氨制冷系统的节能与安全

在工业制冷领域 , 氨作为自然制冷工质在环保、节能、系统稳定性等方面均有很大优势。

（本图仅为参考，不对应文章任何产品信息）

1、氨应用于制冷系统的优势

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, ODP和GWP均为零。

2)压力适中。

在35 ℃冷凝压力下,氨对应冷凝压力为1350 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。

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，极少出现温度滑移现象。

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CO2 制冷系统相比均有一定优势。

另外，不得不补充的是：氨具有价格低廉、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。

2、氨系统的节能分析

2. 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,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均大于R507A制冷压缩机,高约10%以上,最高能效差值达到 20%。

2. 2 蒸发式冷凝器节能

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%。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。

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。

2. 3 冷热联供

对制冷系统排出的热量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。

2. 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。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。

2. 5 自动化智能控制

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。

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。

3、氨系统的安全分析

3. 1 低充注量技术

目前，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。近几年关于氨充注量的研究如下：

（1）M. R. K?rn 等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。

（2）S. K. G.Shanmugam 等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%。

（3）J. A. ExpósitoCarrillo 等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%。

（4）S. Jensen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%。

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50000 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)。

（1）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;

（2）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;

（3）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。

3. 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。

（1）高压储液器：

其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。

（2）虹吸罐设备

其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。

3. 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,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, 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，提前预判，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。

3. 4 安全仪表系统

安全仪表系统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。

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。

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。

3. 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。