混凝土骨料集成式氟利昂制冷系統(tǒng)選型研究

中國水利水電第八工程局有限公司 趙軍帥

按照制冷系統(tǒng)的配置，混凝土骨料預(yù)冷風(fēng)冷的方式一般分為氨制冷系統(tǒng)、氟利昂制冷系統(tǒng)。氨是環(huán)保型制冷劑（化學(xué)代號(hào)：R717），但對(duì)人體有毒且易燃易爆，溶于水的比例為700：1，幾乎完全不溶于油，傳熱系數(shù)高，系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入少量水份不敏感，氨的單位標(biāo)準(zhǔn)容積制冷量為520kcal/m3。氟利昂基本上均為烷烴的鹵代物，當(dāng)前制冷效率最高的是R22，R22的單位標(biāo)準(zhǔn)容積制冷量為454kcal/m3,但R22對(duì)環(huán)境不友好，我國政府承諾在2035年后禁止生產(chǎn)和使用R22。而環(huán)保型制冷劑R404A、R407C、R507A等的熱功效率均低于R22，且該類制冷劑為混合制冷劑，如R404A環(huán)保型制冷劑由R125(44%)、R143a(52%)和R134A(4%)非 共 沸 點(diǎn)制冷劑混合而成的，適用于低溫工藝制冷，R407A環(huán)保型制冷劑是由R32(23%)、R125（25%）和R134A（38%）非共沸點(diǎn)制冷劑混合而成的，適用于空調(diào)冷水。R507C是 由R125(41.184%)和R143a(58.816%)混合而成，優(yōu)點(diǎn)是共沸點(diǎn)，所以R507A相較與其他環(huán)保型制冷劑而言具有一定的使用優(yōu)勢，但售價(jià)較高。

由于安全監(jiān)管嚴(yán)格，氨系統(tǒng)體積較大，對(duì)操作氨制冷系統(tǒng)的人員水平要求較高，自動(dòng)化控制成本較高等因素，氨制冷系統(tǒng)目前在水電混凝土溫控施工中逐漸作為次選方案，而氟利昂制冷劑的集成式制冷系統(tǒng)往往作為首選方案。

1 制冷系統(tǒng)選型分析

由于環(huán)保制冷劑是由數(shù)種非共沸點(diǎn)的制冷劑按一定比例混合而成，如采用傳統(tǒng)類似于氨制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，則氟制冷系統(tǒng)需由氟泵和低壓循環(huán)貯液器等部件組成，系統(tǒng)會(huì)較為龐大，不易察覺系統(tǒng)出現(xiàn)小的泄漏情況。采用共沸點(diǎn)的環(huán)保型制冷劑（如R507）會(huì)面臨同樣問題，系統(tǒng)出現(xiàn)小泄漏很難察覺、損失較大，因而從符合環(huán)保要求的角度、同時(shí)從使用效率上考慮，能否盡量壓縮制冷氟系統(tǒng)的容積大小、又可達(dá)到盡量使用高效率的制冷劑R22作為制冷系統(tǒng)制冷劑兩者兼顧的氟利昂制冷系統(tǒng)。

大藤峽水利樞紐項(xiàng)目的骨料風(fēng)冷制冷系統(tǒng)運(yùn)行要求條件：單個(gè)骨料預(yù)冷所需制冷量740～760kW，出風(fēng)溫度-3℃～-8℃（-5℃），因此選擇制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度應(yīng)為-13℃。冷凝器選擇近年水電站混凝土溫控中大量使用的蒸發(fā)式冷凝器，所以本系統(tǒng)也使用蒸發(fā)式冷凝器。

制冷系統(tǒng)的配置有兩個(gè)選項(xiàng)：一是高效空氣冷卻器做成制冷劑氟利昂直接蒸發(fā)式，暫不考慮氟泵供液系統(tǒng)，否則整個(gè)制冷系統(tǒng)又會(huì)變得龐大，不利于充分發(fā)揮氟利昂系統(tǒng)集成化、小型化的優(yōu)勢，且供液管道和排氣管道均為GC2級(jí)壓力管道、要按照GC2級(jí)壓力管道監(jiān)察規(guī)程進(jìn)行監(jiān)檢；另一個(gè)是高效空氣冷卻器做成類似于化工冷卻系統(tǒng)或有些冷凍冷藏采用的濃度為30%乙二醇水溶液（乙二醇水溶液濃度為29.6%時(shí)冰點(diǎn)溫度為-14℃）為載冷劑的制冷系統(tǒng)，這樣集成式氟利昂制冷系統(tǒng)可盡量實(shí)現(xiàn)小型化、集成化，既有利于環(huán)保，在使用中也有利于檢查系統(tǒng)泄漏問題，可使用當(dāng)前氟利昂制冷效率最高的R22作為制冷系統(tǒng)制冷劑，且所有輸冷管道均為水系統(tǒng)管道，安裝成本和驗(yàn)收成本充分降低，使用中安全系數(shù)也大大提高。

2 氟利昂集成化直膨式風(fēng)冷制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

氟利昂集成化直膨式風(fēng)冷制冷系統(tǒng)以半封閉螺桿式壓縮機(jī)為制冷主機(jī)，避免開啟式螺桿壓縮機(jī)軸封易產(chǎn)生泄漏問題，螺桿壓縮機(jī)壓縮室噴液冷卻和電機(jī)室噴液冷卻作為冷凍油冷卻系統(tǒng)，再配裝一臺(tái)釬板式換熱器作為經(jīng)濟(jì)器提升系統(tǒng)制冷量5%～8%（在壓縮機(jī)完全可滿足制冷量需求并有富余量時(shí)也可考慮不加裝板換經(jīng)濟(jì)器），全部制冷風(fēng)冷系統(tǒng)由半封閉螺桿壓縮機(jī)、二次油分離器、蒸發(fā)式冷凝器、儲(chǔ)液器、二個(gè)噴液冷卻膨脹閥及系統(tǒng)、主供液電磁閥、數(shù)個(gè)截止閥或球閥和熱力膨脹閥組成的高效冷卻器蒸發(fā)系統(tǒng)（配置一臺(tái)軸傳動(dòng)方式的離心風(fēng)機(jī)，減少離心風(fēng)機(jī)在集裝箱內(nèi)的體積）、氣液分離器、兩臺(tái)啟動(dòng)控制柜（其中一個(gè)西門子PLC控制箱）、一個(gè)國標(biāo)集裝箱組成的集成式系統(tǒng)。

大藤峽水利樞紐大壩項(xiàng)目部的整體式氟利昂骨料風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型如下。

2.1 制冷壓縮機(jī)的選型

按照該系統(tǒng)所需運(yùn)行條件，需對(duì)半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)進(jìn)行選型。據(jù)上海精機(jī)股份有限公司提供的臺(tái)灣漢鐘半封閉螺桿壓縮機(jī)的選型軟件所設(shè)定的條件，冷凝方式采用蒸發(fā)式冷凝器時(shí)，壓縮機(jī)選型按照35℃冷凝溫度考慮，蒸發(fā)溫度-13℃條件下選擇漢鐘半封閉螺桿壓縮機(jī)RC2-710B-Z兩臺(tái)螺桿壓縮機(jī)組成本制冷系統(tǒng)，制冷量可達(dá)799.8kW（399.9×2）,輸入功率為250.6kW(125.3×2)，能效比達(dá)到3.2（COP值）。

2.2 蒸發(fā)式冷凝器、儲(chǔ)液器及系統(tǒng)閥門選型

根據(jù)壓縮機(jī)冷凝熱量為525.2×2=1050.2(kW)。按照壓縮機(jī)使用蒸發(fā)式冷凝器的設(shè)定條件，冷凝溫度35℃，仔細(xì)查閱項(xiàng)目所處廣西地區(qū)濕球溫度，桂平地區(qū)的濕球溫度應(yīng)接近廣西梧州27.6℃，因此蒸發(fā)式冷凝器的選型按照國內(nèi)生產(chǎn)廠家通用校正系數(shù)進(jìn)行校正后選型，本系統(tǒng)蒸發(fā)式冷凝器應(yīng)=1050.2×1.63≈1720（kW）,因此 該系統(tǒng)應(yīng)配置國內(nèi)蒸發(fā)式冷凝器生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的排熱量為1720kW蒸發(fā)式冷凝器。冷凝熱的排放效果對(duì)于整個(gè)制冷系統(tǒng)的制冷效果至關(guān)重要，而蒸發(fā)式冷凝器的選型，除須以壓縮機(jī)制冷量與軸功率之和的冷凝熱為選型基礎(chǔ)外，須按照使用地的濕球溫度對(duì)該系統(tǒng)的蒸發(fā)式冷凝器的實(shí)際冷凝熱進(jìn)行校正，尤其是大藤峽項(xiàng)目所在地屬于濕熱氣候。

制冷系統(tǒng)的儲(chǔ)液器及系統(tǒng)閥門大小按照容器設(shè)計(jì)及流量和管道大小決定，在此不予詳述。

2.3 高效空氣冷卻器的選型

考慮到制冷系統(tǒng)要求的制冷量為740～760kW，根據(jù)水利水電施工中常用的鋼管鋁片或鋁管鋁片的蒸發(fā)段構(gòu)造形式，其換熱效率的一般規(guī)律是：氨制冷劑的鋼管鋁片或鋁管鋁片為蒸發(fā)段材質(zhì)的高效空冷卻器每平方米蒸發(fā)面積所能產(chǎn)生的制冷量，即換熱效率為0.27～0.28kW/m2，氟利昂制冷劑的鋼管鋁片或鋁管鋁片為蒸發(fā)段材質(zhì)的高效空氣冷卻器每平方米蒸發(fā)面積所能產(chǎn)生的制冷量、即換熱效率為0.20～0.22kW/m2，載冷劑的鋼管鋁片或鋁管鋁片為蒸發(fā)段材質(zhì)的高效空氣冷卻器每平方米蒸發(fā)面積所能產(chǎn)生的制冷量，即換熱效率為0.17～0.19kW/m2。因此所配高效空氣冷卻器約為3500m2蒸發(fā)面積。

這里需著重說明，為保證3500m2高效空氣冷卻器有較好制冷蒸發(fā)效果，制造商的生產(chǎn)過程中至少要將其蒸發(fā)段分成每500m2為一組、共分成7組，或每350m2為一組、共分成10組蒸發(fā)段，那么每一個(gè)蒸發(fā)段配裝一套優(yōu)質(zhì)熱力膨脹閥的同時(shí)，應(yīng)在熱力膨脹閥的前端配裝一個(gè)球閥，以均勻調(diào)節(jié)每一個(gè)蒸發(fā)段的供液量，在高效空氣冷卻器的每組回氣端安裝一個(gè)回氣截止閥配合控制，系統(tǒng)再通過回氣總管連接到氣液分離器中。沖霜系統(tǒng)采用水沖霜，可將蒸發(fā)式冷凝器水箱里的水抽到高效空氣冷卻器的水箱內(nèi)，再抽回到蒸發(fā)冷的水箱，達(dá)到節(jié)能利用的效果。氟利昂制冷系統(tǒng)管道要考慮方便回油問題。

2.4 離心式冷風(fēng)機(jī)的選型及現(xiàn)場安裝

考慮到長12m、寬2.4m、高2.9m的集裝箱高柜為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，為避免異型增加設(shè)備裝載成本，同時(shí)考慮到離心式冷風(fēng)機(jī)的最好旋轉(zhuǎn)方向是上出風(fēng)方向以減少風(fēng)阻和安裝成本，因此應(yīng)選擇軸傳動(dòng)方向的離心式風(fēng)機(jī)作為高效空氣冷卻器的配套設(shè)備。同時(shí)骨料預(yù)冷中考慮到特大石、大石體積較大密度小所需冷風(fēng)主要作用是吹透，風(fēng)壓要大、風(fēng)量不需要很大，而中石和小石體積較小密度大，所需冷風(fēng)主要作用也是吹透，風(fēng)壓不能太大、風(fēng)量相對(duì)需要較大，所以每個(gè)冷風(fēng)模塊組離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓大小應(yīng)有所側(cè)重，這樣既可將各個(gè)石的骨料預(yù)冷所配套的離心式風(fēng)機(jī)的功率選型進(jìn)行區(qū)別，又能從一定程度上節(jié)約運(yùn)行成本。

集成式氟利昂冷風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)場安裝部分主要是蒸發(fā)冷就位，高效空氣冷卻器上半部分與下半部分對(duì)接，以及送回風(fēng)管道及保溫的制作。

3 氟利昂直膨式冷風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

氟利昂直膨式冷風(fēng)系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)氟泵系統(tǒng)已達(dá)到極端小型化，但整個(gè)模塊與骨料預(yù)冷倉對(duì)接，以及下一次使用時(shí)的移裝工作量均較大，整個(gè)系統(tǒng)的氟利昂棄注量仍稍大，只能采用R507等環(huán)保制冷劑系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于緊湊，氟系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏難以檢查和修理。所以建議采用乙二醇作為載冷劑的集裝箱移動(dòng)冷水站作為冷源的集成式氟利昂制冷系統(tǒng)。

若采用利用乙二醇載冷劑和低溫型移動(dòng)式冷水站配合的系統(tǒng)進(jìn)行骨料風(fēng)冷，骨料風(fēng)冷的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式不用改變，只需將高效冷卻器做成鋁管鋁片或鋼管鋁片式蒸發(fā)器，其蒸發(fā)面積應(yīng)為4200m2,其配套的離心式風(fēng)機(jī)和高效空氣冷卻器一同安裝于骨料預(yù)冷倉的傳統(tǒng)位置，采用低溫乙二醇冷水機(jī)組事先將30%乙二醇水溶液的溫度由常溫降至-10℃（其冰點(diǎn)溫度約在-15℃）儲(chǔ)存在一個(gè)較大的不銹鋼保溫水箱中（保溫層采用聚氨脂發(fā)泡）儲(chǔ)備冷量。乙二醇循環(huán)保溫水箱的容積大小確定方式：乙二醇冷水機(jī)組的冷凍水流量之和÷乙二醇循環(huán)水溫差×1.163=L(m3/h)，L÷乙二醇每小時(shí)循環(huán)次數(shù)=蓄冷保溫乙二醇循環(huán)水箱的容積（m3）。

廣西大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端，壩址在廣西桂平市黔江彩虹橋上游6.6km處，主壩壩頂長1243.06m、壩頂高程64.00m、最大壩高81.51m。左岸混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)承擔(dān)本工程約255.0萬m3（其中碾壓混凝土約43萬m3，常態(tài)混凝土約212.0萬m3），混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)置在左岸大壩軸線上游約1.2km，要求高溫季節(jié)混凝土出機(jī)口溫度為14℃。目前工程局選型的混凝土骨料制冷系統(tǒng)滿足了高溫期混凝土澆筑高峰月強(qiáng)度約9萬m3的供應(yīng)，順利完成了左岸工程的主體施工，方案經(jīng)濟(jì)成效顯著，為同類工程的設(shè)備選型管理提供了經(jīng)驗(yàn)。