机。液面下降后即停止氨泵运转、开启直供总阀门。重力供液系统中的桶泵机组见图1。

图1　重力供液系统中的桶泵机组

为了减少氨的充注量，库内冷风机不设置氨液分离器，仅加粗冷风机供液和回气管的垂直总管，在供液直管上方装一液位控制器，与供液电磁阀连动控制液位。图2为实际使用中冷风机照片。

在重力供液系统中冷风机蒸发盘管的制冷量与蒸发盘管允许每通路长度和制冷剂液位高度有关，因此这种冷风机结构应专门设计，不能用一般冷风机替代。

此系统供液和回气的流量都比较少，仅是氨泵再循环流量的1/3～1/4。

由于直接供液管流速高，所需供液量又比氨泵小，所以管径比氨泵供液系统细，存氨量少；回气管按单相流量考虑管径也细；机房内低压桶的存氨量低；库内冷风机又不设氨液分离器，使整个系统降低了氨充注量。一个公称容积39万m3的可贮藏4.8万吨食品的冷库，氨充注量不到6吨。

图2　冷风机照片

2）采用中冷帯负荷系统。目前新建和在建的一些冷库，由于含有能贮藏冰淇淋、海鲜品的低温冷藏库，冷间温度要在-25℃以下。制冷系统一般为双级压缩系统，由于单机的双级压缩机比较贵，一般均采用单级压缩机组成双级压缩系统。为减少氨的充注量，不再设置中压部份的低压循环桶，直接在中冷器下也设置氨泵。中冷器除了要吸收低压级压缩机排出冷凝负荷，还要用氨泵向穿堂、高温库等冷间供液，替代原本要设置的低压循环桶、吸收穿堂和高温库的热负荷。

3）引入不冻液作载冷剂，采用氨液充注量极少的板式热交换器、用氨液蒸发冷却乙二醇等不冻液，再送至穿堂和食品加工车间空调装置制冷，这样既降低了氨充注量，又避免了这些空间泄氨的危险。上海最近正在建的一个港口冷库，库容量约 5万吨，在穿堂和高温冷藏库中采用乙二醇间接冷却后，使整个制冷系统氨的充注量低于10吨。

CO2也可作为载冷剂，即用氨制冷剂通过板式换热器冷却CO2蒸汽，使其冷却为CO2液体，用泵送至库房中空气冷却器，CO2由液体蒸发为气体，吸收库房中热量，称为NH3/CO2载冷剂制冷系统。与上述乙二醇不冻液不同的是，乙二醇不冻液是利用不冻液温度变化来吸热的，而CO2是用相变制冷的，单位容积制冷量大，但管内、容器和冷风机压力高。相比NH3/CO2的二级复叠式使用CO2更简单。目前上海吴淞正在新建一万吨冷库，采用这种系统，在上海物流冷库中使用CO2走出了可喜的一步。这样既在制冷系统中降低了氨的充注量，库内仅有CO2载冷剂的存在，又保证了操作人员和商品的安全。

4）在制冷系统中减少贮存氨液的容器，降低氨充注量。

a）取消高压贮液器，图3为前几年建于上海松江开发区一个生产性冷库高压部分系统图。在该系统中，将蒸发式冷凝器冷却后氨液通过浮球阀直供至中冷器，用于穿堂与食品冷却装置；再把中冷器内的中压氨液通过浮球阀供至低压循环桶，直接用于库房和冻结装置的制冷。这样减少一个高压贮液器就减少了2吨氨液的充注量。

高压贮液器的大小，一般是根据制冷装置每小时氨液总循环量、冷库大小、蒸发器的结构和生产忙闲等因素来决定的，在设计计算中其修正系数可从0.3至1.2。取消高压贮液器即取0，需设计人员从整个制冷系统平衡来正确考虑。

b）把辅助贮液器与高压贮液器合并为一体。制冷系统中釆用氨液冷却螺杆压缩机润滑油时，需要一只辅助贮液器来保证它优于其它设备得到氨液，因此在系统中又多了一个容器及其连接管、增加了氨充注量。

去年在上海新建的一个贮藏量6万吨的高货架冷库中，安装单位技术人员将传统的卧式高压贮液器改为立式的，在容器内部坛加挡板等，把二个容器合并为一个容器。由于采用了立式结构，桶上油冷却出液位置较高，既满足了螺杆压缩机油冷却进液需求的静液柱要求，又二合一减少了系统中氨充注量（见图4）。由于使用效果良好，紧接着在河北、浙江宁波项目中都采用了此方案。

图3　无高压贮液器的制冷系统

图4　立式贮液器

2　加强氨液泄漏的检测

GB 50072-2010冷库设计规范［6］中要求：“氨制冷机房应设置氨气体浓度报警装置，当空气中氨气浓度达到100 ppm或150 ppm时，应自动发出报警信号，并应自动开启制冷机房内的事故风机。”

库房等其它部位，冷库设计规范只是对快速冻结设备提出了，“…装置出口处的上方应安装氨气浓度传感器，在加工间内应布置氨气浓度报警装置。当氨气浓度达到100 ppm或150 ppm时，应自动发出报警信号，并应自动开启事故排风机，自动停止成套冻结装置的运行，漏氨信号应同时传送至制冷机房控制室报警。”

目前在建的一些大型冷库中要求更高，是按下面方法设置氨气泄漏检测的。

1）压缩机房内设置二组探头检测。其中，一组设检测浓度为50 ppm ～150 ppm，有数支探头分别设置在压缩机、高压贮液器、桶泵机组、调节阀站等较易泄氨处的上方，当检测到氨气浓度大于设定值时，报警并开启防爆的排气风机。还有一组的数支探头安装在压缩机房、设备间上部，设检测浓度为15，000 ppm左右（氨和空气混合遇明火发生爆炸的1/10浓度），当检测到此浓度时，即报警、开启设置在机房顶上事故风机、停止压缩机和整个制冷系统运转［11］。

2）氨的微量泄漏还要影响到商品质量，因此在库房冷风机的吸入和排出端（或库房中部）都设置氨浓度的探头。当检测到氨气浓度达到100 ppm或150 ppm时即停止冷风机运转，报警。

3）库房冷风机的热氨融霜都是自动化的，一台冷风机有十几个阀门集中在一起，虽然阀组在库外或专用房间内，也设置了一个氨浓度探头。这些探头的浓度设在50 ppm～150 ppm，当探头检测到浓度大于设定值，即报警。

库内冷风机和氨阀组处检测到微量氨泄漏，在报警同时关闭含有定压控制的热氨总阀，禁止库内再进行热氨融霜，再关闭对应冷风机的风机，开启管道的抽气电磁阀等。

4）为保证氨检测装置始终能正常工作，该系统采用UPS不间断电源。

3　加强对氨管选材、焊接

氨用管道材质在冷库设计规范中已有了明确的规定，应选用标准号GB/T-8163，牌号为10、20的管材。

1）冷库投产数年后，最容易锈蚀而泄漏的管道是工作在氨泵、冷凝器等设备旁潮湿环境下的小口径管子，因此有些工程对口径Φ18 mm以下管道均采用不锈钢管，避免这些管子因锈蚀而泄漏，也不需要为今后更新带来麻烦。

2）为防止一般氨管长期使用后发生锈蚀泄漏，管道采用美国加厚标准，相比国内的标准，管道平均厚度要高15%～20%，由于管道在制冷系统中投资占比例很小，与长期使用、安全相比，采用加厚管还是值得的。

3）提高对管道焊缝的拍片检测。

“热氨融霜管道和低压侧压力管道的对接焊接接头应进行100%射线检测合格，角焊缝应100%磁粉或渗透检测合格；高压侧压力管道不少于 20%射线检测，角焊缝应100%磁粉或渗透检测合格［12］。”和以往规定相比，较大幅度地提高了对管道检测范围。对整个制冷系统，只剩下 80%的高压连接管可不拍片用射线检测。

对于一些施工质量要求比较高的工程队，不再分热氨、低压和高压管道，对制冷系统中所有制冷管道 100%拍片射线检查。同时还要求英国劳氏船级社对材料供应、管道焊接、X光拍片和压力测试进行监管。

4　结束语

氨作为制冷剂，在我国冷藏企业中已广泛应用几十年。2013年由于氨泄漏事件发生，造成了普遍的社会恐慌。隨着几起重大氨事故具体责任调查报告的公示，业内对氨系统的担忧势必在一定程度上得到平息。

通过合理设计、安装和技术解决方案降低液氨充注量，加强对氨泄漏检测和管道施工质量的提高，降低安全隐患。氨作为制冷剂，未来将在大中型制冷项目中牢牢占据主导地位。

［1］ PACHAI A C， 齐晓霞， 奚华， 等. 氨制冷系统的安全设计和维护分折［J］. 制冷技术， 2014， 34（3）: 1-7.

［2］ 顾建中. 翁牌冷藏实业有限公司氨泄漏事故的警示［J］.制冷技术， 2014， 34（3）: 57-59.

［3］ 司春强， 唐俊杰， 马进， 等. 我国氨系统冷库安全现状及发展建议［J］. 制冷技术， 2014， 34（3）: 15-17.

［4］ 国家安全监管总局监管四司. 涉氨制冷企业液氨使用专项治理技术指导书（试行）［EB/OL］. http://www. chinasafety.gov.cn/newpage/contents/channel_20006/201 3/1206/227303/files_founder_2964024691/1759218095.p df.

［5］ 施骏业， 瞿晓华， 谢晶， 等. CO2在食品加工和冷藏业中的应用前景［J］. 冷藏技术， 2004（1）: 9-14.

［6］ GB 50072-2010 冷库设计规范［S］.

［7］ GB 18218-2009 危险化学品重大危险源辨识［S］.

［8］ 马一太， 顾昊翔. 氨冷库热气融霜和液锤的探讨［J］.制冷技术， 2014， 34（3）: 8-14.

［9］ 张建一. 英国某氨系统冷库安全与节能技术分析［J］.制冷技术， 2014， 34（3）: 18-21.

［10］ 中国制冷学会， 佰世越. 2014年度中国制冷行业发展分析报告［J］. 制冷技术， 2015， 34（S1）: 1-82.

［11］ 中国制冷学会， 国际氨制冷学会. 2008中美氨制冷技术研讨会［C］. 上海: ［出版者不详］， 2008.

［12］ 质检总局特种设备局. 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（质检特函〔2013〕61号）［EB/OL］. http://www.aqsiq.gov.cn/xxgk_ 13386/tzdt/zztz/201312/t20131230_392479.htm.

Current Development Trend of Cold Storage Using Ammonia as Refrigerant

ZHAO Yu-chuan*
（Design Institute， Shanghai Food（Group）Co. Shanghai 200336， China）

Aiming at the serious accident leakage of ammonia refrigerator， the viewpoints were put forward in the present study that， the refrigerant charge amount in the refrigeration system for the building or built cold storages should be decreased， and the ammonia liquid leak detection and the quality of pipeline construction must be enhanced

Refrigeration； GWP（global warming potential）； ODP（ozone depleting potential）； Refrigerant charge

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.207

*赵育川（1943-），男，高级工程师。研究方向：氨制冷系统设计、施工和运行管理。联系电话：13701785475。E-mail：13701785475@163.com。