NH3/CO2制冷系統(tǒng)應(yīng)用分析

葛運(yùn)江，王芳，朱永宏，劉昌豐

（煙臺冰輪股份有限公司，山東煙臺 264001）

0 引言

2013年氨制冷系統(tǒng)安全事故頻發(fā)，如何建造更安全節(jié)能的制冷系統(tǒng)是業(yè)界思考的首要課題。煙臺冰輪股份有限公司早在多年前就已經(jīng)開始NH3/CO2制冷系統(tǒng)的研究，并于 2009年建造了國內(nèi)第一個NH3/CO2應(yīng)用項(xiàng)目。隨著R22等HCFCs類工質(zhì)逐步退出歷史舞臺，以歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家為代表，積極倡導(dǎo)以NH3和CO2等自然工質(zhì)作為最終替代工質(zhì)使用。國際、國內(nèi)多年試驗(yàn)和成熟的系統(tǒng)運(yùn)行表明：NH3/CO2制冷系統(tǒng)具有不可比擬的安全和節(jié)能優(yōu)勢。

1 工質(zhì)分析

目前常見工質(zhì)有 NH3、CO2、R22、R404 和 R507等，首先從工質(zhì)特性分析CO2的自身優(yōu)勢。

1.1 重新認(rèn)識氨（NH3）工質(zhì)

氨屬于自然工質(zhì)，臭氧消耗潛值和全球變暖潛值都完全符合環(huán)保要求（ODP=0，GWP=0），是目前制冷效率最高的制冷劑。氨氣是一種具有強(qiáng)烈刺激和窒息性的氣體，按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級》[1]（GB 5044-1985）的有關(guān)規(guī)定，氨屬于Ⅳ級輕度危害的有毒物質(zhì)，同時(shí)氨在空氣中含量達(dá)15.7%～27%，遇明火會發(fā)生爆炸，因此不適宜在人員密集區(qū)使用。在日本，通常采用氨工質(zhì)的項(xiàng)目，每個獨(dú)立系統(tǒng)的氨充注量不超過500 kg。

我國現(xiàn)有氨的部分規(guī)范、規(guī)定如下。

1）《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識》[2]（GB 18218-2009）的有關(guān)規(guī)定：“毒性氣體-氨-臨界量為10噸”；超過 10噸氨充注量的系統(tǒng)，按照《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源分級方法》[3]中的計(jì)算方式計(jì)算重大危險(xiǎn)源分級，計(jì)算公式如式(1)所示。根據(jù)《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》[4]和《危險(xiǎn)化學(xué)品安全管理?xiàng)l例》[5]等有關(guān)法律、行政法規(guī)，須定期進(jìn)行辨識、安全評估及分級。

2）《冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]（GB 8163-2010）的有關(guān)規(guī)定，“對使用氨作制冷劑的冷庫制冷系統(tǒng)，其氨制冷劑總的充注量不應(yīng)超過40,000 kg”；“包裝間、分割間、產(chǎn)品整理間等人員較多房間的空調(diào)嚴(yán)禁采用氨直接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)”。

3）2013年12月份，國家質(zhì)檢總局下發(fā)61號文件《關(guān)于氨制冷裝置特種設(shè)備專項(xiàng)治理工作的指導(dǎo)意見》[7]要求：熱氨融霜管道及低壓側(cè)管道全部100%射線探傷合格。這將意味著大型氨系統(tǒng)的工程造價(jià)將大幅增加。

單位氨工質(zhì)價(jià)格：每噸 NH3市場參考價(jià)格約3,800至4,500元。

1.2 臨近淘汰的氟利昂R22

R22是屬于 HCFCs制冷劑（ODP=0.055，GWP=7,100），對臭氧層有破壞、并且存在溫室效應(yīng)，制冷效率低于NH3。1995年的維也納會議規(guī)定發(fā)達(dá)國家 2020年停止使用（歐盟則提前至 2015年）；發(fā)展中國家 2030年實(shí)現(xiàn)除維修和特殊用途以外的完全淘汰。

R22是一種無色無味，無毒性和不可燃性氣體，R22泄漏后不易察覺，對大氣產(chǎn)生污染，并在有明火的情況下會產(chǎn)生光氣，光氣是一種劇毒化學(xué)品，曾在二戰(zhàn)時(shí)期被日軍作為化學(xué)武器。

單位工質(zhì)價(jià)格：每噸 R22市場參考價(jià)格約17,000元。

1.3 價(jià)格高昂且GWP值高的替代工質(zhì)R404、R507

目前市場上普遍采用R404A或R507工質(zhì)替代R22，這兩種工質(zhì)熱力學(xué)性能與R22相似，制冷效率均低于NH3。部分壓力容器設(shè)計(jì)壓力要比R22高，并且冷凍油需用POE多元醇酯潤滑劑，后期維護(hù)費(fèi)用高。

無論R404A或R507哪一種新工質(zhì)，盡管其臭氧消耗潛值（ODP）符合環(huán)保要求，但其全球變暖潛值(GWP)較高，這意味著R404或R507不是理想的最終環(huán)保工質(zhì)，其前景亦不容樂觀。

單位工質(zhì)價(jià)格：每噸R507市場參考價(jià)格90,000至100,000元（霍尼維爾、杜邦）；每噸R404市場參考價(jià)格45,000至50,000元。

1.4 天然工質(zhì)二氧化碳（R744，CO2）

CO2是一種安全、無毒、不可燃的純天然工質(zhì)，對人對貨品無任何危害，火災(zāi)時(shí)若產(chǎn)生CO2泄漏，CO2本身不污染大氣，同時(shí)起到滅火劑的作用。

CO2本身具有以下良好的熱力特性：

1) CO2是自然工質(zhì)，ODP=0，GWP=1；

2) 良好的安全性，無毒，不可燃；

3) 單位容積制冷量高；

4) 優(yōu)良的流動和傳熱特性；

5) 價(jià)格低廉，易于獲得；

6) 良好的化學(xué)穩(wěn)定性，相關(guān)材料化學(xué)反應(yīng)少。

二氧化碳制冷系統(tǒng)的壓力相對其他制冷劑較高，所以其部件配置要求比其他制冷劑要高。

單位工質(zhì)價(jià)格：每噸 CO2（99.9%純度）市場參考價(jià)格約1,000元至2,000元。

2 NH3/CO2系統(tǒng)特點(diǎn)

1.1 采用NH3/CO2系統(tǒng)，具備其他其他系統(tǒng)沒有的獨(dú)特優(yōu)勢

1) 安全：NH3工質(zhì)充注量少且被限制在制冷機(jī)房范圍內(nèi)，約是常規(guī)氨系統(tǒng)充注量的10%；CO2工質(zhì)在人員密集區(qū)使用，即使發(fā)生泄漏對人體無危害；用于制冷系統(tǒng)的 CO2（99.9%）幾乎對所有材料無腐蝕。

2) 節(jié)能：在低溫領(lǐng)域，如蒸發(fā)溫度-42 ℃/冷凝溫度+35 ℃，NH3/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)比常規(guī)氨雙級系統(tǒng)COP高約8%～12%，比氟雙級系統(tǒng)COP高12%～15%，溫度越低，節(jié)能越明顯。

3) 環(huán)保：天然工質(zhì)（NH3/CO2），是全球制冷行業(yè)倡導(dǎo)的自然工質(zhì)之一。

按照GB/T15715《煤用重選設(shè)備工藝性能評定方法》規(guī)定，對新峪煤業(yè)選煤廠兩種重介質(zhì)旋流器工業(yè)性試驗(yàn)中各粒級及50～0.5 mm綜合粒級的數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)，其均方差皆小于臨界值1.4。所以試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效、可靠、可信。

1.2 NH3/CO2適用項(xiàng)目

NH3/CO2制冷系統(tǒng)非常適合人員密集區(qū)內(nèi)有制冷需求的項(xiàng)目，如單凍機(jī)、加工區(qū)內(nèi)的凍結(jié)間、冷卻間和暫存間等冷間，或者采用較多頂排管的大型低溫冷藏庫以及其他氨工質(zhì)充注量較大的項(xiàng)目。

圖1 NH3/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)

3 項(xiàng)目應(yīng)用分析

3.1 某20,000噸低溫物流庫項(xiàng)目

采用常規(guī)的全氨系統(tǒng)，從系統(tǒng)工質(zhì)充注量和COP兩個方面分析。

3.1.1 氨系統(tǒng)的工質(zhì)充注量和COP

本項(xiàng)目室溫要求-25 ℃，蒸發(fā)器要求全部采用鋼管頂排管D38×3，排管面積約14,000 m2，若本項(xiàng)目全部采用氨工質(zhì)，僅頂排管氨充注量約為34.3 t，機(jī)房低壓循環(huán)桶和貯液器等設(shè)備及管路的充注量約(5～8) t，因此系統(tǒng)總充注量約 40 t，按照冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范須劃分為2個獨(dú)立系統(tǒng)，會使業(yè)主操作管理不便，工程造價(jià)上升；通過系統(tǒng)調(diào)整或優(yōu)化（如將部分排管換為冷風(fēng)機(jī)等），可將系統(tǒng)總充注量降至40 t以下，但仍大于 10 t，按照重大危險(xiǎn)源識別的計(jì)算辦法，依然要納入安全條例規(guī)定的監(jiān)管范圍。

評估氨和CO2對系統(tǒng)的壓力影響：兩系統(tǒng)按照同樣吸收外界100 kW（蒸發(fā)溫度-35 ℃）計(jì)算蒸發(fā)后的工質(zhì)氣態(tài)容積：

可見，制取同樣冷量，CO2蒸發(fā)后的氣態(tài)體積僅是氨工質(zhì)的約八分之一，對系統(tǒng)壓力的影響遠(yuǎn)小于氨。相對于氨系統(tǒng)，壓力變化對CO2工質(zhì)的飽和溫度影響小、CO2蒸發(fā)后的體積膨脹率小，因此CO2在排管內(nèi)蒸發(fā)后對系統(tǒng)壓力和飽和溫度的影響遠(yuǎn)小于氨系統(tǒng)，更適合末端工質(zhì)充注量較多的排管項(xiàng)目。

氨主機(jī)采用帶經(jīng)濟(jì)器系列螺桿LG20兩臺，在T0=-35 ℃/Tk=+35 ℃下，總冷量為 558 kW，總軸功率為296 kW，COP為1.88。

NH3側(cè)總充注量僅為2至3噸，不再納入重大危險(xiǎn)源識別范疇；物流庫的規(guī)模越大越適合CO2系統(tǒng)，據(jù)測算一個 10萬噸級的物流庫，若采用NH3/CO2系統(tǒng)，氨的總充注量小于7噸。

低溫級選用二氧化碳螺桿壓縮機(jī) LG12R系列二臺，高溫級選用LG16MYA二臺，在T0=-33 ℃/Tk=+35 ℃下（在滿足相同庫溫的前提下，CO2的工質(zhì)特性使得同等條件下的蒸發(fā)溫度比氨系統(tǒng)約高2 ℃～3 ℃），總冷量為610 kW，總軸功率為307 kW，COP為 1.98，比常規(guī)氨系統(tǒng)效率提升 5.3%，意味著系統(tǒng)節(jié)能5.3%。

3.2 某加工間單凍機(jī)制冷項(xiàng)目

采用NH3/CO2復(fù)疊系統(tǒng)（見圖2），從系統(tǒng)安全和COP兩個方面分析。

圖2 NH3/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)安全分析

2013年，因氨的單凍機(jī)沖霜違規(guī)操作引發(fā)的安全事故較多，并伴有重大傷亡事故，嚴(yán)格來說，包括氟工質(zhì)在內(nèi)的任何工質(zhì)大量泄漏都會對密閉空間內(nèi)的人員構(gòu)成危害，如 R22、R404、R507等氟工質(zhì)泄漏時(shí)，液體直接蒸發(fā)成氣態(tài)，快速降低密閉空間內(nèi)的氧氣濃度，直接危害人身安全。CO2應(yīng)用于單凍機(jī)系統(tǒng)是目前最為安全的方案，制冷系統(tǒng)中的CO2泄漏有兩個明顯特性：一是液體管路泄漏，CO2將在管道外壁形成干冰并阻塞住微小泄漏點(diǎn)；二是壓力超過3.5 MPa的氣體泄漏時(shí)仍然會有小比例的干冰析出。意味著大量CO2液體泄漏后的物理表現(xiàn)是大量干冰的形成，不會直接危害人員，如因誤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氣態(tài)，且積聚在空間下部，操作人員有足夠的逃離時(shí)間，不會使人員產(chǎn)生中毒昏迷、致死現(xiàn)象，須注意干冰升華過程中，皮膚直接接觸到干冰的人員會產(chǎn)生局部凍傷，CO2制冷系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模泄漏時(shí)對人和貨物產(chǎn)生的微小危害幾乎可忽略。

模擬某食品加工項(xiàng)目中單凍機(jī)蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)完全泄漏進(jìn)行空間的濃度計(jì)算：示例 2 T/h雙螺旋單凍機(jī)（T0=-42 ℃）兩臺，單凍機(jī)布置在加工間內(nèi)，加工間約1,300 m2，總?cè)莘e約4,500 m3，室內(nèi)溫度+12 ℃。單凍機(jī)的冷風(fēng)機(jī)（含單凍機(jī)集管）總?cè)莘e約為 2.88 m3，按照 70%的液體充注量，即：CO2液體體積量為2.016 m3，飽和液體在-42 ℃下比容為 0.8889 dm3/kg，質(zhì)量為 2.016×1,000÷0.8889 ≈2,267 kg；CO2飽和氣體量為 2.88-2.016 = 0.864 m3，在-42 ℃下比容為 0.04108 m3/kg，質(zhì)量為 0.864÷0.04108 ≈ 21 kg。當(dāng)發(fā)生特殊事故引起較大泄漏時(shí)，系統(tǒng)泄漏的CO2液體首先變成干冰，在低溫低風(fēng)速的環(huán)境下，干冰升華很緩慢，并使周圍溫度進(jìn)一步降低，有試驗(yàn)表明干冰置于保溫箱內(nèi)，一天才能完全升華，單凍機(jī)內(nèi)泄漏產(chǎn)生的CO2干冰類似于將干冰置于大保溫箱內(nèi)。從發(fā)生泄漏到人員完全逃離的過程中，按照加工間室溫+15 ℃、期間會有不超過冷風(fēng)機(jī)總液量10%的干冰升華計(jì)算，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的CO2氣體比容0.5455 m3/kg(按照20 ℃時(shí)取值，實(shí)際略低于該值)，則該加工間內(nèi) CO2體積為(2,267×10%+21)×0.5455≈135 m3，約占總空間比例3%，未達(dá)到10%的濃度傷害臨界值，且積聚在空間下部，不會使加工間內(nèi)人員產(chǎn)生中毒現(xiàn)象。

煙臺冰輪股份有限公司所承建的CO2系統(tǒng)在人員密集區(qū)和密閉庫房均設(shè)有CO2檢測裝置，當(dāng)空間濃度達(dá)到設(shè)定值時(shí)進(jìn)行預(yù)警處理。

另外，需要指出的是大量干冰被廣泛用于舞臺、劇場、影視、婚慶、慶典和晚會等制作云海效果，全國及全世界用干冰制作特效的劇目不計(jì)其數(shù)，尚未有因使用干冰對人員造成傷害的相關(guān)報(bào)道。圖4為舞臺上的干冰使用效果。

在系統(tǒng)壓力方面，CO2系統(tǒng)管道仍屬于GC2壓力管道范疇，CO2在-25 ℃的絕對蒸發(fā)壓力為1.685 MPa，當(dāng)夜間或休息日系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，由于CO2的單位容積制冷量大（是氨的約5倍），少量液體蒸發(fā)成體積較?。ㄏ鄬τ诎毕到y(tǒng)）的氣態(tài)即可吸收外界熱量，蒸發(fā)后的壓力變化比氨系統(tǒng)小得多，在原有的保溫狀態(tài)下，壓力平穩(wěn)，且上升較慢。不會出現(xiàn)一旦停止使用即要開啟維持機(jī)組降壓的情況。冰輪承建的豐潤食品CO2系統(tǒng)已運(yùn)行近5年，該系統(tǒng)在完全停止運(yùn)行約5天后，系統(tǒng)壓力才會升至最低維持機(jī)組開啟壓力。煙臺冰輪所產(chǎn)所有CO2設(shè)備設(shè)計(jì)壓力為3.9 MPa以上，試驗(yàn)壓力4.5 MPa以上，且CO2系統(tǒng)設(shè)有四級壓力安全保護(hù)。通常情況很少有廠家在5天內(nèi)完全斷電停運(yùn)，如果項(xiàng)目所在園區(qū)供電較為穩(wěn)定，只是存在短暫休班期（如春節(jié)假期5到7天），那么完全可不單獨(dú)設(shè)維持機(jī)組，即使系統(tǒng)完全停運(yùn)超過 5天后的壓力升至設(shè)定值時(shí)，氨側(cè)主機(jī)短時(shí)間自動開啟進(jìn)行降壓即可。如因經(jīng)營原因造成系統(tǒng)很長時(shí)間（半年或以上）停運(yùn)，則建議將CO2工質(zhì)直接排放即可，CO2價(jià)格每噸約1,000元，由此造成的費(fèi)用也很小。

綜上，CO2在系統(tǒng)安全方面具有其他制冷劑不可比擬的安全優(yōu)勢。

圖3 干冰形態(tài)

圖4 舞臺上的干冰使用效果

3.2.2 系統(tǒng)節(jié)能

當(dāng)上述示例的單凍機(jī)項(xiàng)目采用氨配打雙級時(shí)，氨低溫級兩臺螺桿LG25M兩臺，氨高溫級兩臺螺桿LG20S+LG16M各一臺，配比約1∶3.3，總冷量為839 kW，總軸功率為457 kW，COP為1.835。

當(dāng)采用NH3/CO2復(fù)疊系統(tǒng)，低溫級二氧化碳主機(jī)LG16R兩臺，高溫級螺桿LG20兩臺，總冷量為946 kW，總軸功率為459 kW，COP為2.06，比配打雙級的氨系統(tǒng)效率提升(2.06-1.835)/1.835=12.2%，意味著系統(tǒng)節(jié)能12.2%。

3.3 與其他載冷系統(tǒng)比較

項(xiàng)目若采用氯化鈣等載冷系統(tǒng)，有兩個突出問題不能解決。

1) 介質(zhì)的腐蝕問題：氯化鈣溶液對碳鋼管道的腐蝕作用較強(qiáng)，容易使系統(tǒng)管道、末端蒸發(fā)器泄漏（若采用不銹鋼材質(zhì)的管道，將使系統(tǒng)造價(jià)大幅上升）。

2) 系統(tǒng)能耗急劇加大：采用氯化鈣或乙二醇載冷，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度低于直接蒸發(fā)系統(tǒng)，主機(jī)COP降低；氯化鈣或乙二醇載冷是顯熱換熱，需較大流量水泵輸送流體換熱，水泵的動力消耗是直接蒸發(fā)供液系統(tǒng)的十倍以上，采用氯化鈣載冷系統(tǒng)比直接蒸發(fā)系統(tǒng)同等技術(shù)條件下，額外耗能超過30%。

4 結(jié)束語

綜上所述，NH3/CO2制冷系統(tǒng)優(yōu)于其他常規(guī)制冷系統(tǒng)，不僅給業(yè)主帶來了直接良好的節(jié)能效益，更是給業(yè)主提供系統(tǒng)運(yùn)行上的安全保障。煙臺冰輪股份有限公司在近幾年陸續(xù)承接了近二十個大型制冷項(xiàng)目，涉及物流、禽類加工、制冰、調(diào)理食品和水產(chǎn)等多個行業(yè)，其中所承接的豐潤、獐子島項(xiàng)目和威海華信等項(xiàng)目均已投產(chǎn)一年以上，在安全、環(huán)保、節(jié)能和智能等多方面深獲業(yè)主和社會各界贊譽(yù)。

[1] GB 5044-1985. 職業(yè)性接觸毒物危害程度分級[S].

[2] GB 18218-2009. 危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識[S].

[3] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局. 危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源分級方法[EB/OL]. http://www.gov.cn/gzdt/att/att/site1/20110913/001e3741a2cc0fd8f15f01.doc.

[4] 中國政府網(wǎng). 中華人民共和國安全生產(chǎn)法[EB/OL].http://www.gov.cn/banshi/2005-08/05/content_20700.htm.

[5] 中國政府網(wǎng). 危險(xiǎn)化學(xué)品安全管理?xiàng)l例[EB/OL].http://www.gov.cn/flfg/2011-03/11/content_1822902.htm.

[6] GB 8163-2010. 冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7] 質(zhì)檢總局特種設(shè)備局. 關(guān)于氨制冷裝置特種設(shè)備專項(xiàng)治理工作的指導(dǎo)意見[EB/OL]. http://tzsbaqjcj.aqsiq.gov.cn/tzwj/sjfh/201312/t20131230_392479.htm.