氨制冷系統節能與安全技術

李 坤 張 蕊 孫建軍 李瑞申 張軍榮 董 浩

(華商國際工程有限公司 北京 100069)

近年來，隨著國內外環境保護意識的提升，依據《蒙特利爾議定書》和《中國消耗臭氧層物質逐步淘汰方案》，要求以R22為代表的氫氯氟烴(HCFCs)制冷劑在2030年前消減97.5%，并將在2040年全面禁用。根據《基加利修正案》要求針對于中國在內的發展中國家，將18種具有高全球變暖潛能值的HFCs物質納入管控目錄，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。這18種物質及其混合物都將在《基加利修正案》框架下進行削減。隨著國內“雙碳”相關政策的落地，對于制冷空調行業的低碳和節能發展會逐步提出更高的要求，整個行業面臨著制冷劑選擇和替代的問題。由于氟利昂制冷劑破壞大氣環境而受控，行業內開始重新評價和應用自然環保的制冷劑。

氨為自然制冷工質，尤其在工業制冷領域，選用氨作為制冷劑是綠色環保、節能高效的方式。氨應用于制冷系統的優勢包括：

1)環保。氨是由天然氣體氮氣和氫氣合成制取，臭氧耗損潛能值(ozone depletion potential，ODP)和全球變暖潛能值(Global Warming Potential，GWP)均為零。氫氟烴類工質的ODP為零，但GWP很高，以R507A為例，1 kg制冷劑的CO2當量為3 990[1]。

2)壓力適中。在35 ℃冷凝壓力下，氨對應冷凝壓力為1 350 kPa。R507A對應冷凝壓力為1 654 kPa)，氨相對于氟利昂制冷劑節流損失小，效率高。

3)蒸發潛熱值大。在-30 ℃時氨的汽化潛熱是R507A的7.3倍。

4)互溶性好。氨系統中若含有水分，可以任意比例互溶，不易造成系統內冰堵。對于氟利昂或CO2系統，系統中水分對系統影響較大。

5)自報警功能。氨具有刺激性氣味，當空氣中氨氣濃度達到5×10-6時，人通過嗅覺可以覺察到，可以采取相應的措施進行維護。而對于氟利昂系統，均為無色無味氣體，少量泄漏很難被察覺，不僅破壞環境，當泄漏量達到一定程度后，對系統的穩定性會造成不利影響。

6)化學穩定性好。氨作為單一組分工質其化學穩定性優于氟利昂制冷劑，尤其是低溫適用的氫氟烴類工質幾乎均為多組分制冷劑構成，若混合制冷劑組分發生變化，會出現溫度滑移現象，影響系統穩定性。

7)價格低廉。無論從制冷劑價格本身還是相應的制冷設備價格，氨制冷系統的造價與氟利昂或CO2制冷系統相比均有一定優勢。氨作為制冷系統的制冷劑在環保、節能、系統穩定性等方面均有很大優勢。

A. K. Vuppaladadiyam等[2]總結了制冷劑的開發和使用進展以及意外的環境后果，結果表明，氨作為制冷劑具有價格低廉、對環境友好、效率高等特點，可作為未來制冷劑使用，但在危險、潛在爆炸等方面需要加強研究。需注意的是氨在國內屬于危險化學品監管目錄內的物質，對氨制冷系統的使用要求較嚴格，因此如何使氨制冷系統更加高效、安全，為行業內實現“雙碳目標”提供更好的選擇是本文研究的主要內容。

1 氨系統的節能分析

近年來，行業內針對氨制冷系統節能進行了大量研究。劉順等[3]以單級氨制冷理論循環為例，認為過冷對制冷循環總是有利的，過冷度越大，則越節能；并對某新建氨制冷循環系統進行Aspen模擬，結果顯示，與無過冷的氨制冷系統相比，氨壓縮機功耗降低8.4%。韓娟娟[4]提出增設經濟器后，制冷量提高的本質是制冷劑過冷度增加，并通過 HYSYS 模擬在一定工況下增加經濟器后，制冷量提高21.24%，壓縮機多做功18.62%，系統效率提升。張文順[5]對某啤酒廠氨制冷系統進行節能研究，通過改變末端冷卻方式、工藝改造、錯峰用電和儲冷技術結合、選用高效冷凝器等方法進行節能改造，研究發現，在同等設計參數下，壓縮機可減少10%能耗，風機功率和水泵功率僅為之前的1/3和1/4，節能效果顯著。邱錦光[6]研究發現同等工況下，兩次節流制冷循環與一次節流制冷循環相比，單位質量制冷量提高2.0%，理論制冷系數提高1.3%。張建一[7]通過分析英國某冷庫發現，采用冷風機、取消高壓貯液桶、中間冷卻器與高壓級循環桶合并、盡量縮短管道長度等技術，可使系統的充氨量大幅減少，安全性大幅提高；通過采用自動化控制、高效熱氨融霜、回收余熱加熱地坪、冷風機合理配置等新技術，可以顯著提高運行能效。

1.1 氨制冷壓縮機節能

目前國內大多數氨制冷壓縮機具備無級能量調節節能技術，同時隨著變頻技術和智能控制技術的應用，壓縮機節能效果顯著提高。以常規大型冷庫項目為例，制冷壓縮機運行能耗約占制冷系統總能耗的80%，所以壓縮機的節能至關重要，合理降低冷凝溫度及盡量縮小蒸發側的傳熱溫差，均有助于壓縮機節能運行。氨制冷劑一般應用于中、大型制冷系統項目中，在相同條件下，依據某國外壓縮機軟件進行計算，在冷凝溫度相同，蒸發溫度在-35～0 ℃，對比氨與R507A制冷壓縮機的能效值，蒸發溫度在-20 ℃以上均采用單級壓縮，蒸發溫度在-20 ℃以下均采用單級帶經濟器壓縮，發現在相同條件下，氨制冷壓縮機的COP(coefficient of performance)均大于R507A制冷壓縮機，高約10%以上，最高能效差值達到20%。

1.2 蒸發式冷凝器節能

冷凝器是蒸氣壓縮式制冷系統的4大部件之一，冷凝形式選擇直接關系到制冷系統的運行能耗。氨制冷系統的冷凝方式有很多種，包括水冷式冷凝、風冷式冷凝、蒸發式冷凝等。蒸發式冷凝器運行原理如圖1所示。與水冷式冷凝相比，顯著節約水資源。采用蒸發式冷凝器所需的理論耗水量僅為水冷式冷凝器的0.3%～1%[8]。蒸發式冷凝器制冷系統與風冷式冷凝器制冷系統相比，壓縮機動力消耗可節約30%以上，與冷卻塔水冷式冷凝器制冷系統相比，壓縮機動力消耗可節約10%以上[9]。

圖1 蒸發式冷凝器原理

實際生產經驗表明，同一制冷系統采用蒸發式冷凝器的冷凝溫度要低于其他冷凝方式，而冷凝溫度每降低1 ℃，制冷壓縮機的運行能耗可降低2%～3%，因此采用蒸發式冷凝器可以有效降低制冷系統的整體運行能耗。一般而言，蒸發式冷凝器冷凝溫度與當地濕球溫度的差值不宜超過8 ℃。需要注意的是，蒸發式冷凝器在長期使用的同時要考慮水質造成的換熱盤管表面結垢對傳熱效率降低的影響，在系統中宜設置水處理設備，以保障蒸發式冷凝器內換熱盤管一直處于高效換熱狀態。對于含有填料的蒸發式冷凝器，填料物易損壞和老化，定期檢查和更換蒸發式冷凝器內填料可保障設備高效運行。

1.3 冷熱聯供

無論采用何種制冷方式，制冷系統排出的熱量若不加以利用會造成浪費。可以應用冷熱聯供技術將制冷壓縮機排放的熱進行熱能回收再利用，如需得到更高溫度的熱能，可以通過熱泵機組裝置將制冷壓縮機排放的廢熱品位提升。在實際運行中，采用冷熱聯供技術不但可以節省制冷側冷凝所需的能耗，同時可以通過回收的廢熱提高制熱側的能效。例如國家雪車雪橇中心項目采用的冷熱聯供技術，將制冷系統產生的廢熱進行熱能品位提升用于滿足場館附屬用房的采暖需求，其COP可達5.0以上。與電鍋爐制熱系統相比，COP提高至少5倍，同時節省了制冷系統冷凝側的耗水量，對于系統節能、低碳運行效果顯著。該冷熱聯供系統原理如圖2所示，所使用的高效氨熱泵機組設備如圖3所示。

圖2 冷熱聯供系統原理

圖3 氨熱泵機組裝置

1.4 變頻技術

對于大型制冷系統而言，對壓縮機等主要耗能設備采用變頻技術可以提高系統節能性，尤其在部分負荷情況下，節能效果顯著。以Grasso氨用螺桿壓縮機為例，在-18 ℃/35 ℃工況、100%負荷情況下，其COP約為3.3；在50%負荷情況下，與滿負荷狀態相比COP降低約20%；在20%負荷情況下，與滿負荷狀態相比，制冷能效降低約50%，所以在部分負荷的情況下，機組的COP會大幅降低。采用變頻驅動技術，通過控制壓縮機電機的轉速，可實現對壓縮機能級的調節，提高機組在部分負荷運行情況下的能效。在大型制冷系統中，尤其對于能耗較大以及受負荷變化影響較大的設備，科學合理的應用變頻技術對于系統的穩定性、節能性效果顯著。對于存在負荷波動的制冷系統，在同一蒸發溫度系統中，宜至少設置1～2臺變頻驅動的壓縮機組，將變頻技術和壓縮機智能群控技術相結合，會有效降低壓縮機組的能耗，同時可以提高機組的運行穩定性。對于制冷系統的冷凝器側以及制冷劑泵側，采用變頻技術也可提高制冷系統的穩定性和節能性。

1.5 自動化智能控制

一般情況下，每套制冷系統都是根據一定的邊界條件進行設計，但在實際運行過程中，工況隨著邊界條件的變化會相應變化，設計值或理論計算值和實際運行的數值會有一定偏差。因此自動化智能控制對于制冷系統保持高效穩定運行十分必要。通過自動化智能控制可使系統溫度、壓力、流量等重要參數一直處于最優狀態，有效提高系統節能運行效果。目前對于自動化控制而言，實現遠程/本地手動控制和自動控制，已在行業中廣泛應用。但當制冷系統各種信號進行反饋的同時，制冷系統的狀態同時又發生了變化，因此需要讓自動化變的更加智能，通過運行數據的不斷豐富，使其能夠預測制冷系統下一步狀態從而做出最合適的調整。自動化智能控制使制冷系統在實際運行過程中，依靠邊界條件的變化，將系統始終運行在設計要求的最優范圍之內，不僅有利于制冷系統的節能，同時最大程度的降低人為手動誤操作風險，對制冷系統的安全性和穩定性也有極大的幫助。

2 氨系統的安全分析

近年來，行業內針對氨制冷系統安全方面進行了大量研究。楊一凡[10]認為目前國內氨制冷企業現存的核心問題包括設計資質監管不嚴、冷庫設計不規范、壓力容器購買不正規、不具備施工資質的施工單位施工、施工不規范、不按照設計進行施工等方面。同時他指出涉氨制冷企業事故發生的主要原因包括硬件設施安全問題、企業安全管理問題、專業人員的增長趕不上行業的發展速度、相關培訓工作較為滯后、制冷操作工非專業人士、無證操作等方面。王素娟等[11]將食品行業液氨制冷系統按壓力分為5個節點并分別進行危險與可操作性分析(hazard and operability study，HAZOP)，結果表明目前食品行業缺乏設計和自動化控制系統是造成風險的最大原因。丁無極等[12]通過對安全事故分析，認為冷庫建設安全監管缺位、冷庫安裝未按照標準進行施工驗收、焊接質量存在缺陷、必備安全部件和設施缺失或失效、閥門選用不規范、泄漏嚴重等是造成事故的原因。A. C. Pachai等[13]認為通過減少氨系統充注量、采用制冷系統自動化控制技術、加強制冷劑閥門的設計和維護、加強容器和管道的防腐蝕、加強運維人員的學習等方法可以提高氨制冷系統的安全性。王健等[14]分析了氨系統冷庫事故的主要原因，認為不規范的設計建設、超期使用的閥門設備、安全設施的缺乏、非專業的操作工的操作、涉氨制冷企業管理人員安全意識缺乏等是造成事故的主要原因。Li Xiang等[15]針對氨泄漏事故，在傳統風險分析方法的基礎上，結合設備特點，提出了小型氨制冷機組的風險評估方法，并基于該方法開發了小型氨制冷機組風險評估系統，該風險評估方法和系統可為冷庫管理提供科學依據，減少泄漏事故的風險。S.J.Kang等[16]提出了在氨制冷系統發生泄漏事故時，計算個人危險度和社會危險度的方法，利用該方法可將事故范圍和損失降至最小化，有助于預防事故的發生。

2.1 低充注量技術

自2013年，國內連續出現多起由于氨泄漏導致的冷庫和食品加工廠惡性事故，隨即國內開始全面進行涉氨企業的梳理和整治。行業內均認同科學的降低系統內液氨充注量是保障氨制冷系統安全的有效措施之一。M. R. K?rn等[17]通過對傳統的浸沒式直列翅片蒸發器的研究，優化換熱器設計參數與運行參數之間的相互作用，實驗結果表明，通過減小管徑、增加排管數和制冷劑回路，可以顯著減少制冷劑充注量和傳熱面積。S. K. G. Shanmugam等[18]基于加利福尼亞州某中型冷庫，對比傳統的氨制冷系統，提出了分布式超低氨充注量制冷機組，研究表明，與傳統的氨制冷系統相比，可以減少98%以上的氨充注量，系統能耗降低7%，系統耗水量降低3%。J. A. Expsito Carrillo等[19]研究了一種新型超低充注量氨風冷冷水機組，通過微通道冷凝器、單級油分離器等技術，得出可使系統COP和冷卻能力最大化的氨充注量最佳值，并對比目前市場上的同等系統，充注量降低50%，性能提高20%。S. Jensen[20-21]研究證明，通過消除儲液容器和降低系統循環倍率，可將充注量減少75%～80%，同時，通過系統優化設計和對變頻技術的使用，可將系統效率提高67%。近年來，國內對液氨的使用和監管沒有放松，但無論從政府部門、監管單位以及使用方，對于大型工業制冷系統，各方逐漸意識到氨作為制冷劑是可持續發展的。在保障制冷系統能效盡可能不降低的情況下，就如何科學的降低液氨的充注量，需要科學合理的對制冷系統進行設計和優化。目前降低系統液氨充注量的方式主要有：

1)采用氨/CO2等復合式制冷系統，可有效降低液氨的充注量；

2)采用板式或板殼式等高效換熱設備并應用新型的氣液分離技術，不但可以縮小傳熱溫差，同時可以有效降低換熱裝置的液氨充注量；

3)采用定量供液、直接膨脹式供液技術或分布式模塊裝置技術，均可有效降低系統內液氨的充注量。

以一座含有低溫穿堂的多層冷庫為例，其冷庫倉儲量按照50 000 t計(其中低溫庫庫容約45 000 t，高低溫變溫庫庫容約5 000 t)。若采用傳統的氨泵多倍供液制冷系統，系統中需要液氨的充注量約為25 t；若采用氨直接膨脹式供液系統，如圖4所示，系統中需要液氨的充注量約為9 t，液氨的充注量可降低60%以上；若采用氨/CO2復合式制冷系統，換熱設備采用傳統的殼管式換熱器，系統中需要液氨的充注量約為7 t，充注量比傳統氨制冷系統可降低70%以上；若采用氨/CO2載冷式制冷系統，換熱設備采用低充注高效換熱裝置，如圖5所示，系統中液氨的充注量約為4.5 t，充注量比傳統氨泵多倍供液制冷系統可降低80%以上。

圖4 氨直接膨脹式系統

圖5 氨/CO2載冷系統

2.2 減少或取消高壓容器

對于傳統氨制冷系統，高壓側一般至少有高壓儲液器和虹吸罐設備。高壓儲液器是將氨制冷系統冷凝下來的液氨進行存儲，根據系統的負荷需求，由高壓儲液器提供所需液氨，系統中大部分的氨液都是在系統高壓側存儲，存在一定的安全隱患。通過高壓機械浮球裝置替代高壓儲液器，不但可以減少系統中的壓力容器，同時可以極大降低高壓側的氨液儲量，系統停機時，可以做到高壓側幾乎不存液。無高壓儲液器的工質油冷卻系統如圖6所示。虹吸罐設備主要功能是為壓縮機組中的潤滑油冷卻降溫，以保障壓縮機運轉過程中潤滑油一直處于合理的溫度范圍。可以通過應用高效的氨/油換熱設備降低虹吸冷卻需要的氨液用量，也可以取消虹吸罐容器，采用水冷閉式循環模式，將循環水中的熱量提取出來再進行合理利用。

圖6 無高壓儲液器的工質油冷卻系統

2.3 使用HAZOP方法分析系統風險

危險與可操作性分析(HAZOP)，是一種結構化與系統化的定性風險分析方法，主要用于識別工藝或操作過程中存在的危害，識別過程偏差導致的不可接受的風險狀況。對于氨制冷系統，通過研究氨制冷工藝管線和儀表圖、帶控制點的工藝流程圖或三維模型，重點分析由管路、閥門元件或設備操作可能會引發潛在事故，依據HAZOP所需的相關文件，分析每一個偏差的原因及后果，利用風險矩陣評估后果嚴重性及事件發生的可能性，然后分析此偏差采取的現有安全保護措施是否滿足可接受風險要求。氨制冷系統已經是很成熟的制冷系統，但隨著國內快速的建設及項目規模偏大等特點，部分氨制冷系統仍存在一定的安全隱患。HAZOP分析方法是一種提前預判事故發生可能性的科學有效方法，通過采用HAZOP分析方法可以從前期氨制冷系統設計階段到后期的系統運維階段對系統安全性進行深入剖析，提前制定相應的科學合理預防措施，避免事故的發生，HAZOP分析流程圖如圖7所示。

圖7 HAZOP分析流程圖

2.4 安全儀表系統

國內無論是化工行業還是食品物流行業，氨制冷系統規模都較大，由于氨具有一定的毒性和燃爆性，存在一定的危險性。氨制冷系統為避免發生重大安全事故，安全儀表系統的應用是安全保障的重要手段之一。安全儀表系統(safety instrument system，SIS)，主要為控制系統中報警和聯鎖部分，對控制系統中檢測的結果實施報警動作或調節或停機控制，是自動控制系統中的重要組成部分。尤其對于構成重大危險源的項目，設置SIS可有效降低氨制冷系統的事故風險。對于氨制冷系統，緊急停車系統和氨氣探測系統對于系統安全起到至關重要的作用，均宜配備獨立SIS，是防止氨制冷系統發生惡性事故的有效措施。對于液位超高開關以及壓力超高開關等其他重要部分可根據系統工藝設計要求來確定是否需要配備SIS。SIS只是事故預防保護措施中的一環，要根據工藝特點，科學的進行風險評估，合理進行安全功能分配，平衡好各保護層的分配比重，以更好的實現氨制冷裝置安全運行。圖8所示為某氨制冷系統項目安全儀表系統網絡拓撲示意圖，圖9所示為某氨制冷系統項目安全儀表系統平面布置。

圖8 安全儀表系統網絡拓撲示意圖

圖9 安全儀表系統平面布置

2.5 加強專業技術培訓

國內絕大多數與氨制冷有關的安全事故的起因不是“氨”本身引起的，更多的是操作人員缺乏專業技能，因操作和維護不當引起。對于氨制冷系統安全，除了盡可能應用低充注量技術及科學的安全措施外，加強氨制冷系統設計、施工和后期運維人員的專業培訓教育，提高專業素質和職業能力水平至關重要。到目前為止，國內大部分氨制冷系統的運維人員存在專業知識能力較低、對系統的日常維護和保養意識差、規章制度實際落實不到位、崗位職責不健全等問題，是氨制冷系統安全性的薄弱點。通過專業的日常巡檢和科學的維護保養，可以把隱患和事故控制在萌芽之中。除了氨制冷操作人員熟悉掌握并遵守氨制冷系統操作制度和涉氨制冷崗位安全操作規程外，企業還應建立科學有效的應急預案，定期進行應急演練，倘若出現氨泄漏事故，以最快的速度找到泄漏點并進行有效控制，最大限度減少人員傷亡和財產損失，將事故危害降至最低。若安全意識不到位，同時沒有足夠的專業知識能力，遇到問題手足無措，最終可能會造成安全事故。

3 結論

對于氨制冷節能方面，在相同工況下，氨制冷壓縮機比R507A制冷壓縮機能效高；采用蒸發式冷凝器、變頻技術均可有效降低系統的運行能耗；冷熱聯供技術可以提高系統綜合能效，降低系統對大氣環境的碳排放；自動化智能控制技術可以科學的使制冷系統在最優工況下運行，節能效果顯著。

對于氨制冷安全方面，采用科學的低充注量技術、盡可能減少或取消高壓容器、對氨制冷系統采用危險與可操作性分析方法分析系統風險、科學合理的應用安全儀表系統均可有效提高氨制冷系統的安全性；加強氨制冷系統相關人員的專業培訓和教育，提高系統運維人員專業素質和職業能力是保障氨制冷系統安全的有效措施。

從環保性、穩定性、節能性等多方面綜合考慮，在工業制冷領域中，目前還沒有一種制冷劑可替代“氨”，如何更科學、更安全的應用“氨”制冷劑是行業內需要重點研究的方向之一。