葛運江，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開始NH3/CO2制冷系統(tǒng)的研究，并于 2009年建造了國內第一個NH3/CO2應用項目。隨著R22等HCFCs類工質逐步退出歷史舞臺，以歐盟、日本等發(fā)達國家為代表，積極倡導以NH3和CO2等自然工質作為最終替代工質使用。國際、國內多年試驗和成熟的系統(tǒng)運行表明：NH3/CO2制冷系統(tǒng)具有不可比擬的安全和節(jié)能優(yōu)勢。

1 工質分析

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

1.1 重新認識氨（NH3）工質

氨屬于自然工質，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。氨氣是一種具有強烈刺激和窒息性的氣體，按現行國家標準《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級》[1]（GB 5044-1985）的有關規(guī)定，氨屬于Ⅳ級輕度危害的有毒物質，同時氨在空氣中含量達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，通常采用氨工質的項目，每個獨立系統(tǒng)的氨充注量不超過500 kg。

我國現有氨的部分規(guī)范、規(guī)定如下。

1）《危險化學品重大危險源辨識》[2]（GB 18218-2009）的有關規(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《危險化學品重大危險源分級方法》[3]中的計算方式計算重大危險源分級，計算公式如式(1)所示。根據《中華人民共和國安全生產法》[4]和《危險化學品安全管理條例》[5]等有關法律、行政法規(guī)，須定期進行辨識、安全評估及分級。

2）《冷庫設計規(guī)范》[6]（GB 8163-2010）的有關規(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超過40,000 kg”；“包裝間、分割間、產品整理間等人員較多房間的空調嚴禁采用氨直接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)”。

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

單位氨工質價格：每噸 NH3市場參考價格約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，制冷效率低于NH3。1995年的維也納會議規(guī)定發(fā)達國家 2020年停止使用（歐盟則提前至 2015年）；發(fā)展中國家 2030年實現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，對大氣產生污染，并在有明火的情況下會產生光氣，光氣是一種劇毒化學品，曾在二戰(zhàn)時期被日軍作為化學武器。

單位工質價格：每噸 R22市場參考價格約17,000元。

1.3 價格高昂且GWP值高的替代工質R404、R507

目前市場上普遍采用R404A或R507工質替代R22，這兩種工質熱力學性能與R22相似，制冷效率均低于NH3。部分壓力容器設計壓力要比R22高，并且冷凍油需用POE多元醇酯潤滑劑，后期維護費用高。

無論R404A或R507哪一種新工質，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，其前景亦不容樂觀。

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

1.4 天然工質二氧化碳（R744，CO2）

CO2是一種安全、無毒、不可燃的純天然工質，對人對貨品無任何危害，火災時若產生CO2泄漏，CO2本身不污染大氣，同時起到滅火劑的作用。

CO2本身具有以下良好的熱力特性：

1) CO2是自然工質，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) 價格低廉，易于獲得；

6) 良好的化學穩(wěn)定性，相關材料化學反應少。

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。

單位工質價格：每噸 CO2（99.9%純度）市場參考價格約1,000元至2,000元。

2 NH3/CO2系統(tǒng)特點

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

1) 安全：NH3工質充注量少且被限制在制冷機房范圍內，約是常規(guī)氨系統(tǒng)充注量的10%；CO2工質在人員密集區(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：在低溫領域，如蒸發(fā)溫度-42 ℃/冷凝溫度+35 ℃，NH3/CO2復疊制冷系統(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（NH3/CO2），是全球制冷行業(yè)倡導的自然工質之一。

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

1.2 NH3/CO2適用項目

NH3/CO2制冷系統(tǒng)非常適合人員密集區(qū)內有制冷需求的項目，如單凍機、加工區(qū)內的凍結間、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充注量較大的項目。

圖1 NH3/CO2復疊制冷系統(tǒng)

3 項目應用分析

3.1 某20,000噸低溫物流庫項目

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

3.1.1 氨系統(tǒng)的工質充注量和COP

本項目室溫要求-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，若本項目全部采用氨工質，僅頂排管氨充注量約為34.3 t，機房低壓循環(huán)桶和貯液器等設備及管路的充注量約(5～8) t，因此系統(tǒng)總充注量約 40 t，按照冷庫設計規(guī)范須劃分為2個獨立系統(tǒng)，會使業(yè)主操作管理不便，工程造價上升；通過系統(tǒng)調整或優(yōu)化（如將部分排管換為冷風機等），可將系統(tǒng)總充注量降至40 t以下，但仍大于 10 t，按照重大危險源識別的計算辦法，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 ℃）計算蒸發(fā)后的工質氣態(tài)容積：

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

氨主機采用帶經濟器系列螺桿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側總充注量僅為2至3噸，不再納入重大危險源識別范疇；物流庫的規(guī)模越大越適合CO2系統(tǒng)，據測算一個 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 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 某加工間單凍機制冷項目

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

圖2 NH3/CO2復疊制冷系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)安全分析

2013年，因氨的單凍機沖霜違規(guī)操作引發(fā)的安全事故較多，并伴有重大傷亡事故，嚴格來說，包括氟工質在內的任何工質大量泄漏都會對密閉空間內的人員構成危害，如 R22、R404、R507等氟工質泄漏時，液體直接蒸發(fā)成氣態(tài)，快速降低密閉空間內的氧氣濃度，直接危害人身安全。CO2應用于單凍機系統(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；二是壓力超過3.5 MPa的氣體泄漏時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間，不會使人員產生中毒昏迷、致死現象，須注意干冰升華過程中，皮膚直接接觸到干冰的人員會產生局部凍傷，CO2制冷系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模泄漏時對人和貨物產生的微小危害幾乎可忽略。

模擬某食品加工項目中單凍機蒸發(fā)器內工質完全泄漏進行空間的濃度計算：示例 2 T/h雙螺旋單凍機（T0=-42 ℃）兩臺，單凍機布置在加工間內，加工間約1,300 m2，總容積約4,500 m3，室內溫度+12 ℃。單凍機的冷風機（含單凍機集管）總容積約為 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，質量為 0.864÷0.04108 ≈ 21 kg。當發(fā)生特殊事故引起較大泄漏時，系統(tǒng)泄漏的CO2液體首先變成干冰，在低溫低風速的環(huán)境下，干冰升華很緩慢，并使周圍溫度進一步降低，有試驗表明干冰置于保溫箱內，一天才能完全升華，單凍機內泄漏產生的CO2干冰類似于將干冰置于大保溫箱內。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機總液量10%的干冰升華計算，在標準大氣壓下的CO2氣體比容0.5455 m3/kg(按照20 ℃時取值，實際略低于該值)，則該加工間內 CO2體積為(2,267×10%+21)×0.5455≈135 m3，約占總空間比例3%，未達到10%的濃度傷害臨界值，且積聚在空間下部，不會使加工間內人員產生中毒現象。

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)和密閉庫房均設有CO2檢測裝置，當空間濃度達到設定值時進行預警處理。

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其數，尚未有因使用干冰對人員造成傷害的相關報道。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，當夜間或休息日系統(tǒng)停止運行時，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。不會出現一旦停止使用即要開啟維持機組降壓的情況。冰輪承建的豐潤食品CO2系統(tǒng)已運行近5年，該系統(tǒng)在完全停止運行約5天后，系統(tǒng)壓力才會升至最低維持機組開啟壓力。煙臺冰輪所產所有CO2設備設計壓力為3.9 MPa以上，試驗壓力4.5 MPa以上，且CO2系統(tǒng)設有四級壓力安全保護。通常情況很少有廠家在5天內完全斷電停運，如果項目所在園區(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），那么完全可不單獨設維持機組，即使系統(tǒng)完全停運超過 5天后的壓力升至設定值時，氨側主機短時間自動開啟進行降壓即可。如因經營原因造成系統(tǒng)很長時間（半年或以上）停運，則建議將CO2工質直接排放即可，CO2價格每噸約1,000元，由此造成的費用也很小。

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

當上述示例的單凍機項目采用氨配打雙級時，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。

當采用NH3/CO2復疊系統(tǒng)，低溫級二氧化碳主機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) 介質的腐蝕問題：氯化鈣溶液對碳鋼管道的腐蝕作用較強，容易使系統(tǒng)管道、末端蒸發(fā)器泄漏（若采用不銹鋼材質的管道，將使系統(tǒng)造價大幅上升）。

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)同等技術條件下，額外耗能超過30%。

4 結束語

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目，涉及物流、禽類加工、制冰、調理食品和水產等多個行業(yè)，其中所承接的豐潤、獐子島項目和威海華信等項目均已投產一年以上，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。

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

[2] GB 18218-2009. 危險化學品重大危險源辨識[S].

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

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

[5] 中國政府網. 危險化學品安全管理條例[EB/OL].http://www.gov.cn/flfg/2011-03/11/content_1822902.htm.

[6] GB 8163-2010. 冷庫設計規(guī)范[S].

[7] 質檢總局特種設備局. 關于氨制冷裝置特種設備專項治理工作的指導意見[EB/OL]. http://tzsbaqjcj.aqsiq.gov.cn/tzwj/sjfh/201312/t20131230_392479.htm.