NH3制冷劑在國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)洋漁船上應(yīng)用的可行性研究

劉玉川 張 旭 郭晟江

（1.蓬萊中柏京魯船業(yè)有限公司，山東蓬萊265601；2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

NH3制冷劑在國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)洋漁船上應(yīng)用的可行性研究

劉玉川1張 旭1郭晟江2

（1.蓬萊中柏京魯船業(yè)有限公司，山東蓬萊265601；2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

主要從制冷劑效能比較、國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀、國(guó)際船級(jí)社可行性條件分析等幾個(gè)方面做了一定研究，并通過(guò)研究提出了如何在國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)洋漁船安全可靠使用NH3這一制冷劑的一系列應(yīng)用保障措施。措施包括：材料使用、艙室布置要求、通風(fēng)系統(tǒng)、消防及應(yīng)急保護(hù)等，有利于提高我國(guó)遠(yuǎn)洋漁船裝備水平和提高遠(yuǎn)洋漁業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

NH3；制冷劑；效能；遠(yuǎn)洋漁船

Abstract:Such aspects as comparison of energy efficiency of refrigerants，their application in China and requirements from different classes were studied in the paper.A series of safeguards were put forward to ensure safe application of NH3refrigerant on domestic ocean fishing vessels，including usage of material，the requirement of refrigerating plant room arrangement，ventilation system，fire-fighting and emergency protection and etc.，improving the level of equipments in ocean fishing vessels and the competition of deep-sea fishing industry.

Keywords:NH3；refrigerant；energy efficiency；ocean fishing vessel

0 前言

遠(yuǎn)洋漁船由于漁場(chǎng)距離遠(yuǎn)，漁獲量大等客觀因素，對(duì)漁獲物速凍及冷藏技術(shù)要求很高。制冷介質(zhì)的選擇需要同時(shí)滿足環(huán)保性、高效性、安全性等方面的要求。目前國(guó)內(nèi)漁船的制冷系統(tǒng)大多選用HCFC類(lèi)物質(zhì)（含氫氯氟烴類(lèi)物質(zhì)），雖然制冷效果良好，但由于其對(duì)大氣臭氧層有嚴(yán)重的破壞作用，已逐步被淘汰。

NH3制冷介質(zhì)因其具有消耗臭氧潛能值（ODP）和全球變暖潛能值（GWP）均為零的優(yōu)點(diǎn)，已在國(guó)外和我國(guó)臺(tái)灣漁船上廣泛采用。我國(guó)大陸的遠(yuǎn)洋漁船，因考慮到NH3制冷介質(zhì)具有刺激性氣味，較強(qiáng)的毒性和易燃易爆性等缺點(diǎn)，以往國(guó)內(nèi)法規(guī)對(duì)其在漁船上的使用有所限制。

近年來(lái)，我國(guó)遠(yuǎn)洋漁船無(wú)論在船舶性能方面還是捕獲能力方面都有了顯著的提升，但傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的低效性、低環(huán)保性已成為制約其發(fā)展的重要因素。國(guó)外漁船制冷系統(tǒng)大量的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)表明，NH3作為制冷介質(zhì)在漁船上的使用是完全可行的。

1 NH3制冷劑的效能特點(diǎn)

1.1 NH3與氟利昂制冷性能比較

氟利昂長(zhǎng)期以來(lái)被用于陸地、海洋等多個(gè)領(lǐng)域的制冷系統(tǒng)中，極具代表性。

NH3作為替代性制冷介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）壓力適中、單位制冷量大、放熱系數(shù)高、幾乎不溶解于油，流動(dòng)阻力小，泄漏時(shí)易發(fā)現(xiàn)。

2）在蒸發(fā)溫度較高、冷凝溫度較低時(shí)，NH3的熱工性能較好，單位容積制冷量略高。

3）壓縮機(jī)造價(jià)低。由于單個(gè)NH3制冷壓縮機(jī)的制冷量可達(dá)到250 kW甚至更大，而氟利昂制冷壓縮機(jī)（低溫工況）最大為100 kW，大型制冷系統(tǒng)需要多臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)，費(fèi)用增加。

4）縮小蒸發(fā)器和冷凝器的換熱面積，設(shè)備輕量化。

5）易于取得、價(jià)格低廉。按目前價(jià)格行情：液NH3為 3 000～4 000元/t， 氟利昂 R22為 1.5～2.0萬(wàn)元/t，氟利昂R404A為約6萬(wàn)元/t。兩者價(jià)格相差懸殊。

6）NH3有刺激性氣味，有利于發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)。NH3作為替代性制冷介質(zhì)的缺點(diǎn)如下：

1）NH3有毒且易燃易爆，如果制冷系統(tǒng)管系制作、安裝工藝不嚴(yán)格，操作不規(guī)范，容易造成事故。

2）NH3有刺激性氣味，少量泄漏會(huì)對(duì)貯存食品或貨物造成污染，大量泄漏則危及人身安全。

通過(guò)與氟利昂各方面性能的比較，有力地說(shuō)明NH3作為替代型制冷介質(zhì)具有明顯的優(yōu)越性。

1.2 NH3與氟利昂環(huán)保性能比較

由表1可知，目前廣泛應(yīng)用的氟利昂（R22）制冷介質(zhì)對(duì)大氣臭氧層有明顯破壞作用，將被逐步淘汰。R404A及R407C制冷劑雖然對(duì)大氣臭氧層無(wú)害，但其對(duì)地球溫室效應(yīng)有不良影響，且價(jià)格高昂，仍屬于過(guò)渡產(chǎn)品。綜合比較得知，NH3（R717）屬于經(jīng)濟(jì)環(huán)保型制冷劑。

表1 各種制冷劑ODP及GWP各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比表

1.3 NH3與氟利昂氣化潛熱比較

由表2可知，NH3（R717）制冷介質(zhì)的汽化潛熱值是氟利昂（R22）的5倍以上。也就是說(shuō)，在吸收相同貨物熱量的情況下，使用NH3制冷介質(zhì)需要的循環(huán)量是氟利昂的1/5，即相同單位質(zhì)量的NH3制冷介質(zhì)比氟利昂制冷量大5倍多。

表2 不同溫度下NH3與氟利昂氣化潛熱值對(duì)比

2 NH3制冷劑在國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)洋漁船上的應(yīng)用現(xiàn)狀

從1998年至2015年，國(guó)內(nèi)漁船建造規(guī)范在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里沒(méi)有得到有效的發(fā)展，長(zhǎng)期以來(lái)漁船公司及造船廠一直以 《鋼質(zhì)海洋漁船建造規(guī)范（1998）》作為適用依據(jù)，NH3制冷劑的應(yīng)用因此受到一定的限制。比如《鋼質(zhì)海洋漁船建造規(guī)范（1998）》對(duì)NH3制冷介質(zhì)有如下要求：

1）NH3（氨，R717）不得應(yīng)用于直接蒸發(fā)式制冷裝置；

2）有限航區(qū)的漁船，其冷藏魚(yú)艙總艙容如小于500 m3時(shí)，經(jīng)驗(yàn)船部門(mén)同意可使用NH3介質(zhì)直接蒸發(fā)的排管冷卻系統(tǒng)。

2015年，中華人民共和國(guó)漁業(yè)船舶檢驗(yàn)局發(fā)布通知，《鋼質(zhì)海洋漁船建造規(guī)范（2015）》于2015年7月1日起正式生效。新版漁規(guī)對(duì)NH3制冷劑的使用做了重要更新，特別是：在滿足有關(guān)規(guī)定的前提下，允許氨制冷劑用于直接蒸發(fā)的排管冷卻系統(tǒng)；取消了原對(duì)船舶行駛航區(qū)和冷藏艙容量的限制；增加了針對(duì)NH3介質(zhì)制冷系統(tǒng)的一系列安全措施。

新規(guī)范放開(kāi)NH3介質(zhì)用于漁船制冷系統(tǒng)的限制，對(duì)于國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)洋漁船上采用NH3制冷劑是一大好消息。只要遵循規(guī)范中的安全保障措施，確保NH3制冷系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行即可。

3 國(guó)外船級(jí)社對(duì)NH3制冷劑應(yīng)用的規(guī)定

DNV、NK和臺(tái)灣驗(yàn)船中心對(duì)于NH3制冷劑在遠(yuǎn)洋漁船上的應(yīng)用有相當(dāng)明確的規(guī)定，主要從材料、制冷設(shè)備艙室、通風(fēng)和消防等幾個(gè)方面提出適用條件要求。

3.1 材料

NH3制冷劑系統(tǒng)中使用的材料應(yīng)滿足以下要求：

1）高腐蝕性材料（銅、鋅、鈣及其合金）和含有水銀的材料不允許用于氨制冷中；

2）鎳鋼不允許用于壓力容器及管系中；

3）鑄鐵閥不能用于冷媒管系中；

4）用海水冷卻的大氣冷凝器材料應(yīng)考慮防海水腐蝕。

3.2 制冷設(shè)備艙室布置要求

制冷設(shè)備所在艙室的布置應(yīng)滿足以下要求：

1）制冷設(shè)備艙室應(yīng)通過(guò)氣密艙壁及甲板與其他艙室隔離，以避免氨泄漏時(shí)進(jìn)入其他艙室。

2）制冷設(shè)備艙室不應(yīng)鄰近居住區(qū)、醫(yī)務(wù)室及控制室。

3）制冷設(shè)備艙室通道應(yīng)符合以下規(guī)定：

（1）若通道鄰近居住區(qū)、醫(yī)務(wù)室和控制室，則應(yīng)有氣密艙壁及甲板隔離；

（2）通道應(yīng)與居住區(qū)隔離，且能直接通往開(kāi)敞甲板。

4）制冷設(shè)備艙室的管系及電纜通艙件安裝時(shí)應(yīng)為氣密。

5）制冷設(shè)備艙室內(nèi)的冷凍設(shè)備及儲(chǔ)存容器底部應(yīng)設(shè)有最夠大的泄放盤(pán)，以避免滲漏的液氨流出制冷設(shè)備艙室。

6）制冷設(shè)備艙室應(yīng)具有獨(dú)立的泄放系統(tǒng)，以避免室內(nèi)的艙底水排水與其他艙室艙底水混合。

3.3 機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)

制冷設(shè)備所在艙室應(yīng)設(shè)置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，并滿足以下要求：

1）通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)保證艙內(nèi)換氣次數(shù)不少于30次/h。

2）制冷設(shè)備艙室的通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于其他艙室，并能在制冷艙室以外的地方進(jìn)行操作。

3）艙室的排氣出口距離最近的進(jìn)風(fēng)口、居住區(qū)、服務(wù)處所及控制站的進(jìn)口應(yīng)保持在10 m以上（水平方向）。同時(shí)，距離開(kāi)敞甲板至少4 m以上（垂直方向）。

4）制冷設(shè)備艙室的進(jìn)風(fēng)口布置在較低的位置，排氣出口布置在較高的位置，以防止NH3氣聚集在艙室及排氣管內(nèi)。

3.4 消防系統(tǒng)

為防止制冷劑或氣體因泄漏造成人員傷害，應(yīng)注意采取各種預(yù)防和應(yīng)急措施。

1）NH3管不能安裝在船員艙室、駕駛室、主機(jī)艙或通向主機(jī)艙的通道，以免管子爆裂的危險(xiǎn)。

2）應(yīng)做好制冷劑危險(xiǎn)氣體防護(hù)工作，應(yīng)急噴淋和洗眼器應(yīng)安裝在通向制冷艙室處所和貨艙區(qū)域通道處。

3）在到這些處所的主通道外面需設(shè)置1個(gè)足夠長(zhǎng)度的供水霧噴頭持續(xù)供水的軟管，這些區(qū)域?yàn)椋?/p>

——有封閉艙壁和甲板的制冷設(shè)備處所；

——有自閉門(mén)布置；

——通道門(mén)和應(yīng)急逃生通道；

——通風(fēng)布置（負(fù)壓型）。

4 國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)洋漁船安全保障措施

我國(guó)《鋼質(zhì)海洋漁船建造規(guī)范（2015）》與國(guó)際各大船級(jí)社針對(duì)漁船使用NH3制冷介質(zhì)的要求，在材料、制冷設(shè)備艙室布置、通風(fēng)、消防等方面的內(nèi)容基本一致，但國(guó)內(nèi)規(guī)范在防護(hù)設(shè)備有具體的要求。

鑒于國(guó)內(nèi)缺乏對(duì)NH3制冷劑在遠(yuǎn)洋漁船上的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在借鑒國(guó)際各大船級(jí)社對(duì)漁船使用NH3制冷介質(zhì)的相關(guān)要求的基礎(chǔ)上，并采納我國(guó)《鋼質(zhì)海洋漁船建造規(guī)范（2015）》中對(duì)安全防護(hù)設(shè)備方面的要求，提出了以下安全保障方面的建議，以使NH3制冷系統(tǒng)能在國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)洋漁船上得到安全應(yīng)用。

4.1 材料、設(shè)備的選用及焊接工藝要求

魚(yú)艙蒸發(fā)盤(pán)管、凍結(jié)裝置蒸發(fā)盤(pán)管選用優(yōu)質(zhì)耐低溫?zé)o縫鋼管。冷凍管接口端部打坡口，采用氬弧焊打底焊接工藝，避免焊口處夾雜或氣孔等施工缺陷產(chǎn)生。

4.2 設(shè)置安全防護(hù)裝置

1）在制冷設(shè)備室設(shè)水噴淋系統(tǒng)，在壓縮機(jī)、冷凝器等高壓容器發(fā)生泄漏時(shí)當(dāng)氣體濃度超過(guò)規(guī)定值時(shí)，噴淋水泵自動(dòng)啟動(dòng)，快速將NH3吸收。

2）設(shè)應(yīng)急泄放系統(tǒng)。在冷凝器、貯液器、中間冷卻器、低壓循環(huán)筒部位，設(shè)安全閥和安全泄放管，緊急情況下通過(guò)泄放管將容器中的NH3液直接排出舷外。

3）在制冷設(shè)備室設(shè)強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)，隨時(shí)將少量泄漏氣體排出艙外，同時(shí)向制冷設(shè)備室送入新鮮空氣。

4.3 設(shè)置獨(dú)立制冷設(shè)備室

安裝NH3制冷機(jī)組的艙室，必須以氣密的艙壁和甲板與機(jī)艙、軸隧和起居處所或其他工作處所分開(kāi)。制冷設(shè)備室的門(mén)應(yīng)向外開(kāi)啟并能自閉。NH3制冷設(shè)備室出口應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離起居處所，且應(yīng)有1個(gè)出口通向露天甲板。

4.4 制冷設(shè)備安全保護(hù)措施

1）制冷壓縮機(jī)設(shè)高壓壓力控制器，二級(jí)排氣壓力達(dá)到設(shè)定值（1.72 MPa）時(shí)，壓差控制器動(dòng)作，使制冷壓縮機(jī)電源切斷，強(qiáng)制關(guān)機(jī)。

2）制冷壓縮機(jī)低壓級(jí)設(shè)油壓差控制器，油壓差低于設(shè)定值（0.15 MPa）時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，延時(shí)45 s停機(jī)。

3）高壓貯液器、冷凝器、低壓循環(huán)筒預(yù)備貯液器、中間冷卻器均設(shè)安全閥，壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟泄壓。

4.5 配備N(xiāo)H3防護(hù)設(shè)備

制冷設(shè)備室外設(shè)下列安全和保護(hù)設(shè)備，以使在制冷劑漏泄時(shí)，易于修復(fù)。存放位置設(shè)有標(biāo)記，以便于識(shí)別。

1）呼吸器和保護(hù)服（頭盔、安全靴、手套等）；

2）獨(dú)立呼吸器（至少可用30 min）；

3）護(hù)目鏡；

4）洗眼器；

5）2%硼酸；

6）應(yīng)急手電筒；

7）電氣絕緣電阻表。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)NH3制冷劑在國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)洋漁船應(yīng)用這一課題，從制冷劑效能比較、國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀、國(guó)際船級(jí)社應(yīng)用條件分析等幾個(gè)方面做了一定研究，并通過(guò)研究提出了如何在國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)洋漁船安全可靠使用NH3這一制冷劑的一系列應(yīng)用保障措施。這為今后在國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)洋漁船上大膽使用NH3提供了一些法規(guī)和經(jīng)驗(yàn)性指導(dǎo)，有利于提高我國(guó)遠(yuǎn)洋漁船裝備水平，提高遠(yuǎn)洋漁業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

Feasibility Study of Applying NH3Refrigerant to Domestic Ocean Fishing Vessels

LIU Yu-chuan1ZHANG Xu1GUO Sheng-jiang2

（1．Penglai Zhongbai Jinglu Ship Industry Co.，Ltd.，Shandong Penglai 265601，China；2.Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

U674.4

A

1001－4624（2017）01－0079－04

山東省自主創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：山東省2014ZZCX6102）。

2017-05-02；

2017-06-30

劉玉川（1980—），男，工程師，從事船舶設(shè)計(jì)工作。

張 旭（1992—），男，助理工程師，從事船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。

郭晟江（1980—），男，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。