氨制冷系统节能与安全技术

2022-08-18孙建军李瑞申张军荣

制冷学报 2022年4期

李坤张蕊孙建军李瑞申张军荣董浩

(华商国际工程有限公司北京 100069)

近年来，随着国内外环境保护意识的提升，依据《蒙特利尔议定书》和《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰方案》，要求以R22为代表的氢氯氟烃(HCFCs)制冷剂在2030年前消减97.5%，并将在2040年全面禁用。根据《基加利修正案》要求针对于中国在内的发展中国家，将18种具有高全球变暖潜能值的HFCs物质纳入管控目录，包括HFC-143、HFC-125、HFC-134、HFC-134a、HFC-245fa、HFC-365 mfc、HFC-227ea、HFC-236cb、HFC-236ea、HFC-236fa、HFC-245ca、HFC-43-10 mee、HFC-32、HFC-143a、HFC-41、HFC-152、HFC-152a、HFC-23。这18种物质及其混合物都将在《基加利修正案》框架下进行削减。随着国内“双碳”相关政策的落地，对于制冷空调行业的低碳和节能发展会逐步提出更高的要求，整个行业面临着制冷剂选择和替代的问题。由于氟利昂制冷剂破坏大气环境而受控，行业内开始重新评价和应用自然环保的制冷剂。

氨为自然制冷工质，尤其在工业制冷领域，选用氨作为制冷剂是绿色环保、节能高效的方式。氨应用于制冷系统的优势包括：

1)环保。氨是由天然气体氮气和氢气合成制取，臭氧耗损潜能值(ozone depletion potential，ODP)和全球变暖潜能值(Global Warming Potential，GWP)均为零。氢氟烃类工质的ODP为零，但GWP很高，以R507A为例，1 kg制冷剂的CO2当量为3 990[1]。

2)压力适中。在35 ℃冷凝压力下，氨对应冷凝压力为1 350 kPa。R507A对应冷凝压力为1 654 kPa)，氨相对于氟利昂制冷剂节流损失小，效率高。

3)蒸发潜热值大。在-30 ℃时氨的汽化潜热是R507A的7.3倍。

4)互溶性好。氨系统中若含有水分，可以任意比例互溶，不易造成系统内冰堵。对于氟利昂或CO2系统，系统中水分对系统影响较大。

5)自报警功能。氨具有刺激性气味，当空气中氨气浓度达到5×10-6时，人通过嗅觉可以觉察到，可以采取相应的措施进行维护。而对于氟利昂系统，均为无色无味气体，少量泄漏很难被察觉，不仅破坏环境，当泄漏量达到一定程度后，对系统的稳定性会造成不利影响。

6)化学稳定性好。氨作为单一组分工质其化学稳定性优于氟利昂制冷剂，尤其是低温适用的氢氟烃类工质几乎均为多组分制冷剂构成，若混合制冷剂组分发生变化，会出现温度滑移现象，影响系统稳定性。

7)价格低廉。无论从制冷剂价格本身还是相应的制冷设备价格，氨制冷系统的造价与氟利昂或CO2制冷系统相比均有一定优势。氨作为制冷系统的制冷剂在环保、节能、系统稳定性等方面均有很大优势。

A. K. Vuppaladadiyam等[2]总结了制冷剂的开发和使用进展以及意外的环境后果，结果表明，氨作为制冷剂具有价格低廉、对环境友好、效率高等特点，可作为未来制冷剂使用，但在危险、潜在爆炸等方面需要加强研究。需注意的是氨在国内属于危险化学品监管目录内的物质，对氨制冷系统的使用要求较严格，因此如何使氨制冷系统更加高效、安全，为行业内实现“双碳目标”提供更好的选择是本文研究的主要内容。

1 氨系统的节能分析

近年来，行业内针对氨制冷系统节能进行了大量研究。刘顺等[3]以单级氨制冷理论循环为例，认为过冷对制冷循环总是有利的，过冷度越大，则越节能；并对某新建氨制冷循环系统进行Aspen模拟，结果显示，与无过冷的氨制冷系统相比，氨压缩机功耗降低8.4%。韩娟娟[4]提出增设经济器后，制冷量提高的本质是制冷剂过冷度增加，并通过 HYSYS 模拟在一定工况下增加经济器后，制冷量提高21.24%，压缩机多做功18.62%，系统效率提升。张文顺[5]对某啤酒厂氨制冷系统进行节能研究，通过改变末端冷却方式、工艺改造、错峰用电和储冷技术结合、选用高效冷凝器等方法进行节能改造，研究发现，在同等设计参数下，压缩机可减少10%能耗，风机功率和水泵功率仅为之前的1/3和1/4，节能效果显著。邱锦光[6]研究发现同等工况下，两次节流制冷循环与一次节流制冷循环相比，单位质量制冷量提高2.0%，理论制冷系数提高1.3%。张建一[7]通过分析英国某冷库发现，采用冷风机、取消高压贮液桶、中间冷却器与高压级循环桶合并、尽量缩短管道长度等技术，可使系统的充氨量大幅减少，安全性大幅提高；通过采用自动化控制、高效热氨融霜、回收余热加热地坪、冷风机合理配置等新技术，可以显著提高运行能效。

1.1 氨制冷压缩机节能

目前国内大多数氨制冷压缩机具备无级能量调节节能技术，同时随着变频技术和智能控制技术的应用，压缩机节能效果显著提高。以常规大型冷库项目为例，制冷压缩机运行能耗约占制冷系统总能耗的80%，所以压缩机的节能至关重要，合理降低冷凝温度及尽量缩小蒸发侧的传热温差，均有助于压缩机节能运行。氨制冷剂一般应用于中、大型制冷系统项目中，在相同条件下，依据某国外压缩机软件进行计算，在冷凝温度相同，蒸发温度在-35～0 ℃，对比氨与R507A制冷压缩机的能效值，蒸发温度在-20 ℃以上均采用单级压缩，蒸发温度在-20 ℃以下均采用单级带经济器压缩，发现在相同条件下，氨制冷压缩机的COP(coefficient of performance)均大于R507A制冷压缩机，高约10%以上，最高能效差值达到20%。

1.2 蒸发式冷凝器节能

冷凝器是蒸气压缩式制冷系统的4大部件之一，冷凝形式选择直接关系到制冷系统的运行能耗。氨制冷系统的冷凝方式有很多种，包括水冷式冷凝、风冷式冷凝、蒸发式冷凝等。蒸发式冷凝器运行原理如图1所示。与水冷式冷凝相比，显著节约水资源。采用蒸发式冷凝器所需的理论耗水量仅为水冷式冷凝器的0.3%～1%[8]。蒸发式冷凝器制冷系统与风冷式冷凝器制冷系统相比，压缩机动力消耗可节约30%以上，与冷却塔水冷式冷凝器制冷系统相比，压缩机动力消耗可节约10%以上[9]。

图1 蒸发式冷凝器原理

实际生产经验表明，同一制冷系统采用蒸发式冷凝器的冷凝温度要低于其他冷凝方式，而冷凝温度每降低1 ℃，制冷压缩机的运行能耗可降低2%～3%，因此采用蒸发式冷凝器可以有效降低制冷系统的整体运行能耗。一般而言，蒸发式冷凝器冷凝温度与当地湿球温度的差值不宜超过8 ℃。需要注意的是，蒸发式冷凝器在长期使用的同时要考虑水质造成的换热盘管表面结垢对传热效率降低的影响，在系统中宜设置水处理设备，以保障蒸发式冷凝器内换热盘管一直处于高效换热状态。对于含有填料的蒸发式冷凝器，填料物易损坏和老化，定期检查和更换蒸发式冷凝器内填料可保障设备高效运行。

1.3 冷热联供

无论采用何种制冷方式，制冷系统排出的热量若不加以利用会造成浪费。可以应用冷热联供技术将制冷压缩机排放的热进行热能回收再利用，如需得到更高温度的热能，可以通过热泵机组装置将制冷压缩机排放的废热品位提升。在实际运行中，采用冷热联供技术不但可以节省制冷侧冷凝所需的能耗，同时可以通过回收的废热提高制热侧的能效。例如国家雪车雪橇中心项目采用的冷热联供技术，将制冷系统产生的废热进行热能品位提升用于满足场馆附属用房的采暖需求，其COP可达5.0以上。与电锅炉制热系统相比，COP提高至少5倍，同时节省了制冷系统冷凝侧的耗水量，对于系统节能、低碳运行效果显著。该冷热联供系统原理如图2所示，所使用的高效氨热泵机组设备如图3所示。

图2 冷热联供系统原理

图3 氨热泵机组装置

1.4 变频技术

对于大型制冷系统而言，对压缩机等主要耗能设备采用变频技术可以提高系统节能性，尤其在部分负荷情况下，节能效果显著。以Grasso氨用螺杆压缩机为例，在-18 ℃/35 ℃工况、100%负荷情况下，其COP约为3.3；在50%负荷情况下，与满负荷状态相比COP降低约20%；在20%负荷情况下，与满负荷状态相比，制冷能效降低约50%，所以在部分负荷的情况下，机组的COP会大幅降低。采用变频驱动技术，通过控制压缩机电机的转速，可实现对压缩机能级的调节，提高机组在部分负荷运行情况下的能效。在大型制冷系统中，尤其对于能耗较大以及受负荷变化影响较大的设备，科学合理的应用变频技术对于系统的稳定性、节能性效果显著。对于存在负荷波动的制冷系统，在同一蒸发温度系统中，宜至少设置1～2台变频驱动的压缩机组，将变频技术和压缩机智能群控技术相结合，会有效降低压缩机组的能耗，同时可以提高机组的运行稳定性。对于制冷系统的冷凝器侧以及制冷剂泵侧，采用变频技术也可提高制冷系统的稳定性和节能性。

1.5 自动化智能控制

一般情况下，每套制冷系统都是根据一定的边界条件进行设计，但在实际运行过程中，工况随着边界条件的变化会相应变化，设计值或理论计算值和实际运行的数值会有一定偏差。因此自动化智能控制对于制冷系统保持高效稳定运行十分必要。通过自动化智能控制可使系统温度、压力、流量等重要参数一直处于最优状态，有效提高系统节能运行效果。目前对于自动化控制而言，实现远程/本地手动控制和自动控制，已在行业中广泛应用。但当制冷系统各种信号进行反馈的同时，制冷系统的状态同时又发生了变化，因此需要让自动化变的更加智能，通过运行数据的不断丰富，使其能够预测制冷系统下一步状态从而做出最合适的调整。自动化智能控制使制冷系统在实际运行过程中，依靠边界条件的变化，将系统始终运行在设计要求的最优范围之内，不仅有利于制冷系统的节能，同时最大程度的降低人为手动误操作风险，对制冷系统的安全性和稳定性也有极大的帮助。

2 氨系统的安全分析

近年来，行业内针对氨制冷系统安全方面进行了大量研究。杨一凡[10]认为目前国内氨制冷企业现存的核心问题包括设计资质监管不严、冷库设计不规范、压力容器购买不正规、不具备施工资质的施工单位施工、施工不规范、不按照设计进行施工等方面。同时他指出涉氨制冷企业事故发生的主要原因包括硬件设施安全问题、企业安全管理问题、专业人员的增长赶不上行业的发展速度、相关培训工作较为滞后、制冷操作工非专业人士、无证操作等方面。王素娟等[11]将食品行业液氨制冷系统按压力分为5个节点并分别进行危险与可操作性分析(hazard and operability study，HAZOP)，结果表明目前食品行业缺乏设计和自动化控制系统是造成风险的最大原因。丁无极等[12]通过对安全事故分析，认为冷库建设安全监管缺位、冷库安装未按照标准进行施工验收、焊接质量存在缺陷、必备安全部件和设施缺失或失效、阀门选用不规范、泄漏严重等是造成事故的原因。A. C. Pachai等[13]认为通过减少氨系统充注量、采用制冷系统自动化控制技术、加强制冷剂阀门的设计和维护、加强容器和管道的防腐蚀、加强运维人员的学习等方法可以提高氨制冷系统的安全性。王健等[14]分析了氨系统冷库事故的主要原因，认为不规范的设计建设、超期使用的阀门设备、安全设施的缺乏、非专业的操作工的操作、涉氨制冷企业管理人员安全意识缺乏等是造成事故的主要原因。Li Xiang等[15]针对氨泄漏事故，在传统风险分析方法的基础上，结合设备特点，提出了小型氨制冷机组的风险评估方法，并基于该方法开发了小型氨制冷机组风险评估系统，该风险评估方法和系统可为冷库管理提供科学依据，减少泄漏事故的风险。S.J.Kang等[16]提出了在氨制冷系统发生泄漏事故时，计算个人危险度和社会危险度的方法，利用该方法可将事故范围和损失降至最小化，有助于预防事故的发生。

2.1 低充注量技术

自2013年，国内连续出现多起由于氨泄漏导致的冷库和食品加工厂恶性事故，随即国内开始全面进行涉氨企业的梳理和整治。行业内均认同科学的降低系统内液氨充注量是保障氨制冷系统安全的有效措施之一。M. R. Kærn等[17]通过对传统的浸没式直列翅片蒸发器的研究，优化换热器设计参数与运行参数之间的相互作用，实验结果表明，通过减小管径、增加排管数和制冷剂回路，可以显著减少制冷剂充注量和传热面积。S. K. G. Shanmugam等[18]基于加利福尼亚州某中型冷库，对比传统的氨制冷系统，提出了分布式超低氨充注量制冷机组，研究表明，与传统的氨制冷系统相比，可以减少98%以上的氨充注量，系统能耗降低7%，系统耗水量降低3%。J. A. Expsito Carrillo等[19]研究了一种新型超低充注量氨风冷冷水机组，通过微通道冷凝器、单级油分离器等技术，得出可使系统COP和冷却能力最大化的氨充注量最佳值，并对比目前市场上的同等系统，充注量降低50%，性能提高20%。S. Jensen[20-21]研究证明，通过消除储液容器和降低系统循环倍率，可将充注量减少75%～80%，同时，通过系统优化设计和对变频技术的使用，可将系统效率提高67%。近年来，国内对液氨的使用和监管没有放松，但无论从政府部门、监管单位以及使用方，对于大型工业制冷系统，各方逐渐意识到氨作为制冷剂是可持续发展的。在保障制冷系统能效尽可能不降低的情况下，就如何科学的降低液氨的充注量，需要科学合理的对制冷系统进行设计和优化。目前降低系统液氨充注量的方式主要有：

1)采用氨/CO2等复合式制冷系统，可有效降低液氨的充注量；

2)采用板式或板壳式等高效换热设备并应用新型的气液分离技术，不但可以缩小传热温差，同时可以有效降低换热装置的液氨充注量；

3)采用定量供液、直接膨胀式供液技术或分布式模块装置技术，均可有效降低系统内液氨的充注量。

以一座含有低温穿堂的多层冷库为例，其冷库仓储量按照50 000 t计(其中低温库库容约45 000 t，高低温变温库库容约5 000 t)。若采用传统的氨泵多倍供液制冷系统，系统中需要液氨的充注量约为25 t；若采用氨直接膨胀式供液系统，如图4所示，系统中需要液氨的充注量约为9 t，液氨的充注量可降低60%以上；若采用氨/CO2复合式制冷系统，换热设备采用传统的壳管式换热器，系统中需要液氨的充注量约为7 t，充注量比传统氨制冷系统可降低70%以上；若采用氨/CO2载冷式制冷系统，换热设备采用低充注高效换热装置，如图5所示，系统中液氨的充注量约为4.5 t，充注量比传统氨泵多倍供液制冷系统可降低80%以上。

图4 氨直接膨胀式系统

图5 氨/CO2载冷系统

2.2 减少或取消高压容器

对于传统氨制冷系统，高压侧一般至少有高压储液器和虹吸罐设备。高压储液器是将氨制冷系统冷凝下来的液氨进行存储，根据系统的负荷需求，由高压储液器提供所需液氨，系统中大部分的氨液都是在系统高压侧存储，存在一定的安全隐患。通过高压机械浮球装置替代高压储液器，不但可以减少系统中的压力容器，同时可以极大降低高压侧的氨液储量，系统停机时，可以做到高压侧几乎不存液。无高压储液器的工质油冷却系统如图6所示。虹吸罐设备主要功能是为压缩机组中的润滑油冷却降温，以保障压缩机运转过程中润滑油一直处于合理的温度范围。可以通过应用高效的氨/油换热设备降低虹吸冷却需要的氨液用量，也可以取消虹吸罐容器，采用水冷闭式循环模式，将循环水中的热量提取出来再进行合理利用。

图6 无高压储液器的工质油冷却系统

2.3 使用HAZOP方法分析系统风险

危险与可操作性分析(HAZOP)，是一种结构化与系统化的定性风险分析方法，主要用于识别工艺或操作过程中存在的危害，识别过程偏差导致的不可接受的风险状况。对于氨制冷系统，通过研究氨制冷工艺管线和仪表图、带控制点的工艺流程图或三维模型，重点分析由管路、阀门元件或设备操作可能会引发潜在事故，依据HAZOP所需的相关文件，分析每一个偏差的原因及后果，利用风险矩阵评估后果严重性及事件发生的可能性，然后分析此偏差采取的现有安全保护措施是否满足可接受风险要求。氨制冷系统已经是很成熟的制冷系统，但随着国内快速的建设及项目规模偏大等特点，部分氨制冷系统仍存在一定的安全隐患。HAZOP分析方法是一种提前预判事故发生可能性的科学有效方法，通过采用HAZOP分析方法可以从前期氨制冷系统设计阶段到后期的系统运维阶段对系统安全性进行深入剖析，提前制定相应的科学合理预防措施，避免事故的发生，HAZOP分析流程图如图7所示。

图7 HAZOP分析流程图

2.4 安全仪表系统

国内无论是化工行业还是食品物流行业，氨制冷系统规模都较大，由于氨具有一定的毒性和燃爆性，存在一定的危险性。氨制冷系统为避免发生重大安全事故，安全仪表系统的应用是安全保障的重要手段之一。安全仪表系统(safety instrument system，SIS)，主要为控制系统中报警和联锁部分，对控制系统中检测的结果实施报警动作或调节或停机控制，是自动控制系统中的重要组成部分。尤其对于构成重大危险源的项目，设置SIS可有效降低氨制冷系统的事故风险。对于氨制冷系统，紧急停车系统和氨气探测系统对于系统安全起到至关重要的作用，均宜配备独立SIS，是防止氨制冷系统发生恶性事故的有效措施。对于液位超高开关以及压力超高开关等其他重要部分可根据系统工艺设计要求来确定是否需要配备SIS。SIS只是事故预防保护措施中的一环，要根据工艺特点，科学的进行风险评估，合理进行安全功能分配，平衡好各保护层的分配比重，以更好的实现氨制冷装置安全运行。图8所示为某氨制冷系统项目安全仪表系统网络拓扑示意图，图9所示为某氨制冷系统项目安全仪表系统平面布置。

图8 安全仪表系统网络拓扑示意图

图9 安全仪表系统平面布置

2.5 加强专业技术培训

国内绝大多数与氨制冷有关的安全事故的起因不是“氨”本身引起的，更多的是操作人员缺乏专业技能，因操作和维护不当引起。对于氨制冷系统安全，除了尽可能应用低充注量技术及科学的安全措施外，加强氨制冷系统设计、施工和后期运维人员的专业培训教育，提高专业素质和职业能力水平至关重要。到目前为止，国内大部分氨制冷系统的运维人员存在专业知识能力较低、对系统的日常维护和保养意识差、规章制度实际落实不到位、岗位职责不健全等问题，是氨制冷系统安全性的薄弱点。通过专业的日常巡检和科学的维护保养，可以把隐患和事故控制在萌芽之中。除了氨制冷操作人员熟悉掌握并遵守氨制冷系统操作制度和涉氨制冷岗位安全操作规程外，企业还应建立科学有效的应急预案，定期进行应急演练，倘若出现氨泄漏事故，以最快的速度找到泄漏点并进行有效控制，最大限度减少人员伤亡和财产损失，将事故危害降至最低。若安全意识不到位，同时没有足够的专业知识能力，遇到问题手足无措，最终可能会造成安全事故。