氨制冷系統(tǒng)節(jié)能與安全技術(shù)

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(nèi)外環(huán)境保護(hù)意識的提升，依據(jù)《蒙特利爾議定書》和《中國消耗臭氧層物質(zhì)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(jù)《基加利修正案》要求針對于中國在內(nèi)的發(fā)展中國家，將18種具有高全球變暖潛能值的HFCs物質(zhì)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(zhì)及其混合物都將在《基加利修正案》框架下進(jìn)行削減。隨著國內(nèi)“雙碳”相關(guān)政策的落地，對于制冷空調(diào)行業(yè)的低碳和節(jié)能發(fā)展會逐步提出更高的要求，整個(gè)行業(yè)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(huán)境而受控，行業(yè)內(nèi)開始重新評價(jià)和應(yīng)用自然環(huán)保的制冷劑。

氨為自然制冷工質(zhì)，尤其在工業(yè)制冷領(lǐng)域，選用氨作為制冷劑是綠色環(huán)保、節(jié)能高效的方式。氨應(yīng)用于制冷系統(tǒng)的優(yōu)勢包括：

1)環(huán)保。氨是由天然氣體氮?dú)夂蜌錃夂铣芍迫?，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(zhì)的ODP為零，但GWP很高，以R507A為例，1 kg制冷劑的CO2當(dāng)量為3 990[1]。

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

3)蒸發(fā)潛熱值大。在-30 ℃時(shí)氨的汽化潛熱是R507A的7.3倍。

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

5)自報(bào)警功能。氨具有刺激性氣味，當(dāng)空氣中氨氣濃度達(dá)到5×10-6時(shí)，人通過嗅覺可以覺察到，可以采取相應(yīng)的措施進(jìn)行維護(hù)。而對于氟利昂系統(tǒng)，均為無色無味氣體，少量泄漏很難被察覺，不僅破壞環(huán)境，當(dāng)泄漏量達(dá)到一定程度后，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性會造成不利影響。

6)化學(xué)穩(wěn)定性好。氨作為單一組分工質(zhì)其化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于氟利昂制冷劑，尤其是低溫適用的氫氟烴類工質(zhì)幾乎均為多組分制冷劑構(gòu)成，若混合制冷劑組分發(fā)生變化，會出現(xiàn)溫度滑移現(xiàn)象，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

7)價(jià)格低廉。無論從制冷劑價(jià)格本身還是相應(yīng)的制冷設(shè)備價(jià)格，氨制冷系統(tǒng)的造價(jià)與氟利昂或CO2制冷系統(tǒng)相比均有一定優(yōu)勢。氨作為制冷系統(tǒng)的制冷劑在環(huán)保、節(jié)能、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面均有很大優(yōu)勢。

A. K. Vuppaladadiyam等[2]總結(jié)了制冷劑的開發(fā)和使用進(jìn)展以及意外的環(huán)境后果，結(jié)果表明，氨作為制冷劑具有價(jià)格低廉、對環(huán)境友好、效率高等特點(diǎn)，可作為未來制冷劑使用，但在危險(xiǎn)、潛在爆炸等方面需要加強(qiáng)研究。需注意的是氨在國內(nèi)屬于危險(xiǎn)化學(xué)品監(jiān)管目錄內(nèi)的物質(zhì)，對氨制冷系統(tǒng)的使用要求較嚴(yán)格，因此如何使氨制冷系統(tǒng)更加高效、安全，為行業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”提供更好的選擇是本文研究的主要內(nèi)容。

1 氨系統(tǒng)的節(jié)能分析

近年來，行業(yè)內(nèi)針對氨制冷系統(tǒng)節(jié)能進(jìn)行了大量研究。劉順等[3]以單級氨制冷理論循環(huán)為例，認(rèn)為過冷對制冷循環(huán)總是有利的，過冷度越大，則越節(jié)能；并對某新建氨制冷循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行Aspen模擬，結(jié)果顯示，與無過冷的氨制冷系統(tǒng)相比，氨壓縮機(jī)功耗降低8.4%。韓娟娟[4]提出增設(shè)經(jīng)濟(jì)器后，制冷量提高的本質(zhì)是制冷劑過冷度增加，并通過 HYSYS 模擬在一定工況下增加經(jīng)濟(jì)器后，制冷量提高21.24%，壓縮機(jī)多做功18.62%，系統(tǒng)效率提升。張文順[5]對某啤酒廠氨制冷系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能研究，通過改變末端冷卻方式、工藝改造、錯(cuò)峰用電和儲冷技術(shù)結(jié)合、選用高效冷凝器等方法進(jìn)行節(jié)能改造，研究發(fā)現(xiàn)，在同等設(shè)計(jì)參數(shù)下，壓縮機(jī)可減少10%能耗，風(fēng)機(jī)功率和水泵功率僅為之前的1/3和1/4，節(jié)能效果顯著。邱錦光[6]研究發(fā)現(xiàn)同等工況下，兩次節(jié)流制冷循環(huán)與一次節(jié)流制冷循環(huán)相比，單位質(zhì)量制冷量提高2.0%，理論制冷系數(shù)提高1.3%。張建一[7]通過分析英國某冷庫發(fā)現(xiàn)，采用冷風(fēng)機(jī)、取消高壓貯液桶、中間冷卻器與高壓級循環(huán)桶合并、盡量縮短管道長度等技術(shù)，可使系統(tǒng)的充氨量大幅減少，安全性大幅提高；通過采用自動(dòng)化控制、高效熱氨融霜、回收余熱加熱地坪、冷風(fēng)機(jī)合理配置等新技術(shù)，可以顯著提高運(yùn)行能效。

1.1 氨制冷壓縮機(jī)節(jié)能

目前國內(nèi)大多數(shù)氨制冷壓縮機(jī)具備無級能量調(diào)節(jié)節(jié)能技術(shù)，同時(shí)隨著變頻技術(shù)和智能控制技術(shù)的應(yīng)用，壓縮機(jī)節(jié)能效果顯著提高。以常規(guī)大型冷庫項(xiàng)目為例，制冷壓縮機(jī)運(yùn)行能耗約占制冷系統(tǒng)總能耗的80%，所以壓縮機(jī)的節(jié)能至關(guān)重要，合理降低冷凝溫度及盡量縮小蒸發(fā)側(cè)的傳熱溫差，均有助于壓縮機(jī)節(jié)能運(yùn)行。氨制冷劑一般應(yīng)用于中、大型制冷系統(tǒng)項(xiàng)目中，在相同條件下，依據(jù)某國外壓縮機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算，在冷凝溫度相同，蒸發(fā)溫度在-35～0 ℃，對比氨與R507A制冷壓縮機(jī)的能效值，蒸發(fā)溫度在-20 ℃以上均采用單級壓縮，蒸發(fā)溫度在-20 ℃以下均采用單級帶經(jīng)濟(jì)器壓縮，發(fā)現(xiàn)在相同條件下，氨制冷壓縮機(jī)的COP(coefficient of performance)均大于R507A制冷壓縮機(jī)，高約10%以上，最高能效差值達(dá)到20%。

1.2 蒸發(fā)式冷凝器節(jié)能

冷凝器是蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)的4大部件之一，冷凝形式選擇直接關(guān)系到制冷系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。氨制冷系統(tǒng)的冷凝方式有很多種，包括水冷式冷凝、風(fēng)冷式冷凝、蒸發(fā)式冷凝等。蒸發(fā)式冷凝器運(yùn)行原理如圖1所示。與水冷式冷凝相比，顯著節(jié)約水資源。采用蒸發(fā)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(fā)式冷凝器制冷系統(tǒng)與風(fēng)冷式冷凝器制冷系統(tǒng)相比，壓縮機(jī)動(dòng)力消耗可節(jié)約30%以上，與冷卻塔水冷式冷凝器制冷系統(tǒng)相比，壓縮機(jī)動(dòng)力消耗可節(jié)約10%以上[9]。

圖1 蒸發(fā)式冷凝器原理

實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，同一制冷系統(tǒng)采用蒸發(fā)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(jī)的運(yùn)行能耗可降低2%～3%，因此采用蒸發(fā)式冷凝器可以有效降低制冷系統(tǒng)的整體運(yùn)行能耗。一般而言，蒸發(fā)式冷凝器冷凝溫度與當(dāng)?shù)貪袂驕囟鹊牟钪挡灰顺^8 ℃。需要注意的是，蒸發(fā)式冷凝器在長期使用的同時(shí)要考慮水質(zhì)造成的換熱盤管表面結(jié)垢對傳熱效率降低的影響，在系統(tǒng)中宜設(shè)置水處理設(shè)備，以保障蒸發(fā)式冷凝器內(nèi)換熱盤管一直處于高效換熱狀態(tài)。對于含有填料的蒸發(fā)式冷凝器，填料物易損壞和老化，定期檢查和更換蒸發(fā)式冷凝器內(nèi)填料可保障設(shè)備高效運(yùn)行。

1.3 冷熱聯(lián)供

無論采用何種制冷方式，制冷系統(tǒng)排出的熱量若不加以利用會造成浪費(fèi)。可以應(yīng)用冷熱聯(lián)供技術(shù)將制冷壓縮機(jī)排放的熱進(jìn)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(jī)組裝置將制冷壓縮機(jī)排放的廢熱品位提升。在實(shí)際運(yùn)行中，采用冷熱聯(lián)供技術(shù)不但可以節(jié)省制冷側(cè)冷凝所需的能耗，同時(shí)可以通過回收的廢熱提高制熱側(cè)的能效。例如國家雪車雪橇中心項(xiàng)目采用的冷熱聯(lián)供技術(shù)，將制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的廢熱進(jìn)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(dá)5.0以上。與電鍋爐制熱系統(tǒng)相比，COP提高至少5倍，同時(shí)節(jié)省了制冷系統(tǒng)冷凝側(cè)的耗水量，對于系統(tǒng)節(jié)能、低碳運(yùn)行效果顯著。該冷熱聯(lián)供系統(tǒng)原理如圖2所示，所使用的高效氨熱泵機(jī)組設(shè)備如圖3所示。

圖2 冷熱聯(lián)供系統(tǒng)原理

圖3 氨熱泵機(jī)組裝置

1.4 變頻技術(shù)

對于大型制冷系統(tǒng)而言，對壓縮機(jī)等主要耗能設(shè)備采用變頻技術(shù)可以提高系統(tǒng)節(jié)能性，尤其在部分負(fù)荷情況下，節(jié)能效果顯著。以Grasso氨用螺桿壓縮機(jī)為例，在-18 ℃/35 ℃工況、100%負(fù)荷情況下，其COP約為3.3；在50%負(fù)荷情況下，與滿負(fù)荷狀態(tài)相比COP降低約20%；在20%負(fù)荷情況下，與滿負(fù)荷狀態(tài)相比，制冷能效降低約50%，所以在部分負(fù)荷的情況下，機(jī)組的COP會大幅降低。采用變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，通過控制壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)對壓縮機(jī)能級的調(diào)節(jié)，提高機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行情況下的能效。在大型制冷系統(tǒng)中，尤其對于能耗較大以及受負(fù)荷變化影響較大的設(shè)備，科學(xué)合理的應(yīng)用變頻技術(shù)對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性、節(jié)能性效果顯著。對于存在負(fù)荷波動(dòng)的制冷系統(tǒng)，在同一蒸發(fā)溫度系統(tǒng)中，宜至少設(shè)置1～2臺變頻驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)組，將變頻技術(shù)和壓縮機(jī)智能群控技術(shù)相結(jié)合，會有效降低壓縮機(jī)組的能耗，同時(shí)可以提高機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。對于制冷系統(tǒng)的冷凝器側(cè)以及制冷劑泵側(cè)，采用變頻技術(shù)也可提高制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能性。

1.5 自動(dòng)化智能控制

一般情況下，每套制冷系統(tǒng)都是根據(jù)一定的邊界條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，但在實(shí)際運(yùn)行過程中，工況隨著邊界條件的變化會相應(yīng)變化，設(shè)計(jì)值或理論計(jì)算值和實(shí)際運(yùn)行的數(shù)值會有一定偏差。因此自動(dòng)化智能控制對于制冷系統(tǒng)保持高效穩(wěn)定運(yùn)行十分必要。通過自動(dòng)化智能控制可使系統(tǒng)溫度、壓力、流量等重要參數(shù)一直處于最優(yōu)狀態(tài)，有效提高系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行效果。目前對于自動(dòng)化控制而言，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程/本地手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，已在行業(yè)中廣泛應(yīng)用。但當(dāng)制冷系統(tǒng)各種信號進(jìn)行反饋的同時(shí)，制冷系統(tǒng)的狀態(tài)同時(shí)又發(fā)生了變化，因此需要讓自動(dòng)化變的更加智能，通過運(yùn)行數(shù)據(jù)的不斷豐富，使其能夠預(yù)測制冷系統(tǒng)下一步狀態(tài)從而做出最合適的調(diào)整。自動(dòng)化智能控制使制冷系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中，依靠邊界條件的變化，將系統(tǒng)始終運(yùn)行在設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)范圍之內(nèi)，不僅有利于制冷系統(tǒng)的節(jié)能，同時(shí)最大程度的降低人為手動(dòng)誤操作風(fēng)險(xiǎn)，對制冷系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性也有極大的幫助。

2 氨系統(tǒng)的安全分析

近年來，行業(yè)內(nèi)針對氨制冷系統(tǒng)安全方面進(jìn)行了大量研究。楊一凡[10]認(rèn)為目前國內(nèi)氨制冷企業(yè)現(xiàn)存的核心問題包括設(shè)計(jì)資質(zhì)監(jiān)管不嚴(yán)、冷庫設(shè)計(jì)不規(guī)范、壓力容器購買不正規(guī)、不具備施工資質(zhì)的施工單位施工、施工不規(guī)范、不按照設(shè)計(jì)進(jìn)行施工等方面。同時(shí)他指出涉氨制冷企業(yè)事故發(fā)生的主要原因包括硬件設(shè)施安全問題、企業(yè)安全管理問題、專業(yè)人員的增長趕不上行業(yè)的發(fā)展速度、相關(guān)培訓(xùn)工作較為滯后、制冷操作工非專業(yè)人士、無證操作等方面。王素娟等[11]將食品行業(yè)液氨制冷系統(tǒng)按壓力分為5個(gè)節(jié)點(diǎn)并分別進(jìn)行危險(xiǎn)與可操作性分析(hazard and operability study，HAZOP)，結(jié)果表明目前食品行業(yè)缺乏設(shè)計(jì)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)是造成風(fēng)險(xiǎn)的最大原因。丁無極等[12]通過對安全事故分析，認(rèn)為冷庫建設(shè)安全監(jiān)管缺位、冷庫安裝未按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工驗(yàn)收、焊接質(zhì)量存在缺陷、必備安全部件和設(shè)施缺失或失效、閥門選用不規(guī)范、泄漏嚴(yán)重等是造成事故的原因。A. C. Pachai等[13]認(rèn)為通過減少氨系統(tǒng)充注量、采用制冷系統(tǒng)自動(dòng)化控制技術(shù)、加強(qiáng)制冷劑閥門的設(shè)計(jì)和維護(hù)、加強(qiáng)容器和管道的防腐蝕、加強(qiáng)運(yùn)維人員的學(xué)習(xí)等方法可以提高氨制冷系統(tǒng)的安全性。王健等[14]分析了氨系統(tǒng)冷庫事故的主要原因，認(rèn)為不規(guī)范的設(shè)計(jì)建設(shè)、超期使用的閥門設(shè)備、安全設(shè)施的缺乏、非專業(yè)的操作工的操作、涉氨制冷企業(yè)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(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)備特點(diǎn)，提出了小型氨制冷機(jī)組的風(fēng)險(xiǎn)評估方法，并基于該方法開發(fā)了小型氨制冷機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)，該風(fēng)險(xiǎn)評估方法和系統(tǒng)可為冷庫管理提供科學(xué)依據(jù)，減少泄漏事故的風(fēng)險(xiǎn)。S.J.Kang等[16]提出了在氨制冷系統(tǒng)發(fā)生泄漏事故時(shí)，計(jì)算個(gè)人危險(xiǎn)度和社會危險(xiǎn)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(yù)防事故的發(fā)生。

2.1 低充注量技術(shù)

自2013年，國內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)多起由于氨泄漏導(dǎo)致的冷庫和食品加工廠惡性事故，隨即國內(nèi)開始全面進(jìn)行涉氨企業(yè)的梳理和整治。行業(yè)內(nèi)均認(rèn)同科學(xué)的降低系統(tǒng)內(nèi)液氨充注量是保障氨制冷系統(tǒng)安全的有效措施之一。M. R. K?rn等[17]通過對傳統(tǒng)的浸沒式直列翅片蒸發(fā)器的研究，優(yōu)化換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)之間的相互作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過減小管徑、增加排管數(shù)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(tǒng)的氨制冷系統(tǒng)，提出了分布式超低氨充注量制冷機(jī)組，研究表明，與傳統(tǒng)的氨制冷系統(tǒng)相比，可以減少98%以上的氨充注量，系統(tǒng)能耗降低7%，系統(tǒng)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(fēng)冷冷水機(jī)組，通過微通道冷凝器、單級油分離器等技術(shù)，得出可使系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)循環(huán)倍率，可將充注量減少75%～80%，同時(shí)，通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和對變頻技術(shù)的使用，可將系統(tǒng)效率提高67%。近年來，國內(nèi)對液氨的使用和監(jiān)管沒有放松，但無論從政府部門、監(jiān)管單位以及使用方，對于大型工業(yè)制冷系統(tǒng)，各方逐漸意識到氨作為制冷劑是可持續(xù)發(fā)展的。在保障制冷系統(tǒng)能效盡可能不降低的情況下，就如何科學(xué)的降低液氨的充注量，需要科學(xué)合理的對制冷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。目前降低系統(tǒng)液氨充注量的方式主要有：

1)采用氨/CO2等復(fù)合式制冷系統(tǒng)，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(shè)備并應(yīng)用新型的氣液分離技術(shù)，不但可以縮小傳熱溫差，同時(shí)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(shù)或分布式模塊裝置技術(shù)，均可有效降低系統(tǒng)內(nèi)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(jì)(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(tǒng)的氨泵多倍供液制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)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(tǒng)，如圖4所示，系統(tǒng)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(fù)合式制冷系統(tǒng)，換熱設(shè)備采用傳統(tǒng)的殼管式換熱器，系統(tǒng)中需要液氨的充注量約為7 t，充注量比傳統(tǒng)氨制冷系統(tǒng)可降低70%以上；若采用氨/CO2載冷式制冷系統(tǒng)，換熱設(shè)備采用低充注高效換熱裝置，如圖5所示，系統(tǒng)中液氨的充注量約為4.5 t，充注量比傳統(tǒng)氨泵多倍供液制冷系統(tǒng)可降低80%以上。

圖4 氨直接膨脹式系統(tǒng)

圖5 氨/CO2載冷系統(tǒng)

2.2 減少或取消高壓容器

對于傳統(tǒng)氨制冷系統(tǒng)，高壓側(cè)一般至少有高壓儲液器和虹吸罐設(shè)備。高壓儲液器是將氨制冷系統(tǒng)冷凝下來的液氨進(jìn)行存儲，根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)荷需求，由高壓儲液器提供所需液氨，系統(tǒng)中大部分的氨液都是在系統(tǒng)高壓側(cè)存儲，存在一定的安全隱患。通過高壓機(jī)械浮球裝置替代高壓儲液器，不但可以減少系統(tǒng)中的壓力容器，同時(shí)可以極大降低高壓側(cè)的氨液儲量，系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，可以做到高壓側(cè)幾乎不存液。無高壓儲液器的工質(zhì)油冷卻系統(tǒng)如圖6所示。虹吸罐設(shè)備主要功能是為壓縮機(jī)組中的潤滑油冷卻降溫，以保障壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中潤滑油一直處于合理的溫度范圍。可以通過應(yīng)用高效的氨/油換熱設(shè)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(huán)模式，將循環(huán)水中的熱量提取出來再進(jìn)行合理利用。

圖6 無高壓儲液器的工質(zhì)油冷卻系統(tǒng)

2.3 使用HAZOP方法分析系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)

危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP)，是一種結(jié)構(gòu)化與系統(tǒng)化的定性風(fēng)險(xiǎn)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(dǎo)致的不可接受的風(fēng)險(xiǎn)狀況。對于氨制冷系統(tǒng)，通過研究氨制冷工藝管線和儀表圖、帶控制點(diǎn)的工藝流程圖或三維模型，重點(diǎn)分析由管路、閥門元件或設(shè)備操作可能會引發(fā)潛在事故，依據(jù)HAZOP所需的相關(guān)文件，分析每一個(gè)偏差的原因及后果，利用風(fēng)險(xiǎn)矩陣評估后果嚴(yán)重性及事件發(fā)生的可能性，然后分析此偏差采取的現(xiàn)有安全保護(hù)措施是否滿足可接受風(fēng)險(xiǎn)要求。氨制冷系統(tǒng)已經(jīng)是很成熟的制冷系統(tǒng)，但隨著國內(nèi)快速的建設(shè)及項(xiàng)目規(guī)模偏大等特點(diǎn)，部分氨制冷系統(tǒng)仍存在一定的安全隱患。HAZOP分析方法是一種提前預(yù)判事故發(fā)生可能性的科學(xué)有效方法，通過采用HAZOP分析方法可以從前期氨制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段到后期的系統(tǒng)運(yùn)維階段對系統(tǒng)安全性進(jìn)行深入剖析，提前制定相應(yīng)的科學(xué)合理預(yù)防措施，避免事故的發(fā)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(tǒng)

國內(nèi)無論是化工行業(yè)還是食品物流行業(yè)，氨制冷系統(tǒng)規(guī)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(xiǎn)性。氨制冷系統(tǒng)為避免發(fā)生重大安全事故，安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用是安全保障的重要手段之一。安全儀表系統(tǒng)(safety instrument system，SIS)，主要為控制系統(tǒng)中報(bào)警和聯(lián)鎖部分，對控制系統(tǒng)中檢測的結(jié)果實(shí)施報(bào)警動(dòng)作或調(diào)節(jié)或停機(jī)控制，是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要組成部分。尤其對于構(gòu)成重大危險(xiǎn)源的項(xiàng)目，設(shè)置SIS可有效降低氨制冷系統(tǒng)的事故風(fēng)險(xiǎn)。對于氨制冷系統(tǒng)，緊急停車系統(tǒng)和氨氣探測系統(tǒng)對于系統(tǒng)安全起到至關(guān)重要的作用，均宜配備獨(dú)立SIS，是防止氨制冷系統(tǒng)發(fā)生惡性事故的有效措施。對于液位超高開關(guān)以及壓力超高開關(guān)等其他重要部分可根據(jù)系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)要求來確定是否需要配備SIS。SIS只是事故預(yù)防保護(hù)措施中的一環(huán)，要根據(jù)工藝特點(diǎn)，科學(xué)的進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，合理進(jìn)行安全功能分配，平衡好各保護(hù)層的分配比重，以更好的實(shí)現(xiàn)氨制冷裝置安全運(yùn)行。圖8所示為某氨制冷系統(tǒng)項(xiàng)目安全儀表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D，圖9所示為某氨制冷系統(tǒng)項(xiàng)目安全儀表系統(tǒng)平面布置。

圖8 安全儀表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

圖9 安全儀表系統(tǒng)平面布置

2.5 加強(qiáng)專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)

國內(nèi)絕大多數(shù)與氨制冷有關(guān)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(yè)技能，因操作和維護(hù)不當(dāng)引起。對于氨制冷系統(tǒng)安全，除了盡可能應(yīng)用低充注量技術(shù)及科學(xué)的安全措施外，加強(qiáng)氨制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工和后期運(yùn)維人員的專業(yè)培訓(xùn)教育，提高專業(yè)素質(zhì)和職業(yè)能力水平至關(guān)重要。到目前為止，國內(nèi)大部分氨制冷系統(tǒng)的運(yùn)維人員存在專業(yè)知識能力較低、對系統(tǒng)的日常維護(hù)和保養(yǎng)意識差、規(guī)章制度實(shí)際落實(shí)不到位、崗位職責(zé)不健全等問題，是氨制冷系統(tǒng)安全性的薄弱點(diǎn)。通過專業(yè)的日常巡檢和科學(xué)的維護(hù)保養(yǎng)，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(tǒng)操作制度和涉氨制冷崗位安全操作規(guī)程外，企業(yè)還應(yīng)建立科學(xué)有效的應(yīng)急預(yù)案，定期進(jìn)行應(yīng)急演練，倘若出現(xiàn)氨泄漏事故，以最快的速度找到泄漏點(diǎn)并進(jìn)行有效控制，最大限度減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，將事故危害降至最低。若安全意識不到位，同時(shí)沒有足夠的專業(yè)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(jié)論

對于氨制冷節(jié)能方面，在相同工況下，氨制冷壓縮機(jī)比R507A制冷壓縮機(jī)能效高；采用蒸發(fā)式冷凝器、變頻技術(shù)均可有效降低系統(tǒng)的運(yùn)行能耗；冷熱聯(lián)供技術(shù)可以提高系統(tǒng)綜合能效，降低系統(tǒng)對大氣環(huán)境的碳排放；自動(dòng)化智能控制技術(shù)可以科學(xué)的使制冷系統(tǒng)在最優(yōu)工況下運(yùn)行，節(jié)能效果顯著。

對于氨制冷安全方面，采用科學(xué)的低充注量技術(shù)、盡可能減少或取消高壓容器、對氨制冷系統(tǒng)采用危險(xiǎn)與可操作性分析方法分析系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)、科學(xué)合理的應(yīng)用安全儀表系統(tǒng)均可有效提高氨制冷系統(tǒng)的安全性；加強(qiáng)氨制冷系統(tǒng)相關(guān)人員的專業(yè)培訓(xùn)和教育，提高系統(tǒng)運(yùn)維人員專業(yè)素質(zhì)和職業(yè)能力是保障氨制冷系統(tǒng)安全的有效措施。

從環(huán)保性、穩(wěn)定性、節(jié)能性等多方面綜合考慮，在工業(yè)制冷領(lǐng)域中，目前還沒有一種制冷劑可替代“氨”，如何更科學(xué)、更安全的應(yīng)用“氨”制冷劑是行業(yè)內(nèi)需要重點(diǎn)研究的方向之一。